DE102022117799A1

DE102022117799A1 - Ultraschallschwingeinheit mit hartem Entkoppelelement

Info

Publication number: DE102022117799A1
Application number: DE102022117799.8A
Authority: DE
Inventors: Norman Scholz; Stefan Müller
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-15
Filing date: 2022-07-15
Publication date: 2024-01-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschwingeinheit mit zumindest einem Ultraschallschwingelement und einer Halterung zum Lagern des Ultraschallschwingelements, wobei das Ultraschallschwingelement eine Längsachse und eine Mantelfläche aufweist und entlang der Längsachse in eine Resonanzschwingung gebracht werden kann, wobei die Mantelfläche zumindest einen Vorsprung mit einer vorderen Vorsprungsfläche und einer hinteren Vorsprungsfläche aufweist und die Halterung ein vorderes und ein hinteres Halteelement aufweist, wobei der Vorsprung zwischen den beiden Halteelementen positioniert ist und zwischen der hinteren Vorsprungsfläche und dem hinteren Halteelement ein erstes Entkoppelelement derart angeordnet ist, dass das erste Entkoppelelement sowohl das hintere Halteelement als auch die hintere Vorsprungsfläche berührt, wobei das Ultraschallschwingelement mit dem hinteren Halteelement nicht in Kontakt steht. Um eine Ultraschallschwingeinheit bereitzustellen, die eine hohe Belastbarkeit und damit Stabilität bei gleichzeitig möglichst einfacher Geometrie, Schallentkopplung und Abdichtmöglichkeit aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das erste Entkoppelelement ein Kunststoff mit einer SHORE A-Härte von mehr als 70 Shore ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschwingeinheit mit zumindest einem Ultraschallschwingelement und einer Halterung zum Lagern des Ultraschallschwingelements, wobei das Ultraschallschwingelement eine Längsachse und eine Mantelfläche aufweist und in einem Betrieb der Ultraschallschwingeinheit mit einer akustischen Schwingung der Wellenlänge λ und der Frequenz f entlang der Längsachse in eine Resonanzschwingung gebracht werden kann, wobei die Mantelfläche zumindest einen Vorsprung mit einer vorderen Vorsprungsfläche und einer hinteren Vorsprungsfläche aufweist und die Halterung ein vorderes und ein hinteres Halteelement aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei der Vorsprung zwischen den beiden Halteelementen positioniert ist und zwischen der hinteren Vorsprungsfläche und dem hinteren Halteelement ein erstes Entkoppelelement derart angeordnet ist, dass das erste Entkoppelelement sowohl das hintere Halteelement als auch die hintere Vorsprungsfläche berührt, wobei das Ultraschallschwingelement mit dem hinteren Halteelement nicht in Kontakt steht.
Ultraschallschwingeinheiten dienen in vielen Bereichen der Technik der Bearbeitung verschiedenster Materialien. Allen Einheiten ist gemein, dass zur Bearbeitung eines Materials ein Ultraschallschwingelement mit einer Schwingung angeregt wird, die auf weitere Komponenten der Ultraschallschwingeinheit oder auf ein zu bearbeitendes Material übertragen wird.
Typischerweise besteht eine Ultraschallschwingeinheit aus einen Konverter und einer Sonotrode sowie einem zwischen Konverter und Sonotrode angeordneten Amplitudentransformator. Ultraschallschwingelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung können sowohl Sonotrode, Konverter als auch der Amplitudentransformator sein.
Der Konverter wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine akustische Schwingung um. Ein an den Konverter angeschlossener Amplitudentransformator transformiert die Schwingungsamplitude der akustischen Schwingung, lässt die Frequenz jedoch gleich und gibt die Schwingung an die Sonotrode weiter, die eine mechanische Ultraschallschwingung auf ein zu bearbeitendes Material aufbringt. Durch die Einbringung der Ultraschallschwingung in das zu bearbeitende Material kommt es in dem Material zu einer lokalen Erwärmung, sodass beispielsweise mehrere Materiallagen miteinander verschmolzen werden können oder eine Durchtrennung des zu bearbeitenden Materials erfolgt.
