DE3813187C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von geschich­ tetem Material aus Kunststoff, aus mit Kunststoff kaschiertem Papier oder dergleichen mit kontinuier­ lichem Transport des Materials während der Schweißung.
Die Verschweißung zweier flach aufeinanderliegender Schichten aus verschweißbarem Material im Stillstand durch Beaufschlagung mit Ultraschall senkrecht zur Schichtebene ist bekannt. Vorrichtungen zur Durch­ führung einer solchen Verschweißung bestehen aus einer Sonotrode und einem dieser gegenüber ange­ ordneten Amboß, die bei der Schweißung beide mit hohem Druck gegeneinandergepreßt werden. Der An­ preßdruck der Sonotrode gegen den Amboß kann 1000 N übersteigen. Mit dem entsprechenden Druck werden demzufolge auch die beiden miteinander zu ver­ schweißenden Schichten gegeneinandergepreßt. Geeig­ net für die Verschweißung im Ultraschallverfahren sind vor allem Kunststoffe oder Papierbahnen mit einer Kunststoffbeschichtung.
Aus der DE-PS 28 33 577 ist ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von flach aufeinanderliegenden Schichten aus verschweißbarem Material, zum Beispiel Kunststoff, kunststoffbeschichtetem Papier oder dergleichen bekannt, bei dem der Materialtransport während der Schweißung kontinuierlich aufrecht­ erhalten werden kann. Dies geschieht durch Neigung der Schwingungsrichtung der Sonotrode gegenüber der Normalen des geschichteten Materials entgegen der Vorschubrichtung des Materials. Entsprechend ist bei der aus dieser Druckschrift bekannten Vorrichtung die Sonotrode entgegen der Vorschubrichtung des Materials geneigt und ein Rollenamboß vorgesehen, der sich mit einer an den Vorschub des Materials angepaßten Umfangsgeschwindigkeit dreht. Der Vorschub des Materials wird durch eine zusätzliche Förder­ einrichtung bewirkt. Bekannt sind hieraus auch seitliche Leitschienen zur Führung des Materials bei seinem Transport durch die Schweißvorrichtung. Durch die Neigung der Sonotrode werden die das Material gegen den Amboß pressenden Amplitudenspitzen der Ultraschallschwingungen nur mit einer vertikal auf die Amboßberührung gerichteten Komponente wirksam, so daß zur Kompensation dieses Energieverlustes eine höhere Schwingungsenergie als bei dem noch allgemein gebräuchlichen Ultraschallschweißen im Stillstand des Materials aufzuwenden ist. Bei Anpreßdrucken für die Sonotrode von mehr als 1000 N wird der in Richtung der Normalen auf das flach geschichtet aufein­ anderliegende und miteinander zu verschweißende Material wirksame Schwingungsrichtung bevorzugt.
Aus der DE-PS 31 47 255 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von metallischen Bauteilen unter Verwendung von Ultraschall, insbesondere zum Ver­ schweißen von Solarzellenkontakten und Solarzellen­ verbindungen, bekannt. Die Sonotrode ist als ein Schweißrad mit umlaufendem Wulst ausgebildet, so daß die Sonotrode mit dem Wulst über die Bauteile kontinuierlich und ohne pulsierende Aufhebung bzw. Minderung des Anpreßdruckes zur periodisch pul­ sierenden Unterbrechung des Schweißkontaktes abrollen kann. Mit einer Riffelung dringt der Wulst in den Werkstoff an der Oberfläche des Bauteiles ein, jedoch erfolgt dadurch keine Unterbrechung des Schweiß­ kontaktes.
Die DE-OS 33 35 254 beschreibt eine Vorrichtung zum Verbinden bzw. Verdichten elektrischer Leiter. Die Sonotrode ist bei dieser Vorrichtung als ein Sternrad ausgebildet, wobei der Amboß von oben gegen den in eine kehlförmige Ausnehmung eines Vorsprunges der sternförmigen Sonotrode eingelegten elektrischen Leiter preßbar ist, so daß in einem intermittierenden Arbeitsvorgang Bauteile miteinander verschweißbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Durchführung der Ultraschallschweißung bei kontinuierlich transpor­ tiertem Material mit einer in Richtung der Normalen auf die Amboßfläche wirksamen Schwingungsrichtung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach dem Verfahren des Patentanspruches 1 eine periodische Unterbrechung des Schweißkontaktes durch pulsierende Aufhebung bzw. Minderung des Schweißdruckes vorgesehen.
