DE69307431T2

DE69307431T2 - Ultraschallschneidvorrichtung

Info

Publication number: DE69307431T2
Application number: DE69307431T
Authority: DE
Inventors: Francis Frederick Hamil Rawson
Original assignee: Nestle SA
Current assignee: Nestle SA
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2013-08-14
Also published as: ZA936062B; JPH06170789A; EP0584670A1; DE69307431D1; ES2097405T3; GB2270025A; GR3022996T3; EP0584670B1; US5437215A; CA2104428A1; DK0584670T3; JP2615346B2; ATE147674T1; GB9218354D0

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Verbesserungen in Bezug auf das Schneiden, insbesondere mit Hilfe eines Verfahrens, das die Verwendung von Hochfrequenz-(Ultraschall)-Vibrationseinrichtungen involviert.
Das herkömmliche Verfahren des Ultraschallschneidens umfaßt die Verwendung einer Schneidklinge, die auf einer Ultraschallvibrationseinrichtung montiert ist, wobei die Klinge in einer Ebene liegt, welche die Längsachse der Vibrationen enthält, und das Bewegen der Klinge durch den zu schneidenden Gegenstand in der genannten Ebene.
Bei herkömmlichen Verfahren begegnet man der Schwierigkeit, daß die erreichbare Schnittiefe begrenzt ist. Aus diesem Grund war das Ultraschallschneiden im allgemeinen auf dünne Gegenstände wie Papier, Stoff und dünne Kunststoffolien begrenzt. Ein beträchtliches Problem besteht beim Schneiden von Blöcken größerer Tiefe und/oder beim gleichzeitigen Erzeugen einer Anzahl paralleler Schnitte.
Die Schwierigkeit tritt auch beim Schneiden von Materialien auf, die spröde oder bröckelig sind, z.B. Honig oder kristalline Materialien, welche zerspringen können, wenn sie fallengelassen werden.
In unserer gleichzeitig anhängigen EP-A-0 353 415 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden eines Gegenstandes beschrieben, mit dem Schritt des Montierens einer Schneidklinge auf einer Ultraschallvibrationseinrichtung in einer solchen Weise, daß die Klinge in einer Ebene liegt, die sich quer (bevorzugt unter rechten Winkeln) zur Längsachse der Vibrationen erstreckt, und des Bewegens der Klinge in dieser Ebene durch den Gegenstand.
Auf diese Weise bewegt sich die Klinge quer zu der Ebene vor und zurück, in welcher sie sich durch den Gegenstand hindurchbewegt, was eine Materialentfernung am Gegenstand entlang der Schneidlinie bewirkt. Die Klinge vibriert in einem komplexen Vibrationsmodus, der durch die Klingenabmessungen bestimmt wird.
Die Vibrationseinrichtung umfaßt grundsätzlich einen Vibrationsmechanismus in Form eines Hornes, üblicherweise stabbzw. stangenförmig, dessen Stirnseite von einer Ultraschalenergiequelle zu einer Vibration mit Ultraschallfrequenz veranlaßt wird, z.B. von einem eine sinusförmige Bewegung erzeugenden Wandler, der an der Rückseite des Hornes entweder direkt oder indirekt über eine Verstärkereinrichtung befestigt ist. Das Ultraschallhorn erzeugt die Ultraschallvibrationen in einer Richtung mit einer Längsachse, an der die maximale Vibration an jedem Ende, d.h. der vorderen Stirnseite und der rückwärtigen Stirnseite, auftritt, welche die Wellenbäuche im Abstand einer viertel Wellenlänge von einem Knoten bilden, der raumstationär ist und an einem Punkt auf halbem Wege zwischen den Wellenbäuchen liegt. Üblicherweise wird die Länge eines Ultraschallhornes durch die halbe Wellenlänge definiert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung der EP-A-0 353 415 umfaßt die Vibrationseinrichtung eines oder mehrere am Ultraschallhorn befestigte Trägerelemente, die vom Ultraschallhorn vibriert werden, wobei jedes Trägerelement mehrere Klingen trägt und jede Klinge an einem Wellenbauch befestigt ist, wo sie zur Vibration veranlaßt wird.
Die US-A-3 696 259 beschreibt Ultraschallhörner mit mehr als zwei vibrierenden Stirnseiten bzw. Wellenbäuchen. Jede Klinge kann an einer vibrierenden Stirnseite befestigt sein und liegt in einer Ebene, die senkrecht (bevorzugt unter rechten Winkeln) zur Achse der Vibrationen verläuft.
