[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schneidsonotrode für eine Ultraschall-Schneidmaschine
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Ultraschall-Schneidmaschinen zum Schneiden von Textilien, Geweben, Non-Wovens, Folien,
Kautschukverbunden, Lebensmitteln usw. sind seit langem bekannt. Sie haben üblicherweise
eine ortsfest angeordnete schwingende Einheit einschließlich der Schneidsonotrode
und ein festes oder rotierendes Gegenlager. Für den Schneid-/Trenneffekt werden die
von der schwingenden Einheit erzeugten hochfrequenten Ultraschallschwingungen genutzt.
[0003] Wenngleich sich derartige Ultraschall-Schneidmaschinen für viele Anwendungszwecke
als vorteilhaft erwiesen haben, sind sie jedoch immer noch verbesserungswürdig. So
sind ihre Anwendungsmöglichkeiten häufig beschränkt. Auch ist der Wirkungsgrad für
die Energieeinbringung in das zu schneidende Material nicht immer optimal. Beim Schneiden
hochviskoser Medien kann es außerdem zu einem produktionsschädlichen Aufbau von zu
schneidendem Material vor und an der Schneidkante kommen.
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schneidsonotrode für
eine Ultraschall-Schneidmaschine der angegebenen Gattung so weiterzubilden, dass ihre
Anwendungsmöglichkeiten erweitert und gleichzeitig die Gefahr von Verschmutzungen
der Schneidkante beim Schneiden hochviskoser Medien verringert wird. Ferner soll ein
Amplitudenmaximum der Schwingungen an der Schneidkante des Sonotrodenkörpers und dadurch
der bestmögliche Wirkungsgrad für die Energieeinbringung in das zu schneidende Material
erzielt werden.
[0005] Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
[0006] Erfindungsgemäß hat der Sonotrodenkörper eine solche Form, dass er axial eingegebene
longitudinale Schwingungen im wesentlichen um 90° in eine ringförmige Schneidkante
umlenkt. Der Sonotrodenkörper ist ferner um seine Symmetrieachse drehend antreibbar,
um die ringförmige Schneidkante zum Schneiden des Materials in Drehung zu versetzen.
[0007] Die Umlenkung der axial eingegebenen longitudinalen Schwingungen um 90° erzeugt an
der ringförmigen Schneidkante ein Amplitudenmaximum. Hierdurch ergibt sich ein optimaler
Wirkungsgrad für die Einbringung der Schwingungsenergie in das zu schneidende Material.
Aufgrund der Drehung des Sonotrodenkörpers verringert sich die Reibung an den Seitenflächen
der Schneidkante.
[0008] Die Drehbewegung der Schneidkante und die optimale Amplitude an der Schneidkante
verhindern eine produktionsschädlichen Aufbau von zu schneidendem Material vor und
an der Schneidkante. Die erfindungsgemäß ausgebildete Schneidsonotrode ist daher besonders
geeignet für kontinuierliche Schneidvorgänge an hochviskosen und thermoplastischen
Medien.
[0009] Grundsätzlich ist die erfindungsgemäß ausgebildete Schneidsonotrode jedoch bei allen
Applikationen anwendbar, die bisher mit mechanischen rotierenden Messern durchgeführt
werden, wobei allenfalls metallische und andere harte Werkstoffe ausgenommen sind.
[0010] Die Form der Sonotrode, durch die die longitudinalen Schwingungen umgelenkt werden,
ist je nach Anwendungsfall unterschiedlich und kann beispielsweise durch Finite-Elemente-Berechnungsverfahren
ermittelt werden.
[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Sonotrodenkörper einen zylindrischen
Abschnitt, einen an diesen anschließenden konischen Abschnitt und einen an diesen
anschließenden, mit der Schneidkante versehenen flanschartigen Abschnitt. Die Schneidkante
wird hierbei von dem radial äußeren Ende einer dünnen Ringscheibe gebildet, die sich
von dem flanschartigen Abschnitt des Sonotrodenkörpers radial nach außen erstreckt.
Zweckmäßigerweise ist der Sonotrodenkörper ferner mit einer zentralen Ausnehmung versehen,
die sich aus einem zylindrischen und einem sich daran anschließenden konischen Abschnitt
zusammensetzt.
[0012] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
[0013] Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schneidsonotrode
mit einem fest angeordneten Gegenlager;
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht mit einem rotierend angeordneten Gegenlager;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Schneidsonotrode der Fign. 1, 2 in vergrößertem
Maßstab;
Fig. 4 ein Detail innerhalb des Kreises B in Fig. 3 in nochmals vergrößertem Maßstab.
