WO2014173735A1 - ULTRASCHALLSCHWEIßVORRICHTUNG MIT MEHREREN SONOTRODEN - Google Patents

ULTRASCHALLSCHWEIßVORRICHTUNG MIT MEHREREN SONOTRODEN Download PDF

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Arnold Schneider
Gerhard Gnad
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Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic welding apparatus for ultrasonic processing of a material having at least two sonotrodes.
  • Ultrasound is a mechanical vibration above the hearing threshold.
  • the frequency range starts at about 20 KHz and extends to frequencies of 1 GHz.
  • Such ultrasonic frequencies are often generated by means of piezoelectric transducers (converters) from electrical energy.
  • This mechanical oscillation energy is applied to the workpiece or the material to be processed via the sonotrode connected to the converter, if appropriate via an amplitude transformation piece (also called a booster).
  • the surface of the sonotrode which is intended to come into contact with the material to be processed, is also referred to as a sealing surface.
  • the oscillating unit thus consists of generator, converter, optionally the amplitude transformation piece and the sonotrode. For some applications, amplitude transformer and sonotrode are integrally formed.
  • the material to be processed is thus also set in vibration, so that even on the surface on which the material to be processed touches the counter tool, an energy transfer can occur.
  • the material to be processed consists of several elements, eg. B. is 2-ply, it comes also due to the transmitted from the sonotrode to the first layer vibration in the boundary between 1. and 2nd layer to an energy transfer.
  • the energy transfer between counter tool and material to be machined is often insufficient for effective welding.
  • the two sonotrodes are excited with exactly the same ultrasonic frequency, which can lead to an undesired influence of a sonotrode by the other sonotrode and vice versa.
  • the at least two sonotrodes are constructed such that the first sonotrode with a natural frequency f s i and the second sonotrode can be excited with a natural frequency f S 2, where f S 2 is greater than f s i , Therefore, the two sonotrodes should also each have a suitably designed converter, which provides the respective natural frequency available.
  • the one sonotrode is put into an ultrasonic oscillation f s i and the other sonotrode into an ultrasonic oscillation f S 2.
  • the ultrasound vibration of one sonotrode is transmitted to the other sonotrode via the material, then it does not encounter a suitable natural frequency there, so that the first sonotrode practically does not influence the vibration behavior of the second sonotrode.
  • the sonotrode is constructed such that f S 2 is not an integer multiple of f s i. If the natural frequency of the second sonotrode were an integer multiple of the natural frequency of the first sonotrode, then it could lead to an excitation of higher harmonic oscillations and thereby to a negative influence on the two sonotrodes with each other. In practice, it has been shown that the best is ⁇ 0.4 and preferably ⁇ 0.2.
  • the first sonotrode could be excited at a frequency f s i of 30 kHz, while the second sonotrode is excited at a frequency of 35 kHz.
  • the 30 kHz oscillation is far enough away from the 35 kHz natural frequency of the second sonotrode, so that there is almost no energy transfer between the first sonotrode on the one hand and the second sonotrode on the other hand. Due to the different vibration frequencies, the ultrasonic processing can be significantly improved, since now the oscillation amplitude of a sonotrode can be adjusted without this having an effect on the oscillation amplitude of the other sonotrode.
  • the at least two sonotrodes each have at least one flat sealing surface portion.
  • the sonotrodes can be relative to each other between an open position in which the two sealing surfaces are widely spaced and in which the material to be processed can be further transported, and a closed position, in which the two sealing surfaces close to each other are arranged and in which the material to be processed is processed, move back and forth.
  • the sealing surface can have corresponding recesses.
  • At least one sonotrode when welding spouts into, for example, beverage packs, at least one sonotrode, preferably both sonotrodes, has at least one curved, preferably concavely curved, sealing surface section.
  • the object to be welded in, for example the spout is then inserted into the concavely curved sealing surface section.
  • At least one sonotrode and preferably at least two sonotrodes, have two flat sealing surface sections and a curved sealing surface section arranged between the two sealing surface sections.
  • at least three sonotrodes are provided, wherein the sonotrodes are arranged such that the material to be processed is positioned between at least one sonotrode on the one hand and at least two sonotrodes on the other hand during processing, preferably the total area of the bear on one side of the bear - positioned sonotrode positioned approximately equal to the total surface area of the positioned on the other side of the material to be machined sonotrode.
  • the sonotrodes positioned on the same side of the material to be processed have spaced-apart sealing surfaces.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a spout inserted between two material webs
  • FIG. 2 shows a view of the arrangement of FIG. 1 from above
  • FIG. 3 shows a view of the arrangement of FIG. 1 from the front
  • FIG. 4 shows a perspective view of an embodiment according to the invention
  • Figure 5 is a plan view of the embodiment of Figure 4.
