DE69413415T2 - Verfahren und anordnung zum ultraschallschweissen - Google Patents

Verfahren und anordnung zum ultraschallschweissen

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DE69413415T2
DE69413415T2 DE69413415T DE69413415T DE69413415T2 DE 69413415 T2 DE69413415 T2 DE 69413415T2 DE 69413415 T DE69413415 T DE 69413415T DE 69413415 T DE69413415 T DE 69413415T DE 69413415 T2 DE69413415 T2 DE 69413415T2
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Andreas S-437 35 Lindome Wannebo
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Molnlycke Vafveri AB
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von Materialbahnen, die sich zwischen einem Ultraschallhorn einer Ultraschallschweißanordnung und einem Amboßhalter bewegen, auf dem Ambosse in einem gegebenen Muster angeordnet sind, um so schnell laufende Bahnen verschweißen zu können.
  • Beim Verschweißen mit Ultraschall werden die zu verschweißenden Materialien mechanisch bearbeitet, in dem das Ende eines Ultraschallhorns mit einer im Ultraschallbereich liegenden Frequenz im Material auf und ab bewegt. Infolge der durch diesen mechanischen Bearbeitungsprozeß erzeugten inneren Reibung wird im Material Wärme erzeugt, die bewirkt, daß das Material in dem bearbeiteten Bereich schmilzt, so daß die zwischen Horn und Amboß liegenden Materialien schmelzen werden und somit miteinander verschmelzen. Natürlich wird die in den Materialien erzeugte Wärme von dem Maß abhängen, mit dem das Material bearbeitet wird, und wenn das Material in zu geringem Maß bearbeitet wird, wird der Verbund zwischen den Materialien gar nicht oder nur sehr schwach sein, wohingegen, wenn das Material übermäßig bearbeitet wird, die Materialien perforiert werden. Die Ambosse bestehen oft aus Vorsprüngen, die von der Oberfläche eines Amboßhalters herausstehen, um so eine kleine "Kontaktfläche" zwischen Horn und Amboß zu schaffen, und die durch die Schweißeinheit gelieferte Energie wird auf eine kleine Fläche konzentriert. Beim Verschweißen von sich bewegenden Materialbahnen weisen die Ambosse oftmals ein geeignetes Muster aus Vorsprüngen auf einem gemusterten Zylinder oder einer Trommel auf. Ein Problem, auf das man stößt, wenn man sich bewegende Bahnen ultraschallschweißt, beispielsweise wenn man die äußeren Lagen absorbierender Artikel miteinander verschweißt, wie beispielsweise Windeln, Hygienebinden oder Inkontinenzschutze, besteht darin, eine Schweißnaht bei hohen Bahnbewegungsgeschwindigkeiten zu schaffen, die bei einer derartigen Herstellung wünschenswert sind.
  • Die U. S. 4,414,045 lehrt eine Anordnung zur Herstellung von Vlies durch Ultraschallschweißen der Fasern in einer Matte aus lose gelegten schweißbaren Fasern, wobei sich diese Matte mit Geschwindigkeiten größer 50 m/s bewegt. Diese Anordnung beinhaltet eine Anzahl an Amboßrollen, die in Bewegungsrichtung der Matte nacheinander angeordnet sind und wovon jede eine Amboßdichte aufweist, die dergestalt ist, daß die Summe der Ambosse pro Flächeneinheit auf allen Zylindern mit der gewünschten Anzahl an Schweißpunkten pro Flächeneinheit des Vlieses übereinstimmen wird. Eine Anordnung dieser Art ist voluminös und macht es erforderlich, daß die Amboßzylinder synchron angetrieben werden, um ein gewünschtes Verbindungsmuster zu erreichen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Problem der zu erzielenden Schweißverbindungen in einer einfachen und attraktiven Weise zu lösen, wenn sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegende Materialbahnen ultraschallverschweißt werden.
  • Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens der in der Einleitung definierten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch: Festlegen der Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn in der Ultraschallschweißanordnung gemäß der für die betreffenden Materialbahnen höchsten beabsichtigten Bahngeschwindigkeit. Wenn die Schweißbreite der Ultraschallhörner für Bahnen, die sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegen, verringert wird, wird auch der durch den Amboßzylinder und die Bahnen ausgeübte Gegendruck reduziert, so daß die Amplitude der Hornbewegung beibehalten und eine gute Schweißverbindung sichergestellt werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn so schmal gemacht, daß das Verschweißen mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme einer zugehörigen Ultraschallschweißeinheit bewirkt wird. Auf diese Weise wird der Hauptanteil der der Schweißeinheit zugeführten Energie für nützliche Arbeit eingesetzt. Beim Ultraschallschweißen von Bahnen aus Vlies, das Polypropylen beinhaltet, mit einer Gesamtdicke von 0,4-1,4 mm, wird die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn für Maximalbahngeschwindigkeiten höher als 60 m/s kleiner als 70 mm gemacht. Im Fall von Maximalbahngeschwindigkeiten, die größer als 100 bzw. 160 m/s sind, wird die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn in der Ultraschallschweißanordnung kleiner als 50 bzw. 30 mm sein.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Ultraschallschweißanordnung zum Verbinden von Materialbahnen, die sich in dem Spalt zwischen einem Ultraschallhorn einer Ultraschalleinheit und einem Amboßhalter mit Geschwindigkeiten größer als 60 m/s bewegen, wobei die Anordnung eine Anzahl Ultraschalleinheiten umfaßt, die quer zur Bewegungsrichtung der Bahnen nacheinander angeordnet sind, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Ultraschallhorn eine Breite kleiner als 70 mm hat.
  • Beim Schweißen mit Bahngeschwindigkeiten größer als 100 m/s ist die Breite von jedem Ultraschallhorn schmäler als 50 mm, wohingegen bei Bahngeschwindigkeiten über 160 m/s die Breite von jedem Horn kleiner als 30 mm ist.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme zu der beigefügten Zeichnungen beschrieben, die eine schematische Seitenansicht einer Ultraschallschweißanordnung zeigt, welche zur Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise geeignet ist.
  • Die in den Zeichnungen dargestellte Ultraschallschweißanordnung beinhaltet eine Ultraschallschweißeinheit 1, die in herkömmlicher Weise aus einem elektrischen Hochfrequenzgenerator G, einem Transducer T, der die Hochfrequenzenergie in mechanische Energie umwandelt, einem Verstärker B, der die Amplitude der mechanischen Schwingungen erhöht, und einem Ultraschallhorn 2 besteht, das mit dem Verstärker B dergestalt verbunden ist, daß dessen mechanische Schwingungen in Form von in Längsrichtung der Einheit 1 hin- und hergehende Bewegungen auf das Horn überführt werden, wie es in der Zeichnung durch den Doppelpfeil angedeutet ist.
  • Die in der Einheit verwendeten Komponenten können irgendeiner geeigneten Art sein. Beispielsweise kann der Generator G und der Transducer T von der durch die Firma Dukane Corp., Illinois, U. S. A. unter den Bezeichnungen 20A2000 bzw. 41C30 verkauften Art sein.
  • Die Anordnung beinhaltet auch einen Amboßzylinder 3, auf dessen Umfangsfläche Ambosse 4 in Form von Vorsprüngen in einem ausgewählten Muster angeordnet sind. Obwohl es nicht gezeigt ist, beinhaltet die Anordnung Transportmittel irgeneinder bekannten Art, die zum Bewegen der miteinander zu verbindenden Bahnen 5, 6 durch den Spalt oder die Lücke dienen, die vom Umfang des Amboßzylinders 3 und dem Ende des Ultraschallhorns 2 definiert ist. Währen des Betriebs wird der Amboßzylinder mit einer Geschwindigkeit rotiert, bei der seine Umfangsgeschwindigkeit mit der Geschwindigkeit, mit der sich die Bahnen 5, 6 bewegen, übereinstimmen wird. Die Richtung der Bahnbewegung und die Zylinderdrehrichtung sind in der Zeichnung mit Pfeilen angedeutet.
