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DE10129470A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten eines Flächengebildes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten eines Flächengebildes

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Publication number
DE10129470A1
DE10129470A1 DE10129470A DE10129470A DE10129470A1 DE 10129470 A1 DE10129470 A1 DE 10129470A1 DE 10129470 A DE10129470 A DE 10129470A DE 10129470 A DE10129470 A DE 10129470A DE 10129470 A1 DE10129470 A1 DE 10129470A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
working gap
sonotrode
fabric
pretreatment
flat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10129470A
Other languages
English (en)
Inventor
Klaus Kubik
Bernhard Funger
Kay Knorre
Achim Wandke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG filed Critical Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Priority to DE10129470A priority Critical patent/DE10129470A1/de
Priority to IT2002MI001309A priority patent/ITMI20021309A1/it
Priority to US10/174,839 priority patent/US20020197345A1/en
Publication of DE10129470A1 publication Critical patent/DE10129470A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Ultraschallbearbeiten mindestens eines in seiner Ebene bewegten Flächengebildes (1, 1') wird das mindestens eine Flächengebilde (1, 1') zwischen einer mit einer Ultraschallschwingeinheit verbundenen Sonotrode (2) und einem Gegenwerkzeug hindurchgeleitet und im Arbeitsspalt (7) zwischen Sonotrode (2) und dem Gegenwerkzeug einer Ultraschalleinwirkung ausgesetzt. Mindestens eines der zu bearbeitenden Flächengebilde (1, 1') wird vor dem Durchtritt durch den Arbeitsspalt (7) in einer Einrichtung (16, 17) einer Vorbehandlung unterzogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 8 entsprechenden Art.
  • Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der DE 44 39 284 C2 bekannt. Bei der bekannten Ausführungsform dient die mit der Ultraschallschwingeinheit verbundene Sonotrode als eine Art Stempel, die radial zu dem als umlaufende Gravurwalze ausgebildeten Gegenwerkzeug schwingt. Durch den Arbeitsspalt zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug wird das Flächengebilde hindurchgeleitet, das aus einem bahnförmigen Vlies aus thermoplastischen Fasern oder auch aus mehreren zu verschweißenden Bahnen, von denen zumindest eine thermoplastische Eigenschaften aufweisen muß, bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die das Material zwischen den Scheiteln der Gravur der Gegenwalze und der Stirnseite der Sonotrode erfährt, kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erweichung der thermoplastischen Faser bzw. des thermoplastischen Materials. Hierdurch kann im Falle eines einzelnen hindurchgeleiteten Flächengebildes selbiges verfestigt oder in diesem eine Perforation durch lokales Aufschweißen erzielt, im Falle von mehreren durch den Arbeitsspalt hindurchgeleiteten Flächengebilden diese miteinander verschweißt werden.
  • Da der Behandlungseffekt - sei es die Verfestigung, das Perforieren oder das Miteinanderverschweißen - stets durch reibungsinduzierte Erwärmung bis zur Erweichung des thermoplastischen Materials hervorgerufen wird, ist es verständlich, daß der Energieeintrag, dem eine bestimmte Stelle des Flächengebildes beim Durchlaufen des Arbeitsspaltes ausgesetzt ist, zur Erzielung des gewünschten Bearbeitungseffektes kritisch ist und die maximal erzielbare Bearbeitungsgeschwindigkeit durch den zur Erzielung des Bearbeitungseffektes notwendigen Energieeintrag im Arbeitsspalt begrenzt ist.
  • Die DE 198 57 444 A1 schlägt zur Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vor, bei dem bzw. der mindestens eines der zusammenwirkenden Elemente Sonotrode, Flächengebilde, Gegenwerkzeug beheizbar ist, um so den beim Durchlauf des Flächengebildes durch den Arbeitsspalt zur Erzielung des gewünschten Bearbeitungseffektes notwendigen Energieeintrag zu reduzieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß das erzielbare Bearbeitungsergebnis bei gleichbleibender Bearbeitungsgeschwindigkeit verbessert bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei qualitativ gleichbleibendem Bearbeitungsergebnis erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird in ihrem verfahrensmäßigen Aspekt durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung, in ihrem vorrichtungsmäßigen Aspekt durch die in Anspruch 8 wiedergegebene Erfindung gelöst.