In dieser Beschreibung ist ein Horn (auch als Sonotrode bekannt) eine resonierende Ultraschalleinrichtung, üblicherweise eine einzelne halbe Wellenlänge eines entsprechenden Metalls, z.B. einer Legierung aus Aluminium oder Titan geringer Dichte. Der Querschnitt kann beispielsweise kreisförmig oder rechteckig sein.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Schneidvorrichtung mit einer Ultraschallvibrationseinrichtung und einer Schneidklinge, die auf der Einrichtung montiert ist, um von dieser vibriert zu werden, wobei die Klinge in einer Ebene quer zur Vibrationsachse liegt, wobei die Ultraschallvibrationseinrichtung ein Ultraschallhorn mit mehr als zwei symmetrisch um den Wellenknotenpunkt herum angeordneten Vorsprüngen aufweist, wobei jeder Vorsprung eine vibrierende Stirnseite im Abstand einer viertel Wellenlänge vom Wellenknotenpunkt aufweist, wobei eine der vibrierenden Stirnseiten an einem Wandler entweder direkt oder indirekt befestigt ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei Ultraschall- oder stangenförmige Hörner am Wandler (entweder direkt oder indirekt über eine Verstärkereinrichtung) parallel zueinander befestigt sind, was eine Abstützung der Klinge durch die einander benachbarten vibrierenden Stirnseiten der beiden Ultraschall- bzw. stangenförmigen Hörner ermöglicht, wobei die Klinge bevorzugt an jedem ihrer beiden Enden befestigt ist. Eine solche Vorrichtung mit einem "Doppelantrieb" besitzt mehr Schneidleistung als eine Vorrichtung mit einem einzigen Antrieb, bei welcher nur ein Ultraschall- bzw. stangenförmiges Horn am Wandler befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform sind ein oder mehrere weitere Paare von parallelen stangenförmigen Hörnern oder ein oder mehrere weitere Paare von parallelen Ultraschallhörnern, von denen jedes eine oder mehrere Klingen trägt, mit einem oder mehreren Paaren paralleler vibrierender Stirnseiten jeder der beiden parallelen Ultraschall- oder stangenförmigen Hörnern, die am Wandler befestigt sind, verbunden, wobei eine oder mehrere Klingen an jedem ihrer beiden Enden mit den Wellenbäuchen eines Paares von Ultraschall- oder stangenförmigen Hörnern an den benachbarten parallelen vibrierenden Stirnseiten verbunden sind.
Wenn eine der vibrierenden Stirnseiten am Wandler indirekt befestigt ist, kann dies über eine Verstärkereinrichtung erfolgen, welche eine "Verstärkung" oder "erhöhte Vibrationsamplitude" hinzufügt, oder über ein stangenförmiges Ultraschallhorn, welches eine vibrierende Stirnseite an jedem Ende besitzt, von denen die eine am Wandler befestigt ist.
Die vibrierenden Stirnseiten befinden sich daher in einem gleichen Abstand vom einzigen Wellenknotenpunkt des Ultraschallhornes. Im weiteren wird ein "Ultraschallhorn mit mehr als zwei symmetrisch um den Wellenknotenpunkt herum angeordneten Vorsprüngen" als "Ultraschallhorn" bezeichnet, und ein "stangenförmiges Ultraschallhorn" wird als "stangenförmiges Horn" bezeichnet.
Die Anzahl von Vorsprüngen des Ultraschallhornes ist nur durch praktische Überlegungen begrenzt und kann daher beispielsweise bis zu 20 Vorsprünge betragen. Üblicher ist, daß das Ultraschallhorn 3, 4, 6 oder 8 Vorsprünge besitzt, wobei jene mit 3 Vorsprüngen etwa Y-förmig und jene mit 6 und 8 Vorsprüngen etwa sternförmig sind, und besonders vorteilhaft ist ein kreuzförmiges Ultraschallhorn mit 4 Vorsprüngen. Wenn der Wandler an der Stirnseite eines der Vorsprünge oder an einem Ende eines stangenförmigen Hornes befestigt ist, bewirkt er, daß das Ultraschall- bzw. stangenförmige Horn vibriert, wobei die maximale Vibration an den Stirnseiten der Vorsprünge bzw. an den gegenüberliegenden Enden des stangenförmigen Hornes auftritt.