  • Um zu ermöglichen, daß der Abstand zwischen dem Horn 2 und dem Amboß 4 einstellbar ist, ist das Horn rechtwinklig zur Bahnbewegungsrichtung, d. h. in Längsrichtung der Schweißeinheit, verschiebbar aufgehängt, und es sind Mittel zum Bewegen des Horns vorhanden, wobei die Mittel in der Zeichnung in Form eines vertikal bewegbaren Ständers 7 schematisch dargestellt ist, der an der Einheit 1 fest angebracht ist, und es ist ein ortsfestes Zahnrad 8 vorhanden, das durch einen Gleichstrommotor 9, vorzugsweise einen Schrittmotor, gedreht wird. Wie es ersichtlich ist, können die Hornbewegungsmittel entweder eine Schrauben-Mutter-Anordnung oder eine andere Vorrichtung umfassen, die eine Linearbewegung erzeugen wird und die mit der notwendigen Genauigkeit gesteuert werden kann.
  • Die Anordnung beinhaltet auch eine Steuereinheit 10, vorzugsweise einen Minicomputer, der den Gleichstrommotor 9 und eine Vorrichtung 11 steuert, die der Steuereinheit ein Signal zuführt, das die augenblickliche Leistungsaufnahme der Schweißeinheit darstellt. Diese Vorrichtung kann beispielsweise ein von der Firma Dukane Corp., Illinois, U. S. A. verkauftes und mit 438-639 bezeichnetes Energiemodul umfassen, obwohl selbstverständlich auch andere Leistungsmeßgeräte verwendet werden können. Die Steuereinheit 10 und der Generator G sind mit einer elektrischen Antriebsquelle (nicht gezeigt) verbunden, beispielsweise mit dem Stromnetz. Ein Geschwindigkeitsmeßgerät 12 irgendeiner geeigneten Art mißt die Drehgeschwindigkeit des Amboßzylinders 3 und sendet ein diese Geschwindigkeit darstellendes Signal zu dem Computer 10, der auf der Grundlage dieses Signals die Bahnbewegungsgeschwindigkeit berechnet.
  • Eine Anordnung der zuvor beschriebenen Art ist in der am 17. Juni 1993 eingereichten schwedischen Patentanmeldung Nr. 9302106-1 des Anmelders beschrieben. Zur detaillierteren Beschreibung, wie eine derartige Anordnung arbeitet und funktioniert, wird auf diese Anmeldung Bezug genommen.
