DE102023114852A1 - Ultrasonic machining process for joining layers and ultrasonic machining device - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallbearbeitungsverfahren zur Verbindung von Schichten eines kompressiblen Materials bzw. eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zum Ausführen des Verfahrens, wobei zumindest drei aufeinander angeordneten Schichten eines Materials oder verschiedener Materialien, nämlich eine äußere Schicht, eine innere Schicht und eine mittlere Schicht, wobei zumindest eine der zumindest drei Schichten ein kompressibles Material aufweist, sowie eine Sonotrode, die mit einer Ultraschallschwingung angeregt werden kann, bereitgestellt werden, wobei die Siegelfläche der Sonotrode mit der äußeren Schicht in Kontakt gebracht wird und die Sonotrode in Richtung der inneren Schicht mit einer Zustellkraft bewegt wird, sodass die aufeinander angeordneten Schichten durch die Zustellkraft zusammengedrücktwerden, wobei die Zustellkraft und/oder eine Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung derart gewählt wird, dass die äußere Schicht mit der zumindest einen mittleren Schicht, die an die äußere Schicht angrenzt, verbunden wird, aber nicht alle der zumindest drei aufeinanderliegenden Schichten miteinander verbunden werden.

The present invention relates to an ultrasonic processing method for connecting layers of a compressible material or an ultrasonic processing device for carrying out the method, wherein at least three layers of one material or different materials arranged on top of one another, namely an outer layer, an inner layer and a middle layer, wherein at least one of the at least three layers comprises a compressible material, and a sonotrode which can be excited with an ultrasonic vibration are provided, wherein the sealing surface of the sonotrode is brought into contact with the outer layer and the sonotrode is moved in the direction of the inner layer with a feed force so that the layers arranged on top of one another are pressed together by the feed force, wherein the feed force and/or an oscillation amplitude of the ultrasonic vibration is selected such that the outer layer is connected to the at least one middle layer which adjoins the outer layer, but not all of the at least three layers lying on top of one another are connected to one another.

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallbearbeitungsverfahren zur Verbindung von Schichten eines kompressiblen Materials sowie eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to an ultrasonic processing method for joining layers of a compressible material and to an ultrasonic processing device for carrying out the method.

Unter Kompression wird die Verringerung des Volumens und damit eine Erhöhung der Dichte eines Körpers verstanden, wenn dieser aus einer oder mehreren Richtungen zusammengedrückt, d.h. wenn eine Kraft auf den Körper ausgeübt wird. Im Allgemeinen kann daher jeder Festkörper als kompressibel angenommen werden, sofern ein genügend hoher Druck auf den Festkörper ausgeübt wird.Compression is the reduction in volume and thus an increase in density of a body when it is compressed from one or more directions, i.e. when a force is exerted on the body. In general, any solid body can therefore be considered compressible, provided that a sufficiently high pressure is exerted on the solid body.

Unter kompressiblen Materialien im Sinne der vorliegenden Erfindung werden jedoch insbesondere Materialien verstanden, deren Volumen und damit deren Dichte durch ein Zusammendrücken des Materials leicht veränderbar ist. Hierzu zählen beispielsweise lose Gefüge aus Fasern oder Fäden wie Watte oder schwammartige Materialien, die sich durch einen hohen Luftanteil auszeichnen und damit ein niedriges Kompressionsmodul < 0,01GPa aufweisen.However, compressible materials in the sense of the present invention are understood to mean in particular materials whose volume and thus their density can be easily changed by compressing the material. These include, for example, loose structures made of fibers or threads such as cotton wool or spongy materials that are characterized by a high air content and thus have a low compression modulus < 0.01 GPa.

