带有结构元件的处理元件的制作方法

带有结构元件的处理元件
1.本发明涉及一种用于对材料进行超声波处理的处理元件，比如焊头(sonotrode)或砧(anvil)。
2.超声波越来越多地用于接合无纺材料。在此期间，将要接合在一起的两个无纺布部段一个在另一个上方地放置在焊头和砧之间的间隙中，并且焊头受到超声波振动。由于超声波振动引起的摩擦，在接触表面上发生局部加热，使得特别是非织造材料的热塑性部件被熔化。要接合的材料部段的被熔化部件流动到彼此中，并确保冷却后牢固结合。
3.这使得在制造尿布时可以将无纺布的相应部段接合在一起以形成侧缝。
4.在处理无纺布时，经常需要收集材料。为此目的，在要接合的无纺布部段之间插入额外的弹性线。然后使要接合的无纺布部段在至少两个连接表面上相互连接，从而在处理期间借助超声波将线固定在两个连接表面之间，使得线与非织造布部段之间在两个空间方向上存在正连接，这些空间方向彼此垂直地定向。以这种方式，可以实现材料的收集。
5.处理元件可以具有基本上圆柱形或圆柱段形的承载件表面，其设计用于在处理期间与材料接触。然后，在处理期间，处理元件绕其纵向轴线旋转，使承载件表面在要处理的材料上滚动。
6.在这种情况下，承载件表面通常至少有一个结构元件在承载件表面上方径向突出，使得结构元件具有旨在与要处理材料发生接触的顶表面。然后，在结构元件的顶表面和与其一定距离布置的反元件的密封表面之间的区域进行实际焊接。
7.在线锚接的情况下，伸长的结构元件通常沿处理元件的纵向轴线延伸，使得结构元件通常与线的定向成一定角度，通常是成直角。因此，结构元件将线分段连接到无纺布部段。线可以自由移动的区域与线连接到无纺布部段的部段交替。这种连接可以在空间方向上通过力配合连接或通过无纺布和线之间的材料配合连接来实现，在该空间方向上没有形状配合连接。如果该线在超声波处理期间被拉扯，则该线分段固定，这导致当该线在处理之后放松时收集无纺布。
8.例如，反元件可以是焊头，处理元件可以是砧。在下文中，在此实施例的基础上解释本发明，此实施例是优选实施例。然而，原则上，可以将处理元件设计为焊头，而将反元件设计为砧。
9.在处理期间，带有结构元件的承载件表面在要处理材料上滚动，从而使结构元件特别引起焊接。
10.处理速度受到现有技术设备的限制。
11.原则上，可以提高馈送速率，即材料穿过处理元件和反元件之间的间隙的速度。
12.然而，以固定频率作用在材料上的焊头将不再向材料施加足够的能量来实现可靠的焊接。这是因为在较高的馈送速率下，材料与焊头的密封表面接触的时间更短，因此焊头施加到材料的“冲程(stroke)”更少。
13.这可以通过增加焊头压在要处理的材料上的力来部分补偿。结果，焊头的“每冲程(per stroke)”中，更多的能量被传递到材料中。然而，这会导致更多的摩擦，并导致被熔化的部件，这些被熔化的部件是通过超声波处理在要焊接的材料层之间的接合面处形成的。
即在所谓的接合区，被结构元件压出接合区，这也导致接缝变差，因为接合区不再有足够的热塑性部件可用。替代地或组合地，也可以增加超声波振动的振动幅度。这也会在焊头的“每冲程”将更多的能量传递到材料中。然而，这只能在有限的范围内实现。如果焊头以过高的振动幅度操作，则焊头材料可能会损坏。
14.为了实现更高的处理速度，已经使用了所谓的“焊轮”，其中若干焊头布置在轮上，从而增加轮旋转期间的接触时间。然而，此解决方案非常复杂。
15.另外，如果要将线接合到无纺布上，则还存在一个额外的问题，即太狭窄的结构元件会导致线夹持不足，因为夹持力会由于与无纺布部段的较小的相互作用表面而减小，该相互作用表面对应于结构元件的顶表面。另一个方面，如果结构元件选择得太宽，则相互作用表面和因此的夹持力变大，但变大的相互作用表面还会导致与要处理的材料的摩擦增加。此外，如果结构元件太宽，则线可以不受阻碍地移动的自由空间会减少，这对材料的收皱性能有负面影响。