[0014] Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Schneidsonotrode 2 dient zum Schneiden von
Material 4, das von einem starr angeordneten Gegenlager 6 abgestützt wird. Das Gegenlager
6 kann jedoch auch beweglich (rotierend) angeordnet werden, wie dies in Fig. 2 angedeutet
ist. Die Schneidsonotrode der Fig. 2 ist im übrigen identisch mit der Schneidsonotrode
der Fig. 1.
[0015] Wie bereits eingangs erwähnt, kann das zu schneidende Material 4 ein hochviskoses
und thermoplastisches Medium sein. Es können jedoch auch beliebig andere Materialien
verarbeitet werden, sofern ihre Härte und sonstige Beschaffenheit dies zulassen.
[0016] Die Schneidsonotrode 2 hat einen Sonotrodenkörper 8, der um eine Achse A rotationssymmetrisch
ausgebildet ist. Der Sonotrodenkörper 2 hat an einem Ende eine plan ausgebildete Eingangsfläche
10, die mit einem Booster (nicht gezeigt) oder gegebenenfalls unmittelbar mit einem
Konverter (nicht gezeigt) verbindbar ist, um mit longitudinalen Schwingungen in axialer
Richtung beaufschlagt zu werden, wie dies durch den Doppelpfeil L
E angedeutet ist. An seinem anderen axialen Ende ist der Sonotrodenkörper 8 mit einer
ringförmigen Schneidkante 12 versehen, die als Ausgangsfläche für die den Schneideffekt
bewirkenden Schwingungen dient.
[0017] Da das Einbringen axial gerichteter longitudinaler Schwingungen in eine radiale Eingangsfläche
einer Sonotrode aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird hierauf nicht weiter eingegangen.
[0018] Der Sonotrodenkörper 8 hat eine solche Form, dass er die axial eingegebenen longitudinalen
Schwingungen (Pfeil L
E) um 90° umlenkt, so dass sie in Form von radial gerichteten longitudinalen Schwingungen
an der ringförmigen Schneidkante 12 zum Schneiden des Materials zur Verfügung stehen,
wie dies durch die Doppelpfeile L
A angedeutet ist. Die hierfür geeignete Form des Sonotrodenkörpers 8 hängt von dem
speziellen Anwendungsfall ab und kann beispielsweise durch Finite-Elemente-Berechnungsverfahren
auf elektronischem Wege ermittelt werden.
[0019] Der Sonotrodenkörper 8 ist um seine Achse A drehend antreibbar. Hierzu kann irgendein
beliebiger Antrieb (nicht gezeigt) verwendet werden. Die auf diese Weise in Drehung
versetzte ringförmige Schneidkante 12 kann somit kontinuierliche Schneid-/Trennvorgänge
an dem durch das Gegenlager 6 abgestützten Material 4 durchführen. Die Drehbewegung
der Schneidkante 12 und die Amplitude der longitudinalen Schwingungen der Schneidkante
12 sorgen für eine relativ geringe Reibung zwischen dem Material 4 und den Seitenflächen
der Schneidkante 12.
[0020] Der Sonotrodenkörper 8 kann so gelagert werden, dass seine Achse A ortsfest ist.
Stattdessen kann er jedoch auch so gelagert werden, dass die ringförmige Schneidkante
12 zum Ausführen von Profilschnitten unter veränderlichen Winkeln zu dem zu schneidenden
Material 4 angestellt werden kann. Beispielsweise kann der Sonotrodenkörper 8 an einem
Roboterarm (nicht gezeigt) angebracht werden, so dass er zum Ausschneiden von Körpern
und Flächen räumlich beliebig verstellbar ist. Es ergibt sich somit der Vorteil einer
freien Schneidgeometrie.
[0021] Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sonotrodenkörpers 8 ist
in den Fign. 3 und 4 in einem axialen Längsschnitt genauer dargestellt.
[0022] Wie in Fig. 3 zu sehen ist, hat der Sonotrodenkörper 8 einen zylindrischen Abschnitt
14, dessen eine axiale Stirnfläche die Eingangsfläche 10 bildet. Der zylindrische
Abschnitt 14 ist mit einer Gewindebohrung 15 versehen, um den Sonotrodenkörper 8 durch
eine Schraubverbindung mit dem Booster (nicht gezeigt) bzw. dem Konverter (nicht gezeigt)
zu verbinden. An den zylindrischen Abschnitt 14 schließt sich ein sich konisch erweiternder
Abschnitt 8 an, der mittels eines Radius in einen radial nach außen verlaufenden,
zylindrischen, flanschartigen Abschnitt 18 übergeht. An dem von der Eingangsfläche
abgewandten axialen Ende des Sonotrodenkörpers 8 hat der flanschartige Abschnitt 18
eine plane Stirnfläche 20. Angrenzend an der planen Stirnfläche 20 erstreckt sich
von dem flanschartigen Abschnitt 18 eine dünne Ringscheibe 22 radial nach außen, deren
radial äußeres Ende die ringförmige Schneidkante 12 bildet.
