DE19813121C1 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall - Google Patents
Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit UltraschallInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung (100) zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (M) mit Ultraschall umfaßt einen Ultraschallerzeuger (6) und eine mit diesem in ultraschallübertragender Weise fest verbundene Sonotrode (7). Die Sonotrode hat eine Stirnseite (29), die einer Gegenwalze (30) gegenübersteht. Durch den Spalt wird die zu bearbeitende Materialbahn (M) hindurchgeführt. Die aus dem Ultraschallerzeuger (6) und der Sonotrode (7) bestehende Baugruppe ist mit dem Maschinengestell über einen piezoelektrischen Aktor (36) verbunden, mittels dessen kleine Verlagerungen der Stirnseite (29) der Sonotrode gegenüber der Umfangsfläche der Gegenwalze (30) ausgeglichen werden können.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
Die Bearbeitung besteht beispielsweise in der Verfestigung
eines aus thermoplastischen Fasern bestehenden Vlieses
durch stellenweise Verschmelzung der Fasern. Um zu einem
optimalen Bearbeitungseffekt, d. h. zu einer ausreichenden
Faserbindung ohne Lochbildung, zu kommen, bedarf es einer
sehr genauen Einhaltung des Abstandes zwischen der Sono
trode und dem Gegenwerkzeug bzw. der Hüllfläche des gege
benenfalls auf diesem angebrachten Reliefs.
Aus diesem Grund ist bei der aus der DE 195 26 354 C1
bekannten Vorrichtung ein Sensor vorgesehen, der die
Spalthöhe zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug
erfaßt und mit dessen Signal der Abstand geregelt wird.
Die exakte und zuverlässige Erfassung der Spalthöhe ist
jedoch ein schwieriges Unterfangen und bedarf einer auf
wendigen Meßeinrichtung.
Die Einhaltung einer bestimmten Spalthöhe muß so genau
erfolgen, da schon Temperaturschwankungen an der Sonotrode
und die damit einhergehenden thermischen Ausdehnungen eine
erhebliche Rolle spielen. Aus diesem Grund ist bei der
Vorrichtung nach der DE 195 13 246 C2 ein die Temperatur
der Sonotrode erfassender Sensor vorgesehen, mit dessen
Signal die Spalthöhe beeinflußt wird. Auf diese Weise wird
aber nur ein Teilaspekt der die Spalthöhe verändernden
Größe erfaßt, nämlich nur die temperaturbedingten Verlage
rungen.
Wichtige weitere die Spalthöhe im Betrieb beeinflussende
höherfrequente Änderungen ergeben sich aus den Rundlauf
fehlern der Gegenwalze, die meist das Gegenwerkzeug bil
det, sowie Unregelmäßigkeiten der Materialbahn selbst.
Die Sonotrode wird bei bekannten Ausführungsformen am
Umfang von einer Trageinheit umfaßt, die, in Achsrichtung
der Sonotrode gesehen, an der Stelle eines Schwingungs
knotens angreift. Bei einer weiterentwickelten, dem Ober
begriff zugrundeliegenden Ausführungsform nach Fig. 2 der
DE 44 39 284 C2 hat die Sonotrode einen Umfangsflansch und
die Trageinheit eine Innenumfangsnut, in die der Umfangs
flansch eingreift. Es versteht sich, daß theoretisch die
Anordnung auch umgekehrt sein könnte. Zwischen den Flanken
des Umfangsflanschs und der Umfangsnut sind elastische
Ringe vorgesehen, die die Kopplung der Sonotrode und der
Trageinheit in Achsrichtung bedämpfen und die Übertragung
von Ultraschallschwingungen dieser Richtung auf die Trag
konstruktion vermindern sollen. Diese elastischen Zwi
schenglieder fördern allerdings normalerweise wieder die
Entstehung von Schwingungen, die die definierte Einwirkung
der Schwingungen des Ultraschallgenerators stören.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhaltung
eines gleichmäßigen Bearbeitungseffektes zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene
Erfindung gelöst.