  • FIG. 6 shows a side view of the embodiment of FIG. 4.
  • a spout 1 between two material webs 2 is shown schematically.
  • drinks but also detergents are often sold in plastic bags, in which a spout, a so-called spout, is welded. This welding can be done for example by means of an ultrasonic welding device.
  • FIG. 4 shows a perspective view
  • FIG. 5 shows a front view
  • FIG. 6 shows a side view of the ultrasonic welding device.
  • the ultrasonic welding device has a total of three sonotrodes 3, 4, 5.
  • a sonotrode 3 is connected to a converter 6 via an amplitude transformer 9.
  • the converter 6 converts an alternating electrical voltage into a mechanical ultrasonic vibration.
  • the amplitude transformer 9 which is not essential, converts the amplitude of the ultrasonic vibration but not the frequency.
  • the sonotrode 3 can thus be put into a natural oscillation.
  • the sonotrode 3 has two slots 1 1, which reduce the material deformation within the sonotrode during ultrasonic vibration.
  • the two other sonotrodes 4 and 5 are each connected via an amplitude transformer 9, 10 with a converter 7, 8. Each of the two sonotrodes 4, 5 can thus be offset by means of one of the converters 7, 8 in a Ultraschallalleigenschwingung.
  • the two sonotrodes 4, 5 have a natural frequency, which is excited by the converters 7, 8, which differs from the natural frequency of the sonotrode 3.
  • the two sonotrodes 4, 5 are connected by means of the holders 13, 14 with a mounting plate 12.
  • the sonotrodes 4, 5 are thus - apart from the vibration - immovable.
  • the sonotrode 3, can be moved back and forth relative to the sonotrodes 4, 5 between an open position (not shown) and a closed or machining position, as shown in FIGS. 4 to 6.
  • Both the sonotrode 3 and the sonotrodes 4, 5 have both flat sealing surface sections and concavely curved sealing surface sections. These are arranged such that in the machining position shown in Figures 4 to 6 between the sonotrodes 3 and 4 and 3 and 5 each form a passage 15 whose contour corresponds substantially to the contour of the spout 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung zur Ultraschallbearbeitung eines Materials mit mindestens zwei Sonotroden und einer Konvertereinrichtung, die eine elektrische Wechselspannung in eine Ultraschallschwingung umwandelt und die mindestens zwei Sonotroden in eine Ultraschallschwingung versetzt, wobei die mindestens zwei Sonotroden derart angeordnet sind, dass das zu bearbeitende Material während der Bearbeitung zwischen diesen angeordnet wird und gleichzeitig von den mindestens zwei Sonotroden bearbeitet werden kann. Um eine Ultraschallschweißvorrichtung anzugeben, die eine effektive Materialbearbeitung erlaubt, ohne dass es zu einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen den beiden Sonotroden kommt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Konvertereinrichtung die erste Sonotrode mit einer Frequenz fs1 und die zweite Sonotrode mit einer Frequenz fs2 anregt, wobei fs2 größer als fs1 ist.

Description

Ultraschallschweißvorrichtung mit mehreren Sonotroden
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung zur Ultraschallbearbeitung eines Materials mit mindestens zwei Sonotroden.
Ultraschall ist eine mechanische Schwingung oberhalb der Hörgrenze. Der Frequenzbereich beginnt bei etwa 20 KHz und erstreckt sich bis zu Frequenzen von 1 GHz. Solche Ultraschallfrequenzen werden häufig mit Hilfe von piezoelektrischen Schallwandlern (Konverter) aus elektrischer Energie erzeugt. Diese mechanische Schwingungsenergie wird über die mit dem Konverter, gege- benenfalls über ein Amplitudentransformationsstück (auch Booster genannt) verbundene Sonot- rode auf das Werkstück bzw. das zu bearbeitende Material aufgebracht.
Die Fläche der Sonotrode, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten, wird auch als Siegelfläche bezeichnet. Die Schwingeinheit besteht somit aus Generator, Konverter, gegebenenfalls dem Amplitudentransformationsstück und der Sonotrode. Für manche Anwendungsfälle sind Amplitudentransformator und Sonotrode einstückig ausgebildet.
