Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallschwingsystem mit einer Sonotrode, welche zwei Sonotrodenstirnflächen und eine die beiden Sonotrodenstirnflächen miteinander verbindende, umlaufende Mantelfläche aufweist, wobei die Sonotrode ein längliches Kernelement und zumindest ein Flügelelement aufweist, wobei sich Kernelement und Flügelelement jeweils von der einen So- notrodenstirnfläche zur anderen Sonotrodenstirnfläche erstrecken, wobei das Flügelelement eine Siegelfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit einem Material zu dessen Bearbeitung in Kontakt zu treten, und über eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Kernelementes voneinander be- abstandeten Stegen mit dem Kernelement verbunden ist.

Ein solches Ultraschallschwingsystem ist aus der EP 2 353 737 B1 bekannt.

Besonderheit dieser Art von Sonotrode ist, dass die längliche Siegelfläche eine Schwingung in einer Ebene (In-Plane-Schwingung) durchführt, was für bestimmte Anwendungsfälle von Vorteil ist.

Die meisten anderen bekannten Sonotroden sind derart konstruiert, dass sie mit einer Longitudinalschwingung angeregt werden können, sodass sich in Richtung deren Längsachse eine stehende Welle ausbildet. Die Siegelfläche befindet sich dann in einem Schwingungsmaximum und führt in Richtung des zu bearbeitenden Materials eine Longitudinalschwingung durch. Im Grunde genommen bewegt sich die Sonotrode mit einer Ultraschallfrequenz in Richtung des zu bearbeitenden Materials und wieder zurück und„hämmert" somit auf das Material.

Im Gegensatz dazu wird bei der eingangs genannten Sonotrode der Siegelfläche eine In-Plane- Schwingung aufgeprägt, sodass die Siegelfläche auf dem zu bearbeitenden Material hin- und her- bewegt wird und eine Reibschweißung erfolgt.

Die der EP 2 353 737 B1 zu Grunde liegende Idee ist es, die Sonotrode mit einer Art Biegeschwingung anzuregen, sodass sich Kernelement und Flügelelement zueinander gegenläufig bewegen. Dabei wird das Kernelement angeregt und aufgrund der Verbindung der Flügelelemente über die Mehrzahl von Stegen führt dies zu einer gegenläufigen Bewegung der am Flügelelement angebrachten Siegelfläche. In der EP 2 353 737 B1 wird das Kernelement durch einen symmetrisch zur Längsmittelachse des Kernelementes angeordneten Konverter angeregt. Zudem wird die Sonotrode durch den Konverter gehalten. Die Sonotrode weist keine separate Halterung auf, sodass alle Schweißkräfte über den Konverter aufgenommen werden müssen.

Wie bereits in den Figuren der EP 2 353 737 B1 zu sehen ist, zeigen insbesondere die Randbereiche der Siegelflächen jedoch zusätzliche Schwingungsanteile, die senkrecht zur Siegelfläche verlaufen. Im Grunde genommen zeigt die Siegelfläche im angeregten Zustand eine„wellige" Struktur. Die Halterung der Sonotrode über den Konverter an den Stirnflächen führt zudem zu einer Verbie- gung der Sonotrode, wenn mit dieser eine Schweißkraft auf das zu bearbeitende Material ausgeübt wird. Diese Verbiegung wiederum hat zur Folge, dass die Siegelfläche keine gleichmäßige Siegelkraft auf das Material ausübt. Dies ist jedoch insbesondere bei der hier verwendeten In-Plane- Schwingung wesentlich für ein homogenes Schweißergebnis. Diese Sonotrode kann daher nur für Anwendungen verwendet werden, bei denen die notwendige Schweißkraft nicht allzu groß ist. Darüber hinaus werden häufig anwenderspezifische Bauraumanforderungen gestellt, die mit dem in der EP 2 353 737 B1 gezeigten Anregungs- und Halteelement nicht erfüllt werden können, da die ohnehin bereits sehr lange Sonotrode in Längsrichtung durch den Konverter noch vergrößert wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest abzuschwächen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Ultraschallschwingsystem über eine mit der Mantelfläche verbundene Halterung mit einem Maschinenständer verbunden ist.

