DE4439284C3 - Vorrichtung und Verfahren zum fortlaufenden Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum fortlaufenden Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn

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DE4439284C3
DE4439284C3 DE19944439284 DE4439284A DE4439284C3 DE 4439284 C3 DE4439284 C3 DE 4439284C3 DE 19944439284 DE19944439284 DE 19944439284 DE 4439284 A DE4439284 A DE 4439284A DE 4439284 C3 DE4439284 C3 DE 4439284C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum fortlau­ fenden Ultraschallbearbeiten einer Materialbahn mit­ tels einer Ultraschallschwingeinheit und einem Gegen­ werkzeug, wobei die Materialbahn zwischen dem Ge­ genwerkzeug und der Ultraschallschwingeinheit ange­ ordnet ist und die Ultraschallschwingeinheit einen Kon­ verter und eine mit diesem, ggf. über ein Amplituden­ transformationsstück verbundene Sonotrode aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Konstanthaltung der Höhe eines Bearbeitungsspalts.
Vorrichtungen zum fortlaufenden Ultraschallbearbei­ ten einer Materialbahn sind hinreichend bekannt. Bei diesen Vorrichtungen weist die Ultraschallschwingein­ heit in der Regel einen piezoelektrischen Konverter auf, an dem direkt oder indirekt eine Sonotrode angeordnet ist. Es kann also zwischen dem piezoelektrischen Kon­ verter und der Sonotrode ein Amplitudentransforma­ tionsstück- auch Booster genannt, vorgesehen sein. Bei derartigen Ultraschallschwingeinheiten ist entweder das Schwingmodul in seinem Konvertergehäuse oder das Amplitudentransformationsstück über einen Halte­ ring in einer Aufnahme gelagert. Diese Lagerungen be­ finden sich stets in den Schwingungsknoten. In der Re­ gel fallen jedoch die rechnerisch ermittelten Knoten und die Orte der Lagerung auseinander. Um zu verhindern, daß die Schwingbewegungen von der Ultraschall­ schwingeinheit ungedämpft in den Maschinenständer übertragen werden, ist die Ultraschallschwingeinheit weich, d. h. federnd gelagert. Dies erfolgt in der Regel über gummielastische Elemente, z. B. O-Ringe, zwischen denen das eingespannte Element der Ultraschallschwin­ geinheit aufgenommen ist.
Zur Einstellung einer optimalen Schweiß- und/oder Schneidspalthöhe zwischen der Sonotrode und dem Ge­ genwerkzeug wird die Ultraschallschwingeinheit z. B. mittels eines pneumatischen Antriebs gegen einen An­ schlag gefahren und auf diese Weise bzgl. des Gegen­ werkzeugs positioniert. Wird nun eine Materialbahn durch den Schweiß oder Schneidspalt geführt, dann wirkt durch die Materialbahn als auch durch die Schweißkraft eine Reaktionskraft auf die Sonotrode. Insbesondere bei hohen und/oder veränderlichen Schweißkräften, hohen Bahngeschwindigkeiten und bei sich verändernder Dicke der Bahn führt diese Reak­ tionskraft dazu, daß die Sonotrode der Materialbahn ausweicht, d. h. sich vom Gegenwerkzeug entfernt. Dies ist einerseits bedingt durch die weiche Lagerung, ande­ rerseits durch den Pneumatikantrieb der dann nachgibt, wenn die Reaktionskraft größer ist als die Zustellkraft. Um diesem Ausweichen entgegenzuwirken wird die Zu­ stellkraft des Pneumatikantriebs weiter erhöht. Je nach Betriebs Zustand besitzt also eine derartige Vorrich­ tung unterschiedliche minimale und maximale Spalthö­ hen. Dies führt zu nicht konstanten Schweiß- und Schneidergebnissen. Außerdem ist die Rückstellkraft und damit die Rückstellbewegung während des Betriebs so groß, daß die Lage der Ultraschallschwingeinheit zum Gegenwerkzeug bei Stillstand so gewählt werden muß, daß die Sonotrode das Gegenwerkzeug berührt. Dies führt beim An- und Abfahren der Anlage zu einem hohen Verschleiß an der Sonotrode. Ein hoher Ver­ schleiß an der Sonotrode tritt außerdem auch dann ein, wenn sich während des Betriebs keine Materialbahn zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug be­ findet.
Ein weiterer erheblicher Nachteil dieser bekannten Vorrichtung liegt darin, daß bei einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen unterschiedliche Anschlagpositionen notwendig sind und somit die Vorrichtung je nach An­ wendung neu einzurichten ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der es möglich ist, mit einem geringeren Verschleiß ein reproduzierbar gutes Schweiß und/oder Schneidergeb­ nis zu erreichen, und mit derselben Maschineneinstel­ lung bei unterschiedlicher Lagenzahl der Materialbahn auszukommen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonotrode starr direkt am Maschinenstän­ der befestigt ist.
