DE69902928T2

DE69902928T2 - Ultraschallsverbindungsverfahren

Info

Publication number: DE69902928T2
Application number: DE69902928T
Authority: DE
Inventors: T. Curran; P. Henderson; W. Louks; P. Pochardt
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: DE69902928D1; US6099670A; WO2000015381A1; EP1112139B1; JP2002524267A; EP1112139A1; AU2233699A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft das Ultraschallverbinden. Insbesondere betrifft die Erfindung das Ultraschallverbinden mit hohen Geschwindigkeiten.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ultraschallakustik ist die Lehre von den Auswirkungen von Schallschwingungen jenseits der hörbaren Frequenzgrenze. Die Aufgabe von Ultraschallanwendungen mit hoher Leistung besteht darin, eine gewisse dauerhafte physikalische Änderung im behandelten Material zu bewirken. Dieses Verfahren erfordert den Schwingungsenergiefluß je Flächen- oder Volumeneinheit. Je nach Anwendung kann die resultierende Leistungsdichte im Bereich von unter einem Watt bis Tausenden von Watt je Quadratzentimeter liegen. Obwohl die ursprünglichen Geräte für Ultraschalleistung mit Funkfrequenzen arbeiteten, operieren derzeit die meisten mit 20.000 bis 69.000 Hz.
Ultraschall kommt in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz. Verwenden läßt sich Ultraschall z. B. zum Abscheiden von Staub, Rauch oder Tröpfchen; Herstellen kolloidaler Dispersionen; Reinigen von Metallteilen und Textilien; thermoplastischen Verbinden; Bilden von Katalysatoren; Entgasen und Verfestigen von Metallschmelzen; Metallschweißen; Extrahieren von Aromaölen beim Brauen; Elektroplattieren; Bohren von harten Materialien; flußmittelfreien Löten; und zerstörungsfreien Prüfen, z. B. in der medizinischen Diagnostik.
Ultraschallkraft dient zum Perforieren von Bahnenmaterialien. Die US-A-3966519 offenbart das Perforieren von Vliesbahnen. Die Ultraschallenergiemenge wird durch Aufbringen eines Fluids auf die Fläche gesteuert, wo die Ultraschallenergie einwirkt. Die US-A-3949127 offenbart das Perforieren von Vliesbahnen durch Einwirkenlassen von intermittierendem Ultraschallschmelzen auf die Bahn und anschließendes Strecken der Bahn, um die am intensivsten verschmolzenen Bereiche zu brechen, wodurch sich Perforationen in der Bahn bilden. Die US-A-5269981 offenbart das Perforieren eines porenfreien Dünnfilms, was das Auftragen einer Flüssigkeit auf den Film erfordert, bevor er Ultraschallschwingungen ausgesetzt wird.
Die US-A-5735984 offenbart das Bilden von Öffnungen in einer kleberbeschichteten Vlies- oder Schaumbahn, wobei die Höhe der abgeflachten erhöhten Bereiche auf dem Amboß gleich oder kleiner als die Dicke des Bahnenmaterials und Klebers ist. Ultraschallkräfte kommen beim Schweißen von Bahnenmaterialien zum Einsatz. Die US-A-3697357 offenbart das Schweißen von Bahnen, die ganz oder teilweise aus thermoplastischem Material oder thermoplastischer Faser hergestellt sind, durch Versiegeln eines Materialbereichs. Die US-A-3939033 offenbart die Verwendung von Ultraschalltechnik, um thermoplastisches Textilmaterial gleichzeitig zu versiegeln und zu schneiden. Die US-A-5061331 offenbart eine Ultraschall-Schneid- und Kantenversiegelungsvorrichtung zum Schneiden und Versiegeln von halbdurchlässigen und mindestens teilweise thermoplastischem Gewebe.
Beim akustischen Verbinden oder Schweißen, z. B. Ultraschallschweißen, werden zwei Fügeteile (normalerweise thermoplastische Teile) direkt unter einem Ultraschalltrichter bzw. -kopf plaziert. Beim Verbinden oder Schweifen mit Zustellbewegung vollführt der Kopf eine Zustellbewegung (verfährt zu den Teilen) und überträgt Ultraschallschwingungen in das obere Teil. Die Schwingungen durchlaufen das obere Teil zur Grenzfläche der beiden Teile. Hier wird die Schwingungsenergie infolge von intermolekularer Reibung in Wärme umgewandelt, die die beiden Teile zum Schmelzen bringt und miteinander verschmilzt. Setzen die Schwingungen aus, verfestigen sich die beiden Teile unter Kraft, was eine Schweißung an der Fügefläche erzeugt.
Normalerweise wird kontinuierliches Ultraschallschweißen zum Versiegeln von Geweben, Filmen und anderen Teilen verwendet. Im kontinuierlichen Betrieb ist der Ultraschallkopf normalerweise feststehend, und das Teil wird unter ihm bewegt.