[0023] Wie in Fig. 4 genauer dargestellt ist, hat die Schneidkante 12 im dargestellten Längsschnitt
des Sonotrodenkörpers 8 die Form einer Nadelspitze, wobei der von den beiden Seiten
der Nadelspitze eingeschlossene Winkel α beispielsweise in der Größenordnung von 10°
liegt. Es versteht sich, dass die Schneidkante auch andere Formen haben kann.
[0024] Der Sonotrodenkörper 8 ist ferner mit einer zentralen Ausnehmung 24 versehen, die
sich aus einem zylindrischen Abschnitt 24a und einem konischen Abschnitt 24b zusammensetzt.
Der zylindrische Abschnitt 24a der Ausnehmung 24 grenzt einerseits an der planen Stirnfläche
20 an und geht andererseits in den konischen Abschnitt 24b über, welcher in einer
geschlossenen Abrundung endet.
[0025] Durch die beschriebene Form des Sonotrodenkörpers 8 werden die axial eingegebenen
longitudinalen Schwingungen um 90° in die radial austretenden longitudinalen Schwingungen
zum Schneiden des Materials umgelenkt, wodurch ein Amplitudenmaximum an der ringförmigen
Schneidkante 12 entsteht und dadurch ein optimaler Wirkungsgrad für die Einbringung
der Schwingungsenergie in das Material 6 erreicht wird.
[0026] Wie bereits erwähnt, ist die anhand der Fign. 3 und 4 beschriebene Form des Sonotrodenkörpers
8 lediglich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Andere Ausführungsformen sind ohne
weiteres möglich und je nach Anwendungsfall zweckmäßig.
1. Schneidsonotrode für eine Ultraschall-Schneidmaschine zum Schneiden von Material (4),
das an einem ortsfesten oder beweglichen Gegenlager (6) abgestützt wird, mit einem
rotationssymmetrischen Sonotrodenkörper (8) mit einer Eingangsfläche (10) und einer
Ausgangsfläche (12) für longitudinale Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper (8) eine solche Form hat, dass er in seine Eingangsfläche (10)
axial eingegebene longitudinale Schwingungen im wesentlichen um 90° in eine als Ausgangsfläche
dienende ringförmige Schneidkante (12) umlenkt, und dass der Sonotrodenkörper (8)
um seine Symmetrieachse (A) drehend antreibbar ist, um die ringförmige Schneidkante
(12) zum Schneiden des Materials (4) in Drehung zu versetzen.
2. Schneidsonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plan ausgebildete Eingangsfläche (10) an einem axialen Ende und die ringförmige
Schneidkante (12) am anderen axialen Ende des Sonotrodenkörpers (8) angeordnet ist.
3. Sonotrodenkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper (8) einen mit der Eingangsfläche (10) versehenen zylindrischen
Abschnitt (14), einen an diesen anschließenden konischen Abschnitt (16) und einen
an diesen anschließenden, mit der Schneidkante (12) versehenen flanschartigen Abschnitt
(18) hat.
4. Sonotrodenkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante (12) von dem radial äußeren Ende einer dünnen Ringscheibe (22) gebildet
wird, die sich von dem flanschartigen Abschnitt (18) des Sonotrodenkörpers (8) an
dessen axialem Ende radial nach außen erstreckt.
5. Schneidsonotrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante (12) in einem axialen Längsschnitt des Sonotrodenkörpers (8) die
Form einer Nadelspitze hat.
6. Schneidsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper (8) eine zentrale Ausnehmung (24) hat, die sich von dem die
Schneidkante (12) aufweisenden axialen Ende ins Innere des Sonotrodenkörpers (8) erstreckt.
7. Schneidsonotrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Ausnehmung (24) einen zylindrischen Abschnitt (24a) und einen sich daran
anschließenden konischen Abschnitt (24b) hat.
8. Schneidsonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper so gelagert ist, dass die ringförmige Schneidkante (12) zum
Ausführen von Profilschnitten unter veränderlichen Winkeln zu dem zu schneidenden
Material (4) angestellt werden kann.