Durch die Einstellbarkeit der axialen Vorspannkraft der
Ringe kann eine Anpassung des Schwingungsverhaltens her
beigeführt werden, die bei gegebenen Umständen (Art der
Materialbahn, Arbeitsgeschwindigkeit, Schweißen oder
Schneiden) ein optimales Betriebsverhalten der Vorrichtung
zu erreichen gestattet.
Die Einstellung der Vorspannkraft kann in der in Anspruch
2 wiedergegebenen Weise verwirklicht werden, wobei die
Ansprüche 3 und 4 auf Einzelheiten der baulichen Ausfüh
rung gerichtet sind.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, teilweise im Vertikalschnitt;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Wiedergabe des Einspann
bereichs der Sonotrode;
Fig. 3 zeigt eine schematische Wiedergabe einer Ausfüh
rungsform der Kolben/Zylindereinheit für die
Anstellung der Sonotrode;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zu bekämpfender Schwingungen
im Spalt;
Fig. 5 zeigt alternative Möglichkeiten der keilförmig
aufklaffenden Anordnung der Stirnseite der Sono
trode.
Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung
dient zum Verfestigen einer Materialbahn M aus einem
Vliesmaterial aus thermoplastischen Fasern. Die Vorrich
tung 100 umfaßt eine am Maschinengestell 1 befestigte
vertikale Tragplatte 2, an der im unteren Bereich eine
vertikale Geradführung 3 mit an der Tragplatte 2 befestig
ten Schienen 4 und damit zusammenwirkenden Geradführungs
elementen 5 vorgesehen ist, an denen die Ultraschallerzeu
gungseinheit 6 und die Sonotrode 7 vertikal verschiebbar
sind. Die Geradführungselemente 5 greifen an einer ver
tikalen Stützplatte 8 an, an der rohrförmige Gehäuseab
schnitte 9, 10 zur Aufnahme des Ultraschallgenerators 6
bzw. des oberen Teils der Sonotrode untergebracht sind.
Der Ultraschallgenerator 6 und die Sonotrode 7 sind mit
den Gehäusen 9, 10 nur an einer Stelle 11 verbunden, an der
sich ein Schwingungsknoten befindet. In diesem Bereich ist
ein als Ganzes mit 12 bezeichneter Haltering vorgesehen,
der am unteren Ende des Gehäuses 10 radial und insbesonde
re axial festgelegt ist.
Der Haltering 12 ist in Fig. 2 in einem durch die Achse
der Sonotrode 7 gehenden Längsschnitt dargestellt. Die
Sonotrode 7 hat einen oberhalb des Schwingungsknotens bei
11 gelegenen Abschnitt 7' und einen unterhalb des Schwin
gungsknotens gelegenen Abschnitt 7". Im Bereich des
Schwingungsknotens bei 11 besitzt die Sonotrode 7 einen
Umfangsflansch 13. Der Haltering 12 umgreift die Sonotrode
7 im Bereich des Umfangsflanschs 13 und besitzt in dessen
Höhe eine Innenumfangsnut 14, in die der Umfangsflansch 13
radial eingreift. Die axial gerichteten Flanken 15, 16 der
Innenumfangsnut 14 liegen nicht an den entsprechenden
Flanken 17, 18 des Umfangsflansches 13 an, sondern sind
durch elastische Ringe 19, 20 von diesen getrennt, die
dafür sorgen, daß die aus dem Ultraschallgenerator 6 und
der Sonotrode 7 bestehende Baueinheit gedämpft in dem
Gehäuse 10 abgestützt ist, so daß sich die axialen Schwin
gungen der Sonotrode 7 nur in verringertem Maß auf das
Gehäuse 10 übertragen.