Beim Abtastschweißen handelt es sich um eine Art von kontinuierlichem Schweißen, bei der das Kunststoffteil oder Bahnenmaterial unter einem oder mehreren feststehenden Köpfen abgetastet wird. Beim Drehkopfschweißen wird normalerweise ein Drehkopf in Verbindung mit einem Drehamboß verwendet. Beim Querschweißen bleiben sowohl der Tisch, über den die Teile laufen, als auch das verschweißte Teil zueinander feststehend, während sie sich unter dem Kopf bewegen oder während sich der Kopf über ihnen bewegt.
Viele Einsatzgebiete von Ultraschallenergie zum Verbinden und Schneiden thermoplastischer Materialien beinhalten Ultraschallköpfe. Ein (Schall-) Trichter bzw. Kopf ist ein akustisches Werkzeug, das gewöhnlich eine Länge von einem Vielfachen der halben Wellenlänge des Kopfmaterials hat und z. B. aus Aluminium, Titan oder Stahl hergestellt ist, und das die mechanische Schwingungsenergie auf das Teil überträgt. (Normalerweise haben diese Materialien Wellenlängen von etwa 25 cm (10 Inch). Die Kopf(weg)amplitude ist die Spitze-Spitze-Bewegung der Kopffläche. Das Verhältnis der Kopfausgangsamplitude zur Kopfeingangsamplitude nennt man Verstärkung. Die Verstärkung ist eine Funktion des Verhältnisses der Masse des Kopfes bei den Schwingungseingangs- und -ausgangsteilstücken. Allgemein fällt bei Köpfen die Amplitudenrichtung der Fläche des Kopfes mit der Richtung der ausgeübten mechanischen Schwingungen zusammen.
Herkömmlich kommen zum Ultraschallschneiden und -schweißen Köpfe zum Einsatz, die gegen einen starren Amboß axial schwingen, wobei das zu schweißende oder schneidende Material zwischen Kopf und Amboß plaziert ist. Alternativ ist beim kontinuierlichen Schweißen oder Schneiden mit hoher Geschwindigkeit der Kopf feststehend, während der Amboß gedreht wird, und das Teil läuft zwischen Kopf und Amboß durch. In diesen Fällen ist die Lineargeschwindigkeit des Teils an die Tangentialgeschwindigkeit der Arbeitsfläche des Drehamboß angepaßt.
Allerdings kann die Widerstandskraft zwischen dem Teil und dem Kopf Spannung in und um den Schweißbereich beim Schweißen verursachen. Zusätzlich können Schließ- oder Spaltkräfte auch Spannung im Verbindungsbereich erzeugen. Diese Faktoren beeinflussen die Schweißqualität und -festigkeit, was wiederum die Geschwindigkeit der Fertigungslinie begrenzt.
Ein Weg zum Minimieren dieser Beschränkungen ist, die Arbeitsfläche des Kopfes so zu formen, daß ein fortschreitend zulaufender oder auseinanderlaufender Spalt je nach Teil erreicht wird. Damit lassen sich die Spannungen reduzieren, aber die Widerstandsspannung wird nicht beseitigt. Eine Trägerbahn kann Widerstandsspannung praktisch eliminieren.
Eine weitere Möglichkeit, hochqualitative und mit hoher Geschwindigkeit ausgeführte Schweißungen zu erzielen, besteht im Gebrauch eines Drehkopfes mit einem Drehamboß. Dieses System kann die Widerstandsspannung beim Schweißen verringern oder beseitigen. Normalerweise ist ein Drehkopf zylinderförmig und dreht um eine Achse. Die Eingangsschwingung verläuft in Axialrichtung, und die Ausgangsschwingung verläuft in Radialrichtung. Kopf und Amboß können zwei Zylinder sein, die eng nebeneinander liegen und in Gegenrichtungen mit im wesentlichen gleichen Tangentialgeschwindigkeiten drehen. Das zu verbindende Teil läuft zwischen diesen Zylindern mit einer Lineargeschwindigkeit durch, die gleich der Tangentialgeschwindigkeit dieser Zylinderflächen ist. Durch Anpassen der Tangentialgeschwindigkeiten von Kopf und Amboß an die Lineargeschwindigkeit des Materials läßt sich der Widerstand zwischen Kopf und Material minimieren. Die Anregung in Axialrichtung ähnelt der beim herkömmlichen Schweißen mit Zustellbewegung.
Die US-A-5096532 beschreibt zwei Klassen eines Drehkopfs. Die Patentschrift vergleicht einen handelsüblichen Drehkopf, hergestellt von Mecasonic, Annemasse, Frankreich (Mecasonic-Kopf) und einen in der Patentschrift '532 beschriebenen Drehkopf. Die Form des Kopfes des Patents '532 unterscheidet sich von der des Mecasonic-Kopfes; der Kopf der Patentschrift '532 ist massiv, und der Mecasonic-Kopf ist ein teilweise ausgehöhlter Zylinder.
