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DE69606325T2 - Verfahren zum schweissen oder schneiden von material mit hilfe von ultraschall - Google Patents

Verfahren zum schweissen oder schneiden von material mit hilfe von ultraschall

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DE69606325T2
DE69606325T2 DE69606325T DE69606325T DE69606325T2 DE 69606325 T2 DE69606325 T2 DE 69606325T2 DE 69606325 T DE69606325 T DE 69606325T DE 69606325 T DE69606325 T DE 69606325T DE 69606325 T2 DE69606325 T2 DE 69606325T2
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anvil
cylinder
horn
web
movement
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Robert Kling
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SCA Hygiene Products AB
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Description

    HINTERGRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen oder -schneiden einer sich bewegenden Materialbahn im Wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsrichtung mit zumindest einem länglichen Ultraschallhorn und mit zumindest einem Amboss, der das Gegenstück ist von dem Horn, wobei die Bahn zwischen dem zumindest einen Horn und dem zumindest das Gegenstück darstellenden Amboss bewegt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen oder -schneiden einer derartigen Bahn.
    • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Es sind viele verschiedene Arten und Vorrichtungen zum Ultraschallschweißen oder -schneiden von Material verfügbar. Ein gemeinsames Merkmal dieser Vorrichtungen ist, dass sie ein oder mehrere Hochfrequenzschallwellen emitierende Ultraschallhörner und Ultraschallambossfläschen enthalten, die jeweils gegenüber den Hörnern positioniert sind. Das Material wird in der gewünschten Weise bearbeitet, indem das Material zwischen die Ultraschallhörner und die gegenüberliegenden Ambossflächen bewegt oder irgendwie anders plaziert wird. Es ist allgemein üblich, beim Laminiern und Mustern von thermoplastischem Material Ultraschall einzusetzen. Hierzu werden oft Zylinder oder Trommeln eingesetzt, die mit einer Anzahl von erhabenen Flächen versehen sind, die als Ambosse funktionieren und die, wenn der Zylinder oder die Trommel sich drehen, in Zusammenwirken mit einem oder mehreren Ultraschallhörnern punktförmig verschweißt, linear verschweißt etc. Gewünschte Schweißmuster und Schweißverteilungen werden dadurch erzielt, dass den erhabenen Flächen verschiedene Positionen, Größen, Formen etc. verliehen werden. Die erhabenen Flächen können auch durch wabenartige Elemente ausgetauscht werden, um so durchgehende Verschweißungen zu erzielen. Wenn es wünschenswert ist, Löcher in dem Material herzustellen oder das Material abzuscheren oder zu schneiden, kann dies am besten erzielt werden, indem die Leistung der Ultraschallwellenerzeugungseinheit erhöht wird. Die EP 0,092,866 beschreibt eine Vorrichtung zum Verbinden mehrerer Materialschichten mit Hilfe von Ultraschall, um ein Laminat herzustellen, wobei die Ultraschall-Ambossflächen unter anderem irgendeine der genannten Formen haben können.
    • TECHNISCHE PROBLEME
  • Ein bei Ultraschallschweißen zum miteinander Verbinden von mehreren verschiedenen Materialien mit Hilfe von Zylindern, die eine Anzahl von Ultraschall-Ambossen aufweisen, wie zuvor beschrieben, auftretendes Problem besteht darin, dass sogenanntes "Cobblestoning" auftritt, d. h. eine Hämmerbewegung zwischen dem Ultraschallhorn und dem Amboss, das durch eine Anlagedruckschwankung hierzwischen verursacht wird. Nicht nur das Cobblestoning zu einer schlechteren Schweißqualität führt, erhöht es auch den Verschleiß am Ultraschallhorn, primär kommt es zu einem punktförmigen Verschleiß. Die EP 0,092,866 beschreibt, wie wenigstens eine Ambossfläche in Anlage mit dem Ultraschallhorn gehalten werden kann, wenn der Zylinder rotiert, indem derartige Ambosse auf einem drehbaren Zylinder relativ verteilt werden. Auf diese Weise wird ein konstanter Gesamtanlagedruck zwischen dem Ultraschallhorn und den Ambossflächen, die durch den Zylinder getragen werden, erzielt. Auf