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß das Bearbeitungsergebnis verbessert bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann, wenn das bzw. eines der im Arbeitsspalt zu bearbeitenden Flächengebilde vor Eintritt in den Arbeitsspalt einer das Flächengebilde bzw. dessen Oberfläche konditionierenden Vorbehandlung unterzogen wird.
  • Die Vorbehandlung kann den Behandlungsschritt des Aufbringens von Mitteln, die die Oberflächen der zu behandelnden Flächengebilde im Sinne einer Erweichung bzw. Verschweißung bei niedrigerem Energieeintrag aktivieren, umfassen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Vorbehandlung den Behandlungsschritt der Ionenbestrahlung, beispielsweise durch Koronaentladung umfassen.
  • Des weiteren können - wiederum alternativ oder zusätzlich - Mittel aufgebracht werden, die die Ultraschallwirkung im Arbeitsspalt energetisch beeinflussen. Derartige Mittel können beispielsweise Flüssigkeiten wie Wasser oder Emulsionen sein, die unter der Ultraschallwirkung unter Aufnahme der Verdampfungswärme verdampfen und so eine Kühlwirkung des bzw. der zu behandelnden Flächengebilde beim Durchtritt durch den Arbeitsspalt bewirken.
  • Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn der Siedepunkt der jeweils verwendeten Flüssigkeit an die Erweichungstemperatur(en) des bzw. der zu bearbeitenden Flächengebilde(s) angepaßt sind.
  • Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren alternativ oder zusätzlich den Verfahrensschritt des Aufbringens von Mitteln, die die Reibung zwischen der mindestens einen Sonotrode und der dieser zugewandten Seite des ihrem Arbeitsspalt nächstliegenden Flächengebildes umfassen. Diese Mittel können beispielsweise Silikon enthalten.
  • Ferner ist es - wiederum alternativ oder zusätzlich - möglich, während der Vorbehandlung auf das oder die zu bearbeitenden Flächengebilde Mittel aufzubringen, die während des Durchlaufs durch den Arbeitsspalt die mindestens eine Sonotrode und/oder das Gegenwerkzeug kühlen.
  • Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnet sich demgemäß gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, daß zumindest eine Einrichtung zur Vorbehandlung des mindestens einen Flächengebildes bezüglich der Bewegungsrichtung des mindestens einen Flächengebildes vor dem Arbeitsspalt vorgesehen ist.
  • Diese Einrichtung umfaßt vorzugsweise zumindest eine Auftragseinheit zum Auftragen von pulverförmigen, viskosen, flüssigen und/oder gasförmigen Mitteln auf das bzw. eines der Flächengebilde.
  • Ferner kann die Einrichtung - alternativ oder zusätzlich - mindestens eine Einheit zur Ionenbestrahlung des bzw. mindestens eines der Flächengebilde(s) umfassen.
  • In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten mindestens eines Flächengebildes mit Ultraschall in einer Seitenansicht schematisch dargestellt.
  • Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung dient zum Verschweißen zweier Flächengebilde 1, 1', die beispielsweise die Gestalt eines Vlieses aus thermoplastischen Fasern und einer an diesem durch Verschweißen zu befestigenden Folie aufweisen. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Flächengebilde 1, 1' aus Warenbahnen, die jeweils in Pfeilrichtung P, P' gefördert werden.