Die Klingen können am Ort eines Wellenbauches an einer oder mehreren der vibrierenden Stirnseiten des Ultraschallbzw. stangenförmigen Hornes (u.zw. an einer anderen Stirnseite als der am Wandler befestigten) befestigt werden, wo sie zur Vibrierung angeregt werden. In vorteilhafter Weise werden eines oder mehrere stangenförmige Hörner oder eines oder mehrere weitere Ultraschallhörner an einer oder mehreren vibrierenden Stirnseiten des am Wandler befestigten Ultraschall- bzw. stangenförmigen Hornes befestigt, wobei jedes weitere stangenförmige Horn bzw. jedes weitere Ultraschallhorn eine oder mehrere Klingen trägt, von denen jede an einem Wellenbauch befestigt ist, wo sie zur Vibration veranlaßt wird. Die stangenförmigen Hörner haben eine vibrierende Stirnseite an jedem Ende, und die Ultraschallhörner können so geformt sein, daß sie mehr als zwei Vorsprünge haben, die symmetrisch um den Wellenknotenpunkt angeordnet sind, wobei jeder Vorsprung eine vibrierende Stirnseite im Abstand einer viertel Wellenlänge vom Wellenknotenpunkt hat.
Zumindest einige der Ultraschall- bzw. stangenförmigen Hörner können mittels Wellenknoten/Wellenbauch-Versetzungseinrichtungen mit einem Formfaktor versehen werden, z.B. von der Art einer reduzierten oder vergrößerten Masse, um die Lage der Wellenbäuche in Richtung auf die vibrierende Stirnseite des Ultraschall- oder stangenförmigen Hornes, an dem sie befestigt sind, hin- bzw. davon wegzubewegen. Die Versetzung der Position der Wellenbäuche verändert den Klingenabstand, wodurch, wenn die Einrichtung mehrere Klingen hat, die Klingen mit gegenseitigem Versatz angeordnet werden können, so daß ein Gegenstand gleichzeitig mit mehreren Schnittlinien geschnitten werden kann.
Jede Klinge liegt jeweils in einer von mehreren parallelen Ebenen.
Die Anzahl von stangenförmigen Hörnern oder Ultraschallhörnern ist nur durch praktische Überlegungen begrenzt und kann beispielsweise bis zu jeweils 20 betragen.
Der Wellenbauch ist die Spitze einer sinusförmigen Schwingung, und somit soll der Begriff Wellenbauch, wie er hier verwendet wird, so verstanden werden, daß er eine viertel Wellenlänge ± 10% vom Wellenknoten bedeutet, wobei der Wellenknoten ein stationärer Punkt ist, an dem keine Vibration auftritt; bevorzugt eine viertel Wellenlänge ± 5%, noch stärker bevorzugt ± 2%, und schließlich noch stärker bevorzugt ± 1% vom Wellenknoten, und am stärksten bevorzugt am tatsächlichen Ort des Wellenbauches, d.h. eine viertel Wellenlänge vom Wellenknoten entfernt.
Das Ultraschallhorn bzw. das stangenförmige Horn sind wünschenswerterweise aus ermüdungshochfesten Aluminium- oder Titanlegierungen gefertigt. Das Ultraschallhorn kann durch maschinelles Bearbeiten eines Stabes gefertigt werden, und das Horn und die Trägerelemente können beispielsweise mit Hilfe von Gewindestiften miteinander verbunden werden.
Die Klingen sind zweckmäßigerweise aus Stahl gefertigt, z.B. graphitimprägniertem Stahl oder vergütetem hochfestem Stahl. Sie könnten mit Chrom oder Polytetrafluorethylen beschichtet werden, womit ihnen eine nicht-haftende Oberfläche verliehen werden kann. Die Schnittkante der Klinge kann funkenerodiert oder sonstwie beschnitten sein, um eine hohle Kante zu erzeugen.
Die Klingen können breit, schmal, dünn oder auch Drähte sein. Sie können rund, dreieckig oder annähernd quadratisch in ihrer Form sein, jedoch sind sie bevorzugt rechteckig, z.B. 10 bis 100 mm lang und 1 bis 22 mm breit. Wenn die Klingen etwa quadratisch oder rechteckig sind, sind sie vorteilhafterweise profiliert, so daß sie entlang eines Abschnittes ihrer Längen schmäler sind als an ihren Enden. Beispielsweise sind sie über 40 bis 90%, bevorzugt 50 bis 70% ihrer Länge zwischen den Enden schmäler und die Breite kann bis zu 60% kleiner sein als an den Enden. Die Dicke der Klingen kann von 0,25 bis 1,5 mm variieren, üblicher von 0,5 bis 1,35 mm, insbesondere von 0,85 bis 1,2 mm. Eine Klinge, die an jedem Ende angetrieben wird, ist üblicherweise mit einer Öffnung an jedem Ende ausgestattet.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Schneiden eines Gegenstandes gemäß dem Anspruch 11.