diese Weise wird dem Cobblestoning entgegengewirkt. Obwohl das Verschleißproblem etwas abgemildert wird, wird es hierdurch nicht vollständig gelöst, da der pro Flächeneinheit ausgeübte Druck auf das Ultraschallhorn schwankt, wenn der Zylinder rotiert und die Ambosse das Horn passieren. Wenn die Anlagefläche zwischen Horn und Amboss beim Rotieren des Zylinders um Größenordnungen schwanken, wird normalerweise auch die pro Flächeneinheit zugeführte Ultraschallenergie schwanken, was zu Verschweißungen mit schwankender Qualität führt. Obwohl Versuche gemacht wurden, dieses Problem mit Hilfe von elektronisch gesteuerten Einheiten zu vermeiden, ist es immer noch möglich, dass die zugeführte Energie sich momentan erhöht und hierdurch die Schweißqualität beeinflusst. Insbesondere werden große Schwankungen beim Leistungsausgang auftreten, wenn eine Schweißung oder ein Trennen quer zur Bewegungsrichtung der Bahn erfolgt, wobei der Amboss und das Horn während kurzer wiederholter Zeitpunkte aneinander anliegen werden über die gesamten jeweiligen Längen, d. h. mit größeren Schwankungen in der Anlagefläche. Diese Schwankung führt einmal dazu, dass es notwendig wird, die Bahngeschwindigkeit zu beschränken.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die zuvor genannten Probleme zu eliminieren. Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden einer sich bewegenden Materialbahn quer zu ihrer Bewegungsrichtung bereit, wobei Ultraschalleinrichtungen zum Einsatz kommen. Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird während der gesamten Schweiß- oder Schneidprozedur eine Anlagefläche mit im Wesentlichen konstanter Größe erzeugt, wodurch die zuvor genannten Probleme bezüglich Leistungsausgang und punktförmigem Verschleiß vermieden werden. Dies wird dadurch erzielt, dass ein Ultraschallhorn schräg zur zu bearbeitenden Materialbahn positioniert wird und indem ein Ultraschallambossflächen tragender Zylinder mit seiner Drehachse parallel zur Längsachse des Horns positioniert wird, so dass die Bahn hierzwischen hindurchlaufen wird. Die Ambossfläche erstreckt sich schraubenförmig auf dem Zylinder. Die Teilung der Schraubenwindung ist so angepasst, dass die Anlagefläche zwischen dem Ultraschallhorn und dem sich schraubenförmig erstreckenden Amboss sich nach und nach entlang der gesamten Länge des Horns bewegen wird, wenn sich der Zylinder mit einer Umfangsgeschwindigkeit dreht, die so angepasst ist, dass die Geschwindigkeit der Ambossfläche am Schweißpunkt mit der Bewegung der Bahn übereinstimmen wird. Indem die Schrägheit des Ultraschallhorns und des Zylinders zur Bewegungsrichtung der Bahn angepasst wird, und indem eine im Einklang stehende Steigung bezüglich der sich schraubenförmig erstreckenden Ambossfläche gewählt wird, kann die gewünschte Schweißung oder Schnitt quer zur Bewegungsrichtung der Bahn ausgeführt werden. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die primär dazu bestimmt ist, die Bahngeschwindigkeit zu erhöhen, ist der Amboss zweifellos etwas schraubenförmig, jedoch ist ein konstanter Kontakt zwischen dem Horn und dem Amboss nicht notwendig.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Ansicht von oben einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Zylinders, der mit Ultraschallambossen gemäss der Erfindung versehen ist.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das Verfahren basiert auf dem grundlegendem Konzept, einen konstanten Druck zwischen Horn und Amboss wie auch eine Kontaktfläche hierzwischen mit konstanter Größe beizubehalten, wenn ein Material ultraschallverschweißt oder -geschnitten wird. Hiermit ist ein konstanter Gesamtdruck und ein konstanter Flächendruck gemeint. Die Erfindung verringert die Gefahr von ungleichmäßigem Verschleiß, ungleichmäßigem Energieverbrauch und sogenanntem Cobblestoning, d. h. einer Hämmerbewegung zwischen Horn und Amboss. Die Erfindung ermöglicht es auch, das Material schneller zu bearbeiten, indem die Behandlungszeit pro Flächeneinheit verlängert wird, was auch den Energieverbrauch pro Zeiteinheit verringert.
