DE69619406T2 - Gestapeltes rotierendes akustisches horn - Google Patents

Gestapeltes rotierendes akustisches horn

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welding
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft akustische bzw.. Schallschweißhörner. Insbesondere betrifft die Erfindung akustische Rotationsschweißhörner.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Beim akustischen Schweißen, z. B. Ultraschallschweißen, werden zwei zu verbindende Teile (normalerweise thermoplastische Teile) direkt unter einem Ultraschallhorn angeordnet. Beim Tauchschweißen taucht das Horn ein (wandert zu den Teilen) und überträgt Ultraschallschwingungen in das obere Teil. Die Schwingungen dringen durch das obere Teil zur Grenzfläche der beiden Teile. Hier wird die Schwingungsenergie in Wärme umgesetzt, und zwar durch intermolukulare Reibung, die die beiden Teile schmilzt und verschmilzt. Wenn die Schwingungen aufhören, erstarren die beiden Teile zwangsläufig, wobei eine Schweißverbindung an der Verbindungsfläche entsteht.
  • Kontinuierliches Ultraschallschweißen bzw. Ultraschalldauerschweißen wird normalerweise zum Verschweißen von Geweben, Filmen bzw. Folien und anderen Teilen verwendet. Im kontinuierlichen Betrieb ist das Ultraschallhorn normalerweise feststehend, und das Teil bewegt sich darunter. Durchlaufschweißen ist eine Art des kontinuierlichen Schweißens, bei dem das Kunststoffteil unter einem oder mehreren feststehenden Hörnern durchläuft. Beim Querschweißen bleiben der Tisch, über den die Teile laufen, und das zu schweißende Teil feststehend zueinander, während sie sich unter dem Horn bewegen oder während sich das Horn über ihnen bewegt.
  • Viele Verwendungszwecke der Ultraschallenergie zum Verbinden und Trennen von thermoplastischen Materialien erfordern Ultraschallhörner oder -werkzeuge. Ein Horn ist ein Schallwerkzeug, das normalerweise halb so lang ist wie die Hornmaterialwellenlänge und beispielsweise aus Aluminium, Titan oder Sinterstahl besteht und das die mechanische Schwingungsenergie auf das Teil überträgt. (Normalerweise haben diese Materialien Wellenlängen von annähernd 25 cm (10 Zoll).) Eine Hornelongation oder -amplitude ist die Spitze-Spitze Bewegung der Hornstirnfläche. Das Verhältnis zwischen Hornausgangs- und Horneingangsamplitude wird als Verstärkung bezeichnet. Die Verstärkung ist eine Funktion des Verhältnisses der Masse des Horns am Schwingungseingangs- und -ausgangsteil. Im allgemeinen stimmt bei Hörnern die Richtung der Amplitude an der Stirnfläche des Horns mit der Richtung der zugeführten mechanischen Schwingungen überein.
  • Traditionell werden beim Ultraschalltrennen und -schweißen Hörner verwendet, die axial gegen einen starren Amboß schwingen, wobei das zu schweißende oder zu trennende Material zwischen Horn und Amboß angeordnet ist. Als Alternative ist das Horn beim Hochgeschwindigkeitsdurchlaufschweißen oder -trennen feststehend, während der Amboß rotiert; und das Teil bewegt sich zwischen dem Horn und dem Amboß. In diesen Fällen wird die Lineargeschwindigkeit des Teils an die Tarigentialgeschwindigkeit der Arbeitsfläche des rotierenden Ambosses angepaßt.
