DE1479511A1

DE1479511A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Kunststoff mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE1479511A1
Application number: DE19641479511
Authority: DE
Inventors: Erich-Arthur Nier; Richard-Ernst Nier
Original assignee: NIRONA WERKE NIER AND EHMER KG
Current assignee: NIRONA WERKE NIER AND EHMER KG
Priority date: 1964-04-25
Filing date: 1964-04-25
Publication date: 1969-07-17

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Kunststoff mittels Ultraschall.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen oder Schneiden von Werkstücken aus Kunststoff.
Überall im täglichen Leben und ganz besonders in der Technik begegnet man heute Materialien, die unter dem Sammelbegriff Kunststoffe bekannt sind. Ihre laufende Neu- und Weiterentwicklung und ihr verstärktes Eindringen speziell in den technischen Anwendungsbereich stellt den Verarbeiter, den Techniker, die Kunststoffindustrie vor immer neue Aufgaben und Probleme der Verarbeitungs- und Anwendungstechnik. Hierbei ist der Verbindung von Kunststoffen und Kunststoffteilen miteinander, ihrer Verbindung mit artfremden Materialien, sowie dem Trennen von Kunststoffen, ganz besondere Bedeutung beizumessen.
Sehr viele Aufgaben zum Verbinden und zum Trennen von Kunststoffen und Kunststoffteilen im vorerwähnten Sinne sind bereits durch die Anwendung herkömmlicher Methoden und Verfahren mit befriedigendem Ergebnis lösbar. Als Beispiele der Verbindungstechnik seien hierzu genannt: Hochfreguenz-, Wärmeimpuis-, Wärmeachock-, Induktions-, Heißluft- und Reibungsschweißen, Kleben, Vergießen, Einspritzen, Schrauben und Nieten. Herkömmliche Methoden zum Trennen bilden z. B. Sägen, Fräsen, Stanzen, Schneiden und Bohren.
In zunehmendem Maße treten nun Probleme und Autgaben an die Kunststoffverarbeiter heran, bei deren Lösung die Anwendung der vorerwähnten konventionellen Verfahren keine befriedigenden Ergebnisse zeitigt. Vielfach versagen auch herkömmliche Methoden völlig und scheiden für den Fertigungseinsatz aus. Es gibt Materialien (Kunststoffe), die sich nicht oder nur unbefriedigend durch Kleben miteinander verbinden lassen. Bei der Verklebung - einer häufig sehr umständlichen Prozedur - können unerwünschte Lösungsmitteldämpfe frei werden, sich an unerwünschten Stellen der Teile niederlassen, können Spannungen im Material, beschleunigte Alterung an der Nahtstelle, Blasen- und Rißbildungen, Weichmacheraustausch u. X. auftreten.
Andere Materialien wieder lassen sich auf Grund ihrer hierfür ungünstigen dielektrischen Eigenschaften gar nicht oder nur unter Zuhilfenahme besonderer Schweißhilfsmittel hochfrequenzschweien. Es können chemische, elektrische, mechanisch oder konstruktive Gegebenheiten auftreten, die die Anwendung der genannten herkömmlichen Verbindungsmethoden ausschließen.
Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse beim Trennen von Kunststoffen. Hier können z.B, unerwünschte thermische Effekte, Materialverbrennungen, statische Aufladung, mit anschließender starker Staubanziehung und Späneanhaftung, Haarrißbildungen, Splitterwirkung uiw. auftreten, so daß die Bearbeitungsergebnisse nach diesen Methoden unbefriedigend oder zu aufwendig bleiben.
Die Erzeugung von Ultraschallenergie ist nach bereits allgemein gültigen Grundsätzen durch entsprechende Umwandlung elektrischer Energie möglich. Ublicherweise wird hierzu in einem Generator entsprechender Leistung ein hochfrequenter Strom erzeugt, der seinerseits in einem magnetostriktiven Wandler mechanische Schwingungen gleicher Frequenz erzeugt. Der hier Schallkopf genannte Schwingungswandler stellt also praktisch einen magnetischen Striktionsschwinger dar, der - auf eine entsprechende Arbeitsfrequenz berechnet und abgestimmt (z.B. 2o,o kHz) - zur Erzeugung der Ultraschallwellen benutzt wird. Verbindet man die Strahlungsfläche des Schwingers mit einer entsprechend ausgebildeten Sonotrode (Schwingungsleiter bzw. Schweißwerkzeug), so ist es nicht nur möglich, mit deren Hilfe die eingeleiteten Schwingungen auf andere Medien zu übertragen, sie dient, als Transformator ausgebildet, dazu, die Amplitude der eingeleiteten Schwingungen zu vergrößern.
Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, auf diese Weise Ultraschallschwingungen in einen Kunststoff einzuleiten und den Kunststoff so zu verschweißen. Dabei handelt es sich vor allen Dingen um Folien. Werden nun an die Sonotrode zwei Kunststoffteile oder auch aus unterschiedlichem Material bestehende Teile derart zur Anlage gebracht, daß eine Schwingungsübertragung ermöglicht wird, so wird ein Wärmeeffekt ausgelöst, d.h. die Ultraschallenergie wird durch Absorption in Wärmeenergie umgewandelt. Zunächst"hämmert" die Sonotrode mit der Ausgangs-Amplitude auf das anliegende Medium. Die sich hieraus ergebende Wärmeentwicklung und Materialverformung ist dem Kaltschmieden ähnlich. Sie wird durch die Übertragung der Longitudinalschwingungen auagelöst und entsteht zunächst an der Anlagefläche der Sonotrode, aber auch (System der Billardkugeln) durch das Medium entsprechend gedämpft, an den Berührungsflächen der anliegenden Teile. Durch die Einleitung bzw. Übertragung der Schallwellen auf die der Sonotrode anliegenden Materialien werden Je nach deren Struktur - deren Moleküle in entsprechende Schwingungen versetzt. In Abhängigkeit von Dichte, Struktur und als spezifischer akustischer Widerstand bekannter Charakteristik reiben sich die Moleküle aneinander, wodurch ebenfalls eine Wärmewirkung ausgelöst wird, die als molekulare Reibungswärme bezeichnet werden kann.
Die bekanntgewordenen Versuche haben Jedoch zu keinem voll befriedigendem Ergebnis geführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bearbeitung von Kunststoff mittels Ultraschallenergie zu verbessern. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß in dem Kunststoff sowohl Longitudinalals auch Transversal schwingungen des Ultraschalls erzeugt werden.
Es hat sich gezeigt, daß bei der Erzeugung von Transversalschwingungen in dem Kunststoff in vielen Fällen eine bessere Verschweißung ermöglicht wird, als sie mit reinen Longitudinalschwingungen möglich ist. Das liegt vermutlich daran, daß durch die Transversalschwingungen eine stärkere Reibung zwischen den verschiedenen Makromolekülen erzielbar ist als durch reine Longitudinalschwingungen, bei denen die Energie mit geringerer Reibung billardkugelartig übertragen wird. Man hat daher bei Verwendung von Transversalschwingungen eine relativ starke Dämpfung der Schwingungen in dem Kunststoff und dementsprechend eine starke und gut lokalisierte Erwärmung und Plastifizierung.
Die Verwendung von Transversalschwingungen des Kunststoffs bietet außerdem die Möglichkeit, bei geeigneter Ausbildung des Schallübertragers den plastifizierten Kunststoff in eine gewünschte Richtung zu drücken, um so eine die Verbindung verstärkende und verbessernde Wulst o. dgl. zu erzeugen. Die Schwingungen können dabei eine Erhöhung der Fließfähigkeit oder eine Förderung des Materials in die gewünschte Richtung bewirken. Es tritt dabei wahrscheinlich ein ähnlicher Effekt ein wie beim Rütteln von Beton: Die Teilchen (Makromoleküle) werden in gegenseitiger bewegung gehalten, so daß zwischen ihnen keine"ruhende"Reibung sondern die geringere Reibung der Bewegung herrscht.
Zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vorrichtung mit einem Ultraschallgenerator und einem damit verbundenen, zu Längsschwingungen erregten Ultraschallübertrager verwendet werden, bei welcher erfindungsgemäß der Ultraschallübertrager Anschrägungen auiweist, über welche sowohl Longitudinalschwingungen als auch Transveraalschweingungen auf das Werkstück übertragen werden.
Dabei können zu verschweißende plane Werkstückteile zwischen einer abgeschrägten Endfläche des Ultraschallübertragers und einem entsprechend geneigt angeordneten Auflageglied angeordnet sein.
Zum Verschweißen von Folien kann die Anordnung so getrofien werden, daß der Ultraschallübertrager eine senkrecht zur Schwingungsrichtung verlaufende Auflagefläche aufweist, an welche sich eine Anschrägung anschließt. Über die Anschrägung werden Transversalwellen in das Material übertragen. Die plastifizierte Masse wird in Richtung der Anschrägung weggedrückt und bildet dann eine Materialwulst längs der Innenseite der Schweißnaht. Durch eine solche Materialwulst wird die Schweißnaht verstärkt und abgedichtet.