Jedes der Ultraschallschwingelemente kann mit einer Ultraschallschwingung der Frequenz f und der Wellenlänge λ in eine Resonanzschwingung in Richtung der Längsachse gebracht werden. In Richtung der Längsachse werden die Ultraschallschwingelemente von Stirnflächen begrenzt, die im Resonanzfall in der Regel ein Schwingungsmaximum aufweisen. Weiter bildet sich mindestens ein Schwingungsknoten zwischen den beiden Stirnflächen aus, in welchem die Schwingungsamplitude minimal ist.
Grundsätzlich kommt es während des Betriebes einer Ultraschallschwingeinheit weiter nicht nur zu einer Ultraschallschwingung entlang der Längsachse eines Ultraschallschwingelementes, sondern es treten auch sogenannte Dickenschwingungen senkrecht zur Längsachse auf, die die Halterung zusätzlich belasten.
Ein kritischer Punkt bei dem Einsatz von Ultraschallschwingeinheiten für bearbeitende Verfahren ist grundsätzlich die stabile Halterung des Ultraschallschwingelementes in einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, da dieses wie oben beschrieben nicht statisch an einer Position verweilt, sondern durch die Schwingung in Bewegung ist. Um eine sichere Halterung zu gewährleisten, muss die Halterung die Bewegungen des Ultraschallschwingelementes kompensieren oder aufnehmen, wobei die Halterung durch die kontinuierlich wirkenden Kräfte stark belastet wird und damit einem hohen Verschleiß unterliegt.
Um den Verschleiß, dem eine Halterung eines Ultraschallschwingelementes unterliegt, zu reduzieren, ist es daher erforderlich die starre Halterung so gut wie möglich von den Schwingungen des Ultraschallschwingelementes zu entkoppeln. Gleichzeitig muss jedoch auch sichergestellt sein, dass das Ultraschallschwingelement zuverlässig in der gewünschten Position gehalten wird.
Aus dem Stand der Technik ist hierzu bekannt, das Ultraschallschwingelement mittels elastischer O-Ringe zu lagern, die zwischen den Vorsprungsflächen eines Vorsprungs des Ultraschallschwingelementes und den Halteelementen der Halterung angeordnet sind und zumindest einen Teil der Schwingungen des Ultraschallschwingelementes aufnehmen. So greifen die Schwingungen nur noch in gedämpfter Form an dem starren Grundkörper der Halterung an.
Die Lagerung zwischen zwei elastischen O-Ringen hat jedoch den Nachteil, dass die O-Ringe aufgrund der geringen Härte, der damit niedrigen zulässigen Flächenpressung und leichten Verformbarkeit keine hohen Prozesskräfte aufnehmen können und damit beispielsweise bei der Ultraschallbearbeitung von harten Materialien wie Metallen nicht eingesetzt werden können. Weiter erlaubt die Verwendung von O-Ringen nur ein begrenzt hinreichende Zentrierung des Ultraschallschwingelementes in der Halterung, da über den O-Ring nur begrenzt radial zur Längsachse wirkenden Kräfte auf das Ultraschallschwingelement übertragen werden können.
Eine stabilere Verbindung, die auch höheren Prozesskräften standhält, wird im Stand der Technik typischerweise durch metallische Verbindungen zwischen dem Ultraschallschwingelement und der Halterung realisiert. Dabei greift die metallische Verbindung meist an einem Schwingungsknotender Longitudinalschwingung in Längsrichtung an. An diesem Punkt ist jedoch meist die beschriebene Dickenschwingung vergleichsweise groß. Daher sollte die metallische Verbindung in Längsrichtung relativ starr und in Querrichtung relativ weich sein. Eine solche metallische Verbindung hat jedoch den Nachteil, dass der Bauraum, der für eine solche Lösung benötigt wird, vergleichsweise groß ist. Zudem ist die Ausgestaltung einer solchen metallischen Verbindung mit sehr viel Aufwand verbunden, da das Risiko der Schallübertragung durch die metallische Verbindung im Vergleich zu der Verbindung mittels O-Ringen deutlich erhöht ist. Weiter muss eine gleichmäßige Klemmung des Ultraschallschwingelementes sichergestellt sein, was ebenfalls dazu führt, dass ein metallisches Verbindungselement mit sehr hoher Genauigkeit an das zu haltende Ultraschallschwingelement angepasst werden muss. Damit kann das Verbindungselement jedoch nicht ohne Weiteres auf andere Bauformen und Größen von Ultraschallschwingelementen skaliert werden. Häufig erfordert eine metallische Klemmung auch eine zusätzliche Abdichtung der Halterung, um den Eintrag von Verunreinigungen in die Halterung zu minimieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallschwingeinheit mit einer Halterung für ein Ultraschallschwingelement bereitzustellen, die eine hohe Belastbarkeit und damit Stabilität bei gleichzeitig möglichst einfacher Geometrie, Schallentkopplung und Abdichtmöglichkeit aufweist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Ultraschallschwingeinheit der eingangs genannten Art gelöst, wobei das erste Entkoppelelement ein Kunststoff, vorzugsweise ein Elastomer oder ein Thermoplast, mit einer SHORE A-Härte von mehr als 70 Shore ist.
