DE19935623A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Materialbahn mit Ultraschall

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DE19935623A1
DE19935623A1 DE1999135623 DE19935623A DE19935623A1 DE 19935623 A1 DE19935623 A1 DE 19935623A1 DE 1999135623 DE1999135623 DE 1999135623 DE 19935623 A DE19935623 A DE 19935623A DE 19935623 A1 DE19935623 A1 DE 19935623A1
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high frequency
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Bernhard Funger
Klaus Kubik
Peter Hader
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Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
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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.
Eine derartige Vorrichtung geht aus der DE 195 26 354 C1 hervor. Die Bearbeitung besteht beispielsweise in der Verfestigung eines aus thermoplastischen Fasern bestehen­ den Vlieses durch stellenweise Verschmelzung der Fasern. Um zu einem optimalen Bearbeitungseffekt zu kommen, bedarf es einer sehr genauen Einhaltung des Abstandes zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug bzw. der Hüllfläche des gegebenenfalls auf diesem angebrachten Reliefs. Aus diesem Grund ist bekannten Vorrichtung ein Sensor vorgese­ hen, 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 be­ darf einer aufwendigen 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhaltung eines gleichmäßigen Bearbeitungseffektes zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Die Erfindung zielt darauf ab, auch die höherfrequenten Ungleichmäßigkeiten, die auf Schwingungen in dem Ultra­ schallbearbeitungssystem zurückzuführen sind, zu minimie­ ren. Derartige schwingungsbedingte Unregelmäßigkeiten können durch Anregungen vielfältiger Art zustande kommen, zum Beispiel durch die erwähnten Bewegungen der Gegenwalze aufgrund von Rundlauffehlern, von Mitnahmeeffekten der Materialbahn, die sich an der Stirnfläche der Sonotrode quer zu dieser als Biegebeanspruchung auswirken, usw.
Der erfindungsgemäß vorgesehene hochfrequente Aktor soll Abstandsänderungen der Sonotroden-Stirnfläche und der Gegenwalze gewissermaßen zuvorkommen, indem er zum Bei­ spiel bei einer nicht richtig rundlaufenden Gegenwalze, wenn diese sich der Sonotroden-Stirnfläche nähert, die Sonotrode rechtzeitig zurückzieht, so daß es zu keiner stoßartigen Zusammenpressung der Materialbahn kommt und dieser Schwingungsgrund somit unterlaufen wird. Dabei geht es nicht nur um unrund laufende Gegenwalzen, sondern zum Beispiel auch um die Unregelmäßigkeiten der Bahn.
Der Aktor muß entsprechend der Geschwindigkeit des Auf­ tretens von solchen Abstandsänderungen zwischen Sonotro­ den-Stirnfläche und Gegenwalze sehr schnell reagieren können. Eine mit einem fluiden Druckmittel betätigte Kol­ ben/Zylindereinheit ist hierzu nicht in der Lage.
Deshalb ist der hochfrequente Aktor auch zusätzlich zu einer gegebenenfalls vorhandenen derartigen Kolben/Zylin­ dereinheit vorgesehen, die die Aufgabe hat, die größeren Zustellbewegungen der Sonotrode zu bewerkstelligen.
In Betracht kommen als hochfrequente Aktoren piezoelek­ trische (Anspruch 2) oder magnetostriktive Aktoren (An­ spruch 3), die die in Betracht kommenden Hübe im Milli- oder Mikrosekundenbereich ausführen können. Piezoelektri­ sche Aktuatoren sind in dem Aufsatz "Piezo-Aktuatoren für den mm-Bereich" von Tönshoff und Laux in der VDI-Z Special Antriebstechnik April 1994, Seiten 48 bis 52 und in einem Anwendungsbeispiel in der DE 43 25 143 beschrieben. Magne­ tostriktive Aktuatoren sind schon zum Steuern der Düsen­ nadel bei Einspritzventilen in der DE-PS 69 59 74 vorge­ schlagen worden.
Wenn der Antrieb der Sonotrode zum Anstellen derselben gegen das Gegenwerkzeug bzw. die Gegenwalze eine Kolben/Zylinder­ einheit umfaßt, so kann eine weitere Maßnahme zur Unterdrückung von Schwingungen darin bestehen, diese mit­ tels Drosseln zu bedämpfen, d. h. in den Zuleitungen zu den beiden Zylinderkammern Drosseln anzubringen, die den Strom des Druckmittels drosseln (Anspruch 4).
Um bei der Kolben/Zylindereinheit keine Losbrechkräfte überwinden zu müssen, empfiehlt sich, sie nicht durch Kolbenringe oder dergleichen, sondern durch eine Rollmem­ bran abzudichten (Anspruch 5).
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 46 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/Zylinder­ einheit 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 Anlaß 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 (5)

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 die Spalt zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30)
und mit einem Antrieb (34) zum Anstellen der Sonotro­ de (7) gegen das Gegenwerkzeug,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (7) in ihrer Schwingungsrichtung über einen hochfrequenten Aktor (36) abgestützt ist, der von einer Steuerung beaufschlagt ist, die auf gemessene Veränderungen der Kraft oder des Abstands zwischen der Stirnseite (29) der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (30) reagiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (36) ein piezoelektrischer Aktor ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (36) ein magnetostriktiver Aktor ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine hydraulische Kolben/Zylindereinheit (34) umfaßt, die mittels Dämp­ fungseinheiten (37) mit Drosseln (48) und Druckspei­ chern (39) bedämpft ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (35) der Kolben/Zylindereinheit (34) mittels einer Rollmembran (46) abgedichtet ist.
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