Die durch die Ringe 19, 20 gegebene Schwingungskopplung
kann je nach der axialen Vorspannkraft, der die Ringe
19, 20 ausgesetzt sind, beeinflußt werden. Dies geschieht
bei der Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch, daß der Hal
tering 12 aus zwei Teilen 12' und 12" besteht, von denen
das einen etwa Z-förmigen Querschnitt aufweisende Teil
12" mit der "Grundfläche" 43 des "Z" nach Art eines Kol
bens in dem einen Zylinder 44 bildenden Teil 12' geführt
ist. Die beiden Teile können sich also axial gegeneinander
verlagern. Jedes der Teile 12', 12" besitzt einen inneren
Absatz, an dem die Flanken 15, 16 zur Zusammendrückung der
Ringe 19, 20 gebildet sind. Die Absätze bilden zusammen die
Innenumfangsnut 14. Auf der oberen Stirnseite des Teils
12' ist ein ringförmiger Deckel 21 dicht angebracht, der
sich mit seinem Innenumfang 45 bis vor die zu der Achse A
der Sonotrode 7 konzentrische Zylinderfläche 22 des im
Querschnitt etwa Z-förmig ausgebildeten Teils 12" er
streckt und dieser gegenüber mittels einer Dichtung 47
abgedichtet ist. Auf diese Weise ist zwischen den Teilen
12' und 12" des Halterings 12 ein ringförmiger Zylinder
raum 23 gebildet, der über eine nur angedeutete Zuleitung
24 mit Druckflüssigkeit füllbar ist. Dadurch können die
beiden Teile 12', 12" zusammengedrückt werden, wobei die
elastischen Ringe 19, 20 je nach der Zusammendrückung va
riabel vorgespannt werden. Dadurch können die Kopplung der
Sonotrode 7 an das Gehäuse 10 und das Schwingungsverhalten
der Sonotrode 7 in einem gewissen Grade beeinflußt werden.
Die Stützplatte 8 steht nach unten über den Haltering 12
ein beträchtliches Stück vor und besitzt an ihrem unteren
Ende einen gegen die Sonotrode 7 gerichteten Stützbock 26,
an welchem die Sonotrode 7 einseitig über ein Gleitstück
27 anliegt. Der Stützbock 26 erfaßt die Sonotrode so weit
unten, wie es konstruktiv möglich ist. Er liegt im Bereich
eines weiteren Schwingungsknotens 28, der der arbeitenden
Stirnfläche 29 der Sonotrode benachbart ist.
Diese Stirnfläche 29 liegt einem Gegenwerkzeug in Gestalt
einer umlaufenden Gegenwalze 30 mit geringem Abstand ge
genüber. Die Gegenwalze 30 trägt ein Relief, dessen Muster
das Verfestigungsmuster bestimmt.
Zwischen der Stirnfläche 29 der Sonotrode 7 und dem Umfang
der Gegenwalze 30 wird die Materialbahn M hindurchgeführt,
die aus dem erwähnten Vlies aus thermoplastischen Fasern
bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die
das Material zwischen den Scheiteln des Reliefs der Gegen
walze 30 und der Stirnseite 29 der Sonotrode 7 erfährt,
kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erwei
chung der thermoplastischen Fasern. Wenn es nur um eine
Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so
dosiert werden, daß gerade ein Zusammenschmelzen der Fa
sern erfolgt, jedoch Durchbrüche in dem Material vermieden
werden. Bei entsprechender Steuerung des Energieeintrags
über die Sonotrode 7 können solche Durchbrüche aber auch
bewußt herbeigeführt werden, d. h. es kann nach dem Ver
fahren auch gelocht oder geschnitten werden. Der Energie
eintrag, dem eine bestimmte Stelle der Materialbahn für
die kurze Zeit des Passierens des Spalts zwischen der
Sonotrode 7 und der Gegenwalze 30 ausgesetzt ist, ist also
für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Dieser Ener
gieeintrag hängt auch von der in dem Spalt herrschenden
Kraft zwischen der Stirnseite 29 der Sonotrode 7 und der
Gegenwalze 30 ab. Es ist plausibel, daß sich die Wirkungen
der Ultraschallschwingungen umso stärker bemerkbar machen,
je fester die Materialbahn M in dem Spalt zusammengedrückt
wird.
