SE511004C2 - Ultraljudsaggregat med ringformig arbetsdel vilken innefattar ett flänsformigt utskott som sträcker sig runt arbetsdelen - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 511 004 matningsdelen till arbetsdelen överförbara svängningar. I en ringformig arbetsdel sprids svängningarna huvudsakligen likformigt runt arbetsdelens omkrets, varvid de axiella, utmed matningsdelens centrumlinje fram- och återgående ultraljudsvågorna på grund av sonotrodens ringform omvandlas till radiella vågor, vilka rör sig fram och àter utmed de från arbetsdelens centrum sig sträckande radierna. Det är härvid av synnerlig vikt att den ringformiga arbetsdelens omkrets är avstämd till den aktuella våglängd, som alstras av ultraljudskällan. Närmare bestämt måste arbetsdelen ha en medeldiameter som ärså vald att precis en våglängd av ultraljudet ryms runt arbetsdelens medelomkrets. Eftersom arbetsdelens svängningsmönster och frekvens i viss mån även påverkas av det material som arbetsdelen är tillverkad av (vanligen titan) kan viss justering av medeldiameter och medelomkrets göras genom lämpligt materialval.

Eventuella avvikelser från den ringformiga arbetsdelens rotationssymmetriska form medför också negativt inverkande oregelbundenheter i svängningsmönstret, och vid hittills kända tillämpningar har man därför utnyttjat ringformiga arbetsdelar med helt rotationssymmetrisk form och med huvudsakligen cylindrisk eller svagt konisk, mot ringens centrum vänd arbetsyta. Särskilda åtgärder har också vidtagits vid den mekaniska anslutningen mellan ultraljudskällan/matningsdelen och den ringformiga arbetsdelen (PCT ansökan PCT/lB98/00897).

Eftersom det inom förpackningstekniken är önskvärt att tillverka förpackningsbehållare med andra tvärsnittsformer än runda eller svagt koniska är det ett önskemål att ombesörja ultraljudsaggregat med icke blott ringformiga arbetsdelar utan även t.ex. mànghörniga (t.ex. sex- eller åttakantiga) eller ovala för att t.ex. kunna svetsa bottengavlari hexagonalt formade förpackningskroppar. Med termen "månghörnig" avses härvid även de mer eller mindre avrundade övergångsformer som är tänkbara mellan en flerhörnig och en cirkulärcylindrisk form. Alltför "vassa" hörn är i praktiken ej heller önskvärda, eftersom det orsakar alltför höga spänningar i hornets arbetsdel.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är således att ombesörja ett ultraljudsaggregat med en ringformig arbetsdel, vilken har en oregelbunden, t.ex. oval eller månghörnig arbetsyta.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att ombesörja en ringformig arbetsdel för ett ultraljudsaggregat, vilken arbetsdel trots att den har en oregelbunden, t.ex. månghörnig arbetsyta icke ställer krav på särskild anpassning av vare sig ultraljudskällans frekvens eller arbetsdelens material.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att ombesörja en ringformig arbetsdel för ett ultraljudsaggregat, vilken arbetsdel trots valfriheten vad beträffar arbetsytans form gör det möjligt att effektivt och utan onödiga förluster överföra svängningar från ultraljudskällan till önskade delar av ett bearbetat föremål, t.ex. en förpackningsbehållare. 10 15 20 25 30 35 511 004 Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är slutligen att åstadkomma en ringformig arbetsdel med oregelbunden arbetsyta, vilken arbetsdel har okomplicerad form, är enkel att tillverka samt inte utsättes för överdrivna påkänningar i samband med ultraljudssvetsning.

Ovannämnda och andra ändamål har enligt uppfinningen uppnåtts genom att ett ultraljudsaggregat av den inledningsvis beskrivna typen getts de av patentkravet 1 framgående kånnetecknen.

Föredragna utföringsformer av ultraljudsaggregatet enligt uppfinningen har vidare getts de av underkraven framgående kånnetecknen.

Genom att placera arbetsdelens månghörniga arbetsyta på ett utskott, vars massa endast utgör en mindre del av arbetsdelens totala massa blir det möjligt att ombesörja en t.ex. oval eller månghörnig arbetsyta utan att i nämnvärd utsträckning förändra arbetsdelens ringform. Härigenom kan svetsning av t.ex. hexagonala föremål genomföras utan att tidigare olägenheter uppkommer.