  • Die anhand einer bevorzugten Ausführungsform in den beigefügten Figuren dargestellte Erfindung wird am einfachsten unter Bezugnahme auf die verwendeten Bezugszeichen beschrieben. Dergestalt kennzeichnet das Bezugszeichen 1 eine Materialbahn, an der eine Schweißung oder ein Schnitt auszuführen ist. Die Schweißung oder der Schnitt wird vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung der Bahn 1 gewünscht, wie es durch den Pfeil A angedeutet ist. Die Ausführungsform gemäss der Fig. 1 enthält auch ein längliches Ultraschallhorn 2, dessen Ausdehnung im Wesentlichen durch den Pfeil B angedeutet wird. Ein Zylinder 3, der ein Ultraschallamboss 4 trägt, ist parallel zu dem Ultraschallhorn 2 plaziert. Die Drehachse des Zylinders ist mit B' gekennzeichnet. Die Achsen A und B schließen einen Winkel β ein. Dieser Winkel ist natürlich der gleiche wie der durch A und B' definierte Winkel. Der Winkel β wird im Bereich 10º ≤ β ≤ 80º oder innerhalb von 100º ≤ β ≤ 170º, vorzugsweise im Bereich 30º ≤ β ≤ 60º bzw. 120º ≤ β ≤ 150º gewählt.
  • Die Fig. 2 zeigt den den Amboss 4 tragenden Zylinder 3. Der Amboss 4 hat eine im Wesentlichen schraubenförmige Form in Längsrichtung des Zylinders 3, d. h. er erstreckt sich schraubenförmig auf der zylindrischen Außenfläche des Zylinders. Analog hierzu weist die Ambossfläche 4 eine im Wesentlichen konstante Steigung auf und beschreibt eine komplette Schraubenwindung, mit anderen Worten sie erstreckt sich schraubenförmig um den Zylinder 3 über rund 360º. Wie zuvor erwähnt, sind das Ultraschallhorn 2 und der Zylinder 3 so positioniert, dass ihre Längsachsen einen Winkel β bzw. β' zur Bewegungsrichtung A der Bahn 1 einschließen. Wenn die Winkel β und β' an die Steigung des schraubenförmigen Ambosses 4 angepasst sind und die Drehgeschwindigkeit des Zylinders 3 an die Geschwindigkeit angepasst ist, mit der sich die Bahn 1 bewegt, wird die Umfangsgeschwindigkeit des Zylinders 3 dergestalt sein, dass die Geschwindigkeit des Ambosses 4 am Schweißpunkt im Wesentlichen mit der Geschwindigkeit der Bahn 1 übereinstimmen wird und der Ultraschallschweißprozess wird an einer Stelle erfolgen, die sich nach und nach entlang der gesamten Länge des Horns 2 und entlang der gesamten Länge des Ambosses 4 bewegt, wenn sich der Zylinder 3 dreht. Mit anderen Worten: Der Berührpunkt zwischen dem Horn 2 und dem Amboss 4 wird nach und nach von links nach rechts wandern, wenn sich der Zylinder 3 dreht, wie es aus Fig. 1 deutlich wird. Demzufolge wird eine Schweißung oder ein Schnitt in einer quer zur Bewegungsrichtung A der Bahn 1 liegenden Richtung ausgeführt bzw. gebildet. Der Amboss 4 erstreckt sich schraubenförmig über 360º, d. h. der Amboss 4 wird mit dem Horn 2 an einer Stelle oder einer weiteren über eine gesamte Umdrehung der Außenfläche des Zylinders 3 konstant in Anlage sein, wodurch eine Kontaktfläche konstanter Größe zwischen dem Horn und dem Amboss und auch eine konstante Anlagedruckkraft beibehalten wird. Diese Ausführung bietet auch eine gewünschte Beabstandung zwischen den quer verlaufenden Schweißungen oder Schnitten, vorzugsweise indem ein Zylinder gewählt wird, dessen Außenfläche an diese Beabstandung angepasst ist. Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besitzt der Amboss 4 eine ähnliche schraubenförmige Konfiguration, obwohl in diesem Fall die Schraubenwindung sich nur über ein Teil einer Umdrehung der Außenfläche des Zylinders erstreckt. Die Winkel β und β' sind aber derart, dass, wenn a die Entfernung ist, mit der sich die Bahn 1 in der Bahnbewegungsrichtung A während der gleichen Zeit weiterbewegte, in der die Schweißung oder der Schnitt quer über die Bahn mit einer Breite b geführt wird, dann tan β = b/a ist. Selbstverständlich wird auch tan β' gleich b/a sein.