Um die Ultraschallschwingung mit Hilfe der Ultraschallschwingeinheit effektiv zu übertragen, ist es notwendig, die Ultraschallschwingeinheit in eine Resonanz zu bringen. Abhängig von dem Aufbau der Ultraschallschwingeinheit weist diese eine Vielzahl von Eigenfrequenzen auf. Nur wenn der Konverter eine Eigenfrequenz der Ultraschallschwingeinheit erzeugt, kommt es zu einer resonan- ten Schwingung der Ultraschallschwingeinheit. Daher müssen Konverter und Ultraschallschwingeinheit aufeinander abgestimmt werden. Bei der Bearbeitung von Materialien mittels Ultraschall wird in der Regel das zu bearbeitende Material zwischen der Sonotrode und einem (nicht zum Schwinggebilde gehörenden) Gegenwerkzeug, welches auch Amboss genannt wird, positioniert. Die mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt stehende Sonotrode überträgt dann die Ultraschallenergie auf das zu bearbeitende Material, welches dadurch beispielsweise verschweißt oder abgetrennt wird.
Dabei wird Energie an der Siegelfläche auf das zu bearbeitende Material übertragen. Das zu bearbeitende Material wird dadurch ebenfalls in Schwingung gesetzt, so dass auch an der Fläche, an der das zu bearbeitende Material das Gegenwerkzeug berührt, ein Energieübertrag auftreten kann. Auch wenn das zu bearbeitende Material aus mehreren Elementen besteht, z. B. 2-lagig ist, kommt es aufgrund der von der Sonotrode auf die erste Lage übertragene Schwingung ebenfalls im Grenzbereich zwischen 1 . und 2. Lage zu einem Energieübertrag. Insbesondere bei dickeren Materialien, die nicht oder nur unzureichend durch die Sonotrode in Schwingung versetzt werden können, reicht jedoch der Energieübertrag zwischen Gegenwerkzeug und zu bearbeitendem Material für eine effektive Verschweißung oftmals nicht aus.
Daher ist bereits in der WO 2010/145927 eine Bearbeitung von Materialbahnen mit zwei identischen Sonotroden vorgeschlagen worden. Die beiden Sonotroden sind dabei derart angeordnet, dass das zu bearbeitende Material während der Bearbeitung zwischen diesen angeordnet wird und so gleichzeitig von den beiden Sonotroden bearbeitet werden kann.
Nach der bekannten Bearbeitung werden jedoch die beiden Sonotroden mit exakt der gleichen Ultraschallfrequenz angeregt, was zu einer unerwünschten Beeinflussung der einen Sonotrode durch die andere Sonotrode und umgekehrt führen kann.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallschweißvorrichtung anzugeben, die eine effektive Materialbearbeitung erlaubt, ohne dass es zu einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen den beiden Sonotroden kommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die zumindest zwei Sonotroden derart aufgebaut sind, dass die erste Sonotrode mit einer Eigenfrequenz fsi und die zweite Sonotrode mit einer Eigenfrequenz fS2 angeregt werden kann, wobei fS2 größer als fsi ist. Daher sollten die beiden Sonotroden auch jeweils einen entsprechend ausgelegten Konverter haben, welcher die jeweilige Eigenfrequenz zur Verfügung stellt. Mit anderen Worten wird im Betrieb die eine Sonotrode in eine Ultraschallschwingung fsi und die andere Sonotrode in eine Ultraschallschwingung fS2 versetzt.
Kommt es nun während der Bearbeitung des Materials dazu, dass die Ultraschallschwingung der einen Sonotrode über das Material auf die andere Sonotrode übertragen wird, so trifft diese dort nicht auf eine passende Eigenfrequenz, sodass die erste Sonotrode das Schwingungsverhalten der zweiten Sonotrode praktisch nicht beeinflusst.
Zweckmäßigerweise ist die Sonotrode derart aufgebaut, dass fS2 kein ganzzahliges Vielfaches von fsi ist. Wäre nämlich die Eigenfrequenz der zweiten Sonotrode ein ganzzahliges Vielfaches der Eigenfrequenz der ersten Sonotrode, so könnte es zu einer Anregung von höheren harmonischen Schwingungen kommen und dadurch zu einer negativen Beeinflussung der beiden Sonotroden untereinander. In der Praxis hat sich gezeigt, dass am besten < 0,4 und vorzugsweise < 0,2 ist.