En föredragen utföringsform av ultraljudsaggregatet enligt uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare under särskild hänvisning till bifogade ritningar, vilka blott visar de för förståelse av uppfinningen oundgängliga detaljerna.

Fig. 1 visar schematiskt från sidan ett ultraljudsaggregat enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar i större skala en arbetsdel vid ultraljudsaggregatet enligt fig. 1.

Fig. 3 är ett snitt genom arbetsdelen enligt fig. 2.

Ett ultraljudsaggregat 1 enligt uppfinningen är i sin föredragna utföringsform avsett för sammansvetsning av förpackningsbehållardelar med ringformigt, sexhörnigt tvärsnitt, vilket är ett exempel på användningen av ultraljudssvetsteknik inom förpackningsindustrin. En förutsättning för att ultraljudsteknik skall kunna användas för sammansvetsning av förpackningsmaterial är att åtminstone något av de ingående materialskikten innefattar ett material som kan plastificeras av ultraljudsvågor. l praktiken innefattar förpackningsbehållare, i varje fall de som är avsedda för helt eller delvis vätskeformigt fyllgods, ofta skikt av termoplastiskt material, vilket är synnerligen lämpligt att ultraljudssvetsa. De materialskikt som skall förenas med varandra måste härvid innefatta en kontaktyta som innehåller termoplastiskt material, t.ex. polyeten, vilket gör det möjligt att företrädesvis efter anpressning av de båda materialskikten mot svetsaggregatets arbetsyta med hjälp av någon form av mothàll ultraljudsvibrera materialet så att termoplastskikten plastificeras och smälter samman för att vid avslutad ultraljudsuppvärmning åter svalna och stelna, varvid termoplasten fungerar såsom lim som varaktigt och vätsketätt förenar de ingående förpackningsbehållardelarna med varandra. Denna teknik är välkänd t.ex. från tidigare nämnda amerikanska patentskrift US-PS 3.438.824 samt PCT ansökan PCT/lB98/00897, till vilka hänvisas för ytterligare information och tekniska detaljer. 10 15 20 25 30 35 511 004 lfig. 1 visas ett ultraljudsaggregat 1 enligt uppfinningen. Aggregatet 1 innefattar en ultraljudskälla eller konverter 2 av känd typ, vilken medelst t.ex. en piezoelektrisk kristall omvandlar elektriska strömvariationer till mekanisk rörelse i form av fram- och återgående ultraljudsvågor eller vibrationer som vid den beskrivna tillämpningen, d.v.s. svetsning av papper/plastförpackningar, typiskt har ett frekvensomráde av ca. 15-50 kHz, vanligen 20 kHz. Ultraljudskällan 2, som på ett känt (icke visat) sätt är förbunden med en strömkälla är även mekaniskt förbunden med en matningsdel eller booster 3 för förstärkning eller omformning av de av ultraljudskällan alstrade ultraljudsvàgorna.

Matningsdelen 3 bestämmer även vágornas nodpunkt och utnyttjas pà konventionellt sätt även för upphängning av ultraljudsaggregatet 1 i ett icke visat stativ. Matningsdelen 3 är således vid sin ena ände mekaniskt förbunden med ultraljudskällan 2, och matningsdelens 3 motsatta ände är mekaniskt förbunden med en sluten eller ringformig arbetsdel 4 (horn eller sonotrod), vilken genom sin indirekta mekaniska förbindelse med ultraljudskällan 2 är drivbar via matningsdelen 3 så att den ringformiga arbetsdelen utsättes för radiellt riktade ultraljudsvibrationer runt hela sin omkrets.