  • Oberhalb des Flächengebildes 1 ist eine Anzahl von quer zur Bahn des Flächengebildes 1 aneinander anschließenden Sonotroden vorgesehen, die die Ultraschallschwingungen auf die Flächengebilde 1, 1' übertragen. In der Zeichnung ist von einer Sonotrode 2 nur der untere Teil 2' dargestellt. Die Sonotrode 2 ist oberhalb des gezeichneten Teils an eine Ultraschallschwingeinheit angekoppelt. Die Sonotrode 2 besitzt eine Längsmittelebene 3, in der die Achse 4 einer das Gegenwerkzeug bildenden umlaufenden Gegenwalze 5 liegt, die die Flächengebilde 1, 1' gegen die Sonotrode 2 von unten abstützt. Die Sonotrode 2 hat auf der den Flächengebilden 1, 1' zugewandten Seite eine Stirnfläche 2, 2', die eben sein kann, aber auch eine von der Ebenheit abweichende Gestalt, zum Beispiel wie gezeichnet, eine konkave zylindrische Ausbildung mit mit der Achse 4 der Gegenwalze 5 zusammenfallender Achse aufweisen kann. Die Stirnseite 2, 2' ist etwa parallel zur Oberseite des Flächengebildes 1 und liegt auf diesem auf.
  • Die Sonotrode 2 mit ihrer Stirnseite 2, 2' und der Umfang der Gegenwalze 5 bilden zwischen sich einen Arbeitsspalt 7, durch den die Flächengebilde 1, 1' in Richtung der Pfeile P, P' hindurchgeleitet werden. Die Gegenwalze 5 hat auf ihrem Umfang eine Gravur 6, die dem Verfestigungs- oder Schnittbild entspricht und auf deren Scheiteln 6' eine bevorzugte Zusammendrückung der Materialien der Flächengebilde und Einwirkung der Ultraschallschwingungen stattfinden, die zu einer bevorzugten Temperatursteigerung und Plastifizierung an diesen Stellen führt. Die Materialien der Flächengebilde werden auf diese Weise in einem der Lage der Scheitel entsprechenden Muster miteinander verschweißt.
  • Es kommt für die Einhaltung des angestrebten Bearbeitungseffektes zunächst sehr genau auf den Grad der Zusammendrückung der Materialien der Flächengebilde 1, 1' zwischen den Scheiteln der Gravur 6 und der Stirnseite 2, 2' der Sonotrode 2 an. Wenn sich die Gegenwalze 5 unter den in dem Arbeitsspalt wirkenden Kräften durchbiegt, vergrößert sich der Abstand von den Sonotroden 2 in der Mitte der Bahnbreite und nimmt der Effekt des Ultraschalls, also zum Beispiel die Verfestigung des Vlieses, dort ab. Aus diesem Grunde ist die Gegenwalze 5 als durchbiegungssteuerbare Walze mit einer um die zur Zeichenebene senkrechte Achse 4 umlaufenden Hohlwalze 8 ausgebildet, der die Länge nach von einem undrehbaren Querhaupt 9durchgriffen ist, welches an den Enden maschinenfest abgestützt ist. In dem Querhaupt 9 sind auf der Seite des Spalts 7 hydraulisch betätigte Stützelemente 10 vorgesehen, die längs einer Mantellinie zu mehreren in einer Reihe angeordnet und nach Art von Kolben/Zylindereinheiten mit einer durch das Querhaupt 9 mit Druckflüssigkeit versorgten Zylinderkammer 12 ausgebildet sind.
  • Die Stützelemente 10 liegen mit hydraulischen Lagertaschen gegen den Innenumfang 11 der Hohlwalze 8 an und übertragen Kraft gegen diesen Innenumfang. Das Querhaupt 9 kann sich unter der von den Stützelementen 10 verursachten Linienbelastung innerhalb der Hohlwalze durchbiegen, so daß diese frei von den belastungsbedingten Biegebeanspruchungen ist und gerade bleibt bzw. unabhängig von der Belastung einen bestimmten Verlauf einhält.