Figure imgf000005_0001
Beispielsweise könnte die erste Sonotrode mit einer Frequenz fsi von 30 kHz angeregt werden, während die zweite Sonotrode mit einer Frequenz von 35 kHz angeregt wird. Die 30 kHz Schwingung ist weit genug von der 35 kHz Eigenfrequenz der zweiten Sonotrode entfernt, sodass es zu nahezu keinem Energieübertrag zwischen der ersten Sonotrode einerseits und der zweiten Sonotrode andererseits kommt. Durch die unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen kann die Ultraschallbearbeitung deutlich verbessert werden, da nun die Schwingungsamplitude einer Sonotrode eingestellt werden kann, ohne dass dies einen Einfluss auf die Schwingungsamplitude der anderen Sonotrode hat.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Sonotroden jeweils zumindest einen ebenen Siegelflächenabschnitt aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform lassen sich die Sonotroden relativ zueinander zwischen einer offenen Position, in der die beiden Siegelflächen weit voneinander beabstandet sind und in der das zu bearbeitenden Material weiter transportiert werden kann, und einer geschlossenen Po- sition, in der die beiden Siegelflächen nah beieinander angeordnet sind und in der das zu bearbeitende Material bearbeitet wird, hin und her bewegen.
Bei manchen Anwendungsfällen ist es jedoch notwendig, dass in die Materialbahnen Gegenstände, wie zum Beispiel ein Ausgießer (spout), eingeschweißt wird. In diesem Fall kann die Sie- gelfläche entsprechende Ausnehmungen aufweisen.
Insbesondere bei dem Einschweißen von Ausgießern in zum Beispiel Getränkepackungen weist mindestens eine Sonotrode, vorzugsweise beide Sonotroden, zumindest einen gekrümmten, vorzugsweise einen konkav gekrümmten, Siegelflächenabschnitt auf. Bei der Bearbeitung des Mate- rials wird dann der einzuschweißende Gegenstand, zum Beispiel der Ausgießer, in den konkav gekrümmten Siegelflächenabschnitt eingelegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat mindestens eine Sonotrode und vorzugsweise mindestens zwei Sonotroden zwei ebene Siegelflächenabschnitte und einen zwischen den beiden Siegelflächenabschnitten angeordneten, gekrümmten Siegelflächenabschnitt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mindestens drei Sonotroden vorgesehen, wobei die Sonotroden derart angeordnet sind, dass das zu bearbeitende Material zwischen mindestens einer Sonotrode einerseits und zumindest zwei Sonotroden andererseits während der Bearbeitung positioniert wird, wobei vorzugsweise die Gesamtfläche der auf einer Seite des zu bear- beitenden Materials positionierten Sonotrode in etwa der Gesamtfläche der auf der anderen Seite des zu bearbeitenden Materials positionierten Sonotrode entspricht.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die auf derselben Seiten des zu bearbeitenden Materials positionierten Sonotroden voneinander beabstandete Siegelflächen aufweisen.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn die Anzahl der auf einer Seite des zu bearbeitenden Materials positionierten Sonotroden von der Anzahl der auf der anderen Seite des zu bearbeitenden Materials positionierten Sonotroden abweicht. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines zwischen zwei Materialbahnen eingelegten Ausgießers, Figur 2 eine Ansicht der Anordnung von Figur 1 von oben,
Figur 3 eine Ansicht der Anordnung von Figur 1 von vorn,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 5 eine Draufsicht der Ausführungsform von Figur 4 und
Figur 6 eine Seitenansicht der Ausführungsform von Figur 4.
In den Figuren 1 bis 3 ist schematisch ein Ausgießer 1 zwischen zwei Materialbahnen 2 dargestellt. Insbesondere Getränke aber auch Waschmittel werden häufig in Kunststoffbeuteln verkauft, in die ein Ausgießer, ein sogenannter Spout, eingeschweißt ist. Diese Einschweißung kann beispielsweise mit Hilfe einer Ultraschallschweißvorrichtung erfolgen.
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in den Figuren 4 bis 6 gezeigt. In Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht, in Figur 5 eine Vorderansicht und in Figur 6 eine Seitenansicht der Ultraschallschwei ßvorrichtung gezeigt. Die Ultraschallschweißvorrichtung weist insgesamt drei Sonotroden 3, 4, 5 auf. Eine Sonotrode 3 ist über einen Amplitudentransformator 9 mit einem Konverter 6 verbunden. Der Konverter 6 wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung um. In der Regel weist er hierzu Piezokristalle auf. Der Amplitudentransformator 9, der nicht unbedingt erforderlich ist, wandelt die Amplitude der Ultraschallschwingung um, nicht jedoch die Frequenz. Durch den Konverter 6 kann somit die Sonotrode 3 in eine Eigenschwingung versetzt werden. Die Sonotrode 3 weist zwei Schlitze 1 1 auf, die die Materialverformung innerhalb der Sonotrode während der Ultraschallschwingung reduzieren.