In einer Ausführungsform ist das erste Entkoppelelement ein Kunststoff mit einer SHORE D-Härte von mehr als 30 Shore, vorzugsweise von mehr als 50 Shore und besonders bevorzugt von mehr als 75 Shore. In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Entkoppelelement ein Kunststoff mit einer SHORE D-Härte von weniger als 90 Shore.
Die Shore-Härte gemäß den Normen DIN EN ISO 868, DIN ISO 7619-1 und ASTM D2240-00 ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und andere Kunststoffe, die in direkter Beziehung zu einer Eindringtiefe eines federbelasteten Stifts aus gehärtem Stahl steht, der unter definierten Bedingungen auf ein Material gedrückt wird, dessen Härte charakterisiert werden soll. Die Shore-Härte bemisst sich dabei auf einer Skala von 0 Shore bis 100 Shore, wobei 100 Shore eine Eindringtiefe von 0 mm bedeutet und damit ein hoher Shore-Wert für eine hohe Materialhärte steht. Während bei der Messung des Shore-A-Wertes der Stift aus einer Nadel mit abgestumpfter Spitze besteht, wird bei der Messung eines Shore-D-Wertes eine Nadel verwendet, die mit einem 30°-Winkel zuläuft und eine kugelförmige Spitze mit einem Durchmesser von 0,2 mm aufweist.
Das erste Entkoppelelement der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit ist daher insbesondere durch seine Härte charakterisiert, die einerseits eine ausreichende Schwingungsentkopplung zwischen Halter und Ultraschallschwingelement und andererseits eine stabile Halterung des Ultraschallschwingelementes gewährleistet. Hierzu ist das erste Entkoppelelement aus einem Kunststoff gefertigt, der im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten O-Ringen eine deutlich höhere Härte aufweist, jedoch nachgiebiger als eine metallische Klemmung ist. Das erfindungsgemäße erste Entkoppelelement kombiniert damit die Vorteile einer kraftschlüssigen metallischen Klemmung mit denen einer Lagerung zwischen O-Ringen.
Mit anderen Worten handelt es sich bei dem ersten Entkoppelelement der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit um einen formstabilen Kunststoff, der in der Lage ist, die bei einem Ultraschallverfahren wirkenden Prozesskräfte ohne wesentliche Verformungen aufzunehmen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Entkoppelelement ein Thermoplast, wobei der Thermoplast bis zu einer Temperatur von mindestens 70°C eine Shore-A-Härte von mehr als 70 Shore aufweist, Insbesondere ist in einer Ausführungsführung der Kunststoff des Entkoppelelementes so gewählt, dass die zulässige Flächenpressung bis zu einer Temperatur von mindestens 70°C nicht abnimmt. Unter der Flächenpressung wird die Kraft pro Kontaktfläche zwischen zwei Festkörpern verstanden, wenn diese Festkörper aufeinander gedrückt werden.
Ein Material, dass die oben beschriebenen Anforderungen an das erfindungsgemäße erste Entkoppelelement mit möglichst geringem Bauraum und vergleichsweise hohen Prozesskräften erfüllt ist Polyetheretherketon (PEEK).
In einer weiteren Ausführungsform ist der Vorsprung als über die Mantelfläche vorstehender und die Mantelfläche zumindest abschnittsweise umlaufender Vorsprung, vorzugsweise als Wulst, ausgebildet. Es versteht sich, dass der Vorsprung die Mantelfläche entweder vollständig umläuft oder alternativ aus mehreren Segmenten bestehen kann, die die Mantelfläche abschnittsweise umlaufen. Das erste Entkoppelelement und vorzugsweise das zweite Entkoppelelement kann dabei korrespondierend zu den Vorsprungssegmenten ebenfalls aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein. Weiter kann der Vorsprung in einem Querschnitt entlang der Längsachse auch dahingehend optimiert sein, dass die Schallentkopplung durch den Vorsprung zusätzlich unterstützt wird. Hierzu ist ein Querschnitt des Vorsprungs in einer Ausführungsform z-förmig ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter Vorsprung vorgesehen, der entlang der Längsachse beabstandet zu dem ersten Vorsprung angeordnet ist, wobei das erste Entkoppelelement eine Vorsprungsfläche des ersten Vorsprungs berührt und das zweite Entkoppelelement eine Vorsprungsfläche des zweiten Vorsprungs.
