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Title:
ULTRASONIC WELDING SYSTEM HAVING A CLAMPING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2023/241945
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an ultrasonic welding system comprising an ultrasonic vibration unit which has a sonotrode (2) and a converter (4), wherein the sonotrode and the converter are arranged adjacently along a longitudinal axis (19) and the ultrasonic vibration unit can be brought into resonance with an ultrasonic vibration in the direction of the longitudinal axis (19) having a wavelength λ, wherein an amplitude transformer (3) arranged between the sonotrode (2) and converter (4) can be provided, wherein a bearing element for bearing the ultrasonic vibration unit and a support element (9) for supporting a force applied to the sonotrode (2) perpendicularly to the longitudinal axis are provided, wherein support surfaces are provided on each of the ultrasonic vibration unit and on the support element, via which support surfaces the support element comes into contact with the ultrasonic vibration unit, wherein bearing surfaces are provided on each of the ultrasonic vibration unit and on the bearing element, via which bearing surfaces the bearing element comes into contact with the ultrasonic vibration unit, wherein the support surfaces and the bearing surfaces are spaced apart from one another by more than λ/4 in the direction of the longitudinal axis, characterised in that a clamping device is provided, which is designed in such a way that the clamping device (10) presses the support surface of the ultrasonic vibration unit against the support surface of the support element.

Inventors:
RIEHM ULF (DE)
SCHNABEL TOBIAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2023/064798
Publication Date:
December 21, 2023
Filing Date:
June 02, 2023
Export Citation:
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Assignee:
HERRMANN ULTRASCHALLTECHNIK GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
B23K20/10
Domestic Patent References:
WO2021089153A12021-05-14
Foreign References:
JP2019051556A2019-04-04
DE102018132839A12020-06-25
US20110308736A12011-12-22
DE102018132839A12020-06-25
Attorney, Agent or Firm:
WSL PATENTANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e

1 . Ultraschallschweißanlage mit einer Ultraschallschwingeinheit, die eine Sonotrode (2) und einen Konverter (4) aufweist, wobei die Sonotrode und der Konverter entlang einer Längsachse (19) nebeneinander angeordnet sind und die Ultraschallschwingeinheit mit einer Ultraschallschwingung in Richtung der Längsachse (19) mit einer Wellenlänge A in Resonanz gebracht werden kann, wobei ein zwischen Sonotrode (2) und Konverter (4) angeordneter Amplitudentransformator (3) vorgesehen sein kann, wobei ein Lagerelement zum Lagern der Ultraschallschwingeinheit und ein Abstützelement (9) zum Abstützen einer senkrecht zur Längsachse auf die Sonotrode (2) aufgebrachten Kraft vorgesehen sind, wobei an der Ultraschallschwingeinheit und am Abstützelement jeweils Abstützflächen vorgesehen sind, über die das Abstützelement mir der Ultraschallschwingeinheit in Kontakt tritt, wobei an der Ultraschallschwingeinheit und am Lagerelement jeweils Lagerflächen vorgesehen sind, über die das Lagerelement mit der Ultraschallschwingeinheit in Kontakt tritt, wobei in Richtung der Längsachse die Abstützflächen und die Lagerflächen um mehr als A/4 voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klemmeinrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass die Klemmeinrichtung die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit gegen die Abstützfläche des Abstützelementes drückt.

2. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmeinrichtung mindestens eine, vorzugsweise zwei Schrauben (10) aufweist, welche in Gewindebohrungen des Abstützelementes eingreifen und an einer Klemmfläche (11) der Ultraschallschwingeinheit anliegen, wobei Schrauben, Gewindebohrung und Klemmfläche (11 ) so angeordnet sind, dass durch Drehen der Schraube diese auf die Klemmfläche (11) drückt und die Ultraschallschwingeinheit in Richtung der Abstützfläche des Abstützelementes klemmt.

3. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit am Amplitudentransformator oder an der Sonotrode angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit an der Sonotrode angeordnet ist.

4. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit durch eine Rippe und die Abstützfläche des Abstützelementes durch eine Nut gebildet wird, oder die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit durch eine Nut und die Abstützfläche des Abstützelementes durch eine Rippe gebildet wird, wobei vorzugsweise die Rippe oder die Nut der Sonotrode in einem Schwingungsknoten der Resonanzschwingung mit der Wellenlänge A angeordnet ist. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützflächen der Rippe in einer Längsschnittansicht konvex gekrümmt und vorzugsweise kreissegmentförmig ausgebildet sind. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützflächen der Nut in einem Längsschnitt von zwei gegenüber der Längsachse geneigten Nutwandflächen gebildet werden, welche an der Rippe anliegen, wobei die Nutwandflächen vorzugsweise gegenüber der Längsachse um einen Winkel zwischen 30° und 60° geneigt sind. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 6 soweit von Anspruch 5 abhängig, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützflächen der Nut jeweils über einen linienförmigen Kontakt mit der Rippe in Kontakt stehen. Ultraschallschweißanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche des Abstützelementes und die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit derart ausgebildet sind, dass sie eine Rotation der Ultraschallschwingeinheit um die Längsachse verhindern. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse einen nicht kreisförmigen und am besten einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist, wobei die Rippe vorzugsweise Einschnürungen aufweist, welche die Klemmfläche bildet. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement Teil einer das Lagerelement umfassenden Halterung ist, wobei vorzugsweise das Abstützelement (9) als separates Teil an der Halterung befestigt ist. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche der Ultraschallschwingeinheit am Amplituden- transformator oder an dem Konverter angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Lagerfläche der Ultraschallschwingeinheit an dem Amplitudentransformator angeordnet ist.

12. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächen von sowohl Ultraschallschwingeinheit als auch von Lagerelement parallel zur Längsachse ausgebildet sind, wobei vorzugsweise die Lagerflächen zylinderflächenförmig oder zylindersegmentförmig ausgebildet sind.

13. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Lagerelement aufweisende Halterung vorgesehen ist, wobei die Ultraschallschwingeinheit über ein elastisches Element, vorzugsweise über ein aus einem Elastomer hergestellten Element, mit der Halterung verbunden ist.

14. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingeinheit eine Lagerrippe, die vorzugsweise als umlaufende Rippe ausgebildet ist aufweist, wobei an der Lagerrippe ein Entkoppelelement befestigt ist, welches vorzugsweise als Entkoppelring ausgebildet ist, wobei die Stützfläche der Ultraschallschwingeinheit am Entkoppelelement vorgesehen sind.

15. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung zumindest an einem Abschnitt aus einem flexiblen Material besteht, wobei vorzugsweise das flexible Material ein Elastomer ist, wobei die Lagerfläche des Lagerelementes auf dem Abschnitt aus einem flexiblen Material ausgebildet ist.

16. Ultraschallschweißanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung eine Spannvorrichtung aufweist, mit welcher die Lagerfläche der Ultraschallschwingeinheit gegen die Lagerfläche des Lagerelementes gedrückt werden kann.

17. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 16, wobei die Halterung ein Grundteil, welche das Stützelement umfasst, und ein Verschlussteil aufweist, wobei Grundteil und Verschlussteil miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschraubt sind, wobei das Lagerelement an Grundteil und/oder Verschlussteil angeordnet ist.

Description:
Ultraschallschweißanlage mit Klemmeinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißanlage mit einer Ultraschallschwingeinheit, die eine Sonotrode und einen Konverter aufweist. Die Sonotrode und der Konverter sind entlang einer Längsachse nebeneinander angeordnet und derart aufeinander abgestimmt, dass die Ultraschallschwingeinheit mit einer Ultraschallschwingung in Richtung der Längsachse mit einer Frequenz f = v/A in Resonanz gebracht werden kann, wobei v die Ausbreitungsrichtung der akustischen Ultraschallschwingung innerhalb der Ultraschallschwingeinheit und A die Wellenlänge der Ultraschallschwingung ist. In diesem Fall bildet sich in der Ultraschallschwingeinheit eine stehende Welle mit Schwingungsknoten und Schwingungs maxima aus. Im einfachsten Fall zeigt die Sonotrode genau einen Schwingungsknoten und zwei Schwingungsmaxima, d.h. die Sonotrode hat eine Länge, die der halben Wellenlänge A/2 der Resonanzschwingung entspricht. Zwischen Sonotrode und Konverter kann ein Amplitudentransformator vorgesehen sein, welcher die Schwingungsamplitude, nicht jedoch die Wellenlänge der vom Konverter erzeugten Ultraschallschwingung verändert.

In der Regel weist die Ultraschallschweißanlage einen Amboss auf, wobei das zu bearbeitende Material zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Amboss' angeordnet wird. Der Amboss wird auch als Gegenwerkzeug bezeichnet.