  • Es bestehen jedoch bestimmte Beschränkungen für dieses System. Da das zu schweißende Teil kontinuierlich zwischen dem schmalen Spalt durchgeführt wird, der vom Amboß und vom Horn gebildet wird, entstehen infolge von Ungleichmäßigkeiten in der Dicke des Teils Kompressionsschwankungen. Ein Reibungswiderstand besteht zwischen dem Teil und dem Horn und kann Eigenspannungen in dem geschweißten Bereich bewirken. Diese Faktoren beeinflussen die Schweißqualität und -festigkeit, die wiederum die Anlagengeschwindigkeiten begrenzen. Außerdem begrenzt der Spalt zwischen dem rotierenden Anboß und dem Horn das komprimierbare Volumenoder die Dicke der zuverbindenden Teile.
  • Eine Möglichkeit zur Minimierung dieser Begrenzungen besteht darin, die Arbeitsfläche des Horns zu formen, um in Abhängigkeit von dem Teil einen progressiv konvergierenden oder divergierenden Spalt zu erhalten: Dies löst das Problem des Vorbeiführens des zu verbindenden Materials am stationären Horn nicht vollständig, da für eine effiziente Schallenergieübertragung ein inniger Kontakt notwendig ist.
  • Die beste Möglichkeit, qualitativ hochwertige und schnelle Ultraschallschweißverbindungen herzustellen, besteht darin, ein Rotationshorn mit einem rotierenden Amboß zu verwenden. Normalerweise ist ein Rotationshorn zylindrisch und rotiert um eine Achse. Die Eingangsschwingung ist in Achsrichtung, und die Ausgangsschwingung ist in Radialrichtung. Das Horn und der Amboß sind zwei eng aneinander liegende Zylinder, die sich mit gleichen Tangentialgeschwindigkeiten in entgegengesetzten Richtungen drehen. Das zu verbindende Teil läuft mit einer Lineargeschwindigkeit, die der Tangentialgeschwindigkeit dieser zylindrischen Flächen entspricht, zwischen diesen zylindrischen Flächen hindurch. Durch Anpassung der Tangentialgeschwindigkeiten des Horns und des Ambosses an die Lineargeschwindigkeit des Materials soll der Reibungswiderstand zwischen dem Horn und dem Materialminimiert werden. Die Erregung in Achsrichtung gleicht der Erregung beim herkömmlichen Tauchschweißen:
  • Das US-Patent 5 096 532 beschreibt zwei Klassen von Rotationshörnern. Das Patent vergleicht ein handelsübliches Rotationshorn, hergestellt von Mecasonic-KLN, Inc. in Fullerton, Kalifornien (Mecasonic-Horn), und ein im Patent 5 096 532 beschriebenes Rotationshorn. Fig. 1 zeigt ein Mecasonic- Rotationshorn, und Fig. 2 zeigt eine Konfiguration des Rotationshorns des Patents 5 096 532. Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen beiden Typen von Hörnern ist die Breite der Radialschweißfläche und die Gleichmäßigkeit der Amplitude über die Radialfläche.
  • Das Mecasonic-Horn ist ein Vollwellenlängenhorn mit einer Gesamtlänge von etwa 25 cm (10 Zoll) bei Aluminium- und Titanhörnern. Die Axialschwingung erregt den Zylinderbiegungsschwingungsmodus, um die Radialbewegung bereitzustellen, und der Schwingungsmodus hängt von der Poisson-Zahl ab. (Wenn die Poisson-Zahl des Hornmaterials null ist, werden keine Radialschwingungsmodi erregt.) Die Radialbewegung der Schweißfläche ist mit der Erregung gleichphasig, und es gibt zwei Knoten (wo die Schwingungsamplitude null ist) für die Axialbewegung und zwei Knoten für die Radialbewegung. Die Schwingungsamplitude ist jedoch in der Mitte der Radialschweißfläche am höchsten und vermindert sich zum Ende hin, was zu einer ungleichmäßigen Schweißverbindungsfestigkeit führt. Das Mecasonic-Horn ist ein teilweise ausgehöhlter Zylinder.