  • Die durch die Ultraschallbehandlung angestrebten Effekte beruhen, wie bereits erwähnt, auf einer durch den Ultraschall verursachten lokalen Temperaturerhöhung in zumindest einem der Flächengebilde 1, 1'. Die Temperaturerhöhung wird durch die Schwingungen der Sonotrode 2 verursacht und ist in ihrem zeitlichen Anstieg bis zur gewünschten Plastifizierungs- bzw. Schmelztemperatur durch die übertragbare Ultraschall-Leistung begrenzt.
  • Um das Erreichen der lokal erforderlichen Plastifizierung zu beschleunigen und/oder zu vergleichmäßigen, kommen erfindungsgemäß mehrere Maßnahmen in Betracht, die in der schematischen Zeichnung gleichseitig dargestellt sind, wobei dies aber so zu verstehen ist, daß schon das Vorhandensein nur einer dieser Maßnahmen die Erfindung verwirklicht.
  • Die erste dieser Maßnahmen besteht darin, eine Einrichtung 16 zur Vorbehandlung des Flächengebildes 1 bezüglich der Bewegungsrichtung P vor dem Arbeitsspalt 7 vorzusehen. Die Einrichtung 16 kann eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auftragseinheit zum Auftragen von pulverförmigen, viskosen, flüssigen und/oder gasförmigen Mitteln auf das Flächengebilde 1und/oder eine ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellte Einheit zur Ionenbestrahlung des Flächengebildes 1 umfassen.
  • Die zweite dieser Maßnahmen besteht darin, eine weitere Einrichtung 17 vorzusehen, deren Ausgestaltung derjenigen der Einrichtung 16 entsprechen kann und der Vorbehandlung des Flächengebildes 1' dient.
  • Zur Erhöhung des Energieeintrags in die zu behandelnden Flächengebilde 1, 1' im Arbeitsspalt 7 ist in dem Ausführungsbeispiel die Hohlwalze 8 mit sogenannten peripheren Bohrungen 13 versehen, die in der Zeichnung nicht dargestellte Heizelemente aufnehmen oder durch die ein fluides Heizmedium geleitet werden kann. Es versteht sich, daß auch alle anderen bekannten Verfahren zur Beheizung der Hohlwalze 8 Verwendung finden können, wie beispielsweise Beheizung über die Hydraulikflüssigkeit der Stützelemente 10, induktive Beheizung von innen oder außen und dergleichen. Durch die Beheizung übertragen die Scheitel 6' der Gravur 6 in dem Arbeitsspalt 7 zusätzlich Wärme auf das Material des Flächengebildes 1', so daß in diesen die durch die Sonotrode 2 bewirkte Temperaturerhöhung schneller zur Erreichung der gewünschten Temperatur führt.
  • Schließlich ist es auch möglich, das untere Ende 2' der Sonotrode 2 mit Heizelementen 18 zu versehen, die ihre Wärme durch Leitung auf das untere Ende 2 übertragen. Es kann sich um elektrische Heizwicklungen oder dergleichen handeln.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde folgender Versuch durchgeführt:
    Es wurden dem Arbeitsspalt drei Flächengebilde in Gestalt einer zu verschweißenden Schichtung Vlies-Folie-Vlies zugeführt. Zunächst erfolgte die Bearbeitung in konventionaler Weise, d. h. ohne Vorbehandlung zumindest eines der Flächengebilde vor Durchtritt durch den Arbeitsspalt. Bei einer bestimmten, vorgegebenen Ultraschallleistung konnte unter Einhaltung der für die Haftung der Schichten und der Dichtheit des Laminats vorgegebenen Kriterien eine maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit von 45 m/min erzielt werden.