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene und dargestellte beispielhafte Ausführungsform beschränkt ist und andere Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs des erfindungsgemäßen Konzepts denkbar sind. Beispielsweise können die Winkel β und β' so gewählt werden, dass Schweißungen oder Schnitte erzeugt werden, die sich im Wesentlichen schräg über die Bahn erstrecken. Dem Amboss 4 auf dem Zylinder 3 kann auch eine Steigung vorgegeben sein, die nicht konstant ist, so dass keine geraden Schweißungen oder Schnitte erzielt werden. Es ist auch denkbar einen Zylinder 3 einzusetzen, der mehr als einen schraubenförmig erstreckenden Amboss 4 aufweist, insbesondere, wenn es gewünscht wird, dass zwischen den Schweißungen oder Schnitten ein kleiner Abstand vorhanden ist. Auf diese Weise wird auch eine niedrige Zylinderdrehgeschwindigkeit erzielt. Kombinationen von Schweißungen, optional verschiedener Konfigurationen, können auch erzielt werden, indem der Zylinder 3 mit mehr Ambossflächen 4 versehen wird.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Ultraschallschweißen oder -schneiden einer sich bewegenden Materialbahn (1) im Wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsrichtung (A) mit zumindest einem länglichen Ultraschallhorn (2) und mit zumindest einem Amboss (4), der das Gegenstück ist von dem Horn, wobei die Bahn zwischen dem zumindest einen Horn und dem zumindest einen das Gegenstück darstellenden Amboss bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine längliche Ultraschallhorn (2) in einem spitzen Winkel (β) zur Bewegungsrichtung (A) der Bahn plaziert ist und dass der das Gegenstück darstellende zumindest eine Amboss (4) an einem drehbaren Zylinder (3) angeordnet ist, dessen Drehachse (B') im Wesentlichen parallel zur Längsachse (B) des Horns (2) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zumindest eine Amboss (4) schraubenförmig mit konstanter Steigung entlang des Zylinders (3) in Richtung der Zylinderdrehachse (B') erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zumindest eine Amboss (4) schraubenförmig mit nicht konstanter Steigung entlang des Zylinders (3) in Richtung der Zylinderdrehachse (B') erstreckt.
4. Verfahren zum Ultraschallschweißen oder -schneiden einer sich zwischen zumindest einem länglichen Ultraschallhorn (2) und zumindest einem das Gegenstück bildenden Amboss (4) bewegenden Bahn (1) im Wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsrichtung (A), wobei jedes längliche Ultraschallhorn (2) in einem spitzen Winkel (β) zur Bewegungsrichtung (A) der Bahn angeordnet ist und jeder Amboss (4) in einem drehbaren Zylinder (3) angeordnet ist, dessen Drehachse (B') im Wesentlichen parallel zur Längsachse (B) des Horns (2) verläuft, gekennzeichnet durch Anpassen der Drehgeschwindigkeit des Zylinders (3) an die Geschwindigkeit der Bahn (1), so dass die Umfangsgeschwindigkeit des Zylinders (3) derart ist, dass die Geschwindigkeit des Ambosses (4) an der Schweißstelle mit der Geschwindigkeit der Bahn (1) übereinstimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei sich der zumindest eine Amboss entlang des Zylinders (3) schraubenförmig erstreckt, gekennzeichnet durch Anpassen der Schrägstellung des Horns (2) und des den Amboss tragenden Zylinders (3), wie beispielsweise Einstellen des Winkels (β) bezüglich der Bewegungsrichtung (A) der Bahn (1), an die Steigung des Ambosses (2), so dass sich bei einem Schweiß- oder Schneidprozess der Anlagepunkt zwischen dem Horn (2) und dem Amboss (4) aufeinanderfolgend entlang der Länge des Horns (2) und des Ambosses (4) bewegen wird, wobei der Schweiß- oder Schneidprozess im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung (A) der Bahn (1) bewirkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Steuern des Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schweißungen oder Schnitten in der Bahn (1) durch Wahl des Radius des Amboss tragenden Zylinders (3) und der hierdurch getragenen Anzahl an Ambossen (4).
DE69606325T 1995-12-11 1996-11-26 Verfahren zum schweissen oder schneiden von material mit hilfe von ultraschall Expired - Fee Related DE69606325T2 (de)

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