DE60119724T2

DE60119724T2 - Drehendes ultraschallhorn zum kontinuierlichen verschweissen auf einer grossen breite

Info

Publication number: DE60119724T2
Application number: DE60119724T
Authority: DE
Inventors: Serge Moulin; Robert Combe
Original assignee: Aplix SA
Current assignee: Aplix SA
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: US20040005431A1; EP1286821A1; JP2003535715A; WO2001094099A8; DE60119724D1; US6966969B2; ATE326332T1; CA2411753A1; EP1286821B1; ES2261418T3; FR2809984B1; FR2809984A1; WO2001094099A1; MXPA02012148A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallhorn, insbesondere zur Drehung, aus einem Material, das die Ausbreitung von Ultraschallwellen ermöglicht, mit einem axialen Barren, der dazu vorgesehen ist, unter der Wirkung eines Ultraschallsenders von Longitudinalwellen durchlaufen zu werden, einem aktiven, mit dem Barren verbundenen Teil, der dazu vorgesehen ist, von Radialvibrationen durchlaufen zu werden, sowie Befestigungsmitteln jedes Endes des Barrens entweder an einem Ultraschallmotor oder an einem Lager einer feststehenden Halterung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Ultraschall-Schweißvorrichtung mit einem Ultraschallhorn dieser Art.
Aus dem Dokument DE-A-1 704 178, veröffentlicht am 22. April 1971, ist bereits ein sich drehendes Ultraschallhorn der oben genannten Art bekannt. In der 2 dieses Dokuments ist das Ultraschallhorn beispielsweise aus einem axialen Barren gebildet, der an einem seiner Enden (A) an einem Ultraschallmotor befestigt ist, der dazu vorgesehen ist, diesen Longitudinalvibrationen auszusetzen, und aus einem aktiven Teil (K), der Radialvibrationen ausgesetzt ist. In Anbetracht der Geometrie des Ultraschallhorns ist die Nutzgröße des aktiven Teils, d.h. die Dimension in der Transversalebene parallel zur Achse des Barrens gering und überschreitet nicht einige Millimeter, höchstens 8 bis 9 Millimeter.
Außerdem ist in der 3 dieses Dokuments auch ein axialer Barren dargestellt, der an seinem Ende (A) mit einem Motor verbunden ist, der Axialvibrationen erzeugt, sowie mit einem aktiven Teil (K), der Radialvibrationen ausgesetzt ist. Die Nutzgröße des aktiven Teils ist ebenfalls sehr klein und überschreitet nicht einige Millimeter. Das Ultraschallhorn insgesamt ist hinsichtlich seiner Geometrie sehr zerbrechlich. Insbesondere bei sehr starken Vibrationen kann es zerbrechen. Dies wird noch durch die Tatsache unterstrichen, dass es nur an einem seiner Enden an einem Motor befestigt ist, und zwar auskragend. Die Struktur des Ultraschallhorns der 3 ermöglicht im Vergleich zu derjenigen der 2, radiale Vibrationskomponenten des aktiven Teils zu erhalten, die verstärkt sind, und damit einen aktiven Teil mit stärkeren Radialvibrationen und somit einer besseren Schweißung. Dies wird jedoch im Vergleich zu der Struktur der 2 unter Opferung der Festigkeit des Ultraschallhorns in seiner Gesamtheit erhalten, und der aktive Teil kann nur geringe Nutzgrößen aufweisen.
Aus dem Dokument FR 2 082 090 ist ein Ultraschallhorn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Das Ultraschallhorn ist massiv und der Nutzungsteil hat nur eine geringe Größe. Schließlich bezieht sich auch CH 671 529 A5 auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorher genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, indem ein Ultraschallhorn vorgeschlagen wird, das gleichzeitig eine große Nutzbreite seines aktiven Teils und eine hohe Robustheit aufweist. So bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Ultraschallhorn gemäß Anspruch 1.