Der Mecasonic-Kopf ist ein Vollwellenlängenkopf. Die Axialschwingung erregt den zylindrischen Biegemodus, um die Radialbewegung zu liefern, und die Schwingungsform hängt vom Poissonschen Verhältnis ab. Die Radialbewegung der Schweißfläche ist gleichphasig mit der Anregung, und es gibt zwei Knoten für die Axialbewegung und zwei Knoten für die Radialbewegung. Der Kopf der Patentschrift '532 ist ein Halbwellenlängenkopf. Die Axialschwingung liefert die Radialbewegung. Die Schwingungsform ist unabhängig vom Poissonschen Verhältnis. Die Radialbewegung der Schweißfläche ist außerphasig mit der Anregung, und es gibt nur einen Knoten in der geometrischen Mitte der Schweißfläche.
Die US-A.5707483 und US-A-5645681 beschreiben neue Drehschallköpfe.
In bekannten Systemen wird das Schweißen durch die verschiedenen Parameter bestimmt, die geändert werden können, um das Schweißverfahren abzuwandeln. Zu diesen Parametern gehören Frequenz, Schwingungsamplitude, Dauer der Ultraschalleinwirkung, Temperatur (die eine Funktion der Frequenz ist) und Druck zwischen Kopf und Amboß.
Zum richtigen Schweißen von Materialien ist es notwendig, die Grenzflächentemperatur des geschweißten Gegenstands so zu erhöhen, daß der Vorgang, z. B. das Verbinden, auftreten kann. Notwendig ist auch, ihn abzuschrecken und die Temperatur nach Herstellung der Schweißung schnell zu verringern, um zu verhindern, daß Spannung den verbundenen Bereich beschädigt, während die Verbindung noch warm ist. Oft ist die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur erhöht und gesenkt werden kann, der einschränkende Faktor bei der Schweißgeschwindigkeit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum schnellen Verbinden mindestens eines Materials, das mindestens eine thermoplastische Komponente aufweist. Zum Verfahren gehört das Einwirkenlassen akustischer Energie mit einem Schallkopf und einem Amboß auf das Material. Ferner weist das Verfahren das Ausüben von Kraft auf den Kopf und/oder den Amboß so auf, daß sich ein Spitzendruck zwischen Kopf und Amboß von mindestens 2,068 · 10&sup7; N/m² ergibt. Die akustische Energie und der Druck werden für eine ausreichende Zeit ausgeübt, um Verbindungen innerhalb des Materials so zu erzeugen, daß das Material ausreichend abgeschreckt wird, bevor der Druck reduziert wird.
Das Verfahren kann das Einwirkenlassen akustischer Energie mit einer Schwingungsamplitude aufweisen, die in Kombination mit der Schwingungsfrequenz so ausgewählt ist, daß sich eine Schallgeschwindigkeit von höchstens 4,72 m/s ergibt.
Die akustische Energie und der Druck können für eine Zeit ausgeübt werden, die ausreicht, Verbindungen im Material so zu erzeugen, daß das Material ausreichend abgeschreckt wird, bevor der Druck vermindert wird. Thermoplastische Spitzentemperaturen werden erreicht, so daß eine ausreichende Erwärmung auftritt, um eine akzeptable Bindungsfestigkeit zu erzeugen, und der Verbindungsbereich wird angemessen und in ausreichender Zeit abgekühlt, um zu verhindern, daß Innen- und Außenspannungen die Verbindungsqualität negativ beeinflussen, und um Verbindungsbeeinträchtigung, z. B. Löcher oder Schnittkanten, zu verhindern.
Der Spitzendruck könnte mindestens 3,448 · 10&sup7; N/m² oder mindestens 6,895 · 10&sup7; N/m² betragen. Das Gesamtflächengewicht der Laminate kann mindestens 200 g/m² betragen. Die Schallenergie kann eine Frequenz von mindestens 10.000 Hz haben und kann 14.000 Hz bis 32.000 Hz betragen. Die Schallgeschwindigkeit kann höchstens 3,15 m/s betragen.
Das Verfahren kann kontinuierliches Schweißen oder Schweißen mit Zustellbewegung aufweisen, und die Materialien können sich am Schallkopf mit Geschwindigkeiten von mehr als 30 cm/min vorbeibewegen.
Zu den Materialien können gehören: Gewebeschichten; Filme; Vliese; und nicht thermoplastische Materialien, die ein Material auf Baumwollebasis und/oder ein Material auf Papierbasis aufweisen.
Die Amboßmaße lassen sich in Kombination mit den Eigenschaften des zu verbindenden Materials, der Amplitude der einwirkenden akustischen Energie, dem Druck auf den Amboß und den Wärmeleitfähigkeitswerten von Kopf und Amboß auswählen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Zeichnungen zeigt eine Seitenansicht eines strukturierten Drehambosses mit einem Drehkopf.

NÄHERE BESCHREIBUNG

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum schnellen Verbinden (auch Schweißen genannt) von Materialien mittels akustischer Energie unter Verwendung von Schallköpfen und Ambossen. In seiner einfachsten Form läuft ein Material 10 von einer Abwickelrolle 12 zu einer Aufwickelrolle 14 zwischen einem Kopf 16 und einem Amboß 18 durch. Wie in der Darstellung gezeigt ist, rotieren sowohl der Kopf 16 als auch der Amboß 18. Der Amboß 18 ist gemustert bzw. strukturiert.