Beim Verschweißen von Formteilen ist es vorteilhaft, wenn die Formteile längs der Schweißnaht mit ineinandergreifenden Profilen versehen sind. Dadurch kann man erreichen, daß auf Jeden Fall längs einer Linie ein optimaler Winkel zwischen Schwingungsrichtung und Profiloberflächen - mit einem bestimmten Verhältnis von Transversal-und Longitudinalschwingungen - erzielt wird, wo dann die Verschweißung zunächst beginnt.
Die Erfindung kann nicht nur um Verschweißen von Kunststoffen ausgenutzt werden. Es ist auch möglich, mit Ultraschall Kunststoffe zu schneiden. Dabei kann durch Longitudinalschwingungen der Schneide ein "Hämmern" auf dem Kunststoff erfolgen, was einerseits eine Erwärmung und Erweichung des Kunststoffes und andererseits eine Schneidwirkung erzielt. Durch Transversalschwingungen findet gleichzeitig ein Polieren statt sowie ein seitliches Wegschieben des Materials. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Ultraschallübertrager die Form eines Messers mit zur Längsachse geneigten Flanken hat, und die Neigung der einen Flanke wesentlich stärker ist als die der anderen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und im folgenden beschrieben: Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung zum Verschweißen planer Teile.
Fig. 2 bis 5 zeigen die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für das Verschweißen von Bormteilen.
Fig. 6 bis 9 zeigt die Anwendung des Verfahrens zum Verschweißen von Folien.
Fig. ?o und 11 zeigt eine Anwendung ähnlich wie Fig. 6 - 9, bei welcher gleichzeitig zwei Schweißnähte erzeugt und die Folien zwischen den Nähten durchgeschnitten werden.
Fig. 12 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schneiden von Kunststoff.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Ultraschallübertrager (Sonotrode) bezeichnet, welcher in bekannter nicht näher dargestellter Weise mittels eines magnetostriktiven Sthwingungaerzeugers zu Ultraschallschwingungen in Richtung der Linie 5 erregt werden. Mit 2 ist ein Gegenlager (Amboß) bezeichnet, welches auf einem Blatt 3 so angeordnet ist, daß seine Achse geneigt zu der Schwingungsrichtung 5 verläuft. Zwischen dem Gegenlager 2 und der entsprechend angeschrägten Endfläche des Ultraschallübertragers 1 liegen die zu verschweißenden, planen Teile 4. Ultraschallübertrager 1 und Gegenlager 2 sind so aufeinander und auf die Frequenz des Ultraschalls abgestimmt, daß in der Ebene 6, wo die Verschweißung stattfinden soll, ein Schwingungsbauch liegt.
Durch die Anschrägung und die schräge Anordnung des Gegenlagers 2 wird erreicht, daß die Ultraschallschwingungen in Richtung der Achse 5 des Ultraschallübertragers 1 im Werkstück 4 nicht ausschließlich als Longitudinalschwingungen sondern zu einem erheblichen Anteil als Transversalschwingungen (in der Ebene 6) in Erscheinung treten. Das ergibt eine bessere Schweißwirkung in dieser Ebene 6 als es mit reinen Längsschwingungen möglich wäre, welche die Energie auf die Moleküle wie auf Billardkugeln übertragen und auf das Gegenlager 2 weiterleiten.
Fig. 2 bis 5 zeigt das Verschweißen von Formteilen mittels Ultraschall. Mit 1 ist Jeweils wieder der Ultraschallübertrager, mit 2 das Gegenlager bezeichnet. Die Stirnflächen von Ultraschallübertrager 1 und Gegenlager 2 sind hier senkrecht zur Richtung der im Übertrager 1 erzeugten Longitudinalschwingungen.
Die beiden miteinander zu verschweißenden Formteile 7 und 8 greifen mit dach- oder wulstförmigen Profilen 9 ineinander. Auf diese Weise wirken die übertragenen Ultraschall ichwingungen in der Berührungsfläche der Teile 7 und 8 teils als Longitudinalachwingungen (senkrecht zu der Fläche) und teils als Transversalschwingungen (in der jeweiligen Tangentialebene).
Das Verhältnis von Longitudinal- und Transversalschwingungen hängt von dem Winkel ab, den die Flächennormale in jedem Punkt mit der Längsachse des Schwingungsübertragers 1 einschließt. Es hat sich nun gezeigt, daß die Schweißwirkung bei einem bestimmten Verhältnis von Longitudinal- und Transversalschwingungen ein Optimum aufweist. Durch die profilierte Formgebung der zu verschweißenden Tülle wird sichergestellt, daß die Ultraschallwellen auf jeden Fall an irgendeiner Stelle der Berührungifläche unter diesen optimalen Bedingungen auffallen und dort eine dichte und haltbare Schweißnaht bilden.