Die Bewegung der Klinge relativ zu dem zu schneidenden Gegenstand kann, falls gewünscht, durch Bewegen des Gegenstandes durch die Klinge erzielt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Klinge durch den zu schneidenden Gegenstand hindurchzubewegen.
Die verwendete Frequenz kann im Audiobereich von 5 bis 15 kHz sein, liegt jedoch bevorzugt zwischen 15 und 100 kHz, insbesondere zwischen 20 und 40 kHz.
Die vorliegende Erfindung wird nun an Hand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter veranschaulicht, in denen
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Schneidvorrichtung mit einem einzigen Antrieb zeigt,
Fig. 2 eine schematische, teilweise gesprengte Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Schneidvorrichtung mit Doppelantrieb zeigt,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schneidvorrichtung mit Einzelantrieb zeigt,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schneidvorrichtung mit Doppelantrieb zeigt,
Fig. 5 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Einzel- oder Doppelschneidvorrichtung zeigt, wobei zwei der Hörner einen Formfaktor zur Verbesserung der Klingen haben,
Fig. 6 eine Seitenansicht der Schneidvorrichtung von Fig. 5 zeigt, und
die Fig. 7 und 8 Ansichten einer an jedem Ende angetriebenen Klinge wie in den Fig. 2 und 4 sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weist die Schneidvorrichtung einen Wandler 10, eine Verstärkereinrichtung 11, kreuzförmige Ultraschallhörner 12, 12a und 12b mit vier vibrierenden Stirnseiten 13, 14, 15, 16 an den Wellenbäuchen im Abstand einer viertel Wellenlänge vom Wellenknotenpunkt 17 (die Wellenlänge beträgt annähernd 240 mm für ein 20 kHz-Horn aus einer Aluminiumlegierung), stangenförmige Hörner 18 und Klingen 19 auf, u.zw. jene, die an jedem Ende wie in den Fig. 2, 4 und 7 gezeigt angetrieben werden und mit Öffnungen 20 versehen sind, welche mit den Wellenbäuchen über innere Bolzenbefestigungen 21 verbunden sind, die durch die Öffnungen 20 hindurchgehen. In Fig. 5 haben die Ultraschallhörner 12a und 12b einen Formfaktor, durch welchen die Wellenbauch-Vibrationsstirnseiten 14 und 16 des Hornes 12b gegenüber jenen des Hornes 12 versetzt sind, und die Wellenbauch-Vibrationsstirnseiten 14 und 16 des Hornes 12 gegenüber jenen des Hornes 12a verschoben sind, um die klingen gegeneinander zu versetzen, die an den verschobenen Wellenbäuchen liegen.
Die Schneidklingen liegen in einer Ebene unter rechten Winkeln zu den Vibrationsachsen. Die Klinge von Fig. 7 ist 1 mm dick, 15 mm breit und 90 mm lang, wogegen die Klinge von Fig. 8 1 mm dick und 87 mm lang ist und eine größte Breite von 24 mm und eine kleinste Breite von 8 mm hat, wobei der Durchmesser der Öffnungen 10,5 mm beträgt.
Im Betrieb erzeugt der Wandler 10, unterstützt von der Verstärkereinrichtung 11, Ultraschallenergie, welche bewirkt, daß die Stirnseiten 13, 14, 15 und 16 der Ultraschallhörner mit 20 kHz vibrieren, was die Klinge 19 dazu veranlaßt, in Richtung der Pfeile zu vibrieren, die in den Fig. 1, 2 und 5 gezeigt sind, während sie nach rechts durch den Waffelkeks 22 hindurchtreten, der auf dem Tisch 23 abgestützt ist, um verschiedene Schnitte gleichzeitig herauszuschneiden. Der Winkel der in Fig. 6 gezeigten Schneideinrichtung ermöglicht es dem Keks 22, unter dem Wandler, der Verstärkereinrichtung und dem kreuzförmigen Horn hindurchzutreten.
Die Vorrichtung dieser Erfindung ermöglicht einen einfachen Klingenwechsel und ferner eine Selbstzuführungswirkung, durch welche das zu schneidende Material sich der Vorrichtung selbst zuführt, wo die maximalen Vibrationen an den Wellenbäuchen auftreten. Materialien, die mit dieser Vorrichtung geschnitten werden können, umfassen Metall, Stein, Kunststoff, Konfekt, Schokolade, Nahrungsmittel, Pharmazeutika, Kosmetika, Papier und Karton. Die Vorrichtung ist besonders nützlich für spröde oder bröckelige Materialien beliebiger Dicke und kann zum Schneiden von Tiefkühlnahrungsmittelprodukten verwendet werden.