Der Kopf kann mit verschiedenen Frequenzen arbeiten, z. B. den über 10.000 Hz. Der Kopf kann ein Ultraschallkopf sein, der mit Frequenzen von 20.000 Hz oder darüber arbeitet. Dieses Verfahren kann zum Verbinden von Materialien verwendet werden, die eine hohe oder niedrige lose Beschaffenheit bzw. Offenheit haben. (Zum Verbinden gehören Verstärken, Laminieren, Fügen.) Als Laminate bezeichnet man flexible bahnenartige Materialien, die zwei oder mehr Schichten aufweisen können. Verbinden lassen sich Materialien, die mindestens eine thermoplastische Schicht haben, wobei das Gesamtflächengewicht des Materials mindestens 200 g/m² beträgt (wie auch weniger massive Materialien). Das Verfahren kann an Laminaten zum Einsatz kommen, die Kombinationen aus thermoplastischen und nicht thermoplastischen Stoffen aufweisen, z. B. Vliese, Gewebe, Filme, Papiere, Baumwollstoffe.
Das Verfahren kann das Einwirkenlassen akustischer Energie auf die Materialien mit relativ geringen Amplituden und das Erzeugen eines relativ hohen Drucks zwischen Kopf und Amboß aufweisen. Ein wichtiges Merkmal ist die Nutzung sehr hoher Schweißdrücke, normalerweise in Kombination mit Amplituden, die niedriger als jene sind, die typischerweise zum schnellen Verbinden von Materialien mit hohen Flächengewichten verwendet wurden.
Die Schwingungsamplitude und die einwirkende Frequenz stehen in Beziehung zueinander; die resultierende Energieübertragung für eine geringe Amplitude und eine hohe Frequenz kann die gleiche wie die für eine relativ hohe Amplitude und relativ geringe Frequenz sein. Diese Parameter sind proportional. Das heißt, Erhöhung der Amplitude und Verringerung der Frequenz kann die gleiche Erwärmung ergeben.
Die Übertragungsgeschwindigkeit von Energie aus Schallwellen hängt vom Quadrat der Amplitude und Quadrat der Winkelfrequenz ab. Da die Ultraschallgeschwindigkeit Amplitude mal Winkelfrequenz ist, ist die Energieübertragungsgeschwindigkeit vom Quadrat der Ultraschallgeschwindigkeit abhängig. (Die viskoelastische Erwärmungsgeschwindigkeit in einem Polymer ist proportional zur Winkelfrequenz mal Quadrat der Amplitude.) Daher kann die Energieübertragungsgeschwindigkeit die gleiche sein, wenn man die doppelte Frequenz, aber die halbe Amplitude verwendet. Zum Beispiel beträgt für eine Amplitude mit 75 Mikrometern Spitze-Spitze und eine Frequenz von 20.000 Hz die Spitzenamplitude 37,5 Mikrometer. Die Winkelfrequenz beträgt 2π mal 20.000 Hz. Daher beträgt die Ultraschallgeschwindigkeit:
(37,5 · 10&supmin;&sup6; m)2π(20.000 Hz) = 4,71 m/s. In der gesamten übrigen Beschreibung sind die Amplitudenwerte solche für Systeme, die mit einer Frequenz von 20.000 Hz arbeiten. Die erforderliche Amplitude nimmt mit höheren Frequenzen ab. Die äquivalenten Amplituden, um die gleichen Ultraschallgeschwindigkeiten für andere Frequenzsysteme zu erreichen, lassen sich durch Multiplizieren der aufgeführten Amplituden mit dem Verhältnis von 20.000 Hz (der zum Erhalten der aufgeführten Amplituden verwendeten Frequenz) und der interessierenden Frequenz erhalten.
Für Ultraschallschwingungsfrequenzen von 20.000 Hz kann das Verfahren das Einwirkenlassen von Schallenergie auf die Materialien mit einer Schwingungsamplitude von höchstens 75 Mikrometern Spitze-Spitze aufweisen. Amplituden von höchstens 50 Mikrometern Spitze-Spitze können verwendet werden. Diese Amplituden sind kleiner als die herkömmlich gebrauchten, die normalerweise 75 bis 100 Mikrometer oder mehr sogar für kontinuierliches Verbinden mit geringerer Geschwindigkeit betragen.
Ferner weist das Verfahren das Ausüben einer Kraft auf den Kopf und/oder den Amboß so auf, daß sich ein mittlerer Druck zwischen Kopf und Amboß von mindestens 2,068 · 10&sup7; N/m² (3.000 psi) ergibt. Dieser Druck ist hoch und kann in vielen Fällen größer als 1,379 · 10&sup8; N/m² (20.000 psi) sein. Diese Drücke sind viel stärker als die derzeit genutzten, die normalerweise 6,895 · 10&sup5; N/m² (100 psi) bis 6,895 · 10&sup6; N/m² (1000 psi) betragen. Die Kraft kann mit bekannten Verfahren erzeugt werden, u. a. Pneumatik, Hydraulik, Masse und Schwerkraft, Federn, Materialdehnung (z. B. piezoelektrische oder thermische) oder durch Einstellen eines festen Zwischenraums zwischen Kopf und Amboß.