  • Bei Tests auf einer derartigen Anordnung, die mit einer Frequenz von ungefähr 20 kHz, einer maximalen Leistungsaufnahme von 600 W und einer Hornschweißbreite von 70 mm betrieben wurde, hat man beim Zusammenschweißen mehrerer dünner Bahnen aus Vliesgewebe, das Polypropylen beinhaltet, die eine Gesamtdicke von 0,4-1,4 mm haben, es als unmöglich herausgefunden, Bahnen zusammenzuschweißen, die sich mit Geschwindigkeiten größer als 60 m/s bewegten. Beim Testen der Zugfestigkeit der Schweißverbindungen, die erzielt wurden, wenn mit unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten verschweißt wurde, wurde herausgefunden, daß die Zugfestigkeit der Verbindungen mit zunehmenden Bahnbewegungsgeschwindigkeiten abnimmt, wohingegen die von der Vorrichtung 11 gemessene Leistungsaufnahme mit zunehmenden Bahngeschwindigkeiten zunimmt. Es wurde überraschenderweise als möglich herausgefunden, feste Schweißverbindungen auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten herzustellen, wenn die Schweißbreite des Ultraschallhorns verringert ist. Beispielsweise wurden Schweißverbindungen mit einer guten Qualität erzielt, wenn sich Bahnen bei Geschwindigkeiten von bis zu 100 m/s bewegten, wobei die Hornschweißbreite 50 mm betrug, wie auch für Bahngeschwindigkeiten bis zu 160 m/s mit einer Hornschweißbreite von 30 mm. Es ist nicht genau bekannt, warum dies so ist. Es wird aber angenommen, daß die Schwierigkeiten beim Zusammenschweißen von Bahnen mit einem Horn oder Hörnern mit konventioneller Breite aufgrund der übermäßigen Verluste auftraten, die vorkamen, wenn Energie vom Horn zu schnell auf die sich bewegenden Bahnen überführt wird, oder mit anderen Worten, eine Zunahme in der Leistung der Einheit bei gegebener Bahngeschwindigkeit und einer gegebenen Hornbreite resultiert lediglich in einer Verlustzunahme und nicht in irgendeiner Zunahme nützlicher Arbeit.
  • Eine mögliche Erklärung könnte möglicherweise darin bestehen, daß der durch die auf dem Amboßzylinder laufenden Bahnen ausgeübte Gegendruck so groß ist, daß es der Ultraschalleinheit nicht möglich ist, dem Horn eine vorgegebene Bewegungsamplitude zu verleihen, und daß aufgrunddessen mit den wenigeren Auf- und Abbewegungen, die das Horn bei hohen Bahngeschwindigkeiten im Vergleich zu niedrigen Bahngeschwindigkeiten ausführen kann, an den Punkten zwischen Amboß und dem Ende des Horns keine ausreichende Energie zum Schmelzen des Materials vom Horn zu den Materialbahnen überführt werden kann.
  • Wie es zuvor erwähnt wurde, hat man herausgefunden, daß ausreichend nützliche Arbeit zu den Bahnen zugeführt werden kann, um auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten größer als 60 m/s- Schweißverbindungen herzustellen, indem die Breite der Ultraschallhörner, die in der Schweißlinie vorhanden sind, reduziert wird. Es wurde auch herausgefunden, daß Schweißverbindungen mit einer gleichmäßigen und guten Qualität erzielt werden, wenn die Hornbreite so schmal ist, daß die Auf- und Abbewegungen des Horns mit durchschnittlicher Leistungsaufnahme bewirkt werden. Man glaubt, daß dies daher kommt, daß sichergestellt ist, daß sich das Horn praktisch während des gesamten Schweißprozesses in der gedachten Amplitude bewegen wird, wohingegen bei einer Leistungsaufnahme, die nahe der Maximalleistungsaufnahme ist, der Gegendruck so groß ist, daß es der Einheit nicht möglich ist, das Horn während eines Hauptteils des Schweißvorgangs in die gedachte Amplitude herunterzudrücken.
  • Mit durchschnittlicher Leistungsaufnahme ist eine Leistungsaufnahme gemeint, die beträchtlich unterhalb der Maximalleistungsaufnahme liegt und durch die Vorrichtung 11 gemessen wird. Beispielsweise wurde in dem zuvor beschriebenen Beispiel herausgefunden, daß eine hochqualitative Schweißverbindung mit Eingangsleistungen innerhalb des Bereichs 250-500 W erzielt wurde, wobei diese Werte beträchtlich unterhalb der Maximalleistungsaufnahme von 600 W liegen.