Insbesondere umläuft das erste Entkoppelelement die Mantelfläche des Ultraschallschwingelementes vollständig oder zumindest abschnittsweise.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass mithilfe des ersten Entkoppelelementes auch eine radiale Klemmung des Ultraschallschwingelementes in der Halterung erfolgen kann und damit die Zentrierung des Ultraschallschwingelementes in der Halterung verbessert wird. Durch die verbesserten schallabsorbierenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen ersten Entkoppelelementes besteht auch beim radialen Kontakt eine deutlich geringere Gefahr auf Schallübertragung wie es bei einer umlaufenden metallischen Klemmung der Fall wäre.
Das erste Entkoppelelement der beanspruchten Ultraschallschwingeinheit ist aufgrund der beanspruchten Härte und der damit einhergehenden Formstabilität im Vergleich zum O-Ring deutlich belastbarer, sodass höhere Axialkräfte auf die Mantelfläche des Ultraschallschwingelementes übertragen werden können und damit eine Zentrierung des Ultraschallschwingelementes in der Halterung ermöglich wird.
In einer Ausführungsform weist das hintere Halteelement oder das vordere Halteelement weiter eine Zentrierfläche auf, die von einem Abschnitt der Mantelfläche beabstandet angeordnet ist, wobei das erste Entkoppelelement sowohl mit dem Abschnitt der Mantelfläche als auch mit der Zentrierfläche im Kontakt steht.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das erste Entkoppelelement in einem entlang der Längsachse verlaufenden Querschnitt einen viereckigen Querschnitt, vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. In einer alternativen Ausführungsform ist auch ein trapezförmiger, ovaler oder ein abgestufter Querschnitt denkbar.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten O-Ringen, die häufig einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, hat das erfindungsgemäße Entkoppelelement den Vorteil, dass der Querschnitt beliebig gestaltet und damit auf die jeweilige Anwendung optimal angepasst werden kann. So kann beispielsweise das erste Entkoppelelement in definierten Dickenabstufungen eingesetzt werden, um eine Vorspannung auf die Klemmstelle bei der Halterung des Ultraschallschwingelementes definiert abzustimmen.
Ein O-Ring hat hingegen aufgrund seines üblichen kreisrunden Querschnittes den Nachteil, dass sich bei der Änderung der Schnurstärke auch die radiale und axiale Vorspannung ändert. Das erfindungsgemäße erste Entkoppelelement kann hingegen gezielt in nur einer Dimension abgestimmt werden und erlaubt dadurch eine gezielte Einflussnahme auf die Vorspannung insbesondere in axialer Richtung und die daraus resultierende Leerlaufleistung, also der Leistung, die ein Generator für die Ultraschallschwingeinheit aufbringen muss, um diese in die Resonanzschwingung zu versetzen, ohne dass eine Kraft auf die Siegelfläche wirkt. Damit wird das eingespannte Ultraschallschwingelement definiert gedämpft, sodass geringere bzw. kontrollierbare Energieverluste an der Klemmstelle entstehen und die Halterung weniger belastet wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ultraschallschwingeinheit an einem in Richtung der Längsachse vorderen Ende eine Sonotrode auf, wobei das vordere Halteelement näher an dem vorderen Ende angeordnet ist als das hintere Halteelement. In diesem Fall kann das Ultraschallschwingelement, welches den Vorsprung aufweist, die Sonotrode sein. Das Ultraschallschwingelement mit dem Vorsprung könnte jedoch auch ein Amplitudentransformator oder ein Konverter sein. Besteht die Ultraschallschwingeinheit aus mehreren Ultraschallschwingelementen, muss nicht jedes der Ultraschallschwingelemente einen Vorsprung auf der Mantelfläche aufweisen, sondern nur das Ultraschallschwingelement, welches mit der Halterung unmittelbar gehalten werden soll.