Die beiden anderen Sonotroden 4 und 5 sind jeweils über einen Amplitudentransformator 9, 10 mit einem Konverter 7, 8 verbunden. Jede der beiden Sonotroden 4, 5 kann somit mittels eines der Konverter 7, 8 in eine Ultraschalleigenschwingung versetzt werden. Die beiden Sonotroden 4, 5 haben eine Eigenfrequenz, die mit den Konvertern 7, 8 angeregt wird, die sich von der Eigenfrequenz der Sonotrode 3 unterscheidet.
Die beiden Sonotroden 4, 5 sind mit Hilfe der Halter 13, 14 mit einer Befestigungsplatte 12 verbunden. Die Sonotroden 4, 5 sind somit - abgesehen von der Schwingung - unbeweglich.
Die Sonotrode 3 hingegen kann relativ zu den Sonotroden 4, 5 zwischen einer geöffneten Stellung (nicht gezeigt) und einer geschlossenen bzw. Bearbeitungsstellung, wie sie in den Figuren 4 bis 6 gezeigt ist, hin und her bewegt werden. Sowohl die Sonotrode 3 als auch die Sonotroden 4, 5 haben sowohl ebene Siegelflächenabschnitte als auch konkav gekrümmte Siegelflächenab- schnitte. Diese sind derart angeordnet, dass sich in der in den Figuren 4 bis 6 gezeigten Bearbeitungsstellung zwischen den Sonotroden 3 und 4 bzw. 3 und 5 jeweils ein Durchgang 15 bildet, dessen Kontur im Wesentlichen der Kontur des Ausgießers 1 entspricht.
In der geöffneten Stellung kann daher eine Materialbahn mit zwei Ausgießern an die konkaven Siegelflächenabschnitte der Sonotroden 4, 5 gelegt werden, sodass in der nachfolgenden Bearbeitungsposition die Materialbahn 2 mit den Ausgießern 1 verschweißt werden kann.
Durch die Verwendung von zwei Sonotroden, die mit unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen beaufschlagt werden, kann eine effektive Verschweißung zwischen der Materialbahn 2 und den Ausgießern 1 erfolgen. Bezuqszeichenliste
1 Ausgießer
2 Material bahnen
3, 4, 5 Sonotrode
6, 7, 8 Konverter
9, 10 Amplitudentransformator
1 1 Schlitze
12 Befestigungsplatte
13, 14 Halter
15 Durchgang

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Ultraschallschweißvorrichtung zur Ultraschallbearbeitung eines Materials mit mindestens zwei Sonotroden und einer Konvertereinrichtung, die eine elektrische Wechselspannung in eine Ultraschallschwingung umwandelt und die mindestens zwei Sonotroden in eine Ultraschallschwingung versetzt, wobei die mindestens zwei Sonotroden derart angeordnet sind, dass das zu bearbeitende Material während der Bearbeitung zwischen diesen angeordnet wird und gleichzeitig von den mindestens zwei Sonotroden bearbeitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvertereinrichtung die erste Sonotrode mit einer Frequenz fsi und die zweite Sonotrode mit einer Frequenz fs2 anregt, wobei fs2 größer als fsi ist.
2. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass fs2 kein ganzzahliges Vielfaches von fsi ist.
3. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass s si < o,4 und vorzugsweise s2 ~ si < o,2 ist.
Figure imgf000009_0001
4. Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sonotroden jeweils zumindest einen ebenen Siegelflächenabschnitt aufweisen.
5. Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sonotrode, vorzugsweise beide Sonotroden, zumindest einen gekrümmten, vorzugsweise konkav gekrümmten Siegelflächenabschnitt aufweist.
6. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sonotrode und vorzugsweise die mindestens zwei Sonotroden zwei ebene Sie- gelfächenabschnitte und einen zwischen den beiden Siegelflächenabschnitten angeordneten, gekrümmten, vorzugsweise konkav gekrümmten Siegelflächenabschnitt aufweist.
7. Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Sonotroden vorgesehen sind, wobei die Sonotroden derart angeordnet sind, dass das zu bearbeitende Material zwischen mindestens einer Sonotrode einerseits und zumindest zwei Sonotroden andererseits während der Bearbeitung positioniert wird, wobei vorzugweise die Gesamtfläche der auf einer Seite des zu bearbeitenden Materials positionierten Sonotrode in etwa der Gesamtfläche der auf der anderen Seite des zum bearbeitenden Materials positionierten Sonotroden entspricht.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf derselben Seite des zu bearbeitenden Materials positionierten Sonotroden voneinander beabstandete Siegelflächen aufweisen.
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