Den Druck zwischen Kopf und Amboß bestimmt man durch Dividieren der auf Kopf oder Amboß ausgeübten Kraft durch die Fläche der Schweißstelle(n), wo das Material mit dem Kopf und Amboß in Berührung steht. Für das Schweißen mit Zustellbewegung ergibt das Dividieren der ausgeübten Kraft durch die Schweißfläche in Berührung zwischen Kopf und Amboß einen Druck, der ein Mittel über die Schweißfläche für diese Schweißung ist (die mechanische Ausrichtvariation oder Schweißgeschwindigkeitsvariation spezieller Schweißorte in der Schweißfläche kann zu lokal höheren oder geringeren Kräften führen). Zusätzlich kann die ausgeübte Kraft beim Schweißen variieren. Die Kraft zur Berechnung ist die höchste Kraft, die während jenes Teils des Schweißzyklus ausgeübt wird, in dem das Material geschweißt wird.
Zum kontinuierlichen Schweißen ist die Fläche die Materialfläche in Berührung mit den Schweißstellen zwischen Kopf und Amboß auf der vor dem Schweißspalt liegenden Seite der Bahn. Diese Fläche entspricht der Länge des Materials mal Breite der Schweißstellen. Dann wird der mittlere Druck durch Ausüben der Kraft zwischen Kopf und Amboß bestimmt, während Kopf, Amboß und Material feststehend bleiben. Der Kopf wird für die kurze Zeit in Schwingung versetzt, die zum Erzeugen einer Verbindung notwendig ist, und die Flächengröße der resultierenden Schweißung wird gemessen. Weist die Schweißfläche diskrete Schweißfelder auf, so ist die gemessene Fläche die Länge des Felds mal Breite mal Anzahl verbundener Felder. Diese gemessene Fläche ist etwa doppelt so groß wie die tatsächliche Fläche, da während eines kontinuierlichen Vorgangs das den Schweißspalt verlassende Material bereits verbunden und dünner ist; bei der statischen Schweißprüfung ist das Material sowohl auf der Eingangs- als auch Ausgangsseite des Spalts verbunden. Die ausgeübte Kraft wird durch die halbe gemessenen Schweißflächengröße dividiert, was den mittleren Druck ergibt. Hierbei handelt es sich um einen mittleren Druck, da der Radius eines Drehamboß ein Druckprofil auf dem Material zwischen Kopf und Amboß als Funktion des Schließzwischenraums und Schweißzustands des Materials bei seinem Durchlaufen des Spalts erzeugt.
Die Einwirkung von akustischer Energie und Druck erfolgt für eine Zeit, die ausreicht, Verbindungen zwischen den benachbarten Materialschichten zu erzeugen und die Materialien vor Druckverringerung ausreichend abzuschrecken. Zur Druckverringerung kommt es, wenn das Material den Schweißspaltbereich verläßt. Die Materialien müssen thermoplastische Spitzentemperaturen erreichen, um zu ausreichender Polymerdiffusion für kompatible Materialien oder zum Schmelzen mindestens eines Polymers zu führen und eine Verbindung mit einem anderen Material zu erzeugen, z. B. um ein Laminat zu bilden. (Dies könnte z. B. Polypropylen sein, das in und um eine nicht schmelzende Faseroberfläche fließt.) Die Erwärmung muß ausreichend sein, um Diffusionsverbindung oder Bewegung eines Materials um oder in eine Oberfläche eines anderen Materials zu ergeben und eine mechanische Oberflächenverbindung herzustellen. Jedoch dürfen die Materialien durch die Erwärmung nicht wirklich schmelzen.
Der Verbindungsbereich muß ausreichend und schnell abgekühlt werden, bevor er den Spalt zwischen Kopf und Amboß verläßt und bevor die ausgeübte Kraft wegfällt, um zu verhindern, daß Innen- und Außenspannungen die Verbindungsqualität negativ beeinflussen, z. B. durch Schwächen der Bindungen, Erzeugen von Löchern oder Rückschmelzen von Material. Außerdem muß die Erwärmung ausreichend lokalisiert sein, um übermäßige Temperaturen an der Übergangslinie zwischen dem geschmolzenen oder teilweise geschmolzenen Polymer an der Fügung und der zur Verbindungsfläche benachbarten Polymer zu vermeiden. Das Material wird keinen Spannungen ausgesetzt, die die Verbindungsqualität negativ beeinflussen können.