Wird das zu haltende Ultraschallschwingelement in eine Ultraschallschwingung versetzt und ein Material mit der Sonotrode bearbeitet, führt die Kraft, die das Material der Sonotrode entgegensetzt, dazu, dass sich die hintere Vorsprungsfläche näher an das hintere Halteelement bewegt. Durch die Anordnung des ersten Entkoppelelementes zwischen der hinteren Vorsprungsfläche und dem hinteren Halteelement wird die Kraft, die durch die Materialbearbeitung zusätzlich zu der Schwingung auf die Halterung wirkt, effektiv gedämpft.
Insbesondere kann die Ultraschallschwingeinheit an einem in Richtung der Längsachse hinterem Ende weiter einen Konverter aufweisen, wobei der Konverter entlang der Längsachse eine Länge L aufweist, wobei die Halterung ein Gehäuse aufweist, wobei sich das Gehäuse von dem vorderen Halteelement bis zu dem hinteren Ende mit einer Gehäuselänge erstreckt, die größer als die Länge L des Konverters ist, sodass der Konverter in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse vorzugsweise an dem hinteren Ende mit einem Deckel verschlossen ist. Dies bietet den Vorteil, dass die empfindliche Technik des Konverters von Umgebungseinflüssen wie Staub geschützt wird.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das erste Entkoppelelement aus zwei oder mehr Entkoppelelementteilen, die entlang der Längsachse derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich benachbarte Entkoppelelementeile berühren. Die Aneinanderreihung von mehreren Entkoppelelementteilen führt dazu, dass die akustische Entkopplung aufgrund der hintereinander gereihten Übergangsbereiche zwischen den einzelnen Entkoppelelementteilen verbessert wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein zweites Entkoppelelement vorgesehen, das zwischen dem Vorsprung und dem vorderen Halteelement derart angeordnet ist, dass das zweite Entkoppelelement sowohl das vordere Halteelement als auch die vordere Vorsprungsfläche berührt.
Insbesondere ist das zweite Entkoppelelement ein Kunststoff mit einer Härte, die geringer als die Härte des ersten Entkoppelelementes ist, wobei vorzugsweise das zweite Entkoppelelement ein Elastomer oder ein Thermoplast, beispielsweise in Form eines O-Rings oder einer Flachdichtung ist. Die Anordnung eines zweiten Entkoppelelementes zwischen der vorderen Vorsprungsfläche und dem vorderen Haltelement führt zu einer zusätzlichen Entkopplung des Ultraschallschwingelements von dem Halter. Zusätzlich passt sich das zweite Entkoppelelement aufgrund seiner geringeren Härte genauer an eine Kontur eines Hohlraumes an, der von der vorderen Vorsprungsfläche, dem vorderen Haltelement, der Mantelfläche und einer der Mantelfläche gegenüberliegenden Fläche der Halterung gebildet wird. Vorzugsweise wird der Hohlraum durch das zweite Entkoppelelement vollständig ausgefüllt, sodass das zweite Entkoppelelement eine zusätzliche Dichtfunktion zwischen dem Ultraschallschwingelement und der Halterung bietet. Dies ist insbesondere in Kombination mit einer Ausführungsform vorteilhaft, in welcher ein Konverter der Ultraschallschwingeinheit in einem Gehäuse der Halterung angeordnet ist, welches durch das zweite Entkoppelelement staubdicht verschlossen werden kann.
Alternativ ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das zweite Entkoppelelement aus dem gleichen Material wie das erste Entkoppelelement besteht. Dabei versteht sich, dass das zweite Entkoppelelement auch einen ähnlichen, vorzugsweise einen identischen, Querschnitt wie das erste Entkoppelelement aufweisen kann. Auf diese Weise wird ebenfalls eine Ultraschallschwingeinheit bereitgestellt, die besonders hohen Prozesskräften standhalten kann.
In einer weiteren Ausführungsform sind sowohl die vordere Vorsprungsfläche als auch die hintere Vorsprungsfläche unter einem Winkel größer als 0° und vorzugsweise größer als 45° gegenüber der Längsachse angeordnet sind, wobei besonders bevorzugt beide Vorsprungsflächen einen Winkel von 90° mit der Längsachse einschließen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Resonanzschwingung in Richtung der Längsachse mindestens einen Schwingungsknoten auf, wobei der Vorsprung an der Mantelfläche an dem Schwingungsknoten angeordnet ist. In diesem Bereich erfährt die Halterung die geringsten Einflüsse durch die Schwingung des Ultraschallschwingelementes.
