DE4439284A1 - Vorrichtung und Verfahren zum fortlaufenden Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum fortlaufenden Ultraschallbearbeiten einer MaterialbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum fortlaufenden
Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn mittels einer
Ultraschallschwingeinheit und einem Gegenwerkzeug, wobei die
Materialbahn zwischen dem Gegenwerkzeug und der
Ultraschallschwingeinheit angeordnet ist und die
Ultraschallschwingeinheit einen Konverter und eine mit
diesem, ggf. über ein Amplitudentransformationsstück
verbundene Sonotrode aufweist. Die Erfindung betrifft
außerdem ein Verfahren zur Konstanthaltung der Höhe eines
Bearbeitungsspalts.
Vorrichtungen zum fortlaufenden Ultraschallbearbeiten einer
Materialbahn sind hinreichend bekannt. Bei diesen
Vorrichtungen weist die Ultraschallschwingeinheit in der
Regel einen piezoelektrischen Konverter auf, an dem direkt
oder indirekt eine Sonotrode angeordnet ist. Es kann also
zwischen dem piezoelektrischen Konverter und der Sonotrode
ein Amplitudentransformationsstück, auch Booster genannt,
vorgesehen sein. Bei derartigen Ultraschallschwingeinheiten
ist entweder das Schwingmodul in seinem Konvertergehäuse
oder das Amplitudentransformationsstück über einen Haltering
in einer Aufnahme gelagert. Diese Lagerungen befinden sich
stets in den Schwingungsknoten. In der Regel fallen jedoch
die rechnerisch ermittelten Knoten und die Orte der Lagerung
auseinander. Um zu verhindern, daß die Schwingbewegungen von
der Ultraschallschwingeinheit ungedämpft in den
Maschinenständer übertragen werden, ist die
Ultraschallschwingeinheit weich, d. h. federnd gelagert. Dies
erfolgt in der Regel über gummielastische Elemente, z. B.
O-Ringe, zwischen denen das eingespannte Element der
Ultraschallschwingeinheit aufgenommen ist.
Zur Einstellung einer optimalen Schweiß und/oder
Schneidspalthöhe zwischen der Sonotrode und dem
Gegenwerkzeug wird die Ultraschallschwingeinheit z. B.
mittels eines pneumatischen Antriebs gegen einen Anschlag
gefahren und auf diese Weise bzgl. des Gegenwerkzeugs
positioniert. Wird nun eine Materialbahn durch den Schweiß-
oder Schneidspalt geführt, dann wirkt durch die Materialbahn
als auch durch die Schweißkraft eine Reaktionskraft auf die
Sonotrode. Insbesondere bei hohen und/oder veränderlichen
Schweißkräften, hohen Bahngeschwindigkeiten und bei sich
verändernder Dicke der Bahn führt diese Reaktionskraft dazu,
daß die Sonotrode der Materialbahn ausweicht, d. h. sich vom
Gegenwerkzeug entfernt. Dies ist einerseits bedingt durch
die weiche Lagerung, andererseits durch den Pneumatikantrieb
der dann nachgibt, wenn die Reaktionskraft größer ist als
die Zustellkraft. Um diesem Ausweichen entgegenzuwirken wird
die Zustellkraft des Pneumatikantriebs weiter erhöht. Je
nach Betriebszustand besitzt also eine derartige Vorrichtung
unterschiedliche minimale und maximale Spalthöhen. Dies
führt zu nicht konstanten Schweiß und Schneidergebnissen.
Außerdem ist die Rückstellkraft und damit die
Rückstellbewegung während des Betriebs so groß, daß die Lage
der Ultraschallschwingeinheit zum Gegenwerkzeug bei
Stillstand so gewählt werden muß, daß die Sonotrode das
Gegenwerkzeug berührt. Dies führt beim An- und Abfahren der
Anlage zu einem hohen Verschleiß an der Sonotrode. Ein hoher
Verschleiß an der Sonotrode tritt außerdem auch dann ein,
wenn sich während des Betriebs keine Materialbahn zwischen
der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug befindet.
Ein weiterer erheblicher Nachteil dieser bekannten
Vorrichtung liegt darin, daß bei einer unterschiedlichen
Anzahl von Lagen unterschiedliche Anschlagpositionen
notwendig sind und somit die Vorrichtung je nach Anwendung
neu einzurichten ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der es
möglich ist, mit einem geringeren Verschleiß ein
reproduzierbar gutes Schweiß und/oder Schneidergebnis zu
erreichen, und mit derselben Maschineneinstellung bei
unterschiedlicher Lagenzahl der Materialbahn auszukommen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Ultraschallschwingeinheit im wesentlichen starr im
Maschinenständer für das Gegenwerkzeug angeordnet ist.