Den föredragna utföringsform av arbetsdelen 4 enligt uppfinningen som visas i fig. 2 och 3 är ringformig med en sexhörnig arbetsyta 5, vilken emellertid även kan vara av annan, mer eller mindre mànghörnig form (t.ex. avrundat tre- eller fyrkantig), oval eller ha annan oregelbunden form. Beroende på frekvensen hos de av ultraljudskällan 2 alstrade ultraljudsvibrationerna ges arbetsdelen 4 en medelomkrets 6 (fig. 3) som svarar mot en ultraljudsvåglängd, d.v.s. en våglängd av ultraljudet “får plats” utmed medelomkretsen 6. Den aktuella längden är beroende av det material av vilket arbetsdelen 4 är tillverkad, men vid ett vanligen använt material, t.ex. titan, och med en ultraljudskälla av standardtyp som alstrar ultraljudsvibrationer med en frekvens av 20 kHz blir medeldiametern ca. 70 mm. Såväl utbredningen som amplituden hos ultraljudsvàgorna är således beroende av dels medelomkretsen 6, dels rotationssymmetrin hos den ringformiga arbetsdelen 4. Den ringformiga delen kan naturligtvis göras helt rotationssymmetrisk i de fall då arbetsytan skall vara cylindrisk, men vid en oregelbunden, t.ex. mànghörnig arbetsyta kommer oundvikligen rotationssymmetrin att störas. Förutsatt att symmetrin i övriga avseenden, t.ex. mellan arbetsdelens övre och undre halva (fig. 3, d.v.s. de båda på ömse sidor om ett av massfördelningen bestämt, i rät vinkel mot arbetsdelens centrumaxel anordnat massplan 7 belägna sektorerna a och b har lika stor radiell tvärsnittsarea) bibehålles har det visat sig att förekomsten av ett osymmetriskt, i massplanet 7 beläget flänsformigt utskott 8 (med förhållandevis liten massa) för bildande av den månghörniga arbetsytan 5 i praktiken e] stör vare sig ultraljudsvågornas utbredning eller amplitud. Givetvis minimeras utskottets 8 massa i möjligaste män, t.ex. genom att vid en mànghörnig arbetsyta tillse att arbetsytans 5 längst från arbetsdelens 4 10 15 20 25 30 35 511 004 centrumaxel belägna partier ("hörnen“) sammanfaller med arbetsdelens 4 inre, mot centrum vända ringformiga yta.

Tack vare den beskrivna, i huvudsak symmetriska uppbyggnaden av den ringformiga arbetsdelen 4 påverkas ultraljudsvågornas utbredning och amplitud således ej negativt av det faktum att arbetsytan är månghörnig. Det utskott 8 som uppbär arbetsytan 5 har en i förhållande till arbetsdelens 4 totala massa försumbar massa, vilken företrädesvis uppgår till endast ca. 2-6% av arbetsdelens 4 totala massa. Det har i praktiken visat sig att vågutbredningen i arbetsdelen 4 ej pâverkas negativt om utskottets 8 massa uppgår till mindre än ca. 10% av arbetsdelens 4 totala massa. Vid utskott som omfattar maximalt ca. 10% av arbetsdelens totala massa blir de störningar i vàgutbredningen som trots allt orsakas av osymmetrin försumbara. De påverkar därför i praktiken ej den ringformiga arbetsdelens svängningsnod. Då utskottets massa överstiger ca. 10% blir emellertid störningarna så stora att svängningsnoden påverkas, vilket leder till ojämn vågutbredning och därav följande ojämn eller helt utebliven svetsning.

Företrädesvis är utformningen av arbetsdelen 4 symmetrisk kring massplanet 10, men det är även möjligt att tillåta viss osymmetri förutsatt att de båda sektorerna A och B är inbördes balanserade med avseende på massa och styvhet. Större massa i den ena sektorn kräver alltså att motsatt sektor har en mindre styvhet, vilken balanserar ut de annars ojämna svängningsrelationerna mellan de båda på ömse sidor om massplanet 6 belägna sektorerna. Det är även väsentligt att ultraljudskällans matningsdel 3 ansluter radiellt och i massplanet 6, eftersom i annat fall svängningsbalansen mellan de båda sektorerna förskjutes.

Till vänster i fig. 3 indikeras medelst punktstreckade linjer hur aggregatet enligt uppfinningen är avsett att användas för hopförsegling av delar till törpackningsbehållare, företrädesvis en sexhörnig manteldel i form av en hylsa 9 och en vid dennas ena ände belägen ändgavel 10. Såväl hylsan som ändgaveln är företrädesvis tillverkade av laminerat material innefattande t.ex. ett centralt skikt av fibermaterial, t.ex. papper, vilket på ömse sidor är belagt med värmeförseglingsbart material, t.ex. en termoplast såsom polyeten. I fig. 3 indikeras även hur ett mothåll 11 utnyttjas för att under hopförseglingen sammanpressa hylsans 9 ena ände och en uppvikt kant av ändgaveln 10 mellan mothållet och respektive arbetsdels 4 arbetsyta 7.

