DE10113862C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung einer Warenbahn - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung einer WarenbahnInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Ultraschallbearbeitung einer Warenbahn und der zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Vorrichtung durchläuft eine Warenbahn (40) einen Bearbeitungsspalt (Sp), der von einer einen umlaufenden Walzenkörper (1) umfassenden Walzenvorrichtung (10) und einer etwa radial gegen die Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) gerichteten Sonotrode (42) gebildet wird. Um einen durch eine Durchbiegung des Walzenkörpers (1) hervorgerufenen Rundlauffehler des Walzenkörpers (1) zumindest weitgehend zu verhindern, wird der Walzenkörper (1) dicht unterhalb der Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) gekühlt. Hierzu weist der Walzenkörper (1) bevorzugt auf einem Teilkreis (43) eine Anzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter Längsbohrungen (44) auf, die von einem Kühlmedium im wesentlichen gleichmäßig durchströmt werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschallbearbeitung einer
Warenbahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens der dem Oberbegriff des Anspruchs 7 ent
sprechenden Art.
Eine Ultraschall-Behandlungsanlage zur Bearbeitung einer Warenbahn, bei
der die Warenbahn einen Bearbeitungsspalt durchläuft, der von einer ei
nen umlaufenden Walzenkörper umfassenden Walzenvorrichtung und einer
etwa radial gegen die Arbeitsoberfläche des Walzenkörpers gerichteten So
notrode gebildet wird, ist aus der DE 195 13 246 C2 bekannt. Bei solchen
Anlagen werden besondere Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit der
Walze gestellt, um eine gleichmäßige Qualität der Warenbahn nach der Be
arbeitung sicherzustellen.
Dies gilt besonders für die Ultraschall-Verfestigung von Vliesen aus ther
moplastischen Fasern. Hierbei wird der Ultraschall-Erzeuger über eine So
notrode, d. h. den Übertrager des Ultraschalls, radial gegen die Gegenwalze
angestellt, die meist ein Verfestigungsmuster in Gestalt einer Oberflächen
gravur trägt. An den erhabenen Stellen der Oberflächengravur ist die Über
tragung der Ultraschall-Energie auf das Vlies besonders intensiv, so daß hier
eine bevorzugte Temperaturerhöhung und eine bevorzugte Verschmelzung
der Fasern eintreten und auf diese Weise eine mustergemäße punktweise
oder linienweise Verbindung der einzelnen Fäden oder Fasern des Vlieses
erzielt wird, die die Vlieslage in sich verfestigt. Ferner können auch Laminate,
d. h. auch Verbundwerkstoffe aus Folie und Vliesen auf diese Weise herge
stellt werden.
Vorzugsweise ist die Sonotrode starr mit der Walzenvorrichtung verbunden,
da hierdurch ein maximaler Energieeintrag in die durchlaufende Warenbahn
möglich ist. Mit "starr" ist gemeint, daß die Sonotrode ohne Zwischenschal
tung eines nachgiebigen Elements an dem Maschinengestell, das auch die
Walzenvorrichtung trägt, angebracht ist.