Durch die starre Positionierung der
Ultraschallschwingeinheit bzgl. des Gegenwerkzeugs wird
sichergestellt, daß der Schweiß- und/oder Schneidspalt eine
konstante Größe aufweist und dadurch vermieden wird, daß die
Sonotrode auf dem Gegenwerkzeug aufläuft. Ein konstanter
Schneidspalt gewährleistet auch ein reproduzierbares
Schweiß- und/oder Schneidergebnis. Bei unterschiedlicher
Lagenzahl der Materialbahn wird ein gleichbleibendes
Schweiß- und Schneidergebnis dadurch erzielt, daß das
Material im Bereich von Vertiefungen im Gegenwerkzeug in
diese ausweichen kann und die Leistungsabgabe an die
Materialbahn durch einen Ultraschallgenerator geregelt wird.
Wird eine derartige Vorrichtung an- bzw. abgefahren, dann
besteht keine Gefahr, daß die Sonotrode das Gegenwerkzeug
berührt, da aufgrund der starren Lagerung und der dadurch
bedingten konstanten Spalthöhe der Schweiß und Schneidspalt
mit Sicherheit vorgegeben ist. Während des Betriebs werden
die Reaktionskräfte von der starren Lagerung und der dadurch
bedingten konstanten Spalthöhe abgestützt.
Bei einer Ausführungsform ist der Konverter starr von einem
Konvertergehäuse aufgenommen, wobei das Konvertergehäuse
starr am Maschinenständer gehaltert ist. Eine andere
Ausführungsform sieht vor, daß die Sonotrode starr direkt
oder indirekt am Maschinenständer befestigt ist. Bei einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist das
Amplitudentransformationsstück starr am Maschinenständer
angeordnet. Diese Ausführungsformen haben gemeinsam, daß ein
Bauteil der Ultraschallschwingeinheit starr mit dem
Maschinenständer verbunden ist. Diese Befestigung befindet
sich bevorzugt am Ort eines Schwingungsknotens. Andere Orte
sind jedoch ebenfalls denkbar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Spalt
zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug einstellbar.
Hierfür ist eine Verstelleinrichtung vorgesehen, über die
die Zustellbewegung der Sonotrode erfolgen kann und mit der
der Schweißspalt exakt einstellbar ist. Diese
Verstellvorrichtung kann nach dem Einstellvorgang starr mit
dem Maschinenständer verbunden werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die
Ultraschallschwingeinheit über eine temperaturgeführte
Verstelleinrichtung starr mit dem Maschinenständer verbunden
ist. Mittels dieser temperaturgeführten Verstelleinrichtung
können temperaturbedingte Längenänderungen in der
Ultraschallschwingeinheit derart ausgeglichen werden, daß
der Schweiß- bzw. Schneidspalt eine gleichbleibende Größe
beibehält. Bevorzugt ist die Verstelleinrichtung ein
Piezoaktuator. Außerdem kann die Verstelleinrichtung die
Temperatur der Sonotrode, des Konverters und/oder des
Amplitudentransformationsstücks als Stellgröße verwenden.
Dabei ist der Verstellweg der Verstelleinrichtung so
gewählt, daß dieser, abhängig von der gemessenen Temperatur,
die temperaturbedingte Längenänderung des bzw. der Bauteile
und dadurch die Spaltenhöhenänderung ausgleicht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das
Gegenwerkzeug eine rotierende Walze. Diese Walze kann
entweder eine glatte Oberfläche aufweisen, besitzt jedoch
bevorzugt die Oberfläche überragende Schneiden bzw.
Schweißflächen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch von einem Verfahren
zur Konstanthaltung der Höhe eines Bearbeitungsspalts
zwischen einer Sonotrode und einem Gegenwerkzeug bei einer
Vorrichtung des o.g. Aufbaus gelöst, indem die
Ultraschallschwingeinheit starr am Maschinenständer fixiert
wird. Mittels diesem erfindungsgemäßen Verfahren können
Materialbahnen mit einer oder mit mehreren Lagen geschweißt
oder getrennt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist. Dabei
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Erfindung mit
temperaturgeführter Verstelleinrichtung.