Vid drift av anordningen enligt uppfinningen placeras den ena änden av hylsan 9 i den ringformiga arbetsdelens 4 övre ände och med hylsändens utsida i kontakt med den mot arbetsdelens centrumaxel vända arbetsytan 5. Den vid hylsans 9 undre ände placerade ändgaveln 10 anpressas med sin uppvikta kant mot hylsans inre yta med hjälp av mothållet 11, vilket såsom visas i fig. 3 t.ex. kan vara svagt "konisk" och därmed åstadkomma önskad tryckkraft vid axiell förflyttning uppåt, vilket indikerats med pilen 12. Mothållet 11 kan även vara av någon annan känd typ, t.ex. expanderbart, och 10 15 20 511 004 innefatta ett antal tätt anordnade segment, vilka pressas radiellt utåt med hjälp av en lämplig kraftkälla, t.ex. pneumatik. När hylsan 9 och ändgaveln 10 således placerats i korrekt läge och i angränsande delar anpressats mot varandra med hjälp av mothållet aktiveras ultraljudskällan 2 så att axiella ultraljudssvängningar fortplantas och förstärkes via matningsdelen 3 samt överföres till och fördelas runt den ringformiga arbetsdelen 4. Eftersom den i massplanet 7 belägna medelomkretsen 6 har en längd som svarar mot en hel våglängd kommer den ringformiga arbetsdelen 4 i sin helhet att vibreraeller pulsera radiellt med tillräcklig amplitud för att uppvärma de mellan arbetsytan 5 och mothållet 11 belägna delarna av förpackningsbehållaren till sådan temperatur, att förpackningsmaterialets ytskikt av termoplast sammansmälter i anliggningsytan mellan hylsan 9 och ändgavelns 10 uppvikta kant. Efter önskad uppvärmningstid avbrytes tillförseln av ström till ultraljudskällan 2, varvid vibrationerna upphör och de smälta termoplastskiktens temperatur sjunker till dess att de sammansmälta skikten stelnar och bildar en vätsketät försegling mellan hylsans undre ände och ändgaveln. Härefter avlägsnas mothållet axiellt och förpackningsbehållardelarna kan gemensamt uttagas ur arbetsdelen 4.

Genom att i enlighet med uppfinningen tillse att endast en ”försumbar” del av den ringformiga arbetsdelens 4 massa är osymmetriskt fördelad runt den i övrigt rotationssymmetriska, ringformiga arbetsdelen bibehålles den för ultraljudsvågornas utbredning viktiga symmetrin och balansen kring massplanet samt med bibehållen,optimal medelomkrets blir det således möjligt att försegla månghörniga föremål, vilket tidigare ej varit möjligt. Härigenom vidgas möjligheterna att använda ultraljudssvetsning utan att dyrbara eller opraktiska omkonstruktioner av vare sig ultraljudskällan eller arbetsdelen är nödvändiga.

Claims (6)

10 15 20 25 511 004 PATENTKRAV

1. Ultraljudsaggregat innefattande en ringtormig arbetsdel (4) samt en matningsdel (3), vilken är förbindbar med en ultraljudskälla (2) för alstrande av ultraljud med en förutbestämd våglängd, varvid arbetsdelen (4) har ett i rät vinkel mot arbetsdelens centrumaxel beläget massplan (7) med en medelomkrets (6), vars längd är anpassad till nämnda våglängd, kännetecknat därav, att det innefattar ett runt arbetsdelen (4) sig sträckande tlänsformigt utskott (8) med en arbetsyta (5) och en massa, som är mindre än 20% av arbetsdelens (4) totala massa.

2. Ultraljudsaggregat enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att arbetsytan (5) är vänd mot arbetsdelens (4) centrumaxel.

3. Ultraljudsaggregat enligt något av patentkraven 1-2, kännetecknat därav, att utskottet (8) är belägeti massplanet (7).

4. Ultraljudsaggregat enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknat därav, att matningsdelen (3) ansluter radiellt till arbetsdelen (4) och i dennas massplan (7).

5. Ultraljudsaggregat enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknat därav, att arbetsytan är mànghörnig.

6. Ultraljudsaggregat enligt patentkravet 5, kännetecknat därav, att arbetsytans (5) längst från centrumaxeln belägna parti huvudsakligen sammanfaller med en mot centrumaxeln vänd, ringformig yta pä arbetsdelen (4).