Unidad de oscilación ultrasónica.

Unidad de oscilación ultrasónica para un dispositivo de soldadura ultrasónica para sellar y soldar pistas de material,

con un sonotrodo (12) unido a un convertidor (14) con al menos dos cuernos de sellado (16), que sobresalen radialmente de un eje de rotación (a) y pueden girar alrededor del eje de rotación (a), con un extremo libre que forma una superficie de sellado (18), en donde el sonotrodo (12) comprende un árbol de sonotrodo (20) con el eje de rotación (a), en donde uno o ambos lados frontales (22) del árbol de sonotrodo (20) están unidos a un convertidor (14), y caracterizado porque los cuernos de sellado (16), en el caso de nodos de oscilación (KL) de una oscilación longitudinal (SWI) en el árbol de sonotrodo (20), están fijados a través de unos boosters (24, 26) al árbol de sonotrodo (20), y porque los boosters (24, 26) y los cuernos de sellado (16) sobresalen radialmente del eje de rotación (a).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/065669.

Solicitante: ROBERT BOSCH GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: POSTFACH 30 02 20 70442 STUTTGART ALEMANIA.

Inventor/es: THAERIGEN,JAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B06B3/00 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B06 PRODUCCION O TRANSMISION DE VIBRACIONES MECANICAS, EN GENERAL.B06B PRODUCCION O TRANSMISION DE VIBRACIONES MECANICAS EN GENERAL (para las aplicaciones particulares, ver las subclases correspondientes, p. ej. B07B 1/40, B22C 19/06, B23Q 17/12, B24B 31/06, E01C 19/22; medida de vibraciones mecánicas o de ondas ultrasonoras, sonoras o infrasonoras G01H; sistemas que utilizan la reflexión o la rerradiación de ondas acústicas G01S 15/00; producción de energía sísmica para la prospección G01V 1/02; control de las vibraciones mecánicas G05D 19/00; procedimientos o dispositivos para transmitir, conducir o dirigir el sonido, en general G10K 11/00; síntesis de ondas acústicas G10K 15/02; elementos piezoeléctricos, electroestrictivos o magnetoestrictivos H01L 41/00; motores con imán, inducido o sistema de bobina vibrantes H02K 33/00; motores que utilizan el efecto piezoeléctrico, la electroestrición o la magnetoestrición H02N 2/00; producción de oscilaciones eléctricas H03B; resonadores electromecánicos como elementos de circuitos resonantes H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R). › Métodos o aparatos especialmente adaptados para transmitir vibraciones mecánicas de frecuencia infrasonora, sonora o ultrasonora.
  • B29C65/08 B […] › B29 TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS EN ESTADO PLASTICO EN GENERAL.B29C CONFORMACION O UNION DE LAS MATERIAS PLASTICAS; CONFORMACION O UNION DE SUSTANCIAS EN ESTADO PLASTICO EN GENERAL; POSTRATAMIENTO DE PRODUCTOS CONFORMADOS, p. ej. REPARACION (trabajo análogo a trabajo de metales con máquinas herramientas B23; trabajo con muela o pulido B24; corte B26D, B26F; fabricación de preformas B29B 11/00;  fabricación de productos estratificados combinando capas previamente no unidas para convertirse en un producto cuyas capas permanecerán unidas B32B 37/00 - B32B 41/00). › B29C 65/00 Ensamblado de elementos preformados; Aparatos a este efecto (para la fabricación de cajas, cartones, sobres o bolsas B31B; para soldar o fijar los plieges o cierres de los paquetes B65B 51/00; ensamblaje de elementos de construcción en general F16B; empalme de guías de luz G02B 6/255). › utilizando vibraciones ultrasonoras.

PDF original: ES-2544061_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Unidad de oscilación ultrasónica

Campo técnico

La presente invención se refiere a una unidad de oscilación ultrasónica para un dispositivo de soldadura ultrasónica para sellar y soldar pistas de material, con un sonotrodo unido a un convertidor con al menos una viga de sellado, 5 que sobresale radialmente de un eje de rotación y puede girar alrededor del eje de rotación, con un extremo libre que forma una superficie de sellado.

Estado de la técnica

La soldadura ultrasónica es un procedimiento para ensamblar materiales sintéticos. El ultrasonido es una oscilación mecánica por encima del umbral de audición. El margen de frecuencias empieza aproximadamente en 20 kHz y se 10 extiende hasta frecuencias de 1 Ghz. Estas frecuencias ultrasónicas se generan con frecuencia con ayuda de convertidores acústicos piezoeléctricos (convertidores) a partir de energía eléctrica. Esta energía oscilatoria mecánica se aplica a través de un sonotrodo unido al convertidor, dado el caso a través de una pieza de transformación de amplitud (booster) , a la pieza de trabajo o al material a mecanizar. La superficie del sonotrodo, que está prevista para entrar en contacto con el material a mecanizar, también recibe el nombre de superficie de 15 sellado.