In der Fig. 1 ist eine insgesamt mit 1 bezeichnete
Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden eines bahnförmigen
Materials 2 schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung weist
eine Ultraschallschwingeinheit 3 auf, die beim dargestellten
Ausführungsbeispiel aus einem Schwingmodulgehäuse 4 mit
einem piezoelektrischen Schwingmodul 5 sowie einer Sonotrode
6 besteht. Das piezoelektrische Schwingmodul 5 ist mit einem
Flansch 7 versehen, der in das Konvertergehäuse 4 mittels
eines Spannrings 8, der bei 9 verschraubt ist, einspannbar
ist. Der Flansch 7 befindet sich am Ort eines
Schwingungsknotens. Die Sonotrodenspitze 10 ist entweder
eben oder an die Krümmung einer ein Gegenwerkzeug 11
bildenden Walze 12 angepaßt. Diese Sonotrodenspitze 10 und
das Gegenwerkzeug 11 bilden einen Schneid-Schweiß-Spalt 13,
der eine definierte Größe aufweist. Die Sonotrodenspitze 10
schwingt im Betrieb mit einer Amplitude 14, so daß sich eine
minimale Spalthöhe 15 und eine maximale Spalthöhe 16
ergeben. Durch den Spalt 13 wird die Materialbahn 2
hindurchgeführt und mit der Sonotrode 6 bearbeitet. Dabei
liegt die Materialbahn 2 auf Schneiden 17, die als
Energierichtungsgeber fungieren, auf der Walze 12 auf, so
daß das Material der Bahn 2 in die Zwischenräume zwischen
die Schneiden 17 verdrängt werden kann.
Durch die konstante Spalthöhe des Spaltes 13, die unabhangig
von der Dicke der Materialbahn 2 ist und auch beim Anfahren
und Abfahren der Vorrichtung 1 beibehalten wird, werden
Beschädigungen der Walze 12 und der Sonotrode 6 vermieden.
Selbst wenn die Materialbahn 2 mit hoher Geschwindigkeit
durch den Spalt 13 bewegt wird und wenn sich die Dicke der
Materialbahn 2 ändert, bleibt die Höhe des Spaltes 13
aufgrund der fixen bzw. der starren Einspannung der
Ultraschallschwingeinheit 3 über den Flansch 7 erhalten.
In der Fig. 2 ist eine bekannte Vorrichtung 21 dargestellt,
die ebenfalls eine Ultraschallschwingeinheit 23 aufweist,
die aus einem Konvertergehäuse 24 und einem
piezoelektrischen Schwingmodul 25 besteht, an dem eine
Sonotrode 26 befestigt ist. Es ist deutlich erkennbar, daß
der Flansch 27 des piezoelektrischen Schwingmoduls 25 nicht
starr im Konvertergehäuse 24, sondern über elastische
Elemente, wie O-Ringe 22 weich gelagert ist. Außerdem ist
das Konvertergehäuse 24 über eine doppeltwirkende
pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit 28 in Richtung auf die
Walze 12 bis zur Anlage an einen Anschlag 29 verstellbar.
Wird bei einer solchen Vorrichtung 21 eine Materialbahn 2
mit hoher Geschwindigkeit durch den Spalt 33
hindurchgeführt, dann wirkt durch die Materialbahn 2 als
auch durch die Schweißkraft mit zunehmender Geschwindigkeit
eine sich vergrößernde eine Reaktionskraft in Richtung auf
die Sonotrode 26. Aufgrund dieser Reaktionskraft wird die
Sonotrode 26 und das Schwingmodul 25 im Konvertergehäuse 24
nach oben verlagert, indem die elastische Lagerung der
O-Ringe verformt wird. Bei weiter zunehmender Reaktionskraft
hebt schließlich das Konvertergehäuse 24 vom Anschlag 29 ab,
indem der Kolben in der Kolben-Zylinder-Einheit 28
verschoben wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn
die Materialbahn 2 eine sich verändernde Dicke besitzt, z. B.
unterschiedlich viele Material lagen oder eine Quernaht
aufweist.
Der Schweiß- bzw. Schneidspalt 23 ist bei dieser bekannten
Ausführungsform nicht konstant. Eine derartige Vorrichtung
kann in der Regel nur für eine bestimmte Materialdicke der
Materialbahn 2 eingerichtet werden, wobei die
Bahngeschwindigkeit der Materialbahn 2 im wesentlichen
konstant sein muß. In der Ruhelage wird bei dieser
Vorrichtung 21 die Sonotrode 26 so positioniert, daß sie auf
der Oberfläche der Walze 12 aufliegt. Befindet sich während
des Betriebs die Materialbahn 2 zwischen der Sonotrode 26
und der Walze 12, dann weist in der Regel der Walzenspalt 33
die gewünschte Höhe auf. Als problematisch wird bei dieser
Vorrichtung 21 angesehen, daß beim Anfahren und Abfahren die
Sonotrode 26 die Walzenoberfläche 12 und insbesondere die
Schneiden 17 berührt. Dabei können sowohl die Sonotrode 26
als auch die Schneiden 17 beschädigt oder zumindest über
Gebühr verschlissen werden. Lediglich während des Betriebs
bei konstanten Randbedingungen besitzt eine derartige
Vorrichtung 21, einen Spalt 33 mit der erforderlichen Größe.