Für die Bearbeitung dieser kompressiblen Materialien kommen zunehmend Ultraschallbearbeitungsverfahren zum Einsatz, um z.B. Hygieneprodukte wie Windeln oder Tampons herzustellen. Dazu wird eine Ultraschallschwingung mithilfe einer Sonotrode in das Material eingebracht, wodurch es zu einer lokal begrenzten Erwärmung des Materials kommt. Durch die Erwärmung werden die Bestandteile des Materials wie Fasern oder Fäden in ihrer Zusammensetzung verändert, sodass beispielsweise einzelne Schichten eines Materials miteinander verbunden werden können oder das Material in eine bestimmte Form gebracht wird.Ultrasonic processing methods are increasingly being used to process these compressible materials, for example to produce hygiene products such as diapers or tampons. To do this, an ultrasonic vibration is introduced into the material using a sonotrode, which causes the material to be heated locally. The heating changes the composition of the components of the material, such as fibers or threads, so that, for example, individual layers of a material can be connected to one another or the material can be shaped into a specific form.

Bei den beschriebenen Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren mittels Ultraschall werden die kompressiblen Materialien typischerweise in Form von aufgerollten Materialbahnen der Bearbeitungsvorrichtung zugeführt oder zu einem Zwischen- oder Endprodukt aufgerollt. Dabei können auch unterschiedliche Materialbahnen der Bearbeitungsvorrichtung gleichzeitig zugeführt werden oder für die Zuführung miteinander verbunden werden. Wird das Bearbeitungsverfahren unterbrochen, etwa weil Materialien oder Werkzeuge ausgewechselt werden müssen, muss die Materialbahn gegen ein weiteres Abrollen gesichert werden. Zu diesem Zweck ist aus dem einschlägigen Stand der Technik bisher nur bekannt, die noch aufgerollte Materialbahn mit einem Klebeband oder einem anderen Klebemittel zu verschließen.In the described manufacturing and processing methods using ultrasound, the compressible materials are typically fed to the processing device in the form of rolled-up material webs or rolled up into an intermediate or final product. Different material webs can also be fed to the processing device at the same time or connected to one another for feeding. If the processing process is interrupted, for example because materials or tools have to be replaced, the material web must be secured against further unrolling. For this purpose, the only known method from the relevant state of the art is to seal the still rolled-up material web with an adhesive tape or other adhesive.

Dies stellt jedoch einen zusätzlichen Schritt im Bearbeitungsprozess dar, der mit einem hohen Personalbedarf und einer entsprechenden Präparationszeit einhergeht. Zudem führt die Verwendung eines Klebebandes zu zusätzlichen Materialkosten und reduziert die Nachhaltigkeit des Bearbeitungsprozesses bzw. des hergestellten Produktes. Die verwendeten Klebstoffe sind vor allem in Hygieneprodukten unerwünscht.However, this represents an additional step in the processing process, which requires a lot of personnel and a corresponding preparation time. In addition, the use of an adhesive tape leads to additional material costs and reduces the sustainability of the processing process or the manufactured product. The adhesives used are undesirable, especially in hygiene products.

Ein Verschließen von aufgerollten Materialbahnen ist auch bei der Herstellung von z.B. Toilettenpapierrollen erforderlich. In diesem technischen Bereich erfolgt der Verschluss der Rollen zurzeit durch eine thermische Siegelung. Eine Übertragung dieser Technik auf Ultraschallbearbeitungsverfahren würde jedoch ein zusätzliches Werkzeug in der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung erfordern. Des Weiteren ist die thermische Siegelung mit hohen Energiekosten verbunden und beeinträchtigt die Qualität des Produktes sowie die Prozessstabilität.Sealing rolled up material webs is also necessary in the production of toilet paper rolls, for example. In this technical area, the rolls are currently sealed using thermal sealing. However, transferring this technology to ultrasonic processing methods would require an additional tool in the ultrasonic processing device. Furthermore, thermal sealing is associated with high energy costs and impairs the quality of the product and the process stability.