Dadurch wird erreicht, daß die Schallschwingungen, wie bei der Beaufschlagung des Materials im Stillstand, senkrecht auf das Material wirken können, obwohl dieses Material bei der Schweißung kontinuierlich transportiert wird.
Die weitere Ausgestaltung dieses Verfahrens nach den Ansprüchen 2 und 3 begünstigt dessen Durchführung, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird.
Zur Durchführung dieses Verfahrens benutzt die Erfindung eine Vorrichtung, bei der entsprechend dem Stand der Technik wenigstens eine Sonotrode mit einer drehbar gelagerten Amboßrolle zusammenwirkt und Transportmittel sowie Führungen für das Material vor und hinter der durch die Lage der Sonotrode definierten Schweißstelle vorgesehen sind. Eine solche Vorrichtung ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruches 4 ausgebildet.
Bei dieser Vorrichtung werden als Amboß lediglich die Kopfflächen der Umfangsverzahnung der Amboßrolle wirksam, so daß geringe Kontaktflächen entstehen, die zu einer Reduzierung der aufzuwendenden Energie erheblich beitragen. Unter Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens beträgt der Energieaufwand für die Schweißung in einer Vorrichtung mit diesen Merkmalen weniger als 1/4 der bei herkömmlichen Schweißver­ fahren aufzuwendenden Energie.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung stellen die Merkmale des Anspruches 5 dar. In die hier beschriebenen Führungen ist die Amboßrolle ziemlich genau eingepaßt, so daß die Verzahnung bei der Drehung der Amboßrolle nur mit ihren Spitzen durch einen Schlitz in der Führung über deren Oberfläche hinausragt. Diese Führungen bewirken daher einerseits eine Vergrößerung der Masse des Amboßrades und wirken andererseits als Abstreifvorrichtung, so daß das Material nicht an den Spitzen der Verzahnung der Amboßrolle haften bleiben kann. Dazu wirkt die die Amboßrolle umkleidende Führung mit der die Sonotrode umkleidende Führung zusammen, die beide vorteilhaft im Abstand voneinander einstellbar sind, um den Spalt zwischen beiden Führungen an die Dicke des Materials anpassen zu können.
Die Ansprüche 7 bis 9 enthalten Merkmale für die vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ultraschallschweißen in Seitenansicht und
Fig. 2 in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Sonotrode 1 feststehend mit senkrechter Achse über einem drehbar gelagerten Amboß 4 angeordnet, so daß die Spitze der Sonotrode 1 dem rollenförmigen Amboß 4 etwa am Scheitelpunkt größter Nähe senkrecht gegenüberliegt. Eine Materialführung 2 umschließt die Spitze der Sonotrode 1, und eine weitere Materialführung 3 umgibt den oberen Bereich des rollenförmigen Ambosses 4. Zwischen der Spitze der Sonotrode 1 und der Amboßrolle 4 wird mittels Transportrollen 6 das zu verschweißende Material aus den beiden Schichten 7 und 8 hindurchgeführt.
Am Umfang des Amboß 4 sind in vorzugsweise gleichbleibender Teilung radial gerichtete, zahnartige Vorsprünge 9 ausgebildet, deren Umfangsfläche die Gegenfläche für die Sonotrode 1 bei der Durchführung des Schweißvorganges bildet. Beim kontinuierlichen Transport der miteinander zu verschweißenden Materialschichten 7 und 8 wälzt sich der Amboß 4 mit seinen Vorsprüngen 9 an der zugewendeten Materialschicht 7 ab. Die Vorsprünge 9 kommen dabei schrittweise nacheinander einzeln in eine Position, in der sie mit ihrer Stirnfläche der Sonotrode gegenüberliegen. Bei angetriebener Dreh­ bewegung des Ambosses 4 können die jeweils benach­ barten Vorsprünge 9 zum Transport der Material­ schichten 7 und 8 herangezogen werden. Durch diese Ausbildung wird die gesamte Schweißenergie temporär auf eine kleine Fläche konzentriert, wodurch eine sehr feste Verbindung der beiden Schichten 7 und 8 erfolgt. Die Kontur der Vorsprünge 9 kann in Abhängigkeit der zu verschweißenden Materialien gestaltet werden. Bei physikalisch gleichgeordneten Materialien ist nur eine kleine Fläche zum Verschweißen erforderlich, so daß in diesem Fall eine sehr hohe Energie auf eine kleine Fläche konzentriert ist. Bei unterschiedlichen Materialien oder beschichteten Materialien kann die Stirnfläche der Vorsprünge 9 entsprechend vergrößert werden.