Die Stützplatte 8, die den Ultraschallgenerator 6 und die
Sonotrode 7 trägt, ist an der Geradführung 3 vertikal
beweglich. Sie wird vertikal über eine Kraftmeßdose 32 von
einer Kolben/Zylindereinheit 34 gehalten, die über die
Zuleitungen 31, 33 mit einem fluiden Medium versorgt wird
und die ihrerseits an einem piezoelektrischen Aktuator 36
sitzt, der mit seinem oberen Ende an einer Abwinklung 38
der Tragplatte 2 angebracht ist. Diese Verbindung ist die
einzige Verbindung der Teile 8, 32, 34, 36 mit der Tragplatte
2.
Die Kraftmeßdose 32 erfaßt die Kraft, mit der die Sonotro
de 7 in dem Spalt zwischen der Stirnseite 9 der Sonotrode
7 und der Gegenwalze 30 auf die Materialbahn M gedrückt
wird, und dient zur Steuerung dieser Kraft. Die
Kolben-/Zylindereinheit 34 dient zur Ausführung von Anstellbewe
gungen. Zur Vermeidung von Stick-Slip-Effekten kann, wie
es in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, der Kolben 35 der
Kolben/Zylindereinheit 34 über eine Rollmembran 46 abge
dichtet sein. Außerdem können der Kolben/Zylindereinheit
34 Dämpfungsglieder 37 mit je einer Drossel 48 und einem
Druckspeicher 39 zugeordnet sein, um zu vermeiden, daß
durch Stöße auf die Sonotrode achsparallele Schwingungen
entstehen können.
Die an der Kraftmeßdose 32 gemessenen Veränderungen der
Kraft in dem Spalt an der Stirnseite 29 der Sonotrode sind
ein Indiz dafür, daß dieser Spalt zu eng bzw. zu weit ist.
Die gemessenen Kraftänderungen können dazu verwendet wer
den, den piezoelektrischen Aktor 36 anzusteuern, der ein
ziemlich hochfrequentes Stellglied darstellt, welches mit
ganz kurzen Stellzeiten Verlagerungen in der geforderten
Größenordnung von einigen hundertsteln oder wenigen zehn
tel Millimetern zustande bringt. Auf diese Weise können
der Spalt an der Stirnseite 29 auf einer Höhe h und damit
auch die Einwirkung auf die Materialbahn M konstant gehal
ten werden.
Die Spalthöhe kann zum Beispiel durch einen Rundlauffehler
der Gegenwalze 30 periodisch größer und kleiner werden,
wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Wellenlänge t'
entspricht einer Umdrehung der Gegenwalze 30. Der zeitli
che Verlauf der Spalthöhe h ist durch die Kurve 40 wie
dergegeben, soweit er auf den Rundlauffehler zurückzufüh
ren ist. Die gleichmäßige Wellenbewegung 40 aufgrund des
Rundlauffehlers ist überlagert von höherfrequenten Störun
gen, die aus Ungleichmäßigkeiten der Dicke und Zusammen
drückbarkeit der einlaufenden Materialbahn M herrühren.
Die sich ergebende tatsächliche Kurve 40' kann zumindest
teilweise mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 36 ausge
regelt werden. Mit Hilfe des Aktors kann auch eine Stör-
oder Gegenfrequenz aufgeschaltet werden, die das Gesamt
system schwingungstechnisch neutralisiert.
Wie in Fig. 1 übertrieben dargestellt ist, bildet sich an
der auf der Einlaufseite gelegenen Kante der Stirnfläche
29 eine Art Wulst 41, der zu einer Kraft F in Laufrichtung
der Materialbahn M auf das vordere Ende der Sonotrode 7
senkrecht zu dieser Anlag ist. Diese Kraft F soll durch
die Gegenkraft F' an dem Abstützpunkt 26 abgefangen wer
den, damit es nicht zu Biegeschwingungen des frei vorste
henden unteren Endes der Sonotrode 7 kommt.
Die Kraft F kann aber auch durch geeignete Gestaltung des
vorderen Endes der Sonotrode 7 vermindert werden.