Bei der Benutzung derartiger Vorrichtungen zur Ultraschallbearbeitung einer
Warenbahn hat sich in der Vergangenheit gezeigt, daß zunächst sehr gute
Bearbeitungsergebnisse erzielt werden. Nach Steigerung der Geschwindig
keit bzw. des Energieeintrags verschlechtert sich jedoch das Arbeitsergebnis,
weil der Walzenkörper der Walzenvorrichtung sich krümmt. Dieser Effekt tritt
bevorzugt auf, wenn Grundrundlauffehler vorhanden sind. Eine einmal ent
standene Krümmung läßt den zwischen der Arbeitsoberfläche des Walzen
körpers und der Sonotrode gebildeten Spalt in der Drehfrequenz des Wal
zenkörpers größer und kleiner werden. Bei kleinerem Spalt fließt mehr Ener
gie in den Schweißprozess und der Walzenkörper wird an dieser Stelle wär
mer. Hierdurch dehnt er sich weiter aus, was zu einer weiteren Verstärkung
der Krümmung führt, bis diese ein Ausmaß angenommen hat, welche die Ul
traschallbehandlung unmöglich macht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor
richtung zur Ultraschallbearbeitung einer Warenbahn zu entwickeln, bei dem
bzw. der eine Krümmung des Walzenkörpers auch bei hoher Energieein
strahlung durch die Sonotrode und insbesondere auch dann, wenn die So
notrode starr mit der Walzenvorrichtung verbunden ist, zumindest wesentlich
reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren und
- in ihrem apparativen Aspekt - durch die in Anspruch 7 wiedergegebene Vor
richtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, daß der Rundlauffehler auch bei ho
her Energieeinstrahlung durch die Sonotrode erheblich, regelmäßig sogar auf
Werte < 5 µm reduziert werden kann, wenn der Walzenkörper dicht unter
seiner Arbeitsoberfläche gekühlt wird. "Dicht" ist in diesem Zusammenhang
so zu verstehen, daß der Walzenmantel in radialer Richtung auf die Dreh
achse der Walze zu eine Wandstärke aufweist, die zumindest doppelt, vor
zugsweise zumindest fünffach so groß ist wie die Wandstärke des gekühlten,
außenliegenden Bereichs des Walzenkörpers, der die Arbeitsoberfläche bil
det. Die Verbesserung des Rundlauffehlers bei Anwendung des erfindungs
gemäßen Verfahrens läßt sich dadurch erklären, daß die eingestrahlte Wär
me dicht unterhalb der Arbeitsoberfläche abgeführt wird, so daß das Rest
material des Walzenquerschnitts auch an Winkelpositionen erhöhter Ener
gieeinstrahlung einheitlich temperiert verbleibt und somit der Verkrümmung
aufgrund thermischer, einseitiger Ausdehnung entgegenwirkt. Da erfin
dungsgemäß der einheitlich temperierte Bereich eine größere Wandstärke
aufweist als der möglicherweise lokal stärker erhitzte, äußere Bereich, wirkt
er der Verkrümmung des Walzenkörpers entgegen.
Die Kühlung des Walzenkörpers dicht unter der Arbeitsoberfläche erfolgt vor
zugsweise dadurch, daß ein fluides Kühlmedium durch etwa gleichmäßig
über den Umfang des Walzenkörpers verteilte, dicht unterhalb der Arbeits
oberfläche des Walzenkörpers angeordnete Kühlkanäle geleitet wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das fluide Kühlmedium durch dicht unter
halb der Arbeitsoberfläche, zu letzterer etwa parallel verlaufende Längsboh
rungen geleitet wird.
Um zu vermeiden, daß aufgrund beispielsweise unterschiedlicher Strö
mungsquerschnitte in den Kühlkanälen das Kühlmedium einen bevorzugten,
sich durch den geringsten Strömungswiderstand kennzeichnenden Weg
durchfließt, wird das Kühlmedium vorzugsweise mit einer derartigen Ge
schwindigkeit durch die Kühlkanäle geleitet, daß in ihnen eine turbulente
Strömung vorherrscht.
Versuche haben gezeigt, daß die besten Bearbeitungsergebnisse erzielt
werden, wenn der Walzenkörper im Innern, d. h. in seinem radial in Richtung
zur Drehachse des Walzenkörpers hin sich von den Kühlmitteln erstrecken
den Bereich, temperiert ist und - vorzugsweise - die Temperaturdifferenz
zwischen der Arbeitsoberfläche des Walzenkörpers und dem Kühlmedium
maximal 2°C beträgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung einer Waren
bahn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weist somit Mittel zur Kühlung
des Walzenkörpers dicht unter der Arbeitsoberfläche des Walzenkörpers auf.
Diese sind vorzugsweise durch etwa gleichmäßig über seinen Umfang ver
teilte, dicht unterhalb der Arbeitsoberfläche angeordnete Kühlkanäle gebildet.
Vergleichsweise einfach in der Herstellung und sehr wirksam sind die Mittel
zur Kühlung dann, wenn sie aus etwa parallel zur Arbeitsoberfläche des Wal
zenkörpers angeordneten Längsbohrungen bestehen.
Sie sind - aus bereits weiter oben ausgeführten Gründen - vorzugsweise
derart ausgestaltet, daß beim Durchfluß des Kühlmediums in ihnen eine tur
bulente Strömung vorherrscht.