Indem auf diese Weise vorgesehen ist, dass sich der Axialbarren über die gesamte axiale Erstreckung des Ultraschallhorns erstreckt, wird im Vergleich zum Stand der Technik und insbesondere im Vergleich zu der 3 des vorgenannten Dokuments sichergestellt, dass das Ultraschallhorn sehr robust ist und radiale Vibrationen großer Amplitude ertragen kann. Im Stand der Technik erstreckt sich entweder der Barren auf ununterbrochene Weise auf der Achse und man erhält eine hohe Robustheit, aber schwache Amplituden der Radialvibrationen und damit eine geringe Breite, oder aber es wurde bewerkstelligt, dass die axialen oder longitudinalen Vibrationen in ihrer Gesamtheit zu dem aktiven Teil durch Barren kleiner Querschnitte übertragen wurden, wobei die Übertragung aller Longitudinalvibrationen längs des Axialbarrens über den aktiven Teil hinaus verhindert wurde und so starke Radialvibrationen erhalten wurden, aber eine Robustheit der Einheit, die sehr mäßig war, so dass es auch hier nicht möglich war, eine Nutzbreite des aktiven Teils vorzusehen, die hohe Schweißungsbreiten gestattete. Indem der Anmelder zum ersten Mal feststellte, dass es nicht notwendig war, alle Longitudinalwellen zu dem aktiven Teil hin zu übertragen und dass man einen Teil der Axialwellen sich über das Zentrum ausbreiten lassen konnte, wobei der kontinuierliche, ununterbrochene Aspekt des Axialbarrens beibehalten wurde, hat er zum ersten Mal ermöglicht, ein Ultraschallhorn der vorgenannten Art mit einer sehr großen Nutzbreite des aktiven Teils zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Nutzbreite des aktiven Teils höher als 15 mm, besser noch höher als 25 mm und vorzugsweise höher als 40 mm.
Gemäß einer Perfektionierung der Erfindung weist der aktive Teil und die Verbindungsmittel des axialen Barrens mit dem aktiven Teil in dem longitudinalen Querschnitt die Form eines T auf. Auf diese Weise erhält man eine besonders gute Übertragung der Longitudinalvibrationen und der Radialvibrationen und gleichzeitig eine ausgezeichnete Robustheit des Ultraschallhorns.
Gemäß einer Perfektionierung der Erfindung hat das aus einem Schaft bzw. Langbalken und einem Steg bzw. Kurzbalken gebildete T an den Enden des Stegs einen Anguß (masselotte).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Querschnitt der Verbindungsmittel des aktiven Teils am Axialbarren im wesentlichen gleich dem axialen Querschnitt des Axialbarrens.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Ultraschall-Schweißvorrichtung nach Anspruch 6 mit einem Ultraschallhorn nach Anspruch 1, das an einem Ende oder seinen beiden Enden mit einem Ultraschall erzeugenden Motor verbunden ist, wobei eventuell ein Verstärker oder Booster dazwischengefügt ist und die beiden Lagen, die durch Ultraschall zusammengeschweißt werden sollen, zwischen den aktiven Teil des Ultraschallhorns und die Außenfläche eines Rändelrads eingefügt sind.
Im folgenden werden bezugnehmend auf die Zeichnungen, die lediglich als Beispiel dienen, bevorzugte Ausführungsformen eines Ultraschallhorns gemäß der Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines sich drehenden Ultraschallhorns gemäß der Erfindung in einer Longitudinal-Querschnittansicht, und
2 eine Longitudinal-Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Ultraschallhorns gemäß der Erfindung.
Die 1 ist eine abgewickelte Longitudinal-Querschnittansicht eines sich drehenden Ultraschallhorns gemäß der Erfindung. Das Ultraschallhorn S besteht aus einem kreisförmigen zylindrischen Barren 2 mit einer Achse 1 aus Metall, beispielsweise aus Stahl, welcher die Ausbreitung von Ultraschallwellen ermöglicht. An seinen beiden Enden umfasst der Barren 2 zwei Ansätze bzw. Muffen (embouts) 3 mit größerem Durchmesser als der Rest des Zylinders 2. Diese Ansätze 3 sind mit einem in der Figur nicht dargestellten, aber auf dem Gebiet der Technik bekannten Ultraschallsender verbunden. Zwischen dem Ultraschallsender und den Ansätzen 3 kann auch die Einfügung eines Boosters oder Verstärkers von Ultraschallschwingungen vorgesehen sein.