Schnelle Erwärmung ohne Überhitzung und schnelle Abkühlung reduzieren übermäßige Temperaturen in der Verbindung (oder Versiegelung) und im Umkreis der Verbindung. Dies erhöht die Festigkeit der Schweißung und verringert Verbindungsbeeinträchtigung, z. B. übermäßig spröde Verbindungen; Überhitzung an den Kanten der Verbindung; und Lochbildung; es erhöht die Fähigkeit der Verbindung, Innen- und Außenspannungen sofort nach dem Verbinden zu widerstehen.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß trotz der in großer Menge öffentlich verfügbaren Informationen über das Ultraschallverbinden immer noch ein nicht gedeckter Bedarf an der Verbesserung des Verbindungsverfahrens und am Verbinden mit höheren Geschwindigkeiten bestand. Bei diesem Verfahren erfüllen die speziellen zu optimierenden Parameter und die die Wertekombinationen jedes Parameters eine seit langem unerfüllte Forderung. Das Verfahren kombiniert sehr hohe Drücke mit relativ niedrigen Ultraschallschwingungsamplituden. Ausgewählt werden diese Kennwerte innerhalb relativ schmaler und bisher unbekannter Prozeßfenster, die das schnelle kontinuierliche Ultraschallverbinden von Bahnenmaterialien ermöglichen. Diese Prozeßfenster können sich auch auf Schweißanwendungen mit Zustellbewegung ausdehnen, um die Schweißqualität zu verbessern.
Das Verfahren kann durch Optimieren verschiedener Parameter variiert werden, zu denen folgende gehören können: Ultraschallamplitude; Druck; Einwirkungszeit; Materialeigenschaften (z. B. Schmelztemperaturen, Absorptionskoeffizienten, Schmelzrheologie und Wärmeleitfähigkeiten); Wärmeverluste (z. B. durch Wärmeleitfähigkeit) an den Amboß, den Kopf, Trägerbahnen, umgebende Polymere, absorptive Zusatzstoffe und andere Orte; sowie Schweißgeometrien. Diese Parameter werden in Kombination miteinander ausgewählt. Zu variierenden Kennwerten gehören die Eigenschaften des zu verbindenden Materials, die Amplitude der einwirkenden Schallenergie und der Druck zwischen Kopf und Amboß sowie die Wärmeleitfähigkeiten von Kopf und Amboß. Zu Amboßeigenschaften gehören seine Länge, Breite, Kantenradius, Oberflächentextur und Wärmeleitfähigkeit sowie die Maße der Schweißstellen auf dem Amboß, ihre Orientierung und ihr Abstand. Das spezifische Verfahren besteht darin, Amboßmaße zu wählen und dann die Verarbeitungsbedingungen unter Zugrundelegung der Materialeigenschaften zu optimieren. Sind sie suboptimal, so sind die Amboßmaße zu modifizieren. Bleiben aufeinanderfolgende Iterationen erfolglos, sind Alternativen für die Materialeigenschaften zu untersuchen.
Bekanntlich neigen Schweißfestigkeit und -qualität dazu, bei höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten und bei steigender Offenheit und Masse der Bahn beim schnellen kontinuierlichen Verbinden von Materialien auf Bahnengrundlage abzunehmen. (Ferner sinkt die Schweißqualität bei zunehmendem Flächengewicht von Vliesmaterialien beim Schweißen mit Zustellbewegung.) In Prüfungen im Rahmen der Erfindung wurde nachgewiesen, daß dieses Problem existiert, da die geschmolzenen Bahnenschichten nicht ausreichend abgeschreckt werden, bevor sie den Verbindungsspalt verlassen.
In bekannten Verfahren zum Verbinden von stark offenen Vliesmaterialien mit hohen Geschwindigkeiten werden Verarbeitungsbedingungen geändert, um die Energieeintragsgeschwindigkeit in den Schweißbereich zu steigern, normalerweise indem man sowohl die ausgeübte Kraft als auch die Schwingungsamplitude erhöht. Allerdings führt dies zu qualitativ schlechten Schweißungen, da vor dem Schmelzen des Polymers auf seine Endschweißdicke die zu verbindenden Materialien übermäßig warm sind und den Schweißspalt verlassen. Anders ausgedrückt ist die Ursache für qualitativ schlechte Schweißungen auf die Unfähigkeit des Verfahrens zurückzuführen, nach erfolgter Verbindung die Wärme abzuführen, die erforderlich war, um die Materialien ausreichend schnell zu verbinden. Tritt somit die verschweißte Probe aus dem Schweißspalt aus, kann sie übermäßige Wärme zurückhalten, was zu schwachen und verzerrten Verbindungen (infolge von Spannung, Dehnung und Schrumpf) führt.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß durch Erhöhen des Drucks auf die Schweißstelle um das 5 bis 50-fache gegenüber typischen Anwendungen ein Verfahren zustande kommt, das eine Kreuzung zwischen Wärme- und Ultraschallverbinden ist. Außerdem wurde gezeigt, daß es für viele Materialien, z. B. offene Vliese, nützlich ist, die Schweißamplitude um etwa die Hälfte der normalerweise gewünschten zu reduzieren. Beim Arbeiten mit weniger offenen Materialien, z. B. Gewebematerialien oder Film, ist eine verringerte Schweißamplitude nicht kritisch. Gutes Verbinden läßt sich durch Einwirkung akustischer Energie bei hohen Drücken ohne Amplitudenverringerung erreichen. Die Amplitudenauswahl ist materialabhängig.