Der Walzenkörper der Walzenanordnung weist des weiteren vorzugsweise
Mittel zur Temperierung des Walzenkörpers auf, die den Bereich gleichmäßig
temperieren, der zwischen den Mitteln zur Kühlung der Walzenoberfläche
und der Drehachse des Walzenkörpers liegt. Die Mittel zur Temperierung
können elektrisch betreibbare Heizmittel - beispielsweise elektrische Heiz
stäbe - sein.
Wegen der hierdurch erzielbaren, besonders hohen Energieeinstrahlung in
die den Walzenspalt durchlaufende Warenbahn ist es besonders bevorzugt,
wenn die Sontrode starr, d. h. ohne Zwischenschaltung elastischer Elemente,
mit der Walzenvorrichtung verbunden ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer er
findungsgemäßen Vorrichtung sowie
Fig. 2 - schematisch - eine Seitenansicht derselben Vorrichtung, teilweise im
Schnitt, entlang der Schnittlinie II-II.
Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung zur Ultraschallbe
arbeitung einer Warenbahn umfaßt eine Walzenvorrichtung 10 mit einem
Walzenkörper 1, der eine zylindrische, die Arbeitsoberfläche 2 bildende Um
fangsfläche aufweist, deren Breite durch die Breite der zu verarbeitenden
Warenbahn 40 (s. Fig. 2) bestimmt ist.
Der Walzenkörper 1 hat an den beiden Enden axial vorstehende Walzen
zapfen 3, auf denen er über Lager 4 in einem nur angedeuteten Maschinen
gestell 5 um die Achse A, zu der die Arbeitsoberfläche 2 koaxial ist, drehbar
gelagert ist. Die Walzenvorrichtung 10 bildet die meist mit einer Gravur ver
sehene Gegenwalze der Ultraschall-Bearbeitungsanlage.
Bei der Herstellung der Walzenvorrichtung 10 wurde die von der Bearbei
tungstechnik her größtmögliche Genauigkeit angestrebt. Ein gewisser ver
bleibender Rundlauffehler ist aber unvermeidlich und schaukelt sich aus den
vorstehend beschriebenen Gründen noch auf, weil auf der sich der Sonotro
de am meisten annähernden Seite bevorzugt Wärme eingetragen und der
Walzenkörper 1 einseitig erwärmt wird, was sich in einer Durchbiegung des
Walzenkörpers in einer durch seine Achse A gehenden Ebene äußert.
Der Walzenkörper 1 weist in seinem Innern eine zur Achse A koaxiale zylin
drische durchgehende Ausnehmung 6 auf, in die ein zylindrischer, im
Durchmesser passender Kern 7 eingesetzt ist, der sich im wesentlichen über
die Länge des Walzenkörpers 1 erstreckt.
Der Kern 7 weist an seinem Außenumfang über seine Länge durchgehende
achsparallele Nuten 8 auf, in denen stabförmige elektrische Heizelemente 9
angeordnet sind, die sich annähernd über die Länge des Walzenkörpers 1
erstrecken und an dem in Fig. 1 rechten Ende mit Schleifringen 11 eines als
Ganzen mit 12 bezeichneten Schleifringkopfes verbunden sind. Jedes Hei
zelement 9 kann separat mit elektrischer Energie versorgt werden, unabhän
gig von den anderen noch vorhandenen Heizelementen 9. Die elektrische
Energie wird von einem Steuergerät 20 über Leitungen 21 den einzelnen
Schleifringen 11 zugeführt. Der Schleifringkopf 12 sitzt auf einem aus dem in
Fig. 1 rechten Ende der Walze 10 hervorstehenden Verlängerungszapfen 13
des Kerns 7.
Die Heizelemente 9 dienen der Temperierung des Walzenkörpers 1.
Wie insbesondere auch aus Fig. 2 ersichtlich ist, bei der die den Bearbei
tungsspalt einseitig begrenzende Sonotrode 42 deutlicher erkennbar ist als in
Fig. 1, bei der sie der Übersichtlichkeit halber lediglich angedeutet wurde,
wird die Warenbahn 40 durch den Spalt Sp zwischen der Stirnfläche 41 der
Sonotrode (bzw. der Sonotroden) 42 und der Arbeitsoberfläche 2 des Walzenkörpers
1 hindurchgeleitet und dort der Ultraschall-Einwirkung ausge
setzt. Der Walzenkörper 1 enthält auf einem Teilkreis 43 eine Anzahl gleich
mäßig über den Umfang verteilter peripherer Längsbohrungen 44, durch die
ein fluides Kühlmittel in Richtung der Walzenachse A hindurchleitbar ist. Das
fluide Kühlmedium ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kühl
flüssigkeit, die durch alle peripheren Bohrungen 44 gleichzeitig mit einer Ge
schwindigkeit hindurchgeleitet wird, daß innerhalb der peripheren Längsboh
rungen eine turbulente Strömung der Kühlflüssigkeit vorherrscht, um so die
Wirkung unterschiedlicher Strömungswiderstände auf die Gleichmäßigkeit
der die Längsbohrungen 44 durchfließenden Menge an Kühlflüssigkeit zu re
duzieren.
