LOECHT, Heinrich (Salzbergweg 39, Winnenden, 71364, DE)
WIEDUWILT, Ulrich (Klarenbergstr. 239/1, Schwaebisch Gmuend, 73529, DE)
THAERIGEN, Jan (Kirchgängli 2, Beringen, CH-8222, CH)
MAY, Maurizio (Hörnlistrasse 63, Winterthur, CH-8400, CH)
LOECHT, Heinrich (Salzbergweg 39, Winnenden, 71364, DE)
WIEDUWILT, Ulrich (Klarenbergstr. 239/1, Schwaebisch Gmuend, 73529, DE)
THAERIGEN, Jan (Kirchgängli 2, Beringen, CH-8222, CH)
Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Schweissen einer Materialbahn (12), mit einer eine Sonotrode (16) aufweisenden Ultraschallschwingeinheit (14) und einem mit der Sonotrode (16) einen Spalt (24) für die Materialbahn (12) bildenden Amboss (22), mit einem Kraftsensor (34) zur Messung der im Spalt (24) durch die Sonotrode (16) und den Amboss (22) auf die Materialbahn (12) einwirkenden Kraft, mit einer Verstelleinrichtung (32) zur Verstellung des Spaltmasses (B) und mit einer Steuereinrichtung (48) zum Betätigen der Verstelleinrichtung (32) in Abhängigkeit von der vom Kraftsensor (34) gemessenen Kraft,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kraftsensor (34) und ein zur Feinverstellung des Spaltmasses (B) als Verstelleinrichtung dienender Piezoaktuator (32) mit dem Amboss (22) wirkverbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (34), der Piezoaktuator (32) und der Amboss (22) zur Grobverstellung des Spaltmasses (B) auf einem relativ zur Sonotrode (16) mittels eines Elektromotors (46) über ein Getriebe (44) verschiebbaren Bauteil (26) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (34), der Piezoaktuator (32) und der Amboss (22) auf einem Schlitten (26) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung des Bauteils bzw. des Schlittens (26) ein Keilgetriebe (44) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (22) auf dem Bauteil bzw. auf dem Schlitten (26) als Hebel um eine Schwenkachse (y) drehbar angelenkt ist, wobei der Piezoaktuator (32) über einen an einem Hebelarm angeordneten Anschlag (30) mit einer am zweiten Hebelarm angeordneten, einer Anschlagfläche (18) der Sonotrode (16) unter Bildung des Spaltes (24) gegenüberstehenden Gegenanschlagfläche (20) wirkverbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingeinheit (14) mit der Sonotrode (16) ortsfest an einem Maschinenständer festgelegt und der Amboss (22) relativ zur Sonotrode (16) bewegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Spaltmasses (B) zwei Wegsensoren (38, 40) zur Ermittlung der Position des Amboss (22) und der Sonotrode (16) im Spaltbereich ortsfest am Maschinenständer angeordnet sind. |
Vorrichtung zum Schweissen einer Materialbahn
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweissen einer Materialbahn, mit einer eine Sonotrode aufweisenden Ultraschallschwingeinheit und einem mit der Sonotrode einen Spalt für die Materialbahn bildenden Amboss, mit einem Kraftsensor zur Messung der im Spalt durch die Sonotrode und den Amboss auf die Materialbahn einwirkenden Kraft, mit einer Verstelleinrichtung zur Verstellung des Spaltmasses und mit einer Steuereinrichtung zum Betätigen der Verstelleinrichtung in Abhängigkeit von der vom Kraftsensor gemessenen Kraft.
Stand der Technik
Beim Verschweissen einer Materialbahn mit Ultraschall müssen die
Prozessparameter, wie die im Spalt auf die Materialbahn wirkende Kraft bzw. der Druck, die Werkzeugtemperatur und die Geschwindigkeit der Materialbahn, in einem engen Rahmen garantiert werden. Besonders beim Schweissen von sehr dünnen Folien bewirken dabei bereits kleinste änderungen der Foliendicke oder der Breite des sich auch durch thermische Einflüsse verstellenden Spaltes grosse Kraftunterschiede und damit starke Prozessparameterschwankungen.
Aus der DE 44 39 284 A1 ist eine Vorrichtung zum Ultraschallschweissen einer Materialbahn bekannt, bei der der Schweissspalt über einen
Piezoaktuator verstellt werden kann. Mit einem Piezoaktuator kann zwar das Spaltmass hochgenau verstellt werden, allerdings nur in einem
kleinen Verstellbereich.