In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Entkoppelelement und vorzugsweise das zweite Entkoppelelement in einem zerspanenden Verfahren oder in einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Insbesondere das 3D-Druckverfahren eignet sich zur Herstellung eines Entkoppelelementes mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften, ohne den Einsatz aufwendiger Technik. Dabei können diverse Geometrien von Entkoppelelementen auf einfache Art und Weise hergestellt werden, sodass eine Anpassung an die jeweiligen Ultraschallschwingelemente einfach möglich ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen deutlich. Gleiche Bauteile sind dabei mit gleichem Bezugszeichen versehen.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Explosionsansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit.
2a zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitt entlang der Längsachse der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform.
2b zeigt eine Detailansicht des in 2a gekennzeichneten Bereichs.
2c zeigt die in 2b gezeigte Detailansicht für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit.
3a zeigt eine schematische Darstellung einer Explosionsansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit.
3b zeigt eine Detailansicht eines Querschnitts der in 3a dargestellten Ausführungsform.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Explosionsansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Explosionsansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallschwingeinheit.

Die in den 1 und 2a-2c dargestellte Ultraschallschwingeinheit 1 weist ein Ultraschallschwingelement 10 sowie eine Halterung 20 zum Lagern des Ultraschallschwingelementes 10 auf. Bei dem Ultraschallschwingelement 10, welches in allen Ausführungsformen gezeigt ist, handelt es sich um ein kompaktes Ultraschallschwingelement 10, in welchem eine Sonotrode 10a und ein Konverter 10b in einem Bauteil integriert sind.
Das Ultraschallschwingelement 10 weist weiterhin eine Längsachse 100 sowie eine Mantelfläche 11 auf und kann in einem Betrieb der Ultraschallschwingeinheit 1 mit einer akustischen Schwingung der Wellenlänge λ und der Frequenz f entlang der Längsachse 100 in Resonanzschwingung gebracht werden. Auf der Mantelfläche 11 des Ultraschallschwingelementes 10 ist ein Vorsprung 12 angeordnet, der eine vordere Vorsprungsfläche 12a und eine hintere Vorsprungsfläche 12b aufweist. Weiter ist der Vorsprung 12 auf der Mantelfläche 11 als vorstehender und die Mantelfläche 11 umlaufender Vorsprung 12 ausgebildet.
Die Halterung 20 weist ein vorderes Halteelement 21 und ein hinteres Haltelement 22 auf, die zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei der Vorsprung 12 des Ultraschallschwingelementes 10 zwischen den Halteelementen 21, 22 angeordnet ist, wenn das Ultraschallschwingelement 10 in der Halterung 20 angeordnet ist (siehe 2a-2c).
Die Ultraschallschwingeinheit 1 weist weiter ein erstes Entkoppelelement 23 auf, das zwischen der hinteren Vorsprungsfläche 12b und dem hinteren Haltelement 22 angeordnet ist und diese berührt (siehe 2a bis 2c). Das erste Entkoppelelement 23, welches eine Shore-A-Härte von mehr als 70 Shore hat, umläuft die Mantelfläche 11 vollständig und weist entlang der Längsachse 100 einen quadratischen Querschnitt auf und ist derart zwischen der hinteren Vorsprungsfläche 12b, dem hinteren Haltelement 22, einer Zentrierfläche 22a des hinteren Halteelementes 22 sowie einem Abschnitt 11 a der Mantelfläche 11 angeordnet, dass das erste Entkoppelelement 23 mit allen Komponenten 12b, 22, 22a, 11a in Kontakt steht und damit sowohl eine Schwingungsentkopplung zwischen Ultraschallschwingelement 10 und Halterung 20 ermöglicht als auch eine Zentrierung des Ultraschallelementes 10 in der Halterung 20.
Weiter ist das vordere Haltelement 21 näher an einem vorderen Ende 101 der Ultraschallschwingeinheit 1 angeordnet als das hintere Haltelement 22. Das erste Entkoppelelement 23 ist damit auf einer Seite des Vorsprungs 12 angeordnet, die einem hinteren Ende 102 der Ultraschallschwingeinheit 1 zugewandt ist. Eine Kraft, die aufgrund der Materialbearbeitung in Richtung des hinteren Ende 102 wirkt, wird damit effektiv gedämpft.