La unidad de oscilación ultrasónica representa de este modo una estructura que oscila en funcionamiento y se compone del convertidor, dado el caso de la pieza de transformación de amplitud y del sonotrodo.

Para transmitir efectivamente la oscilación ultrasónica con ayuda de la unidad de oscilación ultrasónica es necesario llevar a resonancia la unidad de oscilación ultrasónica. En función de la estructura de la unidad de oscilación 20 ultrasónica, ésta presenta un gran número de frecuencias naturales. Sólo cuando el convertidor genera una frecuencia natural de la unidad de oscilación ultrasónica se produce una oscilación resonante de la unidad de oscilación ultrasónica. Por ello el convertidor y la unidad de oscilación ultrasónica deben sintonizarse el uno con la otra.

Si hablamos con precisión, la frecuencia de resonancia se diferencia algo de la frecuencia natural, ya que cada 25 sistema real está atenuado. Sin embargo, a partir de ahora - como se hace también con frecuencia en la bibliografía - se usan de forma sinónima los términos frecuencia de resonancia y frecuencia natural. La frecuencia natural más importante de la unidad de oscilación ultrasónica es en general la frecuencia natural, a la que en la unidad de oscilación ultrasónica se configura una oscilación longitudinal estacionaria con nodos de onda y vientres de onda. Con ello se configura en cada caso un vientre de onda en los extremos frontales del sonotrodo. 30

A uno de los extremos frontales está conectado el convertidor, que genera la correspondiente frecuencia de excitación ultrasónica. Dado el caso está conectado entre el convertidor y el sonotrodo un transformador de amplitud (booster) , que modifica las amplitudes de la oscilación ultrasónica, pero no la frecuencia. Mediante la previsión de un booster no se influye en la frecuencia natural del sonotrodo y con ello en la posición de los nodos de oscilación de la oscilación longitudinal. 35

Para ciertos casos aplicativos la pieza de transformación de amplitud y el sonotrodo están configurados de forma enteriza, es decir, ya no pueden diferenciarse ópticamente. Para diferenciar por ello el sonotrodo de la pieza de transformación de amplitud es necesario determinar la posición de los vientres de oscilación de la oscilación longitudinal pura. El sonotrodo comprende normalmente la superficie de sellado. Cada segmento, que en dirección longitudinal va del máximo de oscilación al máximo de oscilación y que no influye en la frecuencia natural de la 40 oscilación longitudinal pura, no forma parte del sonotrodo. Por el contrario, un segmento así influye en la oscilación longitudinal pura, es decir, si no puede extraerse sin una modificación importante de la frecuencia natural, pertenece al sonotrodo.

A la hora de mecanizar materiales con ayuda de ultrasonidos se posiciona normalmente el material a mecanizar entre el sonotrodo y una contra-herramienta (no perteneciente a la estructura de oscilación) , que también recibe el 45 nombre de yunque. El sonotrodo que está contacto con el material a mecanizar transmite después la energía ultrasónica al material a meczanizar, el cual por medio de esto por ejemplo se suelda o separa. El calor necesario para plastificar la pista de material se genera mediante la transformación de oscilaciones ultrasónicas en energía de fricción. A causa de la fricción superficial límite y la molecular se produce de este modo calor, con el que puede unirse por fundición el material sintético. 50

En la mayoría de los sonotrodos se usa la oscilación ultrasónica longitudinal para transmitir energía a través de la superficie de sellado.

Sin embargo, también existen sonotrodos con una superficie de sellado esencialmente en forma de superficie de envuelta cilíndrica, que utiliza para transmitir energía la oscilación ultrasónica radial, que se configura transversalmente a la dirección de propagación longitudinal de la oscilación ultrasónica. Estos sonotrodos se componen con frecuencia de un segmento fundamentalmente en forma de barra, al que se unen un convertidor y dado el caso un booster, y de un segmento en forma de rueda o de campana, que sobresale radialmente por encima 5 del segmento en forma de barra. El segmento en forma de rueda o de campana presenta la superficie de sellado.

Estos sonotrodos presentan en general dos modos principales de oscilación natural.

Uno de los modos de oscilación natural se corresponde fundamentalmente con la oscilación resonante longitudinal del segmento en forma de barra. Esta oscilación resonante tiene una amplitud de oscilación longitudinal relativamente grande. Sin embargo, a esto va ligada también una influencia forzada del material en dirección 10 transversal, es decir, perpendicular al eje de barra. Esta influencia forzada se manifiesta en una oscilación en espesor, que se propaga radialmente respecto al eje de barra. La amplitud de oscilación de la oscilación en espesor es relativamente pequeña, lo que tiene como consecuencia que la mayor parte (más del 90%) de la energía oscilatoria absorbida en el sistema de oscilación está contenida en la oscilación longitudinal.