Für die Bearbeitung muss die Ultraschallschwingeinheit gehalten werden. Daher weist die Ultraschallschweißanlage in der Regel eine entsprechende Halterung auf.

Die Anforderungen an die Schweißqualität nehmen immer weiter zu. Darüber hinaus gibt es Materialien, wie z.B. Metalle, bei deren schweißender Bearbeitung es zu einem erheblichen Verschleiß an der Siegelfläche der Sonotrode kommt, wodurch es notwendig wird, die Sonotrode häufig auszutauschen.

Um insbesondere beim Metallschweißen eine hohe Schweißqualität zu erzielen, ist es notwendig, die Siegelflächen der Sonotrode und des Ambosses sehr exakt parallel zueinander zu positionieren. Insbesondere die parallele Positionierung der Ultraschallschwingeinheit bzw. der Siegelfläche der Sonotrode relativ zum Amboss ist bei den bekannten Ultraschallschweißanlagen sehr aufwendig und kann häufig nur von speziell geschultem Personal durchgeführt werden, was insbesondere bei häufigem Austausch der Sonotrode zu störenden Unterbrechungen des Bearbeitungsprozesses führt. Daran ändert auch die Verwendung von Wendesonotroden, die mehrere Siegelflächen aufweisen, die wahlweise verwendet werden können, nichts, da die Sonotrode nach jedem Wenden erneut exakt parallel zum Amboss positioniert werden muss.

Aus der DE 10 2018 132 839 A1 ist bereits eine Ultraschallschweißanlage bekannt, welche ein Lagerelement zum Lagern der Ultraschallschwingeinheit und ein Abstützelement zum Abstützen einer senkrecht zur Längsachse auf die Sonotrode aufgebrachten Krafft aufweist. Dabei sind an der Ultraschallschwingeinheit und am Abstützelement jeweils Abstützflächen vorgesehen, über die das Abstützelement mit der Ultraschallschwingeinheit in Kontakt tritt. Weiterhin sind an der Ultraschallschwingeinheit und am Lagerelement jeweils Lagerflächen vorgesehen, über die das Lagerelement mit der Ultraschallschwingeinheit in Kontakt tritt. Dabei sind die Abstützflächen und die Lagerflächen in Richtung der Längsachse um mehr als 25% der Wellenlänge der Resonanzschwingung (A/4) voneinander beabstandet. Bei dieser Ausführungsform wird die Ultraschallschwingeinheit mit ihrer Abstützfläche auf die Abstützfläche des Abstützelementes aufgelegt und dann die Lagerflächen aufeinander zugedrückt. Grundsätzlich kommt es hier zu einer Überpositionierung, sodass nicht immer gewährleistet ist, dass die Abstützflächen in der exakten Position aufeinander liegen. Leichte Fehlstellungen des Schwinggebildes machen sich dann entweder in einer mangelhaften Schweißqualität oder durch einen hohen Verschleiß bemerkbar. Es sind auch schon Ausführungsformen bekannt, bei welchen zwischen den Lagerflächen von Ultraschallschwingeinheit einerseits und La- gerelement andererseits Spiel besteht, was zwar die nachteilige Überbestimmtheit entfernt, jedoch das System weniger steif und damit gegenüber unerwünschten Schwingungen anfälliger macht.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ultraschallschweißanlage anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile zumindest abschwächt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Klemmeinrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass die Klemmeinrichtung die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit gegen die Abstützfläche des Abstützelementes drückt. Durch solch eine Klemmeinrichtung ist sichergestellt, dass die Abstützflächen von Ultraschallschwingeinheit und Abstützelement in der exakten Position aufeinander liegen, wodurch die exakte Position der Ultraschallschweißanlage gewährleistet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Klemmeinrichtung mindestens eine, vorzugsweise zwei Schrauben aufweist, welche in Gewindebohrungen des Abstützelementes eingreifen und an einer Klemmfläche der Ultraschallschwingeinheit anliegen, wobei Schrauben, Gewindebohrung und Klemmfläche so angeordnet sind, dass durch Drehen der Schraube diese auf die Klemmfläche drückt und die Ultraschallschwingeinheit in Richtung der Abstützfläche des Abstützelementes drückt, so dass sie dadurch geklemmt wird.

Die Verwendung von Schrauben ist eine einfache Methode, um sicherzustellen, dass die Abstützflächen in ihrer exakten Position gehalten werden.