Weiter verfügt die Ultraschallschwingeinheit über ein zweites Entkoppelelement 25, das zwischen der vorderen Vorsprungsfläche 12a und dem vorderen Halteelement 21 angeordnet ist. Auch das zweite Entkoppelelement 25 umläuft die Mantelfläche 11 vollständig.
Bei der in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem zweiten Entkoppelelement 25 um einen O-Ring, der eine geringe Härte als das erste Entkoppelelement 23 aufweist. Aus der in 2b gezeigten Vergrößerung eines Ausschnitts der 2a wird deutlich, dass das zweite Entkoppelelement 25 einen Hohlraum, der von der vorderen Vorsprungsfläche 12a, dem vorderen Halteelement 21, eines Abschnitts 11a der Mantelfläche 11 des Ultraschallschwingelementes 10 sowie einer der Mantelfläche gegenüberliegenden Fläche 21a der Halterung 20 gebildet wird, derart ausfüllt, dass ein Gehäuse der Halterung 20, in welchem der Konverter 10b angeordnet ist, von der Umgebung abgedichtet wird.
In der in 2c dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem zweiten Entkoppelelement 25 hingegen um ein Entkoppelelement, welches genauso wie das erste Entkoppelelement 23 ausgestaltet ist, wodurch die in 2c gezeigte Ausführungsform höhere Prozesskräfte aufnehmen kann, die beispielsweise bei der Bearbeitung von Metallen entstehen. Das zweite Entkoppelelement 25 steht dabei in Kontakt mit der vorderen Vorsprungsfläche 12a, dem vorderen Halteelement 21, der Zentrierfläche 21a sowie einem Abschnitt 11a der Mantelfläche 11.
Die in den 3a und 3b gezeigte Ausführungsform weist ein erstes Entkoppelelement 23 auf, welches aus drei Entkoppelelementteilen 23a, 23b, 23c besteht, wobei die benachbarten Entkoppelelementteile auf der Längsachse 100 nebeneinander angeordnet sind und miteinander in Kontakt stehen. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Entkoppelelementteile 23a, 23c, 23c wird die Entkopplung zwischen Ultraschallschwingelement 10 und Halterung 20 zusätzlich verbessert.
Die 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen, bei denen der Vorsprung 12 nicht als die Mantelfläche 11 umlaufender Vorsprung 12 ausgebildet ist. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform weist der Vorsprung 12 hingegen zwei Segmente auf, die auf sich gegenüberliegenden Seiten der Mantelfläche 11 angeordnet sind und von dieser vorstehen. Das erste Entkoppelelement 23 sowie das zweite Entkoppelelement 25 sind dabei korrespondierend zu den Vorsprungsegmenten ebenfalls aus zwei quaderförmigen Segmenten aufgebaut.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform zeigt einen Vorsprung 12, der in einem Querschnitt entlang der Längsachse 100 eine Z-Form aufweist. Das erste Entkoppelelement 23 und das zweite Entkoppelelement 25 sind wie in der in 4 gezeigten Ausführungsform ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallschwingeinheit
10: Ultraschallschwingelement
10a: Sonotrode
10b: Konverter
11: Mantelfläche
11a: Abschnitt der Mantelfläche
12: Vorsprung
12a: vordere Vorsprungsfläche
12b: hintere Vorsprungsfläche
20: Halterung
21: vorderes Halteelement
21a, 22a: Zentrierfläche
22: hinteres Halteelement
23: erstes Entkoppelelement
23a, 23b, 23c: Entkoppelelementteile
24: Gehäusedeckel
25: zweites Entkoppelelement
100: Längsachse
101: vorderes Ende
102: hinteres Ende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 868 [0015]
DIN ISO 7619-1 [0015]

Claims

Ultraschallschwingeinheit (1) mit zumindest einem Ultraschallschwingelement (10) und einer Halterung (20) zum Lagern des Ultraschallschwingelements (10), wobei das Ultraschallschwingelement (10) eine Längsachse (100) und eine Mantelfläche (11) aufweist und in einem Betrieb der Ultraschallschwingeinheit (1) mit einer akustischen Schwingung der Wellenlänge λ und der Frequenz f entlang der Längsachse (100) in eine Resonanzschwingung gebracht werden kann, wobei die Mantelfläche (11) zumindest einen Vorsprung (12) mit einer vorderen Vorsprungsfläche (12a) und einer hinteren Vorsprungsfläche (12b) aufweist und die Halterung (20) ein vorderes (21) und ein hinteres (22) Halteelement aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei der Vorsprung (12) zwischen den beiden Halteelementen (21, 22) positioniert ist und zwischen der hinteren Vorsprungsfläche (12b) und dem hinteren Halteelement (22) ein erstes Entkoppelelement (23) derart angeordnet ist, dass das erste Entkoppelelement (23) sowohl das hintere Halteelement (22) als auch die hintere Vorsprungsfläche (12b) berührt, wobei das Ultraschallschwingelement (10) mit dem hinteren Halteelement (22) nicht in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) ein Kunststoff, vorzugsweise ein Elastomer oder ein Thermoplast, mit einer SHORE A- Härte von mehr als 70 Shore ist.