  • Gemäß der Erfindung wird beim Verbinden von mit hoher Geschwindigkeit laufenden Bahnen eine erste geeignete Breite des Ultraschallhorns durch Testschweißen der Bahnen festgelegt, während sich die Bahnen mit der beabsichtigten Geschwindigkeit bewegen, und dann mit Hörner unterschiedlicher Breite. Nach dem Festlegen einer geeigneten Hornbreite wird zur Erzielung der Gesamtschweißbreite die erforderliche Anzahl an Hörnern normalerweise über die gesamte Breite des Amboßzylinders quer zur Bahnbewegungsrichtung nebeneinander über den Bahnen angeordnet, entweder in Reihe, wobei eines neben dem anderen liegt, oder an den Enden überlappend. Wenn die Ultraschallschweißanordnung mehrere Einheiten beinhaltet, die Ultraschallhörner haben, deren Breiten gemäß den obigen Ausführungen festgelegt sind, werden die Einheiten durch ein und dieselbe Steuereinheit in geeigneter Weise gesteuert und von ein und derselben Leistungsquelle versorgt.
  • Wenn das beschriebene Ultraschallschweißverfahren für andere Materialien als den zuvor erwähnten verwendet wird und bei anderen Bahngeschwindigkeiten und anderen Ultraschallschweißeinheiten, werden die Ultraschallhörner natürlich andere geeignete Breiten aufweisen müssen, als die durch das Testschweißen festgelegten. In gleicher Weise können andere Amboßmuster auf dem Amboßzylinder zu Schweißungen mit anderen Breiten führen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ultraschallschweißen von Materialbahnen (5, 6), die sich zwischen einem Ultraschallhorn (2) einer Ultraschallschweißanordnung und einem Amboßhalter (3) bewegen, auf dem in einem gegebenen Muster Ambosse (4) angeordnet sind, um so schnell laufende Bahnen verschweißen zu können, gekennzeichnet durch Festlegen der Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn (2) in der Ultraschallschweißanordnung gemäß der für die betreffenden Materialbahnen höchsten beabsichtigten Bahngeschwindigkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn (2) so schmal gemacht wird, daß das Verschweißen mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme einer zugehörigen Ultraschallschweißeinheit (1) bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Festlegen einer geeigneten Schweißbreite der einzelnen Ultraschallhörner für jede Art von zusammenzuschweißenden Materialbahnen durch Testverschweißen bei einer maximalen Bewegungsgeschwindigkeit der Bahnen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wenn Bahnen (5, 6) aus Vlies, das Polypropylen beinhaltet, auf eine Gesamtdicke von 0,4-1,4 mm ultraschallverschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn für Maximalbahngeschwindigkeiten von mehr als 60 m/s kleiner als 70 mm gemacht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn für Maximalbahngeschwindigkeiten von mehr als 100 m/s kleiner als 50 mm gemacht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn für Maximalbahngeschwindigkeiten von mehr als 160 m/s kleiner als 30 mm gemacht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch Festlegen der Schweißbreite von jedem Ultraschallhorn in der Ultraschallschweißeinheit gemäß der höchsten beabsichtigten Bahngeschwindigkeit der Materialbahnen, und durch Plazieren der erforderlichen Anzahl an Ultraschallhörnern mit der festgelegten Breite hintereinander in Querrichtung zur Bahnbewegungsrichtung, um so eine Gesamtschweißbreite zu erzielen, die mit der Breite des Amboßmusters übereinstimmt.
8. Ultraschallschweißanordnung zum Verschweißen von Materialbahnen (5, 6), die sich in dem Spalt zwischen einem Ultraschallhorn (2) einer Ultraschalleinheit (1) und einem Amboßhalter (3) mit einer Geschwindigkeit größer als 60 m/s bewegen, wobei die Anordnung eine Anzahl Ultraschalleinheiten (1) umfaßt, die quer zur Bewegungsrichtung der Bahnen (5, 6) nacheinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ultraschallhorn eine Breite kleiner als 70 mm hat.
9. Ultraschallschweißanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ultraschallhorn eine Breite kleiner als 50 mm hat.
10. Ultraschallschweißanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ultraschallhorn eine Breite kleiner als 30 mm hat.
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