Dieser Nachteil der thermischen Siegelung findet sich beispielsweise auch in der Herstellung von Tampons und anderen absorbierenden, mehrlagigen Hygieneartikeln, die in eine bestimmte Form gebracht werden sollen.This disadvantage of thermal sealing can also be found, for example, in the production of tampons and other absorbent, multi-layered hygiene products that need to be shaped into a specific form.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Ultraschallbearbeitungsverfahren zum Verbinden von Schichten eines kompressiblen Materials bzw. eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, mit welchen die Schichten ohne zusätzliche Klebemittel oder zusätzliche Werkzeuge für eine thermische Siegelung verbunden werden können.The present invention is therefore based on the object of providing an ultrasonic processing method for joining layers of a compressible material or a corresponding device with which the layers can be joined without additional adhesives or additional tools for thermal sealing.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Ultraschallbearbeitungsverfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

1. a. Bereitstellen von zumindest drei aufeinander angeordneten Schichten eines Materials oder verschiedener Materialien, nämlich einer äußeren Schicht, einer inneren Schicht und zumindest einer zwischen der äußeren Schicht und der inneren Schicht angeordneten mittleren Schicht, wobei zumindest eine der zumindest drei Schichten ein kompressibles Material aufweist,
2. b. Bereitstellen einer Sonotrode mit einer Siegelfläche, wobei die Sonotrode dafür vorgesehen ist, mit einer Ultraschallschwingung in Resonanz gebracht zu werden,
3. c. Inkontaktbringen der Siegelfläche mit der äußeren Schicht und Bewegen der Sonotrode in Richtung der inneren Schicht mit einer Zustellkraft, sodass die aufeinander angeordneten Schichten durch die Zustellkraft zusammengedrückt werden,
4. d. Anregen der Sonotrode mit der Ultraschallschwingung,

wobei die Zustellkraft und/oder eine Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung derart gewählt wird, dass die äußere Schicht mit der zumindest einen mittleren Schicht, die an die äußere Schicht angrenzt, verbunden wird, aber nicht alle der zumindest drei aufeinanderliegenden Schichten miteinander verbunden werden.The object underlying the invention is achieved by an ultrasonic processing method of the type mentioned above, wherein the method comprises the following steps:

1. a. Providing at least three layers of one material or different materials arranged on top of one another, namely an outer layer, an inner layer and at least one middle layer arranged between the outer layer and the inner layer, wherein at least one of the at least three layers comprises a compressible material,
2. b. Providing a sonotrode with a sealing surface, wherein the sonotrode is intended to be brought into resonance with an ultrasonic vibration,
3. c. Bringing the sealing surface into contact with the outer layer and moving the sonotrode towards the inner layer with a feed force so that the superimposed ten layers are compressed by the delivery force,
4. d. Stimulating the sonotrode with the ultrasonic vibration,

wherein the feed force and/or an oscillation amplitude of the ultrasonic oscillation is selected such that the outer layer is connected to the at least one middle layer which adjoins the outer layer, but not all of the at least three superimposed layers are connected to one another.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die Bearbeitung von kompressiblen Materialien etwa zum Verschluss einer aufgerollten Materialbahn oder zur Herstellung eines Tampons automatisiert wird und kein manueller Einsatz oder zusätzliche energieintensive Werkzeuge mehr notwendig sind. Dadurch entfällt auch die bisherige Notwendigkeit zusätzlicher Verbrauchsmaterialien wie etwa Klebeband oder zusätzlicher Werkzeuge.The method according to the invention offers the advantage that the processing of compressible materials, for example for closing a rolled-up material web or for producing a tampon, is automated and manual use or additional energy-intensive tools are no longer necessary. This also eliminates the previous need for additional consumables such as adhesive tape or additional tools.

Vorzugsweise werden nur die äußere Schicht und die unmittelbar an die äußere Schicht angrenzende mittlere Schicht miteinander verbunden, sodass die darunterliegenden Schichten durch die Ultraschallbearbeitung nicht beinträgt werden.Preferably, only the outer layer and the middle layer immediately adjacent to the outer layer are bonded together so that the underlying layers are not affected by the ultrasonic processing.

Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform die aufeinander angeordneten Schichten durch Aufrollen einer Materialbahn aus dem Material bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können die aufeinander angeordneten Schichten auch durch Falten einer Materialbahn gebildet werden.It is understood that in one embodiment, the layers arranged on top of one another are provided by rolling up a web of material. Alternatively or additionally, the layers arranged on top of one another can also be formed by folding a web of material.