Die Ultraschallwellen können, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, im wesentlichen quer zu der Berüiirungsfläche der Teile 7 und 8 eingeleitet werden, oder im wesentlichen tangential, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
Fig. 6 bis 9 zeigt das Verschweißen von Folien mittels eines Ultraschallübertragers 1, der nach einer Seite hin eine Anschrägung 1o aufweist. Das Gegenlager 2 weist eine ähnliche Anschrägung 11 auf. Durch diese Anschrägung werden Transversalschwingungen auf das Material übertragen und gleichzeitig wird das plastifizierte Material , wie dargestellt, seitlich weggedrUckt, so daß sich an der Innenseite der Schweißnaht eine Wulst 12 bildet, welche die Naht verstärkt und abdichtet. Die Transversalschwingungen bewirken dabei eine lokale Erwärmung des Materials und "schieben" das Material seitlich weg.
Fig. lo und 11 zeigt eine Anordnung ähnlich Fig. 6 bis 9. Es werden hier gleichzeitig zwei parallele Schweißnähte der geschilderten Art hergestellt, und die Folien 13, 14 werden mit dem gleichen Werkzeug 1 bzw. 2 zwischen den beiden Nähten durchgeschnitten.
Zu diesem Zweck weisen der Ultraschallübertrager 1 und das Gegenlager 2 in der Mitte ein Schneidprofil 15 auf.
Fig. 12 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung beim Schneiden von Kunststoffen. Der Ultrascballübertrager 1 hat hier die Form eines Messers. Mit 16 ist hier eine Auflage bezeichnet, und 17 ist das zu schneidende Werkstück. Die schwingungsrichtung der Ultraschallschwingungen ist durch die Ebene 18 definiert. Der Ultraschallübertrager 1 weist eine Flanke 19 auf, welche annähernd parallel zu der Schwingungsebene 18 ist. An dieser Flanke werden praktisch nur transversale Schwingungen wirksam, durch welche eine Polierwirkung erfolgt. Mit der anderen, stärker geneigten Flanke 20 werden sowohl tongitudinal- als auch Transversalwellen erzeugt. Es erfolgt eine Plastifizierung des Materials, welches wie bei 21 angedeutet, zur Seite weggedrückt wird.
Mit der dargestellten Anordnung kann Kunststoff relativ leicht, splitter- und rißfrei und mit glatter Schnittfläche (wegen der Polierwirkung) geschnitten werden.

Claims

Patentansprüche 1.) Verfahren zum Verschweißen oder Schneiden von Werkstücken aus Kunststoff, bei welchem auf das Werkstoff Energie in Form von Ultraschallschwingungen übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kunststoff sowohl Longitudinal- als auch Transversalschwingungen des Ultraschalls erzeugt werden.
2.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Ultraschallgenerator und einem damit verbundenen, zu Längsschwingungen erregten Ultraschallübertrager (1), dadurch gekennzeichnet daß der Ultraschallübertrager (1) Anschrägungen aufweist, über welche sowohl Longitudinalschwingungen als auch Transversalschwingungen auf das Werkstück übertragen werden.
3.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu verschweißende plane Werkstückteile (4) zwischen einer abgeschrägten Endfläche des U1-traschallübertrager (1) und einem entsprechend geneigt angeordneten Auflageglied (2) angeordnet sind.
4.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 2 zum Verschweißen von Folien, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallübertrager (1) eine senkrecht zur Schwingungsrichtung verlaufende Auflageiläche aufweist, an welche sich eine Anschrägung (lo) anschließt.
5.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Auflagefläche zu beiden Seiten Anschrägungen anschließen.
6.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Auflagefläche und des U1-traschallübertragers (1) an dem Auflageglied ein 8chneidprofil (15) vorgesehen ist, durch welches die Folien (13, 14) während des SchweiB-vorganges durchgeschnitten werden.
7.) Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflageglied (2) ebenfalls eine Anschrägung (11) aufweist.
8. 2 Verfahren nach Anspruch 1, zum Verschweißen von Formteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (7, 8) längs der Schweißnaht mit ineinandergreifenden Profilen (9) versehen sind.
9.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum Schneiden von Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallübertrager (1) die Form eines Messers mit zur Längsachse (18) geneigten Flanken (19, 20) hat, und daß die Neigung der einen Flanke (20) wesentlich stärker ist als die der anderen (19).