Durch die starre Positionierung der Sonotrode bzgl. des Gegenwerkzeugs wird sicher­ gestellt, daß der Schweiß- und/oder Schneidspalt eine konstante Größe aufweist und dadurch vermieden wird, daß die Sonotrode auf dem Gegenwerkzeug aufläuft. Ein konstanter Schneidspalt gewährleistet auch ein re­ produzierbares Schweiß- und/oder Schneiderergebnis. Bei unterschiedlicher Lagenzahl der Materialbahn wird ein gleichbleibendes Schweiß- und Schneidergebnis da­ durch erzielt, daß das Material im Bereich von Vertie­ fungen im Gegenwerkzeug in diese ausweichen kann und die Leistungsabgabe an die Materialbahn durch ei­ nen Ultraschallgenerator geregelt wird. Wird eine der­ artige Vorrichtung an- bzw. abgefahren, dann besteht keine Gefahr, daß die Sonotrode das Gegenwerkzeug berührt, da aufgrund der starren Lagerung und der da­ durch bedingten konstanten Spalthöhe der Schweiß- und Schneidspalt mit Sicherheit vorgegeben ist. Wäh­ rend des Betriebs werden die Reaktionskräfte von der starren Lagerung und der dadurch bedingten konstan­ ten Spalthöhe abgestützt.
Bei einer Ausführungsform ist der Konverter starr von einem Konvertergehäuse aufgenommen, wobei das Konvertergehäuse starr am Maschinenständer gehal­ tert ist. Bei einem weiteren Ausführungsbei­ spiel ist das Amplitudentransformationsstück starr am Maschinenständer angeordnet. Diese Ausführungsfor­ men haben gemeinsam, daß ein Bauteil der Ultraschall­ schwingeinheit starr mit dem Maschinenständer ver­ bunden ist. Diese Befestigung befindet sich bevorzugt am Ort eines Schwingungsknotens. Andere Orte sind jedoch ebenfalls denkbar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Spalt zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerk­ zeug einstellbar. Hierfür ist eine Verstelleinrichtung vorgesehen, über die die Zustellbewegung der Sonotro­ de erfolgen kann und mit der der Schweißspalt exakt einstellbar ist. Diese Verstellvorrichtung kann nach dem Einstellvorgang starr mit dem Maschinenständer ver­ bunden werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Ultra­ schallschwingeinheit über eine temperaturgeführte Ver­ stelleinrichtung starr mit dem Maschinenständer ver­ bunden ist. Mittels dieser temperaturgeführten Verstell­ einrichtung können temperaturbedingte Längenände­ rungen in der Ultraschallschwingeinheit derart ausge­ glichen werden, daß der Schweiß bzw. Schneidspalt eine gleichbleibende Größe beibehält. Bevorzugt ist die Ver­ stelleinrichtung ein Piezoaktuator. Außerdem kann die Verstelleinrichtung die Temperatur der Sonotrode, des Konverters und/oder des Amplitudentransformations­ stücks als Stellgröße verwenden. Dabei ist der Verstell­ weg der Verstelleinrichtung so gewählt, daß dieser, ab­ hängig von der gemessenen Temperatur, die tempera­ turbedingte Längenänderung des bzw. der Bauteile und dadurch die Spaltenhöhenänderung ausgleicht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gegenwerkzeug eine rotierende Walze. Diese Walze kann entweder eine glatte Oberfläche aufweisen, besitzt jedoch bevorzugt die Oberfläche überragende Schnei­ den bzw. Schweißflächen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch von einem Verfahren zur Konstanthaltung der Höhe eines Bear­ beitungsspalts zwischen einer Sonotrode und einem Ge­ genwerkzeug bei einer Vorrichtung des o. g. Aufbaus gelöst, indem die Ultraschallschwingeinheit starr am Maschinenständer fixiert wird. Mittels diesem erfin­ dungsgemäßen Verfahren können Materialbahnen mit einer oder mit mehreren Lagen geschweißt oder ge­ trennt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzel­ nen dargestellt ist. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit temperaturge­ führter Verstelleinrichtung.