Dieses Verfahren erzeugt hochqualitative Schweißungen und Verbindungen und kann dies mit relativ hohen Geschwindigkeiten von über 30 m/min (100 ft/min) bei Materialien mit hohem Flächengewicht realisieren. Außerdem verbessern diese Bedingungen das Bindevermögen dünnerer Aufbauten und ermöglichen den Gebrauch höherer Bahngeschwindigkeiten. Nachgewiesen wurde das Vliesverbinden von Materialien mit 430 g/m² bei Geschwindigkeiten von 120 m/min (400 ft/min). Höhere Geschwindigkeiten sind möglich, da diese Geschwindigkeit durch die Fähigkeiten der verwendeten Ausrüstungen, nicht durch das Verfahren selbst begrenzt war. Normalerweise erfordern Materialien mit stärkerer Offenheit, höhere Bahngeschwindigkeiten und geringere Amplituden einen höheren Verbindungsdruck.
Im Gegensatz zu hergebrachten Auffassungen reichen hohe Drücke und geringe Amplituden aus, eine Diffusionsverbindung herzustellen; der hohe Druck reduziert schnell die Dicke an der Schweißstelle, um die Energieeintragsgeschwindigkeit zu begrenzen, die abzuführende Wärmemenge zu senken und die Schweißdicke zu verringern, damit die dünne Schweißfläche ihre Wärme schneller an Kopf und Amboß (die als Wärmesenken wirken) abgeben kann.
Die höheren Drücke fördern das Erstarren der dünnen Schweißfläche, bevor übermäßige Verschiebung des Materials von der Schweißstelle auftritt und die Schweißfläche zerreißt oder eine zu dünne Schweißung erzeugt. Dies geschieht, da die Wärmesenken proportional zur Flächengröße sind und der Wärmeeintrag proportional zur Materialmasse und ihren Absorptionskennwerten ist. Da das Material schnell dünn wird, entfernen die Senken Wärme schneller, als Wärme eingetragen wird, und das. Material erstarrt. Zusätzliche Zeit oder Energie bewirkt nicht ohne weiteres, daß es wieder schmilzt (da das kühlere Polymer weniger Energie absorbiert). Somit sind die Versiegungsdicke und der schwimmende Zwischenraum zwischen Kopf und Amboß ein Ergebnis der Materialerstarrung vor dem Verlassen des oberen Totpunktbereichs des Ambosses. Eine zusätzliche Senkung der Temperatur tritt auch kurz nach dem oberen Totpunkt auf, was die Temperatur des Umfangs der Schweißung verringert. Anders ausgedrückt kann durch Verwendung sehr hoher Drücke und geringer Schwingungsamplituden die Schmelze verbundener Materialien vor Verlassen des Schweißspalts abgeschreckt werden.
Einige Vorgänge zum Schneiden und Versiegeln sowie einige Vorgänge zum Herstellen von Öffnungen erfordern sehr hohe Drücke zwischen Kopf und Amboß und höhere Amplituden. Das Ziel dieser Vorgänge ist aber nicht, die Materialien in dem Bereich erstarren zu lassen, wo geschnitten wird oder Öffnungen gebildet werden. Somit unterscheiden sich diese Verfahren vom Verbinden darin, daß das Erstarren und Abschrecken von Material nicht gewünscht ist, während es in einem Verbindungsverfahren notwendig ist.
Verschiedene Änderungen und Abwandlungen können an der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann das Schweißverfahren kontinuierliches Schweißen oder Schweißen mit Zustellbewegung sein.
Eine Stütze, die an den Knoten angeordnet sein kann, ermöglicht den Einsatz höherer Kräfte als sie bei bekannten Köpfen möglich sind. Die Stütze kann in Gleitberührung stehen; eine reibungsarme Kunststoffauflagefläche mit hohem PV- Anteil haben (die den verwendeten Kräften und Oberflächengeschwindigkeiten widersteht); dünn sein (so daß sie ihre Wärme schnell an die Stützstruktur verliert); und eine wärmeleitende (z. B. Aluminium-) Stützstruktur mit Kühldurchgängen haben. Die Stütze kann starr oder nachgiebig angeordnet und kann ein Aluminiumblock mit einem konkaven Radius sein, wo sich das Auflagematerial befindet. Alternativ können mehrere Stützen in Rollberührung mit dem Kopf stehen, während sie das dünne Polymermerkmal beinhalten.