Bei sich ändernden Randbedingungen verändert sich auch der
Schneidspalt.
Die Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, in der
nicht das Schwingmodul 5 im Konvertergehäuse 4, sondern die
Sonotrode 6 in einem Halter 18 starr fixiert ist. Dabei
ergreift der Halter 18 die Sonotrode 6 in deren
Schwingungsknoten. Dieser Halter 18 stützt sich über eine
Verstelleinrichtung 19 an einem Anschlag 29 ab. Die
Verstelleinrichtung 19 wird beispielsweise von einem
Piezoaktuator 20 gebildet, der mit einer Steuereinheit S
verbunden ist. Diese Steuereinheit S ist außerdem mit einem
Temperaturfühler 30 gekoppelt, mit dem die Temperatur der
Sonotrode 6 erfaßt wird.
Erhöht sich die Temperatur der Sonotrode 6 während des
Betriebs, dann steuert die Steuereinheit S aufgrund dieser
Temperaturänderung den Piezoaktuator 20 derart an, daß
dieser den Halter 18 über eine vorgegebene Wegstrecke vom
Anschlag 29 entfernt. Auf diese Weise wird die
temperaturbedingte Längenänderung der Sonotrode 6
ausgeglichen, so daß der Spalt 13 nach wie vor eine
konstante Größe aufweist. Neben einer Erfassung der
Temperatur der Sonotrode 6 kann auch die Temperatur der
Walze 12 erfaßt und als Steuerbefehl für den Piezoaktuator
20 verwendet werden.
Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die
eingestellte Spalthöhe z. B. von 5 bis 100 µm ohne weiteres
beibehalten werden, wobei Längenausdehnungen z. B. bis zu 200
µm problemlos kompensierbar sind.
Dadurch, daß bei diesem Ausführungsbeispiel nicht der
Konverter sondern die Sonotrode 6 starr fixiert wird, wird
die zu kompensierende Länge der Ultraschallschwingeinheit 3
erfindungsgemäß wesentlich verringert.
Aufgrund der starren Halterung und der Kompensierung der
temperaturbedingten Längenänderung der
Ultraschallschwingeinheit 3 sind wesentlich höhere
Geschwindigkeiten der Materialbahn 2 erzielbar. Werden beim
Stand der Technik die Materialbahnen 2 mit einer
Geschwindigkeit von 50 m/min bewegt, so können sie bei der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit einer Geschwindigkeit
von 500 m/min bewegt werden.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum fortlaufenden Ultraschallbearbeiten
einer Materialbahn (2) mittels einer
Ultraschallschwingeinheit (3) und einem Gegenwerkzeug
(11), wobei die Materialbahn (2) zwischen dem
Gegenwerkzeug (11) und der Ultraschallschwingeinheit
(3) angeordnet ist und die Ultraschallschwingeinheit
(3) einen Konverter und eine mit diesem ggf. über ein
Amplitudentransformationsstück verbundene Sonotrode (6)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ultraschallschwingeinheit (3) im wesentlichen starr im
Maschinenständer für das Gegenwerkzeug (11) angeordnet
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schwingmodul (5) starr von einem
Konvertergehäuse (4) aufgenommen ist, wobei das
Konvertergehäuse (4) starr am Maschinenständer
gehaltert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (6) starr direkt oder indirekt am
Maschinenständer befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Amplitudentransformationsstück starr am
Maschinenständer angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (13) zwischen der
Sonotrode (6) und dem Gegenwerkzeug (11) auf einen
konstanten Wert einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Ultraschallschwingeinheit (3) über eine
temperaturgeführte Verstelleinrichtung (19) starr mit
dem Maschinenständer verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstelleinrichtung (19) einen Piezoaktuator
(20) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (19) von
der Temperatur der Sonotrode (6), des Konverters
und/oder des Amplitudentransformators angesteuert ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenwerkzeug (11) eine
rotierende Walze (12) ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter ein
piezoelektrisches Schwingmodul aufweist.
11. Verfahren zur Konstanthaltung der Höhe eines
Bearbeitungsspalts (13) zwischen einer Sonotrode (6)
und einem Gegenwerkzeug (11) bei einer Vorrichtung
gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingeinheit (3)
starr am Maschinenständer fixiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die temperaturbedingte Längenänderung in der
Ultraschallschwingeinheit (3) über eine an der
Halterung (18) der Ultraschallschwingeinheit (3)
angreifende Verstelleinrichtung (19) kompensiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß mit der Ultraschallschwingeinheit
(3) die ggf. aus mehreren Lagen bestehende Materialbahn
(2) geschweißt und/oder getrennt wird.
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R040 | Withdrawal/refusal of revocation action now final |
Effective date: 20121206 |
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