In der Fig. 1 ist eine insgesamt mit 1 bezeichnete Vor­ richtung zum Schweißen oder Schneiden eines bahnför­ migen Materials 2 schematisch dargestellt. Diese Vor­ richtung weist eine Ultraschallschwingeinheit 3 auf, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Schwingmodulgehäuse 4 mit einem piezoelektrischen Schwingmodul 5 sowie einer Sonotrode 6 besteht. Das piezoelektrische Schwingmodul 5 ist mit einem Flansch 7 versehen, der in das Konvertergehäuse 4 mittels eines Spannrings 8, der bei 9 verschraubt ist, einspanbar ist. Der Flansch 7 befindet sich am Ort eines Schwingungs­ knotens. Die Sonotrodenspitze 10 ist entweder eben oder an die Krümmung einer ein Gegenwerkzeug 11 bildenden Walze 12 angepaßt. Diese Sonotrodenspitze 10 und das Gegenwerkzeug 11 bilden einen Schneid- Schweiß-Spalt 13, der eine definierte Größe aufweist. Die Sonotrodenspitze 10 schwingt im Betrieb mit einer Amplitude 14, so daß sich eine minimale Spalthöhe 15 und eine maximale Spalthöhe 16 ergeben. Durch den Spalt 13 wird die Materialbahn 2 hindurchgeführt und mit der Sonotrode 6 bearbeitet. Dabei liegt die Materi­ albahn 2 auf Schneiden 17, die als Energierichtungsge­ ber fungieren, auf der Walze 12 auf, so daß das Material der Bahn 2 in die Zwischenräume zwischen die Schnei­ den 17 verdrängt werden kann.
Durch die konstante Spalthöhe des Spaltes 13, die unabhängig von der Dicke der Materialbahn 2 ist und auch beim Anfahren und Abfahren der Vorrichtung 1 beibehalten wird, werden Beschädigungen der Walze 12 und der Sonotrode 6 vermieden. Selbst wenn die Mate­ rialbahn 2 mit hoher Geschwindigkeit durch den Spalt 13 bewegt wird und wenn sich die Dicke der Material­ bahn 2 ändert, bleibt die Höhe des Spaltes 13 aufgrund der fixen bzw. der starren Einspannung der Ultraschall­ schwingeinheit 3 über den Flansch 7 erhalten.
In der Fig. 2 ist eine bekannte Vorrichtung 21 darge­ stellt, die ebenfalls eine Ultraschallschwingeinheit 23 aufweist, die aus einem Konvertergehäuse 24 und einem piezoelektrischen Schwingmodul 25 besteht, an dem ei­ ne Sonotrode 26 befestigt ist. Es ist deutlich erkennbar, daß der Flansch 27 des piezoelektrischen Schwingmo­ duls 25 nicht starr im Konvertergehäuse 24, sondern über elastische Elemente, wie O-Ringe 22 weich gela­ gert ist. Außerdem ist das Konvertergehäuse 24 über eine doppeltwirkende pneumatische Kolben-Zylinder- Einheit 28 in Richtung auf die Walze 12 bis zur Anlage an einen Anschlag 29 verstellbar.
Wird bei einer solchen Vorrichtung 21 eine Material­ bahn 2 mit hoher Geschwindigkeit durch den Spalt 33 hindurchgeführt, dann wirkt durch die Materialbahn 2 als auch durch die Schweißkraft mit zunehmender Ge­ schwindigkeit eine sich vergrößernde Reaktionskraft in Richtung auf die Sonotrode 26. Aufgrund dieser Reak­ tionskraft wird die Sonotrode 26 und das Schwingmodul 25 im Konvertergehäuse 24 nach oben verlagert, indem die elastische Lagerung der O-Ringe verformt wird. Bei weiter zunehmender Reaktionskraft hebt schließlich das Konvertergehäuse 24 vom Anschlag 29 ab, indem der Kolben in der Kolben-Zylinder-Einheit 28 verschoben wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Ma­ terialbahn 2 eine sich verändernde Dicke besitzt, z. B. unterschiedlich viele Material lagen oder eine Quernaht aufweist.
Der Schweiß bzw. Schneidspalt 33 ist bei dieser be­ kannten Ausführungsform nicht konstant. Eine derarti­ ge Vorrichtung kann in der Regel nur für eine bestimm­ te Materialdicke der Materialbahn 2 eingerichtet wer­ den, wobei die Bahngeschwindigkeit der Materialbahn 2 im wesentlichen konstant sein muß. In der Ruhelage wird bei dieser Vorrichtung 21 die Sonotrode 26 so positioniert, daß sie auf der Oberfläche der Walze 12 aufliegt. Befindet sich während des Betriebs die Materi­ albahn 2 zwischen der Sonotrode 26 und der Walze 12, dann weist in der Regel der Walzenspalt 33 die ge­ wünschte Höhe auf. Als problematisch wird bei dieser Vorrichtung 21 angesehen, daß beim Anfahren und Ab­ fahren die Sonotrode 26 die Walzenoberfläche 12 und insbesondere die Schneiden 17 berührt. Dabei können sowohl die Sonotrode 26 als auch die Schneiden 17 be­ schädigt oder zumindest über Gebühr verschlissen wer­ den. Lediglich während des Betriebs bei konstanten Randbedingungen besitzt eine derartige Vorrichtung 21, einen Spalt 33 mit der erforderlichen Größe. Bei sich ändernden Randbedingungen verändert sich auch der Schneidspalt.