Bei der Montage der Lagerflächen kann es dann zu keiner Verschiebung der Ultraschallschwingeinheit mehr kommen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit am Amplitudentransformator oder an der Sonotrode angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit an der Sonotrode angeordnet ist. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn die Abstützfläche möglichst nahe an der Siegelfläche angeordnet ist, um die Kräfte, die bei der Bearbeitung auf die Siegelfläche ausgeübt werden, aufnehmen zu können. Allerdings darf die Abstützung am Abstützelement die Ultraschallschwingung nicht wesentlich stören, so dass eine Anordnung im Schwingungsknoten der stehenden Welle von Vorteil ist. Sollte aus Platzgründen eine Abstützung an der Sonotrode nicht möglich sein, kann sie auch am Amplitudentransformator oder am Konverter angeordnet sein.

Beispielsweise kann entweder die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit durch eine Rippe und die Abstützfläche des Abstützelementes durch eine Nut gebildet sein oder die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit kann durch eine Nut und die Abstützfläche des Abstützelementes durch eine Rippe gebildet werden. Dabei ist vorzugsweise die Rippe oder die Nut der Sonotrode in einem Schwingungsknoten der Resonanzschwingung mit der Wellenlänge A angeordnet.

Für die Montage muss dann lediglich die Rippe in die Nut eingelegt werden, wodurch eine Bewegung der Ultraschallschwingeinheit in Richtung der Längsachse verhindert wird und dadurch die exakte Position vorgegeben ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Abstützfläche des Abstützelementes und die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit in einer Querschnittansicht korrespondierend zueinander ausgebildet, wobei vorzugsweise die Abstützfläche des Abstützelementes und die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit derart ausgebildet sind, dass sie eine Rotation der Ultraschallschwingeinheit um die Längsachse verhindern.

Durch diese Maßnahme ist die Winkelposition, d.h. die Drehposition um die Längsachse, festgelegt.

Um die Position in der Ultraschallschwingeinheit in Richtung der Längsachse exakt festzulegen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Abstützflächen der Rippe in einer Längsschnittansicht konvex gekrümmt und vorzugsweise kreissegmentförmig ausgebildet sind. Insbesondere dann, wenn die Abstützflächen der Nut in einem Längsschnitt von zwei gegenüber der Längsachse geneigten Nutwandflächen gebildet werden, welche an der Rippe anliegen, wobei die Nutwandflächen vorzugsweise gegenüber der Längsachse um einen Winkel zwischen 30° und 60° geneigt sind, tritt die Rippe an genau zwei Punkten mit den Nutwandflächen in Kontakt. Durch die Klemmvorrichtung wird die Ultraschallschwingeinheit in diese Position gedrückt und festgehalten.

Das Abstützelement kann Teil einer das Lagerelement umfassenden Halterung sein, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist, dass das Abstützelement als separates Teil an der Halterung befestigt ist.

Das Vorsehen des Abstützelementes an einer Halterung, die auch das Lagerelement umfasst, vereinfacht die Halterung und macht die Montage leicht. Wird das Abstützelement als separates Teil ausgeführt, kann es bei Bedarf ausgetauscht werden, insbesondere dann, wenn eine andere Sonotrode verwendet werden soll, deren Abstützfläche möglicherweise anders ausgebildet ist. Darüber hinaus kann das Abstützelement auch aus einem anderen Material hergestellt sein. So könnte beispielsweise das Abstützelement aus gehärtetem Stahl bestehen, während für die Halterung auch weniger harter Stahl verwendet werden könnte.

Das Abstützelement kann beispielsweise an der Halterung angeschraubt sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lagerfläche der Ultraschallschwingeinheit am Amplitudentransformator oder an dem Konverter angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Lagerfläche der Ultraschallschwingeinheit an dem Amplitudentransformator angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass die Lagerflächen möglichst weiter von der Siegelfläche der Sonotrode entfernt sein sollten als die Abstützflächen, um die Kräfte optimal aufzunehmen.