Im Gegensatz zu der EP 2 353 737 B1 erfolgt die Halterung nun nicht mehr über eine symmetrisch zur Längsmittelachse des Kernelementes angeordneten Konverter, sondern über eine Halterung, die an der Mantelfläche der Sonotrode angreift. Dadurch, dass die Halterung an der Mantelfläche angreift, können auftretende Schweißkräfte besser aufgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Halterung und der Konverter bzw. der Amplitudentransformator getrennt voneinander ausgeführt sind und daher an voneinander beabstandeten Bereichen an der Sonotrode angreifen. Das Aufbringen einer Schweißkraft führt daher nicht mehr zu einer Verbiegung oder Verkippung der Sonotrode, so dass die Anregungs- Schwingung unbeeinflusst bleibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung ein stoffschlüssiges Gelenk mit einem ersten Gelenkglied und einem zweiten Gelenkglied, die über ein flexibles Element miteinander verbunden sind, aufweist. Die Ausführung der Halterung als stoffschlüssiges Gelenk führt zu einer Entkopplung des Maschinenständers von der Sonotrode, um die Beeinflussung des Ultraschallschwingsystems durch die Halterung an dem Maschinenständer zu reduzieren. Dennoch kann das Schwingsystem zuverlässig gehalten werden.

In Übereinstimmung mit der„IFToMM permanent commission for the standardization of termino- logy" wird hier unter einem stoffschlüssigem Gelenk ein Gelenk verstanden, in dem zwei benachbarte Glieder, nämlich das erste und das zweite Gelenkglied, stofflich miteinander verbunden sind und ihre relative Beweglichkeit durch die Nachgiebigkeit der Verbindung, nämlich des flexiblen Elementes, ermöglicht wird. Stoffschlüssige Gelenke werden auch als Starrkörpergelenk, Festkörpergelenk oder Federgelenke bezeichnet. Erstes und zweites Gelenkglied sowie die Verbindung der Gelenkglieder sind daher einstückig hergestellt. Dabei weist die Verbindung eine gewisse Nachgiebigkeit auf, die eine Verformung und damit eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Gelenkglied erlaubt.

Ein solches stoffschlüssiges Gelenk ist einfach und kostengünstig herzustellen. Das Gelenk stellt eine Rückstellkraft zur Verfügung, die sicher stellt, dass die Ultraschallschwingeinheit im wesentlich an ihrer vorgesehenen Position verbleibt, wobei eine In-Plane-Schwingung des Flügelelementes zugleich möglichst wenig gedämpft werden soll.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sonotrode zwei Flügelelemente auf, die jeweils über eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Kernelementes voneinander beabstande- ten Stegen mit dem Kernelement verbunden sind, wobei vorzugsweise die beiden Flügelelemente und das Kernelement in einer Ebene liegen.

Bei dieser Ausführungsform kann die Sonotrode symmetrisch zur Längsachse des Kernelementes ausgebildet sein.

Dabei kann bspw. eines der Flügelelemente das erste Gelenkglied sein, welches über ein flexibles Element mit dem Maschinenständer verbunden ist, während das andere Flügelelement die Siegelfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit einem Material zu dessen Bearbeitung in Kontakt zu treten.

Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass an einem der Flügelelemente das flexible Element befestigt ist. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass das flexible Element in einem Bereich des Flügelelementes angreift, der innerhalb einer gedachten Verlängerung eines der Stege in Richtung des Flügelelementes liegt. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das flexible Element eine Länge zwischen 8 und 25 mm und am besten zwischen 10 und 15 mm hat.

Um eine Übertragung der Schwingung über das flexible Element auf den Maschinenständer zu vermindern, ist es von Vorteil, wenn das flexible Element eine Länge hat, die kleiner als die Länge der Stege ist. Es hat sich gezeigt, dass die flexiblen Elemente am besten eine Länge haben, die zwischen 60 und 90% der Steglänge liegt.

Ebenso ist es von Vorteil wenn die Breite bFiex der flexiblen Elemente in Richtung der Länge L kleiner ist als die Breite bs der Stege. Es hat sich gezeigt dass die flexiblen Elemente am besten eine Breite bFiex haben die zwischen 5 und 90% der Stegbreite bs liegt, bevorzugt zwischen 20 und 60%.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ultraschallschwingeinheit über mindestens zwei, vorzugsweise drei, mit der Mantelfläche verbundenen stoffschlüssige Gelenke mit einem Maschinenständer verbunden ist.

Dabei greifen mit Vorteil alle stoffschlüssigen Gelenke an ein und demselben Flügelelement an. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Konverter vorgesehen, der ggf. über ein Amplitudentransformator mit der Sonotrode verbunden ist, und zwar vorzugsweise mit der Mantelfläche der Sonotrode.

Dadurch, dass Amplitudentransformator oder Konverter nicht mehr an der Stirnfläche der Sonot- rode angreifen, sondern an der Mantelfläche, kann die Gesamtlänge des Ultraschallschwingsystems weiter reduziert werden.