  • Das Horn des Patents 5 096 532 ist ein Halbwellenlängenhorn mit einer Gesamtlänge von etwa 12,7 cm (5 Zoll) bei Aluminium- und Titanhörnern. Aufgrund der Form des Horns liefert die Axialschwingung die Radialbewegung. In diesem Horn ist der Schwingungsmodus unabhängig von der Poisson-Zahl. Die Radialbewegung der Schweißfläche ist mit der Erregung ungleichphasig, und es gibt nur einen Knoten im geometrischen Mittelpunkt der Schweißfläche. Die Schwingungsamplitude ist über die Schweißfläche relativ gleichmäßig. Die Form des Horns des Patents 5 096 532 unterscheidet sich von der des Mecasonic-Horns; das Horn des Patents 5 096 532 ist massiv, das Mecasonic-Horn ist ein teilweise ausgehöhlter Zylinder.
  • Es besteht Bedarf an einer Schallschweißkonfiguration, die Teile über eine große Breite (z. B. größer als 12,7 cm) schweißen kann.
  • FR-A-2 082 090 offenbart einen Ultraschallkopf, der geeignet ist, Schwingungen axial aufzunehmen und radiale Resonanzschwingungen zum Schweißen von thermoplastischen Materialien abzugeben. Dieses Dokument beschreibt serielle Schweißflächen.
  • GB-A-2 282 559 offenbart eine Ultraschalltrennvorrichtung. Eine oder mehrere Klingen sind an einem Flansch befestigt, um einen Trennvorgang auszuführen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein akustisches Rotationshorn überträgt Energie mit einer gewählten Wellenlänge, Frequenz und Amplitude. Das Horn weist einen Basisabschnitt mit einem Axialeingangsende und einem Axialausgangsende und mehreren Schweißflächen auf, die betriebsfähig mit dem Basisabschnitt verbunden sind. Jede Schweißfläche hat einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Basisabschnitts und der sich beim Einbringen von Schallenergie in das Eingangsende des Basisabschnitts dehnt und zusammenzieht. Die Schweißflächen sind voneinander beabstandet und auf einem mittigen Kern parallel zueinander angeordnet.
  • Der Abstand zwischen Mittelpunkten benachbarter Schweißflächen kann mindestens ein Vielfaches einer halben Wellenlänge des Hornmaterials sein. Die Schwingungsamplitude jeder Schweißfläche kann sich von der Schwingungsamplitude benachbarter Schweißflächen unterscheiden.
  • Die Dehnung und Zusammenziehung von mindestens einer Schweißfläche kann im wesentlichen gleichphasig mit der Bewegung des Axialeingangsendes des Horns sein. Jede Schweißfläche kann sich im wesentlichen gleichphasig mit der Dehnung und Zusammenziehung alternierender Schweißflächen bewegen.
  • Das Horn kann ein Ultraschallhorn sein und eine Möglichkeit zur Änderung der Verstärkung der Radialschweißfläche durch Änderung der Masse am Axialeingangsende des Horns aufweisen.
  • Die Axiallänge der Schweißfläche kann bis zu einer halben Wellenlänge des Hornmaterials betragen. In einer Ausführungsform kann die Axiallänge des Horns im wesentlichen gleich einer Wellenlänge des Hornmaterials sein. In dieser Ausführungsform kann die Schweißflächendehnung und -zusammenziehung im wesentlichen gleichphasig mit der Bewegung des Eingangsendes des Horns sein. Das Horn kann zwei Knotenpunkte für Axialbewegung aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Axiallänge des Horns kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge des Hornmaterials sein. In dieser Ausführungsform kann die Schweißflächenausdehnung und -zusammenziehung im wesentlichen ungleichphasig mit der Bewegung des Eingangsendes des Horns sein. Dieses Horn kann einen Knotenpunkt für Axialbewegung aufweisen.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Mecasonic- Horns.
  • Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Horns vom Typ des Patents 5 096 532
  • Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Horns mit Vielfachschweißflächen in Serie.
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Horns mit mehreren Schweißflächen in Serie.
  • Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Horns wie in Fig. 3 mit mehreren Schweißflächen parallel.
  • Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Horns wie in Fig. 4 mit mehreren Schweißflächen parallel.
  • Fig. 7 ist eine schematische Ansicht von zwei versetzten Hörnern in Fig. 5.
    • Ausführliche Beschreibung
  • Das erfindungsgemäße Rotationshorn kann ein Vollwellenlängenhorn, ein akustisches Rotationshorn, wie in Fig. 1, 4 und 6 gezeigt, oder ein Halbwellenlängenhorn sein, wie in Fig. 2, 3 und 5 gezeigt. Wie gezeigt, ist das Horn ein Ultraschallhorn und überträgt Energie mit einer gewählten Wellenlänge, Frequenz und Amplitude. Das Horn kann Teile über eine relativ große Breite mittels Ultraschall mit einer gewünschten Amplitude schweißen.
  • Beim Vollwellenlängenhorn ist die Radialbewegung gleichphasig mit der Erregung, und das Horn hat zwei Knotenpunkte für die Axialbewegung und zwei Knotenpunkte für die Radialbewegung. Beim Halbwellenlängenhorn ist die Radialbewegung ungleichphasig mit der Erregung, und das Horn hat einen Knotenpunkt für die Axialbewegung und einen Knotenpunkt für die Radialbewegung.
  • Gemäß Fig. 3 hat das Rotationshorn 10 ein Axialeingangsende 11 und ein Axialausgangsende 13. Mehrere Schweißflächen 16 sind am Horn 10 angeordnet. In Fig. 1, 4 und 6 kann das Horn 10 einen hohlen Abschnitt 15 haben, der sich über mehr als die halbe Axiallänge des Horns 10 erstrecken und länger als die Schweißfläche 16 sein kann.
  • Der Schweißflächendurchmesser kann größer sein als der Durchmesser des Restes des Horns 10. Jede Schweißfläche 16 hat einen Durchmesser, der sich mit dem Einbringen von Ultraschallenergie dehnt und zusammenzieht.
  • Die Verstärkung (Verhältnis zwischen Hornausgangsamplitude und Horneingangsamplitude, bezogen auf den Axialeingang) kann an der Schweißfläche 16 durch Änderung der Masse 18 am Eingangsende 11 des Horns geändert werden:
  • Um auf einen Amboß mit einer Breite, die größer ist als die Breite der Schweißfläche 16, zu schweißen, ohne mehrere Rotationshörner zu verwenden (ganz gleich, ob auf einem Rotations- oder flachen Ambossen), können die Hörner mit mehreren Schweißflächen 16 verwendet werden, oder ein Horn mit einer einzigen Schweißfläche kann entlang seiner Länge in einer einzigen Einheit gestapelt werden. Die Konfiguration würde wie eine "Schaschlik"-Struktur aussehen.
  • Der Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Schweißflächen 16 kann ein oder mehrere Vielfache einer halben Wellenlänge des Hornmaterials sein. Außerdem kann die Schwingungsamplitude jeder Schweißfläche sich von der Schwingungsamplitude benachbarter Schweißflächen unterscheiden. Diese Hornanordnungskonfiguration kann mit einer einzigen Stromversorgungs-, Verstärker-, Umsetzer- und Ansteuerungssystem betätigt und gedreht werden. Um die größere Breite des Ambosses voll abzudecken, können zwei oder mehrere dieser Konfigurationen verwendet werden, die bis zur Breite der Schweißfläche um einen Abstand versetzt sind, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Schweißflächen an jedem Horn können Breiten haben, die sich von der der Schweißflächen des anderen Horns unterscheiden.