Die Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, in der nicht das Schwingmodul 5 im Konvertergehäuse 4, sondern die Sonotrode 6 in einem Halter 18 starr fixiert ist. Dabei ergreift der Halter 18 die Sonotrode 6 in deren Schwingungsknoten. Dieser Halter 18 stützt sich über eine Verstelleinrichtung 19 an einem Anschlag 29 ab. Die Verstelleinrichtung 19 wird beispielsweise von ei­ nem Piezoaktuator 20 gebildet, der mit einer Steuerein­ heit S verbunden ist. Diese Steuereinheit S ist außerdem mit einem Temperaturfühler 30 gekoppelt, mit dem die Temperatur der Sonotrode 6 erfaßt wird.
Erhöht sich die Temperatur der Sonotrode 6 während des Betriebs, dann steuert die Steuereinheit S aufgrund dieser Temperaturänderung den Piezoaktuator 20 der­ art an, daß dieser den Halter 18 über eine vorgegebene Wegstrecke vom Anschlag 29 entfernt. Auf diese Weise wird die temperaturbedingte Längenänderung der So­ notrode 6 ausgeglichen, so daß der Spalt 13 nach wie vor eine konstante Größe aufweist. Neben einer Erfassung der Temperatur der Sonotrode 6 kann auch die Tempe­ ratur der Walze 12 erfaßt und als Steuerbefehl für den Piezoaktuator 20 verwendet werden.
Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die eingestellte Spalthöhe z. B. von 5 bis 100 µm ohne weiteres beibehalten werden, wobei Längenausdehnun­ gen z. B. bis zu 200 µm problemlos kompensierbar sind.
Dadurch, daß bei diesem Ausführungsbeispiel nicht der Konverter sondern die Sonotrode 6 starr fixiert wird, wird die zu kompensierende Länge der Ultra­ schallschwingeinheit 3 erfindungsgemäß wesentlich ver­ ringert.
Aufgrund der starren Halterung und der Kompensie­ rung der temperaturbedingten Längenänderung der Ultraschallschwingeinheit 3 sind wesentlich höhere Ge­ schwindigkeiten der Materialbahn 2 erzielbar. Werden beim Stand der Technik die Materialbahnen 2 mit einer Geschwindigkeit von 50 m/min bewegt, so können sie bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit einer Ge­ schwindigkeit von 500 m/min bewegt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum fortlaufenden Ultraschallbear­ beiten einer Materialbahn (2) mittels einer Ultra­ schallschwingeinheit (3) und einem Gegenwerk­ zeug (11), wobei die Materialbahn (2) zwischen dem Gegenwerkzeug (11) und der Ultraschallschwinge­ inheit (3) angeordnet ist und die Ultraschallschwin­ geinheit (3) einen Konverter und eine mit diesem ggf. über ein Amplitudentransformationsstück ver­ bundene Sonotrode (6) aufweist, wobei die Ultraschallschwingeinheit (3) starr im Ma­ schinenständer für das Gegenwerkzeug (11) ange­ ordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sonotrode (6) starr direkt am Maschinenständer befestigt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Schwingmodul (5) starr von einem Konvertergehäuse (4) aufgenommen ist, wobei das Konvertergehäuse (4) starr am Maschinenständer gehaltert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Amplitudentransformationsstück starr am Maschinenständer angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (13) zwischen der Sonotrode (6) und dem Gegen­ werkzeug (11) auf einen konstanten Wert einstell­ bar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultra­ schallschwingeinheit (3) über eine temperaturge­ führte Verstelleinrichtung (19) starr mit dem Ma­ schinenständer verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstelleinrichtung (19) eine Pie­ zoaktuator (20) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (19) von der Temperatur der Sonotrode (6), des Kon­ verters und/oder des Amplitudentransformators angesteuert ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ genwerkzeug (11) eine rotierende Walze (12) ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kon­ verter einen piezoelektrischen Schwingmodul auf­ weist.
10. Verfahren zur Konstanthaltung der Höhe eines Bearbeitungsspalts (13) zwischen einer Sonotrode (6) und einem Gegenwerkzeug (11) bei einer Vor­ richtung gemäß einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (6) starr am Maschinenstän­ der fixiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die temperaturbedingte Längenände­ rung in der Ultraschallschwingeinheit (3) über eine an der Halterung (18) der Ultraschallschwingein­ heit (3) angreifende Verstelleinrichtung (19) kom­ pensiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Ultraschallschwinge­ inheit (3) die ggf. aus mehreren Lagen bestehende Materialbahn (2) geschweißt und/oder getrennt wird.
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