Insbesondere dann, wenn der Konverter in einem Bereich mit der Sonotrode verbunden ist, der näher an der einen Sonotrodenstirnfläche als an der anderen Sonotrodenstirnfläche angeordnet ist, kann dieser neben der Sonotrode angeordnet werden, ohne dass die Gesamtlänge der Sonotrode vergrößert wird.

Die Stege können in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen in die Mantelfläche eingebrachte Durchgangsöffnung gebildet werden, wobei vorzugsweise die Durchgangsöffnungen läng- lieh sind und sich deren Längsrichtung vom Kernelement zu dem Flügelelement erstreckt. Dabei weist das Flügelelement vorzugsweise eine Dicke auf, die geringer als die Dicke des Kernelementes ist, wobei vorzugsweise die Dicke des Flügelelementes kleiner als 75% der Dicke des Kernelementes beträgt. Weiterhin weist das Flügelelement eine Breite auf, die geringer als die Breite des Kernelementes ist, wobei vorzugsweise die Breite des Flügelelementes kleiner als 30% der Breite des Kernelementes beträgt. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Bewegung der Siegelfläche des Flügelelementes verstärkt werden kann. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen der Erfindung und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

Figur 1 Eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Ultraschallschwingeinheit,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht auf die Ausführungsform von Figur 2,

Figur 3 eine seitliche Ansicht der Ausführungsform von Figur 1 ,

Figur 4 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung und

Figur 5 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von Figur 4.

In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform eines Ultraschallschwingsystems 1 dargestellt. In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht dieser Ausführungsform gezeigt, während in Figur 3 eine seitliche Ansicht dargestellt ist. Das Ultraschallschwingsystem 1 besteht aus einer Sonotrode, welche wiederum ein Kernelement 2 und zwei Flügelelemente 3, 4 aufweist. Die Flügelelemente 3, 4 sind über entsprechende Stege 5, 6 mit dem Kernelement 2 verbunden. Sowohl Kernelement 2 als auch Flügelelemente 3,4 erstrecken sich in Längsrichtung L. Die Sonotrode weist eine Reihe von Durchgangsöffnungen auf, die derart angeordnet sind, dass zwischen den Durchgangsöffnungen die Stege 5, 6 gebildet wer- den.

Man erkennt in Figur 2, dass das Kernelement 2 eine größere Dicke (in der Richtung D) aufweist als die beiden Flügelelemente 3, 4. Ebenso weist das Kernelement 2 eine Breite bK (in der Richtung B) auf, die größer als die Breite bF der Flügelelemente ist. Das Kernelement 2 ist länglich ausgeführt und weist zusammen mit den Flügelelementen 3, 4 bzw. den Verbindungsstegen 5, 6 zwei Stirnflächen auf, die über eine umlaufende Mantelfläche miteinander verbunden sind. Die Mantelfläche ist in Figur 1 gut zu sehen, während in Figur 3 ein Blick auf eine der beiden Stirnflächen 8,8' dargestellt ist. Die Stirnfläche 8,8' der Sonotrode weist zwei Fasenflächen 8' auf.

Ein Flügelelement 3 weist eine Siegelfläche 7 auf, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten. Diese Siegelfläche soll im Betrieb eine möglichst homogene In-Plane-Schwingung durchführen, deren Richtung in Figur 2 schematisch mittels eines Doppelpfeils dargestellt ist. Um eine solche In-Plane-Schwingung der Siegelfläche 7 zu ermöglichen, muss die Ultraschallschwingeinheit 1 angeregt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Kernelement 2 in eine Ultraschallschwingung gebracht, die mittels der Stege 5, 6 auf die Flügelelemente und insbe- sondere auf die Siegelfläche 7 übertragen wird. Zur Anregung wird ein Konverter 9 mit entsprechenden Piezoelementen 10 verwendet, welche eine elektrische Wechselspannung in eine lon- gitudinale mechanische Ultraschallschwingung umwandeln. Diese wird auf den Amplitudentransformator 1 1 übertragen, der hier einen ähnlichen Aufbau hat wie die Sonotrode, nämlich aus einem Amplitudentransformatorkernelement 12, Amplitudentransformatorflügelelementen 13, 14 und Ver- bindungsstegen 15, welche das Amplitudentransformatorkernelement 12 mit den Amplitudentrans- formatorflügelelementen 13, 14 verbindet, besteht.