  • Die Schweißt lächen können in Serie miteinander, wie an den Hörnern 10 und 10' in Fig. 3 und 4 gezeigt, oder parallel zueinander angeordnet sein, wie an den Hörnern 10" und 10''' in Fig. 5 und 6 gezeigt. Fig. 3 und 4 sind Beispiele von in Serie gestapelten Hörnern. Die Konfiguration ist als Rotationshornserienstapelung klassifiziert, da der Ausgang eines - Horns in Axialrichtung zum Eingang für das nächste Horn wird. Das erste Horn erregt das zweite Rotationshorn usw. In Fig. 3 ist die Axiallänge des Horns das Vielfache der halben Wellenlänge des Hornmaterials. Der Abstand zwischen der Mitte aufeinanderfolgender Flächen ist eine halbe Wellenlänge des Hornmaterials. Die Radialbewegung der alternierenden Schweißflächen kann ungleichphasig mit der Erregung sein, und das Horn weist einen Axialknotenpunkt für jede Schweißfläche auf.
  • In Fig. 4 ist die Axiallänge des Horns ein Vielfaches einer Wellenlänge des Hornmaterials. Der Abstand zwischen der Mitte aufeinanderfolgender Schweißflächen ist eine Wellenlänge des Hornmaterials. Die Radialbewegung jeder Schweißfläche ist gleichphasig mit der Erregung, und das Horn weist zwei Axialknotenpunkte für jede Schweißfläche auf.
  • Die in Fig. 3 und 4 gezeigte Konfiguration kann durch Stapeln einzelner Hörner oder durch Bearbeiten einer einzigen, aus einem Stück ausgebildeten, einstückigen Struktur hergestellt werden.
  • Fig. 5 und 6 zeigen die parallel gestapelten Rotationshörner. In diesen Figuren sind zwei oder mehr Rotationshörner entlang ihrer Länge unter Verwendung eines Resonanzstabs 20 gestapelt. Diese Konfiguration ist ein paralleles System, da die Haupterregungs- oder Eingangsquelle ein zylindrischer Stab ist, der diese Rotationshörner verbindet. In dieser Rotationshornkonfiguration kann jede Schweißfläche unabhängig von der benachbarten Schweißfläche erregt werden.
  • Die Merkmale des Horns in Fig. 1 bis 6 können irgendwie kombiniert werden, indem Merkmale und Bestandteile so gemischt werden, daß viele Konfigurationen entstehen.
  • Die Länge eines Horns mit mehreren Schweißflächen ist ein Vielfaches der Wellenlänge des verwendeten Hornmaterials. Die aufeinanderfolgenden Schweißflächen sind bei Hörnern in Fig. 3 und 5 mit einem Abstand (Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Schweißflächen) einer halben Wellenlänge des Hornmaterials angeordnet. Der Abstand von Mitte zu Mitte bei Hörnern in Fig. 4 und 6 beträgt eine Wellenlänge des Hornmaterials. Bei Bedarf können dazwischen liegende Schweißflächen beseitigt werden, so daß die Schweißflächen bei Hörnern in Fig. 3 und 5 mit voller Wellenlänge des Hornmaterials positioniert sind.
  • Die Konfiguration in Fig. 5 und 6 kann hergestellt werden durch Stapeln einzelner Hörner oder durch Verwendung einer einzelnen aus einem Stück ausgebildeten, einstückigen Struktur.
  • Um eine größere Schweißbreite abzudecken, kann man mehrere Mehrfachschweißflächenrotationshörner irgendeiner Konfiguration versetzt anordnen, wie in Fig. 7 gezeigt. Dadurch wird die Anzahl der gestapelten Hörner, die verwendet werden müssen, minimiert und wiederum die Anzahl der Zusatzeinrichtungen reduziert, z. B. Wandler, verstärker, Netzteile und Erregungssysteme, die notwendig sind, um vergrößerten Amboßbreiten zu entsprechen. Dadurch wird auch die Wartung und Montage der Gesamtkonfiguration reduziert.