In einer weiteren Ausführungsform können die aufeinander angeordneten Schichten auch durch unterschiedliche kompressible bzw. nicht-kompressible Materialien bereitgestellt werden. Eine Schicht kann außerdem aus mehreren Unterschichten bestehen, die vorzugsweise bereits miteinander verbunden sind.In a further embodiment, the layers arranged on top of one another can also be provided by different compressible or non-compressible materials. A layer can also consist of several sub-layers, which are preferably already connected to one another.

In einer Ausführungsform des Verfahren wird daher ein mehrschichtiges Material mit einer kompressiblen Schicht und einer folienartigen Schicht bereitgestellt, wobei die folienartige Schicht über die kompressible Schicht in zumindest einer Richtung hervorsteht und das mehrschichtige Material derart aufgerollt wird, dass die kompressible Schicht die innere Schicht bereitstellt und die folienartige Schicht im Bereich einer Überlappung die mittlere Schicht und die äußere Schicht bereitstellt.In one embodiment of the method, a multilayer material is therefore provided with a compressible layer and a film-like layer, wherein the film-like layer protrudes beyond the compressible layer in at least one direction and the multilayer material is rolled up such that the compressible layer provides the inner layer and the film-like layer provides the middle layer and the outer layer in the region of an overlap.

Zur Herstellung eines Tampons werden der Bearbeitungsvorrichtung beispielsweise mehrlagige Materialbahnen zugeführt, die sich aus unterschiedlichen Materialien zusammensetzen, aufgerollt und in eine bestimmte Form, z.B. eine Tamponform, verpresst werden. Damit sich die Lagen nicht wieder lösen, werden die obersten Lagen der aufgerollten Materialbahn mittels Ultraschall miteinander verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass weder gesundheitsgefährdende Klebstoffe zum Einsatz kommen noch ein zusätzliches Werkzeug zur thermischen Siegelung erforderlich ist. Die Oberfläche des Tampons wird durch die Ultraschallbearbeitung weniger beeinträchtigt als durch die thermische Siegelung und bietet daher einen höheren Tragekomfort.To produce a tampon, for example, multi-layered material webs made up of different materials are fed to the processing device, rolled up and pressed into a specific shape, e.g. a tampon shape. To prevent the layers from coming apart again, the top layers of the rolled-up material web are bonded together using ultrasound. This offers the advantage that neither health-endangering adhesives are used nor is an additional tool required for thermal sealing. The surface of the tampon is less affected by ultrasonic processing than by thermal sealing and is therefore more comfortable to wear.

Bei den übereinander angeordneten Materialien kann es sich also um gleiche Materialien oder um unterschiedliche Materialien handeln, wobei zumindest eine der Materiallagen ein kompressibles Material aufweist. Die Materialien einer Lage können dabei aus einem Gemisch thermoplastischer und nicht-thermoplastischer Fasern bestehen oder eine der Lagen aus thermoplastischen Material, während eine anderen Lage aus nicht-thermoplastischen Material besteht. Bei der Tamponherstellung kommen mehrschichtige Verbundmaterialien zum Einsatz, die beispielsweise aus einer thermoplastischen äußeren Folie sowie innenliegenden, kompressiblen Watteschichten bestehen. Werden diese Verbundmaterialien aufgerollt, umschließt die äußere thermoplastische Folie die innenliegenden, kompressiblen Watteschichten.The materials arranged on top of each other can be the same or different materials, with at least one of the material layers comprising a compressible material. The materials of one layer can consist of a mixture of thermoplastic and non-thermoplastic fibers, or one of the layers can consist of thermoplastic material while another layer consists of non-thermoplastic material. Multi-layer composite materials are used in tampon production, which consist, for example, of a thermoplastic outer film and inner, compressible cotton layers. If these composite materials are rolled up, the outer thermoplastic film encloses the inner, compressible cotton layers.