16.基于所述的现有技术，因此本发明的问题在于指定一种处理元件，该处理元件可以以更高的馈送速率进行可靠的焊接。
17.根据本发明，该问题的解决在于，顶表面具有基部部段和至少一个凹部部段，凹部部段到纵向轴线的距离小于基部部段，其中，在垂直于纵向轴线的剖视图中，基部部段和凹部部段彼此相邻地布置。
18.当结构元件在材料上滚动时，可以在凹部部段中接收塑化部件，使得所述从接合区中被压出的塑制部件减少。
19.在线锚接的情况下，熔体在凹部部段的集中额外地改善了线夹持。
20.凹部部段还减少了有效相互作用表面，并因此减少了与材料的摩擦。同时，结构元件可以做得更宽，使得线得到充分固定。此外，凹部部段意味着为了实现相同的处理效果，必须施加在处理元件和反元件之间的力更小。另外，观察到所得产品的感觉有所改善。
21.在优选实施例中，由凹部部段形成的凹部不延伸到承载件表面，而是优选具有小于1mm且优选在0.05mm和0.2mm之间的深度。
22.在进一步的优选实施例中，凹部部段形成为凹槽，其优选为不仅在圆周方向上对齐。如果凹槽在圆周方向上对齐，则凹槽优选为不完全绕过承载件表面，而仅在《360
°
的圆周角上延伸，并且优选在小于45
°
且优选小于25
°
的圆周角上延伸。也有可能若干凹槽在圆周方向上间隔开来。
23.凹槽不旨在中断焊接，而仅是为了接收被熔化的材料，使得其基本上保持在位并可用于接合材料层。
24.已经示出，由于增加焊头在要处理的材料上的压力，该凹槽可以在凹槽的位置处阻止熔体的有害移位。然后，熔体仅向上移动到凹槽中。因此，凹槽用作被熔体的材料的容器。
25.在优选实施例中，凹槽的宽度小于1mm且优选小于0.6mm。优选地，凹槽的宽度在0.2至0.4mm之间。
26.取决于要焊接的材料，如果凹槽的横截面积小于0.15mm2，则可能就足够了。优选地，横截面积甚至小于0.05mm2，并且理想地，横截面积在0.015mm2和0.04mm2之间。
27.在优选实施例中，结构元件在顶表面具有不沿圆周方向对齐的多个凹槽，优选为
至少三个凹槽，这些凹槽优选为彼此平行布置。凹槽成功地将被熔化的材料保持在相应的位置，因此若干凹槽是有利的。
28.在进一步的优选实施例中，设置结构元件的顶表面具有主部段和在圆周方向上与主部段邻接的至少一个倒角部段，其主部段基本上是平坦的或形成凸弯曲部，其曲率半径对应于主部段与圆柱轴的距离。要么倒角部段相对于主部段成角度，使得主部段和倒角部段封围小于180
°
的角度，要么倒角部段是凸弯曲的，其中，如果主部段是凸弯曲的，则倒角部段的曲率半径小于主部段的曲率半径。优选地，至少一个凹部部段布置在主部段中。倒角部段用于逐渐准备用于主部段和反元件之间的焊接接触的材料。在主部段和倒角部段之间的过渡部处，顶表面的斜度或曲率发生变化。这确保了在使用处理元件时，结构元件和反元件之间的距离不断减小，直到已经实现结构元件和反元件之间的最小距离。
29.在进一步的优选实施例中，设置顶表面具有圆周方向上与主部段相对邻接的两个倒角部段，它们相对于主部段成角度，使得主部段和倒角部段各自封围小于180
°
的角度。因此，在处理期间，结构元件的顶表面不仅具有进入倒角部段，而且还具有离去倒角部段，由此，即使在结构元件的处理结束时，反元件施加到处理元件上的力也只是逐渐减小。
30.在进一步的优选实施例中，结构元件的顶表面是具有长度l和宽度b的伸长形状，其中l》b。优选地，该长度不平行于纵向轴线延伸，但优选为基本垂直于纵向轴线。
31.在进一步的实施例中，结构元件以及布置在顶表面的凹部部段在处理元件的整个长度l上连续延伸，长度l的定向基本上平行于纵向轴线。优选地，结构元件的长度l明显大于结构元件的宽度b，宽度b基本上垂直于长度l布置。
32.在进一步的实施例中，结构元件还基本上沿处理元件的纵向轴线延伸，其中，结构元件以及布置在顶表面的凹部部段以蛇形形状延伸。可以理解，在这种情况下，基部部段也是蛇形的。