Die DE 195 26 354 C1 offenbart eine Vorrichtung zum Ultraschallschweissen einer Materialbahn. Der Abstand der Sonotrode zum Gegenwerkzeug wird mit einem Sensor gemessen. über das
Sensorsignal wird die Spaltbreite konstant gehalten. Bei schwankender Materialstärke ändert sich der Siegeldruck jedoch sehr stark.
Bei der aus der EP 0 920 977 A1 bekannten Ultraschallschweissvorrichtung wird zur Einstellung des Spaltes ein
Kraftsensor eingesetzt, d.h. der Siegeldruck wird konstant gehalten. Dabei wird jedoch nicht berücksichtigt, dass der Siegeldruck bei sich durch den Betrieb erwärmendem Werkzeug reduziert werden muss. Zur Verstellung des Spaltmasses dient ein mit einem Kniehebelsystem verbundener Schrittmotor. Damit ergibt sich ein grosser Verstellbereich, aber keine hohe Genauigkeit und Dynamik, so dass dieses Verfahren für dünne und wenig kompressible Materialbahnen, bei denen sich der Druck bei minimalen Dickenschwankungen sehr schnell ändert, ungeeignet ist. Um die eingebrachte Energiemenge dynamisch zu beeinflussen, kann bei diesem System nur der Ultraschallgenerator geregelt werden, was jedoch durch die starken Schwankungen des Anpressdruckes zu unbefriedigenden Ergebnissen führt.
Weiter kann bei einer Kraftmessung nicht erkannt werden wenn Störungen vorliegen, z.B. gar kein Packstoff vorhanden ist oder die Materialbahn aus dem Zentrum läuft und im Siegelbereich nicht mehr vollständig überlappt. Bei einer Kraftmessung würde in diesem Fall der Spalt einfach ganz oder teilweise geschlossen werden, ohne dass die unvollständige Siegelung erkannt wird.
Zur Einstellung des Spaltmasses wird in allen vorgenannten Fällen die Sonotrode bewegt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch empfindliche Materialien in hochdynamischen Prozessen bei gleich bleibender Siegelqualität verarbeiten kann. Dabei soll der Siegeldruck in Abhängigkeit von der Werkzeugtemperatur und der Verarbeitungsgeschwindigkeit eingestellt und schnell nachgeregelt werden können. Zudem soll die Vorrichtung die Verarbeitung einer grossen Bandbreite von Materialdicken gewährleisten und einen schnellen Wechsel der unterschiedlichen Packstoffe ermöglichen. Das System soll wenig anfällig auf Störungen sein und insbesondere fehlerhafte Bethebszustände sicher erkennen und eine hohe Prozesssicherheit gewährleisten können.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass der Kraftsensor und ein zur Feinverstellung des Spaltmasses als Verstelleinrichtung dienender Piezoaktuator mit dem Amboss wirkverbunden sind.
Bei einer zur Grobverstellung des Spaltmasses bevorzugten Ausführung sind der Kraftsensor, der Piezoaktuator und der Amboss auf einem relativ zur Sonotrode mittels eines Elektromotors über ein Getriebe verschiebbaren Bauteil, insbesondere auf einem Schlitten, angeordnet, wobei für eine schnelle Verstellung ein Keilgetriebe vorgesehen ist.
Bei einer konstruktiv einfachen und kompakten Bauweise ist der Amboss auf dem Bauteil bzw. auf dem Schlitten als Hebel um eine Schwenkachse drehbar angelenkt, wobei der Piezoaktuator über einen an einem Hebelarm angeordneten Anschlag mit einer am zweiten Hebelarm angeordneten, einer Anschlagfläche der Sonotrode unter Bildung des
Spaltes gegenüberstehenden Gegenanschlagfläche wirkverbunden ist.
Die Ultraschallschwingeinheit mit der Sonotrode ist ortsfest an einem Maschinenständer festgelegt und der Amboss ist relativ zur Sonotrode bewegbar.
Zur Ermittlung des Spaltmasses sind zwei Wegsensoren zur Ermittlung der Position des Amboss und der Sonotrode im Spaltbereich ortsfest am Maschinenständer angeordnet. Dieses Wegmesssystem kann auch anstelle eines Temperaturfühlers zur Erfassung der Werkzeugtemperatur zur Erfassung der aktuellen Wärmeausdehnung der Werkzeuge herangezogen werden, indem beispielsweise die Ausdehnung der
Sonotrode gemessen wird.