Da die Ultraschallschwingeinheit an den Abstützflächen positioniert ist, wird eine auf die Sonotrode wirkende Kraft ein Drehmoment um die Abstützfläche ausüben. Dieses Drehmoment wird durch die Lagerflächen bzw. das Lagerelement aufgenommen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lagerflächen von der Ultraschallschwingeinheit und die Lagerflächen von dem Lagerelement parallel zur Längsachse ausgebildet sind. Beispielsweise können die Lagerflächen zylinderflächenförmig oder zylindersegmentförmig ausgebildet sein. Da die axiale Position der Ultraschallschwingeinheit durch das Abstützelement festgelegt wird, erfolgt durch die parallele Anordnung der Lagerflächen keine Überbestimmtheit. Fertigungstoleranzen oder Längenänderungen aufgrund Temperaturschwankungen werden daher über die Lagerflächen ausgeglichen, da sie eine Positionierung der Ultraschallschwingeinheit in verschiedenen axialen Positionen, die zueinander versetzt sind, ermöglichen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine das Lagerelement aufweisende Halterung vorhanden ist, wobei die Ultraschallschwingeinheit über ein elastisches Element mit der Halterung verbunden ist. Das elastische Element kann beispielsweise ein Elastomer sein. Durch das elastische Element kann, nachdem die Ultraschallschwingeinheit überdas Abstützelement in ihre Position gebracht worden ist, mithilfe des Lagerelementes die Ultraschallschwingeinheit in dieser Position fixiert werden.

Beispielsweise kann die Ultraschallschwingeinheit eine Lagerrippe, die vorzugsweise als umlaufende Rippe ausgebildet ist, aufweisen, wobei an der Lagerrippe ein Entkoppelelement befestigt ist. Dieses Entkoppelelement kann beispielsweise ein Entkoppelring sein und kann die Stützfläche der Ultraschallschwingeinheit aufweisen. Der Entkoppelring kann beispielsweise aus einem Duroplast bestehen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung zumindest an einem Abschnitt aus einem flexiblen Material besteht, wobei vorzugsweise das flexible Material ein Elastomer ist, wobei die Lagerfläche des Lagerelementes auf dem Abschnitt aus einem flexiblen Material ausgebildet ist. Weiterhin kann eine Spannvorrichtung an der Halterung vorgesehen sein, mit welcher die Lagerfläche der Ultraschallschwingeinheit gegen die Lagerfläche des Lagerelementes gedrückt werden kann. Hier kann die Halterung ein Grundteil, welches das Stützelement umfasst, und ein Verschlussteil aufweisen, wobei Grundteil und Verschlussteil miteinander verbunden sind, und zwar vorzugsweise miteinander verschraubt sind, wobei das Lagerelement an Grundteil und/oder Verschlussteil angeordnet ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ultraschallschweißanlage,

Figur 2 eine Ansicht von unten auf die Ultraschallschweißanlage von Figur 1 ,

Figur 3 eine Ansicht von vorne auf die Ultraschallschweißanlage der Figur 1 ,

Figur 4 eine Schnittansicht durch das Abstützelement der Ultraschallschweißanlage von Figur 1 ,

Figur 5 eine schematische Darstellung der vom Abstützelement abgestützten Sonotrode,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht auf die Sonotrode der Ultraschallschweißanlage, Figur 7 eine Längsschnittansicht durch die Ultraschallschweißanlage von Figur 1 , Figur 8 eine Längsschnittansicht wie in Figur 7 durch eine alternative Ausführungsform,

Figur 9 eine perspektivische Ansicht von hinten auf die Ultraschallschweißanlage von

Figur 1 und

Figur 10 eine Querschnittsansicht durch die Lagerflächen der Ultraschallschweißanlage.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Ultraschallschweißanlage 1 gezeigt. Die Ultraschallschweißanlage 1 weist eine Sonotrode 2 auf, welche über einen Amplitudentransformator 3 mit einem Konverter 4 verbunden ist. Mit dem Konverter 4 wird eine elektrische Wechselspannung in eine Longitudinalschwingung umgewandelt, deren Amplitude mithilfe des Amplitudentransformators 3 transformiert und an die Sonotrode 2 weitergegeben wird. Die gesamte Ultraschallschwingeinheit bestehend aus Sonotrode 2, Amplitudentransformator 3 und Konverter 4 schwingt mit einer Resonanzfrequenz, sodass sich eine stehende Welle der Wellenlänge A in Richtung einer Längsachse 19 ausbildet. Die Sonotrode 2, der Amplitudentransformator 3 und der Konverter 4 sind entlang der Längsachse 19 hintereinander angeordnet. Die Sonotrode 2 weist zwei Siegelflächen 5, 6 auf, die dafür vorgesehen sind, mit dem Material, das bearbeitet werden soll, in Kontakt zu treten. Die Sonotrode ist als Wendesonotrode ausgeführt, sodass immer nur eine der beiden Siegelflächen 5, 6 mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt und, wenn die Siegelfläche abgenutzt ist, die Sonotrode um 180° um die Längsachse gedreht werden kann.