33.本发明还涉及一种具有如上所述的处理元件的超声波焊接设备。除处理元件外，该超声波焊接设备还具有具有密封表面的反元件，该密封表面可以布置为与处理元件，使得在处理元件的结构元件的顶表面和反元件的密封表面之间形成间隙，在该间隙中可以布置要处理的材料，其中，在垂直于处理元件的纵向轴线的剖面图中，密封表面具有至少分段凹弯曲的焊接部段。
34.如上所述，反元件可以是焊头，处理元件可以是砧。焊接部段分段的弯曲部增加了焊头和砧之间的接触时间，使得可以将更多的能量引入材料中，这也提高了馈送速度，而不必增加焊头压在要处理的材料上的力。
35.在另一个优选实施例中，规定反元件的凹弯曲部段的曲率半径近似等于处理元件的主部段的曲率半径。实际上，特别优选的是如果反元件的凹弯曲部段的曲率半径略大于处理元件的主部段的曲率半径。在这种情况下，两个曲率半径之间的差异对应于焊接处理期间密封表面和结构元件的顶表面之间保持的间隙宽度。
36.在进一步的实施例中，反元件具有用于至少部分地接收至少一根线的凹槽，该凹槽定向在馈送方向上，在该馈送方向上，要处理的材料移动穿过处理元件和反元件之间的间隙，要处理的材料包括至少两个材料腹板部段和至少一根线，该至少一根线位于两个材料腹板部段之间。以这种方式，根据本发明的处理元件也可用于在超声波处理设备中生产可收集的材料。
37.在另一个优选实施例中，密封表面具有进入部段，其位于焊接部段附近并且是非弯曲的或曲率半径大于焊接部段的曲率半径地凹弯曲的。在此也是，在进入部段和焊接部段之间的过渡部处，密封表面的斜度或曲率会发生变化，使得在进入部段的部段中，处理元件和反元件之间的距离逐渐变小，直到达到对应于焊接部段与结构元件的顶表面之间的距离的最小距离。该进入部段布置为使得在馈送方向上移动穿过间隙的材料首先与进入部段发生接触，然后与焊接部段发生接触。
38.如果进入部段和焊接部段的尺寸大致相同，则是有利的。
39.本发明的其他优点、特征和可能的应用将从以下优选实施例和附图的描述中变得明显。
40.图1示出了超声波焊接设备的立体图，
41.图2示出了图1中标记为x的部段的详细放大图，
42.图3示出了图2的详细放大图；
43.图4示出了图1的超声波焊接设备的侧视图，
44.图5示出了图4的放大局部图。
45.图6示出了根据本发明的处理元件的进一步实施例的示意图，以及
46.图7示出了图6中的示意图的放大图。
47.图1示出了超声波焊接设备的立体图。超声波焊接设备具有形式为砧的处理元件1，此处设计为可以绕纵向轴线10旋转的辊。带承载件表面2的至少一个横缝棒11布置在辊上。形式为焊头的反元件3相对地布置。
48.在此，可以用超声波振动来激发反元件3。然后，要处理的材料移动穿过承载件表面2和焊头3面向承载件表面2的密封表面之间，从而材料的移动速度对应于处理元件1的外周速度。必须选择承载件表面2和焊头3之间的间隙，使得在处理期间超声波振动传递到材料上，并且热塑性部件在接合面处熔化。
49.图2示出了图1的详细放大图。
50.可以看出，多个结构元件4布置在承载件表面2上。结构元件4具有伸长的形状，其定向在圆周方向上。结构元件4在处理期间与材料发生接触，并确定在处理期间引入材料的焊接型式。例如，超声波焊接设备可用于生成由无纺布材料制成的尿布的侧缝。
51.图3示出了图2的详细放大图，其中结构元件4清晰可见。在圆周方向(相对于纵向轴线10)上，两个结构元件4彼此相邻地布置。在轴向方向上，许多这样的成对的结构元件彼此相邻地布置。
52.每个结构元件都有一个主部段6和两个倒角部段7、8，它们比主部段6更弯曲。已在主部段6中引入凹槽5，其在所示实施例中垂直于圆周方向延伸。凹槽不必须垂直于圆周方向。然而，为了达到本发明的效果，它们不应平行于圆周方向布置。如果凹槽平行于圆周方向布置，则它们不应在整个结构元件4上延伸。