Das vorgeschlagene System mit der erfindungsgemässen Vorrichtung erfasst neben der Prozessgeschwindigkeit, d.h. der Geschwindigkeit, mit der die Materialbahn den Schweissspalt durchläuft, sowohl den
Siegeldruck als auch die Spaltgrösse. Das System ist steif ausgeführt. Die Spaltverstellung wird über eine mechanische Grobeinstellung und eine zusätzliche schnelle und präzise Feineinstellung, welche schnell genug ist, um als Stellgrösse des Regelkreises zu dienen, realisiert. Durch die dynamische Feineinstellung des Spaltmasses mittels eines Piezoaktuators kann der Energieeintrag direkt durch die Regelung des Spaltmasses und nicht ausschliesslich durch den Ultraschallgenerator geregelt werden und der Siegeldruck auch bei schnell schwankenden Foliendicken im Bereich des Sollwertes gehalten werden. Durch die Verstellung des Amboss zur Spalteinstellung müssen, anders als bei der Verstellung der Sonotrode in
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, der Ultraschallgenerator und die Zuleitungen nicht bewegt werden, und die Position der Sonotrode bleibt als Referenzpunkt des Systems unverändert. Das System kann mit Temperaturfühlern ergänzt werden. Alternativ kann die Temperatur durch die vom Wegmesssystem gemessene Ausdehnung der Sonotrode bestimmt werden.
Für die Regelung des Spaltmasses werden neben dem Siegeldruck der Spaltabstand und die gemessene oder durch die Längenausdehnung der Werkzeuge ermittelte Temperatur herangezogen. Dabei wird die eingebrachte Ultraschallenergie bei steigender Werkzeugtemperatur reduziert. Weiter wird die Prozessgeschwindigkeit insofern berücksichtigt, als bei steigender Prozessgeschwindigkeit auch mehr Energie eingebracht werden muss. Weiter wird der Spaltabstand sowie der Siegeldruck bzw. die Kraft auf Plausibilität geprüft, um z.B. gerissene Materialbahnen, Fremdkörper oder ein mechanisches Verklemmen der Spaltverstellung erkennen zu können.
Wird bei einem Wechsel des zu verschweissenden Packstoffmaterials ein Wechsel des Amboss erforderlich, wird der Siegeldruck ebenfalls auf die neuen Sollwerte angepasst. Dabei wird die in der Sonotrode noch vorhandene thermische Energie berücksichtigt, während der neue
Amboss zunächst kalt ist. Nach einer Aufwärmzeit beider Werkzeuge sinkt der Siegeldruck wiederum auf den u.a. auch geschwindigkeitsabhängigen Sollwert bei warmem Werkzeug.
Zu den Vorteilen des vorgeschlagenen Systems mit der erfindungsgemässen Vorrichtung gehören u.a.
- Gleichbleibende Siegelergebnisse unabhängig von Prozessgeschwindigkeit und Werkzeugtemperatur
- Nach Material- und Ambosswechseln kann sofort mit gleich bleibender Siegelqualität weiter produziert werden
- Schnelle, dynamische Regelung der eingebrachten Energiemenge durch Regelung des Siegeldruckes mittels des Piezoaktuators
- Durch Kenntnis des Siegeldruckes und des Spaltabstandes können eine
Plausibilitätsprüfung durchgeführt und Störungen, wie z.B. ein Verklemmen der Schliessmechanik, fehlende Materialbahn oder falsche Anzahl Materiallagen, z.B. wegen fehlender überlappung im Siegelbereich, falsches Material, falsche Materialdicke u.s.w. erkannt werden
- Einbezug der Werkzeugtemperatur bei der Generierung der Sollwerte
- Mittels des Wegmesssystems kann auch die Ausdehnung des Werkzeuges und damit die Werkzeugtemperatur ermittelt werden
- Grosser Verstellbereich, für unterschiedliche Materialdicken etc., durch zusätzliche mechanische Grobeinstellung.
- Sonotrode und Ultraschallgenerator müssen zur Spaltverstellung nicht bewegt werden. Damit kann die Sonotrode als gleich bleibender Referenzpunkt dienen, falls für verschiedene Packstoffe unterschiedliche Ambossformen eingesetzt werden müssen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
Fig. 1 : eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung zum Ultraschallschweissen einer Materialbahn.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Eine in Figur 1 gezeigte Vorrichtung 10 zum Ultraschallschweissen einer Materialbahn 12 weist eine ortsfest an einem in der Zeichnung aus Gründen einer besseren übersicht nicht dargestellten Maschinenständer festgelegte Ultraschallschwingeinheit 14 mit einer Sonotrode 16 auf. Die im dargestellten Beispiel ebene Anschlagfläche 18 der Sonotrode 16 steht einer ebenen Gegenanschlagfläche 20 eines als Gegenwerkzeug dienenden Amboss 22 parallel gegenüber. Die Anschlagfläche 18 der Sonotrode 16 und die Gegenanschlagfläche 20 des Amboss 22 begrenzen einen Schweissspalt 24 mit einem Spaltmass B. Durch den Schweissspalt 24 wird die zu schweissende Materialbahn 12, die auch mehrere Lagen umfassen kann, zur Ausführung des Schweissvorganges hindurchgeführt.