Zwischen Kopf und Amboß kommt es zu relativer Ablenkung, wenn ein dickerer Abschnitt des Materials in den Spalt eintritt. (Der dickere Abschnitt kann durch Falten, Bereiche mit starker Offenheit und Bereiche mit hoher Masse erzeugt sein.) Dies erzeugt eine Trägheitskraft (die als zusätzliche Kraft zur ausgeübten Kraft wirkt), welche der Relativbewegung Widerstand entgegensetzt und den dickeren Abschnitt schweißen kann. Die Trägheitskraft kann dazu beitragen, dickere Bereiche in Vliesmaterialien auszugleichen. Die Größe dieser Trägheitskraft läßt sich ändern, indem die Masse von Kopf, Amboß oder beiden geändert wird. Vorzugsweise ist die Komponente, die schwebt und zur anderen Komponente vorgespannt ist, jenes Teil, dessen Masse geändert wird. Nachdem das dickere Teilstück den Spaltbereich durchlaufen hat, ist die Kraft kleiner, und mit den richtigen Massen wird sie nicht kleiner als die Drücke, die zum Verbinden des dünneren Materials erforderlich sind. Alternative Systeme zum Erreichen der zusätzlichen Kraft könnten Zweistufenfedern; piezoelektrische oder abgestufte (progressive) pneumatische oder hydraulische Systeme aufweisen.

Claims

1. Verfahren zum schnellen Verbinden mindestens eines Materials (10), das über mindestens eine thermoplastische Komponente verfügt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Einwirkenlassen von akustischer Energie mit einem Schallkopf (16) und einem Amboß (18) auf das Material;

Einwirkenlassen von Kraft auf den Kopf und/oder den Amboß, um einen Spitzendruck zwischen Kopf und Amboß von mindestens 2,068 · 10&sup7; N/m² zu ergeben; und

Einwirkenlassen der akustischen Energie und des Drucks für eine Zeit, die ausreicht, Verbindungen im Material so zu erzeugen, daß das Material ausreichend abgeschreckt wird, bevor der Druck reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einwirkenlassens von Kraft das Einwirkenlassen eines Drucks von mindestens 6,895 · 10&sup7; N/m² aufweist.

3. Verfahren zum schnellen Verbinden mindestens eines Materials (10), das über mindestens eine thermoplastische Komponente verfügt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Einwirkenlassen von akustischer Energie mit einem Schallkopf (16) und einem Amboß (18) auf das Material mit einer Schwingungsamplitude, die in Kombination mit der Schwingungsfrequenz so ausgewählt ist, daß sich eine Schallgeschwindigkeit von höchstens 4,72 m/s ergibt;

und

Einwirkenlassen von Kraft auf den Kopf und/oder den Amboß, um einen Spitzendruck zwischen Kopf und Amboß von mindestens 2,068 · 10&sup7; N/m² zu ergeben.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Gesamtflächengewicht des Materials mindestens 200 g/m² beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte des Einwirkenlassens von akustischer Energie und des Einwirkenlassens von Druck aufweisen: (a) Einwirkenlassen der akustischen Energie und des Drucks für eine Zeit, die ausreicht, Verbindungen im Material so zu erzeugen, daß das Material ausreichend abgeschreckt wird, bevor der Druck reduziert wird; und/oder (b) Einwirkenlassen von akustischer Energie und Einwirkenlassen von Druck mit Einwirkenlassen der akustischen Energie und des Drucks, um thermoplastische Spitzentemperaturen so zu erreichen, daß ausreichende Erwärmung auftritt, um akzeptable Verbindungsfestigkeit zu erzeugen, und der Verbindungsbereich angemessen und in ausreichender Zeit abgekühlt wird, um zu verhindern, daß Innen- und Außenspannungen die Verbindungsqualität negativ beeinflussen, und um Verbindungsbeeinträchtigung, z. B. Löcher oder Schnittkanten, zu verhindern.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Einwirkenlassens von akustischer Energie das Einwirkenlassen von akustischer Energie mit einer Frequenz von 14. 000 Hz bis 32.000 Hz aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Einwirkenlassens von akustischer Energie das Einwirkenlassen von akustischer Energie mit einer Schwingungsamplitude aufweist, die in Kombination mit der Schwingungsfrequenz so ausgewählt ist, daß sich eine Schallgeschwindigkeit von höchstens 3,15 m/s ergibt; und/oder wobei der Schritt des Einwirkenlassens von Druck das Einwirkenlassen eines Drucks von mindestens 6,895 · 10&sup7; N/m² aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einwirkenlassens von akustischer Energie kontinuierliches und/oder Schweißen mit Zustellbewegung aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Komponenten eine Gewebeschicht; ein Film; ein Vlies; oder ein nicht-thermoplastisches Material ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei alle Komponenten thermoplastische Vliese sind.

11. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Auswählens der Amboßmaße in Kombination mit den Eigenschaften des zu verbindenden Materials, der Amplitude der einwirkenden akustischen Energie und dem Druck auf den Amboß sowie den Wärmeleitfähigkeiten von Kopf und Amboß.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einwirkenlassens von Kraft das Auswählen einer geeigneten Masse von Kopf und/oder Amboß aufweist, um intermittierende Dickenvariationen des ankommenden Materials durch Erhöhen der Kraft unter Verwendung von Trägheitskräften auszugleichen.