Aufgrund der Ankopplung des Konverters 9 am Amplitudentransformator 1 1 wird das Amplituden- transformatorkernelement 12 in eine In-Plane-Schwingung gebracht, welche über die Verbindungs- stege 15 auf die Amplitudentransformatorflügelelemente 13, 14 übertragen wird. Da das Amplitu- dentransformatorflügelelement 14 mit dem Kernelement 2 der Sonotrode verbunden ist, überträgt sich die Schwingung auf die Sonotrode und damit auf die Siegelfläche 7. Im Ergebnis erhält man eine sehr kompakte Ausführungsform einer Ultraschallschwingeinheit 1. Um die Schwingungsamplitude möglichst wenig zu beeinflussen, ist an dem der Siegelfläche 7 abgewandten Seite der Sonotrode, d.h. an dem Flügelelement 4 eine Halterung vorgesehen, die aus einem Befestigungsbalken 16, der fest mit einem Maschinenständer verbunden werden kann, und entsprechenden flexiblen Elementen 17 gebildet wird. In dem Befestigungsbalken 16 können Bohrungen zum Befestigen des Befestigungsbalkens 16 an dem Maschinenständer angeordnet sein. Dabei bilden Flügelelement 4, flexible Elemente 17 und Befestigungsbalken 16 Starrkörpergelenke. Die flexiblen Elemente 17 haben in der Richtung B eine Länge von etwa 14 mm. Die flexiblen Elemente 17 werden durch blattförmige Elemente gebildet, die in Längsrichtung L eine deutlich geringere Abmessung haben als in den beiden dazu senkrechten Richtungen B und D. Dies hat zur Folge, dass die flexiblen Elemente in Längsrichtung L eine viel größere Flexibilität aufweisen als in den dazu senkrechten Richtungen. Durch diese Maßnahme ist eine zuverlässige Halterung der Sonotrode auch bei Ausübung einer Schweißkraft auf die Siegelfläche möglich, während gleichzeitig die In-Plane-Schwingung des Flügelelementes 4 aufgrund der flexiblen Elemente nur geringfügig beeinflusst wird. In Figur 1 ist zu erkennen, dass alle flexiblen Elemente 17 zumindest zum Teil im Bereich einer Projektion der Stege auf das Flügelelement 4 an dem Flügelelement angreifen. Die Projektionen sind in Figur 1 als gestrichelte Linie eingezeichnet. Die flexiblen Elemente sind daher nicht„oberhalb" der Durchgangsöffnungen angeordnet, sondern„oberhalb" der Stege. In dem dargestellten Beispiel ist das Flügelelement 3 über insgesamt neun Stege 5, 6 mit dem Kernelement 2 verbunden. Man erkennt, dass die Stirnflächen beidseits in Richtung der Flügelelemente jeweils eine Fasenfläche aufweisen, wodurch die Breite der äußeren Stege 6 verringert wird. Durch diese Maßnahme kann das Schwingungsverhalten der Sonotrode verbessert werden.

Des Weiteren ist die Breite bFiex der flexiblen Elemente in Richtung der Länge L kleiner als die Breite bs der Stege. Unter der Breite bs wird im Falle einer nicht konstanten Breite die minimale Breite verstanden, wie in Figur 1 dargestellt. Genauso wird unter der Breite bFiex für den Fall einer nicht konstanten Breite des flexiblen Elementes die minimale Breite des flexiblen Elementes verstanden.

In den Figuren 4 und 5 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hierbei ist die Sonotrode in gleicher weise ausgeführt wie in der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform. Einziger Unterschied ist hier, dass ein anderer Amplitudentransformator verwendet wird. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem gekrümmten Element 1 1 ', welches die vom Konverter 9 mittels der Piezoscheiben 10 erzeugten longitudinalen Ultraschallschwingung in eine In-Plane-Schwin- gung umsetzt. Der gekrümmte Amplitudentransformator 1 V steht dann wieder mit dem Kernelement 2 der Sonotrode in Verbindung.

Die Halterung kann wie in der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform erfolgen. Die Halterung ist in den Figuren 4 und 5 jedoch nicht abgebildet.

Bezugszeichen

1 Ultraschallschwingsystem/Ultraschallschwingeinheit

2 Kemelement

3 Flügelelement

4 Flügelelement

5 Steg

6 Steg

7 Siegelfläche

8, 8' Stirnfläche

9 Konverter

10 Piezoelement

11 Amplitudentransformator

1t gekrümmtes Element

12 Amplitudentransformatorkernelement

13 Amplitudentransformatorflügelelement

14 Amplitudentransformatorflügelelement

15 Verbindungsstege

16 Befestigungsbalken

17 flexible Elemente