1
Walzenkörper
2
Arbeitsoberfläche
3
Walzenzapfen
4
Lager
5
Maschinengestell
6
Ausnehmung
7
Kern
8
Nuten
9
Heizelemente
10
Walzenvorrichtung
11
Schleifringe
12
Schleifringkopf
13
Verlängerungszapfen
20
Steuergerät
21
Leitungen
40
Warenbahn
41
Stirnseite
42
Sonotrode
43
Teilkreis
44
Längsbohrungen
100
Vorrichtung
A Achse
Sp Spalt
A Achse
Sp Spalt
Claims (12)
1. Verfahren zur Ultraschallbearbeitung einer Warenbahn,
bei dem die Warenbahn (40) einen Bearbeitungsspalt (Sp) durchläuft, der von einer einen umlaufenden Walzenkörper (1) umfassenden Walzenvor richtung (10) und einer etwa radial gegen die Arbeitsoberfläche (2) des Wal zenkörpers (1) gerichteten Sonotrode (42) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Walzenkörper (1) dicht unter der Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) über seinen Umfang etwa gleichmäßig gekühlt wird.
bei dem die Warenbahn (40) einen Bearbeitungsspalt (Sp) durchläuft, der von einer einen umlaufenden Walzenkörper (1) umfassenden Walzenvor richtung (10) und einer etwa radial gegen die Arbeitsoberfläche (2) des Wal zenkörpers (1) gerichteten Sonotrode (42) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Walzenkörper (1) dicht unter der Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) über seinen Umfang etwa gleichmäßig gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein flui
des Kühlmedium dicht unterhalb der Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkör
pers (1) durch etwa gleichmäßig über den Umfang des Walzenkörpers (1)
verteilte Kühlkanäle geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fluide
Kühlmedium durch dicht unterhalb der Arbeitsoberfläche (2), zu letzterer et
wa parallel verlaufende Längsbohrungen (44) geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das fluide Kühlmedium mit einer derartigen Geschwindigkeit durch die Kühl
kanäle geleitet wird, daß in den Kühlkanälen eine turbulente Strömung des
Kühlmediums vorherrscht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Walzenkörper (1) im Innern temperiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Arbeitsoberfläche (2) des
Walzenkörpers (1) und dem Kühlmedium maximal 2°C beträgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü
che 1 bis 6,
mit einer einen umlaufenden Walzenkörper (1) umfassenden Walzen vorrichtung (10) und
mit einem von einer etwa radial gegen die Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) gerichteten Sonotrode (42) gebildeten Bearbeitungsspalt (Sp),
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kühlung des Walzenkörpers (1) dicht unter der Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) vorgesehen sind.
mit einer einen umlaufenden Walzenkörper (1) umfassenden Walzen vorrichtung (10) und
mit einem von einer etwa radial gegen die Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) gerichteten Sonotrode (42) gebildeten Bearbeitungsspalt (Sp),
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kühlung des Walzenkörpers (1) dicht unter der Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Walzenkörper (1) etwa gleichmäßig über seinen Umfang verteilte, dicht un
terhalb der Arbeitsoberfläche (2) angeordnete Kühlkanäle umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlkanäle etwa parallel zur Arbeitsoberfläche (2) des Walzenkörpers (1)
angeordnete Längsbohrungen (44) sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kühlkanäle derart ausgestaltet sind, daß beim Durchfluß des Kühlmedi
ums in ihnen eine turbulente Strömung vorherrscht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen den Mitteln zur Kühlung der Walzenoberfläche (2)
und der Mittellängsachse (A) des Walzenkörpers (1) Mittel (9) zur Temperie
rung des Walzenkörpers (1) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sonotrode (42) starr mit der Walzenvorrichtung (10) verbunden ist.
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