  • Das Horn und die Schweißfläche können konzentrische Zylinder mit konstantem Durchmesser sein. Sie könnten jedoch auch verschiedene Radien haben oder nichtkonzentrisch sein, und der Schweißabschnitt muß nicht zylindrisch sein, um mit verschiedenen Schweißkonfigurationen zusammenzuwirken. Beispielsweise könnte der Schweißabschnitt ein nichtzylindrischer konischer Teil sein. Er könnte in radialer Richtung elliptisch sein oder kann kugelförmig sein.

Claims (9)

1. Akustisches Rotationshorn (10", 10''') zum Übertragen von Energie mit einer gewählten Wellenlänge, Frequenz und Amplitude, wobei das Horn aufweist:
einen Basisabschnitt mit einem Axialeingangsende (11) und einem Axialausgangsende (13);
mehrere Schweißflächen (16), die betriebsfähig mit dem Basisabschnitt verbunden sind und jeweils einen Durchmesser haben, der größer ist als der Durchmesser des Basisabschnitts und der sich beim Einbringen von Schallenergie in das Eingangsende (11) des Basisabschnitts dehnt und zusammenzieht, wobei die Schweißt lächen (16) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißflächen auf einem mittigen Kern parallel zueinander angeordnet sind.
2. Horn (10", 10''') nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen Mittelpunkten benachbarter Schweißflächen (16) mindestens ein Vielfaches einer halben Wellenlänge des Hornmaterials ist.
3. Horn (10", 10" ') nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsamplitude jeder Schweißfläche (16) sich von der Schwingungsamplitude benachbarter Schweißflächen unterscheidet.
4. Horn (10", 10" ') nach Anspruch 1, wobei die Axiallänge des Horns im wesentlichen gleich einem oder mehreren Vielfachen einer halben Wellenlänge des Hornmaterials ist und wobei der Basisabschnitt für mindestens einen Teil seiner Axiallänge hohl ist.
5. Horn (10", 10" ') nach Anspruch 1, wobei der Basisabschnitt zylindrisch ist, die Schweißfläche (16) zylindrisch ist und die Schweißfläche mit dem Basisabschnitt koaxial ist.
6. Horn (10", 10" ') nach Anspruch 1, wobei sich Dehnung und Zusammenziehung mindestens einer Schweißfläche (16) im wesentlichen gleichphasig mit der Bewegung des Axialeingangsendes (11) des Horns bewegen und wobei sich Dehnung und Zusammenziehung jeder Schweißfläche (16) im wesentlichen gleichphasig mit der Schweißflächendehnung und -zusammenziehung alternierender Schweißt lächen bewegen.
7. Horn (10", 10''') nach Anspruch 1, wobei das Horn ein Ultraschallhorn ist.
8. Horn (10", 10''') nach Anspruch 1, ferner mit einer Einrichtung zum Ändern der Verstärkung an der Radialschweißfläche durch Änderung der Masse (18) am Axialeingangsende des Horns.
9. Akustische Rotationshornanordnung zum Übertragen von Energie mit einer gewählten Wellenlänge, Frequenz und Amplitude, wobei die Anordnung ein erstes und ein zweites Horn aufweist (10, 10', 10", 10''') und wobei jedes Horn aufweist: einen Basisabschnitt mit einem Axialeingangsende (11) und einem Axialausgangsende (13), mehreren Schweißflächen (16), die betriebsfähig mit dem Basisabschnitt verbunden sind und die jeweils einen Durchmesser haben, der größer ist als der Durchmesser des Basisabschnitts und der sich beim Einbringen von Schallenergie in das Eingangsende (11) des Basisabschnitts dehnt und zusammenzieht, wobei die Schweißflächen (16) voneinander beabstandet sind und wobei die Schweißflächen parallel zueinander auf einem mittigen Kern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißflächen (16) am ersten Horn in bezug auf benachbarte Schweißflächen am zweiten Horn versetzt angeordnet sind um einen Abstand, der ausreicht, um eine Breite eines Ambosses, gegen den das Schweißen erfolgt, voll abzudecken.
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