53.在焊接期间，结构元件4在要处理的材料上滚动，使得倒角部段8首先与要处理的材料发生接触。由于倒角部段8的成角度布置，结构元件4与反元件3的相对的密封表面之间的距离在该区域内逐渐减小，直到在主部段6的区域中达到最小距离。主部段6可以是凸弯曲的，从而曲率半径基本上对应于结构元件4的顶表面与处理元件1的纵向轴线10之间的距离。
54.在主部段6中引入了深度为0.1mm、宽度为0.3mm的凹槽5。熔融材料可以渗透到所得凹部中，使得其基本上保持在位，并且不会被结构元件挤出接合区。
55.图4示出了图1的超声波焊接设备的侧视图。所述密封表面，即面向承载件表面或结构元件4的表面，为表面9。
56.图5示出了图4的放大局部图。此处的表面9由进入部段9a和焊接部段9b组成。焊接部段9b是凹弯曲的，其曲率半径与处理元件主部段的曲率半径基本上相同。该措施可确保在处理期间材料与焊头保持更长时间的接触，以便将更多的能量引入到要处理的材料中。在该实施例中，进入部段9a不是弯曲的，因此确保要处理的材料最初被引导到进入部段9a区域的狭窄间隙中。在焊接部段9b的区域中，间隙最小，并且在焊接部段区域基本上保持不变。在这种情况下，焊接主要由焊接部段9b进行，但进入部段9a已经可以在其面向焊接部段9b的端部为焊接做出贡献。
57.最后，图6和图7示出了根据本发明的处理元件1的替代实施例，其特别适用于生产可收集的材料。为此目的，在要处理的材料的两个材料腹板部段之间引导至少一根线，该至少一根线通过结构元件4以力配合或材料配合方式连接到部段中的材料腹板部段。结构元件4在纵向轴线10的方向上在砧1的整个范围内连续延伸。此外，结构元件4以及因此的凹槽5也以蛇形形状延伸(见图7)。由于图6和图7所示的设计，线被稳定地连接到材料腹板部段，同时减少了处理元件1与材料之间的摩擦。
58.附图标记列表
59.1处理元件(砧)
60.2承载件表面
61.3反元件(焊头)
62.4结构元件
63.5凹槽
64.6主部段
65.7,8倒角部段
66.9 密封表面
67.9a 进入部段
68.9b 焊接部段
69.10 纵向轴线
70.11 缝边。

技术特征：
1.一种用于处理材料的处理元件，比如焊头或砧，所述处理元件具有基本上圆柱形或圆柱段形的承载件表面，所述承载件表面旨在于处理期间与所述材料发生接触，所述处理元件旨在于处理期间绕所述处理元件的纵向轴线旋转，使得所述承载件表面在圆周方向上移动并且在要处理的所述材料上滚动，在所述承载件表面上布置至少一个结构元件，所述结构元件在径向方向上突出在所述承载件表面的上方，所述结构元件具有顶表面，所述顶表面旨在与要处理的所述材料发生接触，其特征在于，所述顶表面具有基部部段和至少一个凹部部段，所述凹部部段与所述纵向轴线之间的距离小于所述基部部段，所述基部部段和所述凹部部段在垂直于所述纵向轴线的剖视图中并排地布置。2.根据权利要求1所述的处理元件，其特征在于，由所述凹部部段形成的凹部不延伸到所述承载件表面，优选地所述凹部的深度小于1mm且更优选为在0.05mm至0.2mm之间。3.根据权利要求1或2所述的处理元件，其特征在于，所述凹部部段形成为凹槽，所述凹槽优选地在所述圆周方向上不对齐。4.根据权利要求3所述的处理元件，其特征在于，所述凹槽的宽度小于1mm且优选为小于0.6mm且特别优选为在0.2mm至0.4mm之间。5.根据权利要求3或4所述的处理元件，其特征在于，所述凹槽的横截面积小于0.15mm2，优选为小于0.05mm2并且特别优选地所述横截面积在0.015mm2至0.04mm2之间。6.根据权利要求3至5中的任一项所述的处理元件，其特征在于，所述结构元件具有在所述顶表面上的不圆周对齐的多个凹槽，优选为至少三个凹槽，优选地各所述凹槽平行于彼此地布置。7.根据前述权利要求中的任一项所述的处理元件，其特征在于，所述顶表面包括主部段和至少一个倒角部段，所述主部段形成为基本上是平坦的或带有曲率半径对应于所述主部段与所述圆柱形轴线之间的所述距离的凸弯曲部，所述倒角部段在所述圆周方向上与所述主部段邻接，所述倒角部段也相对于所述主部段成角度，使得所述主部段和所述倒角部段形成<180