Das Ultraschallhorn S umfasst außerdem einen aktiven Teil 4 aus dem gleichen Material wie dem des Barrens 2. Dieser aktive Teil hat Kreisringform. In der Ebene der Figur ist die Außenfläche 5, welche die Nutzfläche des aktiven Teils ist, eine Gerade. Andere Formen könnten eventuell vorgesehen sein, insbesondere leicht gekrümmte oder sinusförmige. Der aktive Teil 4 hat eine geringere Dicke als die Dicke des axialen Barrens 2. Der aktive Teil 4 ist mit den Ansätzen 3 des axialen Barrens 2 über Verbindungsteile 6 und 7 aus dem gleichen Material wie dem des Barrens 2 verbunden. Diese Verbindungsteile 6 und 7 drehen sich ebenfalls in Bezug auf die Achse 1 der Figur. Das erste Verbindungsteil 7 ist ein kreisförmiger Zylinder mit einer zu der Achse 1 des Barrens parallelen Achse, während das zweite Verbindungsteil ein Kegelstumpf ist. Im Longitudinal-Querschnitt, d.h. in der Ebene der 1, ist das zweite Verbindungsteil 6 in Bezug auf das erste Verbindungsteil 7 schräggestellt. Das zweite Verbindungsteil 6 ist auch in Bezug auf den aktiven Abschnitt 4 schräggestellt.
Der aktive Abschnitt bzw. Teil 4, die Verbindungsteile 6 und 7 und der axiale Barren 2 legen eine innere Kammer 8 fest, welche den axialen Barren 2 von dem aktiven Teil 4 trennt. Die Kammer 8 kann leer sein oder mit einem Material gefüllt sein, welches die Übertragung von Ultraschallwellen von dem Material des Barrens 2 zu dem in Frage kommenden, mit Luft gefüllten Material nicht zulässt.
Die von dem Ultraschallsender erzeugten Ultraschallschwingungen breiten sich axial in dem Ultraschallhorn aus. Die Knoten der Schwingung befinden sich auf Höhe der Ansätze des axialen Barrens 2 und im wesentlichen auf Höhe der Mitte des aktiven Teils 4, wobei das Ultraschallhorn auf diese Weise mit halber Wellenlänge funktioniert und seine Gesamtlänge 3 halben Wellenlängen der Frequenz der verwendeten Ultraschallwellen entspricht, wobei jeder Amplitudenknoten ein radialer Dilatationsbauch ist (Kompressions-Dehnungseffekt). Man hätte auch eine höhere Anzahl von Halb-Wellenlängen vorsehen können, beispielsweise 5 oder 7, etc... Die Longitudinal- oder Axialwellen breiten sich über die Verbindungsteile 6 und 7 aus und werden in Radialschwingungen umgewandelt (sh. die aus dem Teil 4 in 1 hervortretenden Pfeile), die die Ausführung einer Ultraschallschweißung (Freisetzung von Wärmeenergie) auf Höhe des aktiven Teils zwischen zwei Lagen 9 und 10 ermöglichen (sh. 3), welche mittels eines Rändelrads (nicht dargestellt), das auf die beiden Lagen drückt, um einen Kontakt zwischen ihnen und dem aktiven Teil 4 herzustellen, an dem aktiven Teil 4 vorbeiführt.
Der Durchmesser des axialen Barrens 2 in seinem dünnen zentralen Abschnitt beträgt 13,5 mm. Der Durchmesser der beiden Ansätze 3 beträgt 20 mm. Die Dicke in der Ebene der 1 des Verbindungsteils 7 beträgt 6 mm. Die Dicke des Verbindungsteils 6 beträgt 8 mm. Die Dicke des aktiven Teils 4 beträgt 5 mm.
Der zwischen dem ersten Verbindungsteil 7 und dem zweiten Verbindungsteil 6 gebildete Winkel beträgt etwa 125°. Der Außendurchmesser des Kreisrings, der von dem aktiven Teil 4 gebildet wird, beträgt 70 mm. Die Nutzbreite des aktiven Teils 4, d.h. die Dimension parallel zu der Longitudinalachse 1, beträgt 40 mm.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform hat der aktive Teil 4 die Form eines Kubus oder eines parallelepipeden Rechtecks. Desgleichen kann auch der axiale Barren 2 einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Die 2 stellt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Die gleichen Bezugsziffern bezeichnen identische Teile, insbesondere den axialen Barren 2, die Ansatzteile 3 und den aktiven Teil 4. Der aktive Teil 4 ist mit dem axialen Zylinder 2 über einen Verbindungsteil 11 verbunden, der aus dem axialen Zylinder 2 vorsteht und senkrecht zu diesem ist. Der aktive Teil 4 und der Verbindungsteil 11 in Form einer Scheibe bilden einen massiven Torus, dessen longitudinaler Querschnitt die Form eines T aufweist. Die beiden Enden 12, 13 des Stegs des T umfassen die Verlängerungsteile, welche den Anguß 14, 15 bilden. Diese beiden Verlängerungsteile 14 und 15 bilden Kreisringe eines kleineren Durchmessers als der Durchmesser des den aktiven Teil 4 bildenden Kreisrings. Zwischen dem axialen Barren 2 und dem Steg des T ist ein Leerraum 8 ausgebildet, der eventuell mit einem Material gefüllt werden könnte, das keine Übertragung von Wellen von dem Barren zu dem betreffenden Material zulässt.