Die miteinander zu verschweißenden Schichten 7 und 8 des Materials werden an der Schweißstelle durch die Führungen 2 und 3 stabilisiert, so daß sie in sicherer Aufeinanderlage durch den Schweißbereich geführt werden. Die Führung 2 umschließt die Spitze der Sonotrode 1, und entsprechend eng umgibt auch die Führung 3 den oberen Bereich der Amboßrolle 4, so daß die Vorsprünge 9 nur einen Schlitz der die Führungsbahn für das zu verschweißende Material bildenden Oberfläche der Führung 3 durchgreifen. Der Abstand der Führungen 2 und 3 voneinander ist einstellbar, um eine Anpassung an unterschiedliche Schichtdicken vornehmen zu können. Anstelle der auf der Zeichnung dargestellten geraden Führung der Schichten 7 und 8 können die einander mit einem Abstand entsprechend der Dicke der beiden Schichten 7 und 8 gegenüberliegenden Oberflächen der Führungen 2 und 3 auch leicht gekrümmt ausgebildet sein, um den Schweißvorgang zu begünstigen, wobei der größere Vorteil einer konvexen oder einer konkaven Krümmung empirisch ermittelt werden kann. Die Führungen 2 und 3 wirken gleichzeitig als Abstreifer. Sofern unterschiedliche Schichtdicken stark plastifizieren, werden Kunststoffreste, insbesondere durch die Führung 3, von den Vorsprüngen 9 des Ambosses 4 abgenommen. Sehr kleine Vorsprünge 9 mit entsprechend punktförmigen Schweißflächen werden vorteilhaft am Umfang eines Flansches ausgebildet, der sich radial am Umfange einer sonst sehr massiv ausgebildeten Amboßrolle erstreckt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Ultraschallschweißen von geschich­ tetem Material aus Kunststoff, aus mit Kunststoff kaschiertem Papier oder dergleichen unter hohem Druck durch Ultraschallschwingungen, bei dem das Material während des Schweißens transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen des Materials aus Kunststoff oder aus mit Kunststoff kaschiertem Papier der Schweißkontakt durch Aufhebung bzw. Minderung des Anpreßdruckes periodisch pulsierend unterbrochen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkontakt durch Scheitelkontakt einer unterbrochenen Abwälzbewegung herbeigeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Schweißung leicht gekrümmt wird.
4. Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von geschichtetem Material, bei der wenigstens eine Sonotrode mit einer drehbar gelagerten Amboßrolle zusammenwirkt und Transportmittel sowie Führungen für das Material vor und hinter der durch die Lage der Sonotrode definierten Schweißstelle vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine Umfangsverzahnung der Amboßrolle aus Vorsprüngen (9) mit einer Teilung der Verzahnung, die größer ist als die Breite der Sonotrode (1) in Transportrichtung des Materials und durch Führungen (2, 3), die das Material vor und hinter der Schweißstelle zwischen sich aufnehmen und dessen Schichten (7, 8) vor der Schweißstelle in Richtung der Schwingungsamplituden glatt aufein­ anderliegend zusammenführen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Führungen (3) die Amboßrolle (4) und die Sonotrode (1) teilweise umschließen und zwischen sich einen Spalt bilden, in dem das Material geführt ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Amboßrolle (4) ein Zahnrad Verwendung findet, dessen Zähne (9) im Bereich der Schweißstelle einen Schlitz der das Zahnrad teilweise umschließenden und eine gerade Führungsbahn für das Material bildenden Führung (3) durchgreifen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand der Führungen (2, 3) voneinander einstellbar ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (9) der Amboßrolle (4) durch eine Verzahnung mit punktförmig gestalteten Zahnkopf­ flächen gebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorsprünge (9) der Amboßrolle (4) in einem Radialflansch einer im übrigen massiv ausgebildeten Amboßrolle (4) angeordnet ist.
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