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) ein Kunststoff mit einer SHORE D-Härte von mehr als 30 Shore, vorzugsweise von mehr als 50 Shore und besonders bevorzugt von mehr als 75 Shore ist.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) ein Kunststoff mit einer SHORE D-Härte von weniger als 90 Shore ist.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (12) als über die Mantelfläche (11) vorstehender und die Mantelfläche (11) zumindest abschnittsweise umlaufender Vorsprung ausgebildet ist.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) die Mantelfläche (11) vollständig umläuft.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Halteelement (22) und/oder das vordere Halteelement (21) eine Zentrierfläche (21a, 22a) aufweist, die von einem Abschnitt (11a) der Mantelfläche (11) beabstandet angeordnet ist, wobei das erste Entkoppelelement (23) sowohl mit dem Abschnitt (11a) der Mantelfläche (11) als auch mit der Zentrierfläche (21a, 22a) im Kontakt steht.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) in einem entlang der Längsachse (100) verlaufenden Querschnitt einen viereckigen Querschnitt, vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingeinheit (1) an einem in Richtung der Längsachse (100) vorderen Ende (101) eine Sonotrode (10a) aufweist, wobei das vordere Halteelement (21) näher an dem vorderen Ende (101) angeordnet ist als das hintere Halteelement (22).
Ultraschallschwingeinheit (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingeinheit (1) an einem in Richtung der Längsachse (100) hinterem Ende (102) einen Konverter (10b) aufweist, wobei der Konverter (10b) entlang der Längsachse (100) eine Länge L aufweist, wobei die Halterung (20) ein Gehäuse aufweist, wobei sich das Gehäuse von dem vorderen Halteelement (21) bis zu dem hinteren Ende (102) mit einer Gehäuselänge erstreckt, die größer als die Länge L des Konverters (10b) ist, sodass der Konverter (10b) in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse vorzugsweise an dem hinteren Ende (102) mit einem Deckel (24) verschlossen ist.
Ultraschallschwingeinheit (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) aus zwei oder mehr Entkoppelelementteilen (23a, 23b, 23c) besteht, die entlang der Längsachse (100) derart nebeneinander angeordnet sind, dass sich benachbarte Entkoppelelementeile (23a, 23b, 23c) berühren.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Entkoppelelement (25) vorgesehen ist, dass zwischen dem Vorsprung (12) und dem vorderen Halteelement (21) derart angeordnet ist, dass das zweite Entkoppelelement (25) sowohl das vordere Halteelement (21) als auch die vordere Vorsprungsfläche (12a) berührt.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Entkoppelelement (25) ein Kunststoff mit einer Härte ist, die geringer als die Härte des ersten Entkoppelelements (23) ist, wobei vorzugsweise das zweite Entkoppelelement (25) ein Elastomer oder ein Thermoplast ist.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Entkoppelelement (25) aus dem gleichen Material wie das erste Entkoppelelement (23) besteht.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die vordere Vorsprungsfläche (12a) als auch die hintere Vorsprungsfläche (12b) unter einem Winkel größer als 0° und vorzugsweise größer als 45° gegenüber der Längsachse (100) angeordnet sind, wobei besonders bevorzugt beide Vorsprungsflächen (12a, 12b) einen Winkel von 90° mit der Längsachse (100) einschließen.
Ultraschallschwingeinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Entkoppelelement (23) und vorzugsweise das zweite Entkoppelelement (25) in einem zerspanenden Verfahren oder in einem 3D-Druck-Verfahren hergestellt sind.