Der Amboss 22 ist auf einem auf einer ortsfest am Maschinenständer festgelegten Schiene 28 in einer senkrecht zur Anschlagfläche 18 der
Sonotrode 16 und zur Gegenanschlagfläche 20 des Amboss 22 liegenden Verschiebungsachse x verfahrbaren Schlitten 26 montiert und auf dem Schlitten 26 um eine senkrecht zur Verschiebungsachse x stehende Schwenkachse y drehbar gelagert. Der als Hebel mit der Schwenkachse y als Drehachse dienende Amboss 22 weist an einem Hebelarm die
Gegenanschlagfläche 20 zur Anschlagfläche 18 der Sonotrode 16 und am anderen Hebelarm einen Anschlag 30 für ein Ende eines in Richtung der Verschiebungsachse x des Schlittens 26 wirkenden Piezoaktuators 32 auf. Das zweite Ende des Piezoaktuators 32 stützt sich auf einem Ende eines in gleicher Achsrichtung x wirkenden Kraftsensors 34 ab, der seinerseits einer Basis 36 des Schlittens 26 fest anliegt.
In dem der Sonotrode 16 gegenüberliegenden Bereich des Amboss 22 ist ein aus zwei ortsfest mit dem Maschinenständer verbundenen Wegsensoren 38, 40 bestehendes Wegmesssystem angeordnet. Ein erster, senkrecht auf die Anschlagfläche 18 der Sonotrode 16 gerichteter Wegsensor 38 misst die Position der Anschlagfläche 18. Der zweite
Wegsensor 40 ist auf eine parallel zur Gegenanschlagfläche 20 des Amboss 22 liegende Messfläche 42 gerichtet, misst demzufolge die Position der Messfläche 42 und damit indirekt die Position der Gegenanschlagfläche 20. Die Differenz der mit den Wegsensoren 38, 40 ermittelten Positionen der Anschlagfläche 18 der Sonotrode 16 und der
Gegenanschlagfläche 20 des Amboss 22 ergibt das Spaltmass B des Schweissspaltes 24. Dieses Wegmesssystem kann auch zur Erfassung der aktuellen Wärmeausdehnung der Werkzeuge, z.B. der Sonotrode 16, herangezogen werden, falls kein Temperaturfühler zur Erfassung der Werkzeugtemperatur eingesetzt wird.
Der Schlitten 26 mit dem Amboss 22 ist über ein mittels eines Motors 46, beispielsweise eines Schritt- oder Servomotors, angetriebenes Keilgetriebe 44 in Achsrichtung x verschiebbar. Eine Verschiebung des Schlittens 26 hat eine entsprechende Veränderung des Spaltmasses B zur
Folge. Das Keilgetriebe 44 dient somit der mechanischen Grobeinstellung des Spaltmasses B auf unterschiedliche Dicken von zu bearbeitenden Materialbahnen 12.
Die Feineinstellung des Spaltmasses B zur Aufrechterhaltung eines konstanten, durch die Anschlagfläche 18 und die Gegenanschlagfläche 20 auf die Materialbahn 12 beim Durchlaufen des Schweissspaltes 24 ausgeübten Siegeldrucks erfolgt durch Messung einer durch eine Hebelwirkung vom Amboss 22 auf den Kraftsensor 34 übertragenen, dem aktuellen Siegeldruck entsprechenden Kraft. Dieser Messwert wird an eine
Steuereinrichtung 48 übermittelt, die bei Abweichung zu einem vorgegebenen Sollwert ein entsprechendes Steuersignal an den Piezoaktuator 32 sendet, der über den Anschlag 30 durch die Hebelwirkung des Amboss 22 zu einer entsprechenden änderung des Spaltmasses B und damit zur gewünschten Anpassung des aktuellen
Siegeldrucks an den vorgegebenen Sollwert führt. Aus Gründen einer besseren übersicht ist in der Zeichnung die Verdrahtung der Mess- und
Verstelleinrichtungen mit der Steuereinrichtung 48 weggelassen.
Durch die dynamische Feineinstellung des Spaltmasses B mittels des Piezoaktuators 32 lässt sich der Energieeintrag in die Materialbahn 12 direkt durch die Regelung des Spaltmasses B und nicht ausschliesslich durch den Ultraschallgenerator steuern, und der Siegeldruck wird so auch bei schnell schwankenden Materialbahndicken im Bereich des Sollwerts gehalten.
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