El otro modo de oscilación natural se corresponde fundamentalmente con la resonancia de la oscilación radial del 15 segmento de rueda. A esto va ligada una oscilación relativamente pequeña (forzada) en dirección longitudinal. En este modo de oscilación natural la mayor parte (casi siempre más del 90%) de la energía oscilatoria absorbida en el sistema de oscilación está contenida en la oscilación radial.

Durante la soldadura por rotación se utiliza el segundo modo de oscilación natural, ya que mediante la generación de una oscilación longitudinal relativamente pequeña en el segmento en forma de barra del sonotrodo, puede 20 generarse una oscilación radial relativamente grande en el segmento de rueda del sonotrodo.

De este modo se conocen sonotrodos con una superficie de sellado en forma de superficie cilíndrica, que se usan para una mecanización ultrasónica continuada de pistas de material movidas. Estos sonotrodos se hacen rotar en funcionamiento alrededor de su eje longitudinal, de tal manera la superficie de sellado en forma de superficie cilíndrica se mueve fundamentalmente con la misma velocidad que la pista de material a mecanizar. De este modo, 25 en estos sonotrodos siempre está en contacto con la pista de material sólo una pequeña parte de la superficie de sellado.

Un dispositivo de soldadura ultrasónica de la clase citada al comienzo se conoce del documento WO 2007/012917 A1, El dispositivo ejecutado con varias aletas se compone de dos árboles rotatorios, que están situados mutuamente en paralelo. Sobre uno de los árboles están montados los sonotrodos, sobre el otro árbol los yunques. Los 30 convertidores que se usan para alimentar los sonotrodos están colocados también sobre el árbol rotatorio. En este dispositivo existe el inconveniente de que para cada sonotrodo se necesita un convertidor. En el caso de una ejecución de por ejemplo 4 aletas se necesitan de este modo cuatro convertidores, lo que causa unos costes elevados. Los convertidores y sonotrodos tienen una altura constructiva relativamente grande. Por ello la distancia axial entre los dos árboles paralelos debe elegirse grande, lo que exige mucho espacio y tiene un efecto negativo en 35 el margen de formatos. Si se cambia el formato, por ejemplo de 3 a 4 aletas, se requiere una complicada... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Unidad de oscilación ultrasónica para un dispositivo de soldadura ultrasónica para sellar y soldar pistas de material, con un sonotrodo (12) unido a un convertidor (14) con al menos dos cuernos de sellado (16) , que sobresalen radialmente de un eje de rotación (a) y pueden girar alrededor del eje de rotación (a) , con un extremo libre que forma una superficie de sellado (18) , en donde el sonotrodo (12) comprende un árbol de sonotrodo (20) con 5 el eje de rotación (a) , en donde uno o ambos lados frontales (22) del árbol de sonotrodo (20) están unidos a un convertidor (14) , y caracterizado porque los cuernos de sellado (16) , en el caso de nodos de oscilación (KL) de una oscilación longitudinal (SWI) en el árbol de sonotrodo (20) , están fijados a través de unos boosters (24, 26) al árbol de sonotrodo (20) , y porque los boosters (24, 26) y los cuernos de sellado (16) sobresalen radialmente del eje de rotación (a) . 10

2. Unidad de oscilación ultrasónica según la reivindicación 1, caracterizada porque las superficies de sellado (18) están situadas en paralelo al eje de rotación (a) .

3. Unidad de oscilación ultrasónica según la reivindicación 1, caracterizada porque cada cuerno de sellado (16) presenta un único punto de fijación 4. Unidad de oscilación ultrasónica según la reivindicación 3, caracterizada porque pueden estar dispuestos muchos 15 cuernos de sellado (16) de forma que sobresalgan radialmente del eje de rotación, en el caso de uno y el mismo nodo de oscilación (KL) .

5. Unidad de oscilación ultrasónica según la reivindicación 3, caracterizada porque pueden estar dispuestos muchos cuernos de sellado (16) de forma que sobresalgan radialmente del eje de rotación, en el caso de diferentes nodos de oscilación (KL) . 20

6. Unidad de oscilación ultrasónica según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque cada cuerno de sellado (16) presenta al menos dos puntos de fijación, en donde la distancia entre los puntos de fijación supone, en cada caso, un múltiplo de la longitud de onda de la oscilación longitudinal (SWl) .

7. Unidad de oscilación ultrasónica según la reivindicación 6, caracterizada porque pueden estar dispuestos muchos cuernos de sellado (16) de forma que sobresalgan radialmente del eje de rotación (a) , en el caso de los mismos 25 nodos de oscilación (KL) .

8. Unidad de oscilación ultrasónica según la reivindicación 6, caracterizada porque pueden estar dispuestos muchos cuernos de sellado (16) de forma que sobresalgan radialmente del eje de rotación (a) , en el caso de diferentes nodos de oscilación (KL) .


 

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