°
的角度和/或是凸弯曲的，其中，如果所述主部段是凸弯曲的，则所述倒角部段的曲率半径小于所述主部段的所述曲率半径，其中优选地，所述至少一个凹部部段布置在所述主部段中。8.根据前述权利要求中的任一项所述的处理元件，其特征在于，设置在所述圆周方向上彼此间隔开的至少两个所述结构元件。9.根据前述权利要求中的任一项所述的处理元件，其特征在于，所述处理元件设计为砧。10.根据前述权利要求中的任一项所述的处理元件，其特征在于，所述顶表面是具有长度l和宽度b的伸长形状，其中l>b。11.根据前述权利要求中的任一项所述的处理元件，其特征在于，布置在所述顶表面上的所述结构元件(4)以及所述凹部部段(5)在所述处理元件(1)的总体长度l上连续延伸，其中，所述长度l定向为基本上平行于所述纵向轴线(10)。12.一种超声波焊接设备，包括根据前述权利要求中的任一项所述的处理元件以及反元件，所述反元件具有密封表面，所述密封表面能与所述处理元件相对地布置，使得在所述顶表面和所述密封表面之间形成间隙，能在所述间隙中布置要处理的材料，其中，在垂直于所述处理元件的纵向轴线的剖视图中，所述密封表面具有至少分段地凹弯曲的焊接部段。
13.根据权利要求12所述的超声波焊接设备，其特征在于，所述反元件的所述凹弯曲部段的曲率半径近似等于所述处理元件的所述主部段的所述曲率半径。14.根据权利要求12或13所述的超声波焊接设备，其特征在于，所述反元件具有用于至少部分地接收至少一根线的凹槽，所述凹槽定向在馈送方向上，在所述馈送方向上要处理的所述材料移动穿过所述处理元件和所述反元件之间的所述间隙，其中，要处理的所述材料包括至少两个材料腹板部段和所述至少一根线，其中，所述至少一根线定位在所述两个材料腹板部段之间。15.根据权利要求12或13所述的超声波焊接设备，其特征在于，所述密封表面具有进入部段，所述进入部段位于所述焊接部段附近并且是非弯曲的或曲率半径大于所述焊接部段的所述曲率半径地凹弯曲的。16.根据权利要求14所述的超声波焊接设备，其特征在于，所述处理元件旨在在馈送方向上旋转，要处理的材料在所述馈送方向上穿过所述处理元件和所述反元件之间，其中，将进入部段和焊接部段布置为使得在所述馈送方向上移动穿过所述间隙的材料首先与所述进入部段发生接触，然后与所述焊接部段发生接触。17.根据权利要求14或15所述的超声波焊接设备，其特征在于，所述进入部段和所述焊接部段在尺寸上近似相等。18.根据权利要求12至16中的任一项所述的超声波焊接设备，其特征在于，所述反元件设计为焊头。

技术总结
本发明涉及一种用于处理材料的处理元件(1)，比如焊头(3)或砧，该处理元件(1)具有基本上圆柱形或圆柱段形的承载件表面(2)，该承载件表面(2)旨在于处理期间与材料发生接触，处理元件(1)设置为在处理期间绕其纵向轴线(10)旋转，使得承载件表面(2)在圆周方向上移动并且在要处理的材料上滚动，其中，至少一个结构元件(4)布置在承载件表面(2)上，结构元件(4)在径向方向上突出远离承载件表面(2)，其中，结构元件(4)具有顶表面，该顶表面旨在与要处理的材料发生接触。为了提供能够在高馈送速率下进行可靠焊接的处理元件(1)，根据本发明提出，顶表面具有基部部段和至少一个凹部部段，凹部部段与纵向轴线(10)之间的距离小于基部部段，其中，在垂直于纵向轴线(10)的剖视图中，基部部段和凹部部段彼此相邻地布置。部段和凹部部段彼此相邻地布置。部段和凹部部段彼此相邻地布置。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：海尔曼超声波技术两合有限公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2023/8/24