  • Unter Beibehaltung der Ultraschallleistung wurde auf die der Sonotrode zugewandte Vliesschicht vor Durchlauf durch den Bearbeitungsspalt Wasser in der Menge von 1,7 ml/m2 aufgetragen. Hierdurch konnte die Laminiergeschwindigkeit unter Einhaltung der Kriterien für die Haftung und Dichtheit auf 60 m/min gesteigert werden. Das für den Antrieb der Gegenwalze notwendige Antriebsmoment sank um 20%. Auch die Andrückkraft, mit der die Sonotrode die zu bearbeitenden Flächengebilde gegen die Gegenwalze drückt, konnte zurückgenommen werden. BEZUGSZEICHENLISTE 1, 1' Flächengebilde
    2 Sonotrode
    2' unterer Teil
    2" Stirnfläche
    3 Längsmittelebene
    4 Achse
    5 Gegenwalze
    6 Gravur
    6' Scheiteln
    7 Arbeitsspalt
    8 Hohlwalze
    9 Querhaupt
    10 Stützelemente
    11 Innenumfang
    12 Zylinderkammer
    18 Heizelemente
    100 Vorrichtung
    P, P' Pfeile

Claims (10)

1. Verfahren zum Ultraschallbearbeiten mindestens eines in seiner Ebene bewegten Flächengebildes (1, 1'), wobei das bzw. zumindest eines der Flächengebilde (1, 1') aus thermoplastischem Material besteht, bei welchem Verfahren das mindestens eine Flächengebilde (1, 1') zwischen zumindest einer mit zumindest einer Ultraschallschwingeinheit verbundenen Sonotrode (2) und einem Gegenwerkzeug (7) hindurchgeleitet und in einen zwischen der mindestens einen Sonotrode (2) und dem Gegenwerkzeug gebildeten Arbeitsspalt (7) der Ultraschallwirkung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bzw. zumindest eines der Flächengebilde (1, 1') vor Eintritt in den Arbeitsspalt (7) einer Vorbehandlung unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung den Behandlungsschritt des Aufbringens von Mitteln, die zumindest eine Oberfläche des bzw. der zu behandelnen Flächengebilde(s) (1, 1') aktivieren, umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung den Behandlungsschritt der Ionenbestrahlung umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung den Behandlungsschritt des Aufbringens von Mitteln umfaßt, die die Ultraschallwirkung im Arbeitsspalt energetisch beeinflussen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Flüssigkeit umfassen, deren Siedepunkt an die Erweichungstemperatur(en) des bzw. der bearbeitenden Flächengebilde(s) (1, 1') angepaßt sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung den Verfahrensschritt des Aufbringens von Mitteln, die die Reibung zwischen der mindestens einen Sonotrode (2) und der dieser zugewandten Seite des ihr im Arbeitsspalt (7) nächstliegenden Flächengebildes (1) umfaßt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung den Behandlungsschritt des Aufbringens von Mitteln, die während des Durchlaufs des bzw. der Flächengebilde(s) (1, 1') durch den Arbeitsspalt (7) die mindestens eine Sonotrode (2) und/oder das Gegenwerkzeug kühlen.
8. Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten mindestens eines in seiner Ebene bewegten Flächengebildes (1, 1), wobei das bzw. mindestens eines der Flächengebilde (1, 1') aus thermoplastischem Material besteht,
mit mindestens einer Sonotrode (2), die mit einer Ultraschallschwingeinheit verbunden ist, mit einem Gegenwerkzeug, das mit der mindestens einen Sonotrode (2) einen Arbeitsspalt (7) bildet, und
mit Mitteln zum Hindurchleiten des mindestens einen Flächengebildes (1, 1') durch den Arbeitsspalt (7),
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Einrichtung (16, 17) zur Vorbehandlung des mindestens einen Flächengebildes (1, 1') bezüglich der Bewegungsrichtung (P, P') vor dem Arbeitsspalt (79 vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16, 17) mindestens eine Auftragseinheit zum Auftragen von pulverförmigen, viskosen, flüssigen und/oder gasförmigen Mitteln auf das bzw. eines der Flächengebilde(s) (1, 1') umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16, 17) mindestens eine Einheit zur Ionenbestrahlung des bzw. mindestens eines der Flächengebilde(s) (1, 1') umfaßt.
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