Die Ultraschallschwingeinheit wird in einer Halterung, welche ein Grundteil 7 und ein Verschlussteil 8 umfasst, gehalten.

In Figur 2 ist eine Ansicht von unten auf die Ultraschallschweißanlage 1 von Figur 1 gezeigt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Sonotrode 2, der Amplitudentransformator 3 und der Konverter 4 auf der Längsachse 19 hintereinander angeordnet sind. Die gesamte Ultraschallschwingeinheit wird in dem Halter, der aus dem Grundteil 7 und dem Verschlussteil 8 besteht, gehalten. Das Verschlussteil 8 wird mithilfe der Befestigungsschrauben 18 an dem Grundteil 7 befestigt, wie im Detail noch beschrieben wird.

In Figur 3 ist eine Ansicht von vorne auf die Ultraschallschweißanlage 1 gezeigt. Zu erkennen ist die Stirnfläche der Sonotrode 2 sowie die Siegelfläche 5.

In Figur 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von Figur 2 dargestellt. Im Grundteil 7 der Halterung ist ein Abstützelement 9 vorgesehen, an welchem die Sonotrode 2 anliegt. Das Abstützelement 9 muss kein separates Teil sein, sondern könnte auch einteilig mit dem Grundteil 7 ausgebildet sein. Die Ausbildung als separates Teil ermöglicht es, das Abstützelement 9 gegebenenfalls auszutauschen, falls es verschlissen ist oder die Geometrie einer Ersatzsonotrode eine andere Form des Abstützelementes erfordert. Dabei kann das Abstützele- ment aus einem anderen Material als die Halterung bestehen.

Das Grundteil 7 weist, wie in Figur 4 deutlich zu erkennen ist, eine nutförmige Aufnahme für die Sonotrode 2 auf. Am Nutgrund dieser nutförmigen Aufnahme ist das Abstützelement 9 angeordnet. Die Nutwände umgreifen die Sonotrode 2. In den Nutwänden ist jeweils eine Gewindebohrung vorgesehen, in der zwei Madenschrauben 10 vorgesehen sind. Diese Madenschrauben, die auch als gewöhnliche Schrauben ausgebildet sein könnten, drücken gegen Klemmflächen 11 , wodurch die Sonotrode 2 in Richtung der Querachse 20 gegen das Abstützelement 9 gedrückt wird.

In Figur 5 ist eine vergrößerte Längsschnittansicht durch einen Teil der Ultraschallschweißanlage gezeigt. Zu erkennen ist erneut die Sonotrode 2 mit ihren Siegelflächen 5 und 6. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Sonotrode 2 eine zumindest abschnittsweise über die Mantelfläche der Sonotrode 2 vorstehende Rippe 12 aufweist. Weiterhin besitzt das Abstützelement 9 eine Nut 13, in welchem die Rippe 12 der Sonotrode 2 eingreift.

Die Rippe 12 hat in der Figur 5 gezeigten Querschnittsansicht eine gekrümmte Oberfläche, welche die Abstützfläche der Ultraschallschwingeinheit bildet. Die Nut 13 hat Nutwandabschnitte 14, welche sich nach außen erweitern, sodass sich eine prismenförmige Aufnahme ergibt. In der in Figur 5 gezeigten Schnittansicht liegt somit jede der geneigten Nutwände 14 auf der gekrümmten Fläche der Rippe auf, wodurch es zu einem linienförmigen Kontakt jeweils zwischen der Rippe 12 und der als Abstützfläche des Abstützelementes 9 fungierenden geneigten Nutwände 14 kommt und dadurch die Position der Sonotrode 2 relativ zum Abstützelement 9 eindeutig festgelegt ist. Eine eindeutige Position wird durch diese Konfiguration auch festgelegt, wenn die Sonotrode aufgrund äußerer Krafteinwirkung leicht verbogen wird.

In Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht der Sonotrode 2 gezeigt. Dabei ist die Rippe 12 zu erkennen, welche im Wesentlichen einen quadratischen Querschnitt hat, wobei dieser aufgrund der Zurverfügungstellung der Klemmflächen 11 an zwei gegenüberliegenden Seiten Einschnürungen aufweist. Wird die Sonotrode 2 mit der in Figur 6 oben gezeigten Seite der Rippe 12 in die Nut des Abstützelementes 9 eingelegt, ist die Position der Sonotrode in Richtung der Längsachse festgelegt. Zusätzlich ist allerdings auch die Drehposition, d.h. die Winkelposition um die Längsachse, festgelegt. Aufgrund der Ausbildung der Rippe 12 kann die Sonotrode 2 nur in zwei Positionen in die Nut 13 eingelegt werden, wobei einmal die Siegelfläche 5 und einmal die Siegelfläche 6 zur aktiven Siegelfläche wird. Da das Abstützelement 9 derart angeordnet ist, dass es Kräfte, die auf die untere Siegelfläche 5 aufgebracht werden, aufnimmt, kann es grundsätzlich noch zu einer Verbiegung oder Verdrehung der Ultraschallschwingeinheit um die Abstützflächen von Ultraschallschwingeinheit und Abstützelement 9 kommen. Um dies zu verhindern, ist ein Lagerelement vorgesehen. In Figur 7 ist eine Schnittansicht durch die Ultraschallschweißanlage von Figur 1 gezeigt. Man erkennt hier, dass der Amplitudentransformator 3 eine über die Mantelfläche vorstehende Lagerrippe, die im gezeigten Beispiel eine umlaufende Lagerrippe 16 ist, aufweist. Auf die Lagerrippe 16 ist ein Entkoppelelement 15, das hier als Entkoppelring 15 ausgebildet ist, aufgebracht. Dieser Entkoppelring 15 kann aus einem elastischen Material, wie z.B. einem Elastomer, gefertigt sein. Das Entkoppelelement könnte auch integraler Bestandteil des Amplitudentransformators 3 sein. Insbesondere dann, wenn der Entkoppelring 15 nicht aus einem elastischen Material gefertigt ist, kann, wie in einer alternativen Ausführungsform, die in Figur 8 dargestellt ist, innerhalb des Grundteiles 7 ein elastisches Lagerelement vorgesehen sein. Die Außenfläche des Entkoppelelementes 16 und die Innenfläche des Grundteiles 7 und gegebenenfalls des Verschlussteiles 8 bzw. die Innenflächen des darin angebrachten elastischen Lagerelementes bilden die Lagerflächen. Nachdem die Ultraschallschwingeinheit 1 korrekt mit dem Abstützelement verbunden worden ist, wird der hintere Teil der Ultraschallschwingeinheit vom Lagerelement aufgenommen und durch Verbinden des Verschlusselementes 8 mit dem Grundteil 7 gelagert, sodass nun keinerlei Bewegung der Ultraschallschweißanlage möglich ist.

In Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht der Ultraschallschweißanlage von hinten zu erkennen. Deutlich zu erkennen ist, dass Grundteil 7 und Verschlusselement 8 den Amplitudentransformator 15 umfassen. Sowohl die Lagerrippe 16 als auch die Rippe des Stützelementes 12 sind im Wesentlichen an einem Schwingungsknoten der Resonanzschwingung angeordnet, sodass an dieser Position die Schwingungsamplitude der Longitudinalschwingung in Richtung der Längsachse minimal ist.

In Figur 10 ist eine Querschnittsansicht durch das Lagerelement gezeigt. Zu erkennen ist der Amplitudentransformator 3, welcher von dem Entkoppelelement 15 umgeben ist. Das Entkoppelelement 15 liegt auf dem elastischen Lagerelement 17 auf. Insbesondere dann, wenn das Entkoppelelement 15 selbst elastisch ausgebildet ist, kann auf das elastische Lagerelement verzichtet werden. Das Verschlussteil 8 wird mithilfe der Schrauben 18 am Grundteil 7 befestigt, sodass das Entkoppelelement 15, welches mit der Mantelfläche des Amplitudentransformators verbunden ist, zwischen Grundteil 8 und elastischem Lagerelement 17 eingeklemmt ist.

Bezugszeichenliste

1 Ultraschallschweißanlage

2 Sonotrode

3 Amplitudentransformator

4 Konverter

5 Siegelfläche

6 Siegelfläche

7 Grundteil

8 Verschlussteil

9 Abstützelement

10 Madenschrauben

11 Klemmflächen

12 Rippe

13 Nut

14 Abstützflächen

15 Entkoppelelement

16 Lagerrippe

17 elastisches Lagerelement

18 Befestigungsschrauben

19 Längsachse

20 Querachse