Claims

1. Schneidvorrichtung mit einer Ultraschallvibrationseinrichtung (12) und einer Schneidklinge (19), die auf der Einrichtung montiert ist, um von dieser vibriert zu werden, wobei die Klinge (19) in einer Ebene quer zur Vibrationsachse liegt, wobei die Ultraschallvibrationseinrichtung ein Ultraschallhorn (12, 12a, 12b) mit mehr als zwei symmetrisch um den Wellenknotenpunkt (17) herum angeordneten Vorsprüngen aufweist, wobei jeder Vorsprung eine vibrierende Stirnseite (13, 14, 15, 16) im Abstand einer viertel Wellenlänge vom Wellenknotenpunkt (17) aufweist, wobei eine der vibrierenden Stirnseiten an einem Wandler (10) entweder direkt oder indirekt befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschall- (12, 12a, 12b) oder stangenförmige (18) Hörner am Wandler (10) parallel zueinander befestigt sind, was die Abstützung der Klinge (19) durch die einander benachbarten vibrierenden Stirnseiten (13, 14, 15, 16) der beiden Ultraschall- bzw. stangenförmigen Hörner ermöglicht, wobei die Klinge (19) an jedem ihrer beiden Enden befestigt ist, und wobei ein oder mehrere weitere Paare von parallelen stangenförmigen Hörnern (18) oder ein oder mehrere weitere Paare von parallelen Ultraschallhörnern (12, 12a, 12b), von denen jedes eine oder mehrere Klingen (19) trägt, mit einem oder mehreren Paaren paralleler vibrierender Stirnseiten (13, 14, 15, 16) jeder der beiden parallelen Ultraschall- (12, 12a, 12b) oder stangenförmigen (18) Hörnern, die am Wandler (10) befestigt sind, verbunden sind, wobei eine oder mehrere Klingen (19) an jedem ihrer beiden Enden mit den Wellenbäuchen (13, 14, 15, 16) eines Paares von Ultraschall- oder stangenförmigen Hörnern an den benachbarten parallelen vibrierenden Stirnseiten verbunden sind.

2. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die vibrierenden Stirnseiten (13, 14, 15, 16) an dem Wandler (10) indirekt über eine Verstärkereinrichtung (11) oder ein stangenförmiges Ultraschallhorn (18) befestigt sind.

3. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Ultraschallhorn (12, 12a, 12b) 4, 6 oder 8 Vorsprünge hat.

4. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Klingen (19) an einem Wellenbauch (13, 14, 15, 16) mit einer oder mehreren vibrierenden Stirnseiten des Ultraschall(12, 12a, 12b) bzw. stangenförmigen (18) Horns verbunden sind.

5. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Ultraschall- (12, 12a, 12b) oder stangenförmigen (18) Hörner mit einem Formfaktor ausgestattet sind, um die Lage der Wellenbäuche (13, 14, 15, 16) zu verschieben.

6. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Klinge (19) eine viertel Wellenlänge ± 10% von einem Wellenknoten entfernt angeschlossen ist.

7. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Klinge (19) an einem echten Wellenbauchort angeschlossen ist.

8. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Klingen (19) rechteckförmig sind und eine Länge von 10 bis 100 mm und eine Breite von 1 bis 22 mm haben.

9. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Klingen (19) über einen Teil ihrer Längen schmäler sind als an ihren Enden.

10. Schneidvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Dicke der Schneidklingen (19) 0,25 bis 1,5 mm beträgt.

11. Verfahren zum Schneiden eines Gegenstandes, mit dem Schritt des Montierens einer Schneidklinge auf einer Ultraschallvibrationsvorrichtung in einer solchen Art und Weise, daß die Klinge in einer Ebene quer zur Längsachse der Vibrationen liegt, und des Bewegens der Klinge in der genannten Ebene durch den Gegenstand, wobei die Ultraschallvibrationsvorrichtung ein Ultraschallhorn (12, 12a, 12b) mit mehr als zwei symmetrisch um den Wellenknotenpunkt (17) herum angeordneten Vorsprüngen aufweist, wobei jeder Vorsprung eine vibrierende Stirnseite (13, 14, 15, 16) im Abstand einer viertel Wellenlänge vom Wellenknotenpunkt (17) aufweist, wobei eine der vibrierenden Stirnseiten an einem Wandler (10) entweder direkt oder indirekt befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschall- (12, 12a, 12b) oder stangenförmige (18) Hörner am Wandler (10) parallel zueinander befestigt sind, was die Abstützung der Klinge (19) durch die einander benachbarten vibrierenden Stirnseiten (13, 14, 15, 16) der beiden Ultraschall- bzw. stangenförmigen Hörner ermöglicht, wobei die Klinge (19) an jedem ihrer beiden Enden befestigt ist, und wobei ein oder mehrere weitere Paare von parallelen stangenförmigen Hörnern (18) oder ein oder mehrere weitere Paare von parallelen Ultraschallhörnern (12, 12a, 12b), von denen jedes eine oder mehrere Klingen (19) trägt, mit einem oder mehreren Paaren paralleler vibrierender Stirnseiten (13, 14, 15, 16) jeder der beiden parallelen Ultraschall- (12, 12a, 12b) oder stangenförmigen (18) Hörnern, die am Wandler (10) befestigt sind, verbunden sind, wobei eine oder mehrere Klingen (19) an jedem ihrer beiden Enden mit den Wellenbäuchen (13, 14, 15, 16) eines Paares von Ultraschall- oder stangenförmigen Hörnern an den benachbarten parallelen vibrierenden Stirnseiten verbunden sind.