Gemäß Fig. 5a ist die Stirnseite 29 der Sonotrode 7 gegen
die einlaufende Materialbahn M hin aufklaffend unter einem
Winkel α zur Horizontalen abgeschrägt, so daß ein keil
artiges Einlaufmaul 42 gebildet ist. Die Wirkung kann auch
erzielt werden, wenn gemäß Fig. 5b die Sonotrode mit ihrer
Achse A nicht durch die Achse der Gegenwalze 30 geht, son
dern bei zu der Achse A senkrechter Stirnfläche 29 unter
einem Winkel β zur Vertikalen schräg steht. Auch hierbei
ergibt sich ein aufklaffendes Einlaufmaul 42, welches die
Bildung von Wulsten 41 gemäß Fig. 1 verhindert. Auch bei
der Ausführungsform nach Fig. 5c ist das Einlaufmaul 42
erreicht, indem die Sonotrode 7 aus der durch die Achse
der Gegenwalze 30 gehenden Ebene um den Betrag X gegen die
einlaufende Materialbahn M versetzt ist. Auch hierbei
ergibt sich ein Einlaufmaul, welches querkraftfördernde
Wulste 41 nach Fig. 1 zu verhindern in der Lage ist.
Claims (4)
1. Vorrichtung (100) zum Bearbeiten einer kontinuierlich
vorlaufenden Materialbahn (M),
mit einem eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultra schallgenerator (6),
mit einem der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) ge genüberliegenden Gegenwerkzeug (30),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch den Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30),
mit einem an der Sonotrode (7) im Bereich eines Schwingungsknotens (11) angeordneten Umfangsflansch (13), der in eine Umfangsnut (14) eines die Sonotrode (7) umgreifenden Halteringes (12) eingreift und über zwischen den Flanken (15, 16) der Umfangsnut (14) angeordnete elastische Ringe (19, 20) mit dem Halte ring (12) zusammenwirkt,
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotro de (7) gegen das Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Vorspannkraft der Ringe (19, 20) ein stellbar ist.
mit einem eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultra schallgenerator (6),
mit einem der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) ge genüberliegenden Gegenwerkzeug (30),
mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (M) durch den Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30),
mit einem an der Sonotrode (7) im Bereich eines Schwingungsknotens (11) angeordneten Umfangsflansch (13), der in eine Umfangsnut (14) eines die Sonotrode (7) umgreifenden Halteringes (12) eingreift und über zwischen den Flanken (15, 16) der Umfangsnut (14) angeordnete elastische Ringe (19, 20) mit dem Halte ring (12) zusammenwirkt,
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotro de (7) gegen das Gegenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Vorspannkraft der Ringe (19, 20) ein stellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine hydraulische oder pneumatische Kolben/Zylin
dereinheit (12', 12", 23) vorgesehen ist, mittels
derer die Ringe (19, 20) axial zusammenpreßbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Haltering (12) aus zwei Teilen (12', 12")
besteht, von denen der Teil (12') einen inneren Ab
satz, der die eine Flanke (16) der Umfangsnut (14)
bildet, sowie einen Zylinder (44) enthält, in welchem
der einen inneren Absatz, der die andere Flanke (15)
der Umfangsnut (14) bildet, aufweisende andere Teil
(12") des Halterings (12) geführt ist, und daß der
Teil (12") auf der der Flanke (15) abgewandten
Stirnseite unter dem hydraulischen oder pneumatischen
Druck steht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teil (12'') einen etwa Z-förmigen Querschnitt
aufweist und einer der Schenkel des "Z" eine äußere
zu der Achse (A) der Sonotrode (7) konzentrische
Zylinderfläche (22) bildet und daß auf der oberen
Stirnseite des Teils (12') ein ringförmiger Deckel
(21) dicht angebracht ist, der sich mit seinem Innen
umfang (45) bis vor die Zylinderfläche (22) erstreckt
und dieser gegenüber abgedichtet ist, so daß ein
Zylinderraum (23) gebildet ist, der über eine Leitung
(24) mit Druckflüssigkeit oder Druckluft füllbar ist.
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