Der axiale Barren 2 erstreckt sich axial über 100 mm, von denen 35 mm eine axiale Erstreckung von den beiden Ansätzen 3 sind.
Die Übertragungsscheibe 11 hat eine Dicke (Dimension parallel zur Achse 1) von 10 mm und einen Außendurchmesser von 78 mm. Die beiden Angüsse haben jeweils einen Außendurchmesser von 60 mm und einen Innendurchmesser von 50 mm. Der Außendurchmesser des Barrens 2 auf Höhe seines zentralen, dünneren Teils beträgt 20 mm, während die Ansätze 3 einen Durchmesser von 23,5 mm aufweisen.
Befestigungsmittel 17, beispielsweise in Form eines Gewindelochs zur Einführung einer Motorwelle, sind an den beiden Enden des axialen Barrens bzw. der Nabe 2 vorgesehen.
Jedes Befestigungsmittel kann einen Ultraschallmotor aufnehmen, oder aber eines der Mittel kann einen Ultraschallmotor aufnehmen, während das andere eine Welle oder ein feststehendes Lager aufnimmt.
Die zwischen der Übertragungsscheibe 11 und dem axialen Barren 2 gebildeten Ecken können abgerundet sein, um zur Ausbreitung der Ultraschallwellen beizutragen. Desgleichen können die an der Schnittstelle des Längsbalkens des T's mit dem Kurzbalken des T's abgerundet sein. Schließlich können auch die zwischen den Angüssen und dem Barren gebildeten Ecken zum gleichen Zweck abgerundet sein.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform hat der aktive Teil 4 die Form eines Kubus oder eines parallelepideden Rechtecks, und der Verbindungsteil 11 hat die Form eines parallelepiden Rechtecks oder eines Quadrats, wobei der Querschnitt der Einheit ebenfalls T-Form aufweist.

Claims

Ultraschallhorn (S), insbesondere zur Drehung, aus einem ersten Material, insbesondere aus Metall, zur Ausbreitung von Ultraschallwellen, mit einem axialen Barren (2) und einem mit dem axialen Barren (2) verbundenen aktiven Teil (4), sowie mit Befestigungsmitteln jedes der Enden des Barrens an einem Motor, der Ultraschallvibrationen erzeugt, und/oder an einem Traglager, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Barren auf ununterbrochene Weise über die gesamte axiale Erstreckung des Ultraschallhorns erstreckt und ein Zwischenraum (8) aus einem zweiten Material, das keine Übertragung von Ultraschallwellen vom ersten Material zum zweiten Material gestattet, wobei das zweite Material Luft oder ein Vakuum ist, zwischen den Barren (2) und das aktive Teil (4) eingefügt ist.
Ultraschallhorn (S) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzbreite des aktiven Teils (4) zwischen 15 mm und 40 mm liegt.
Ultraschallhorn (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Mittel (6, 7, 11) zur Verbindung des aktiven Teils (4) mit dem axialen Barren (2) gleich der Hälfte desjenigen des axialen Barrens (2) ist.
Ultraschallhorn (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Teil (4) und die Mittel (11) zur Verbindung des axialen Barrens (2) mit dem aktiven Teil (4) einen Torus bilden, dessen Querschnitt die Form eines T aufweist.
Ultraschallhorn (S) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Ende (13, 14) des T-Barrens ein Ausgleichsgewicht (14, 15) vorsteht.
Ultraschallschweißvorrichtung mit einem Ultraschallhorn gemäß einem vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Ultraschallmotor an mindestens einem der zwei Enden des axialen Barrens (2) befestigt ist, wobei eventuell ein Verstärker eingefügt ist.