Insbesondere übt das kompressible Material eine Rückstellkraft auf die Sonotrode aus, die der Zustellkraft entgegenwirkt. In einer Ausführungsform wird das kompressible Material derart gewählt, dass durch die Rückstellkraft eine für das Verbinden der Schichten erforderliche Gegenkraft bereitgestellt wird. Das kompressible Material bringt also der Sonotrode von sich aus eine ausreichende Kraft entgegen, die für ein Verbinden der äußeren Schicht mit der angrenzenden mittleren Schicht ausreicht.In particular, the compressible material exerts a restoring force on the sonotrode that counteracts the feed force. In one embodiment, the compressible material is selected such that the restoring force provides a counterforce required to connect the layers. The compressible material therefore applies sufficient force to the sonotrode on its own, which is sufficient to connect the outer layer to the adjacent middle layer.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren daher ohne zusätzliches Gegenwerkzeug als Energierichtungsgeber ausgeführt. Unter einem Energierichtungsgeber werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Komponenten der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung oder des zu bearbeitenden Materials verstanden, die die in das Material einzubringende oder eingebrachte Ultraschallenergie auf einen definierten Fügebereich zwischen der äußeren und der mittleren Schicht fokussieren. Durch diese Energiefokussierung ist die Wärmeentwicklung in dem definierten Fügebereich am größten. Es wird eine stabile Verbindung bei möglichst geringem Energieverbrauch erzielt. Beispielsweise handelt es sich bei einer Sonotrode, die die Ultraschallschwingung zielgerichtet in das Material einbringt, um einen Energierichtungsgeber. Insbesondere kann die Sonotrode hierzu bestimmte Formen aufweisen.In a further preferred embodiment, the method is therefore carried out without an additional counter tool as an energy director. In the context of the present invention, an energy director is understood to mean components of the ultrasonic processing device or of the material to be processed that focus the ultrasonic energy to be introduced or introduced into the material on a defined joining area between the outer and middle layers. This energy focusing means that the heat development is greatest in the defined joining area. A stable connection is achieved with the lowest possible energy consumption. For example, a sonotrode that introduces the ultrasonic vibration into the material in a targeted manner is an energy director. In particular, the sonotrode can have certain shapes for this purpose.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist gegenüberliegend zu der Sonotrode ein Gegenwerkzeug, beispielsweise in Form einer Walze, angeordnet, sodass das zu bearbeitende Material in einem Spalt zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug angeordnet ist und das Gegenwerkzeug als zweiter Energierichtungsgeber die Ultraschallenergie ebenfalls im Fügebereich konzentriert.In methods known from the prior art, a counter tool, for example in the form of a roller, is arranged opposite the sonotrode, so that the material to be processed is arranged in a gap between the sonotrode and the counter tool and the counter tool, as a second energy director, also concentrates the ultrasonic energy in the joining area.

Erfindungsgemäß fungiert jedoch das kompressible Material an sich als zweiter Energierichtungsgeber, um die Ultraschallenergie im Fügebereich zwischen äußerer und mittlerer Schicht zu konzentrieren. Durch den Wegfall eines Gegenwerkzeuges im eigentlichen Sinn können die Kosten des Bearbeitungsverfahrens deutlich reduziert werden. Es versteht sich, dass etwaige Halte- oder Positionierungsvorrichtungen, die der Halterung oder Positionierung der aufeinander angeordneten Schichten dienen, kein Gegenwerkzeug in Sinne eines Energierichtungsgebers darstellen, da die in das Material eingebrachte Ultraschallenergie durch diese mechanischen Komponenten nicht auf den Fügebereich fokussiert wird. Derartige Halte- oder Positionierungsvorrichtungen dienen ausschließlich der Halterung oder Positionierung der zu bearbeitenden Materialien, tragen selbst aber nicht zur Ultraschallbearbeitung bei.According to the invention, however, the compressible material itself acts as a second energy director to concentrate the ultrasonic energy in the joining area between the outer and middle layers. By eliminating a counter tool in the true sense, the costs of the processing method can be significantly reduced. It goes without saying that any holding or positioning devices that serve to hold or position the layers arranged on top of one another do not represent a counter tool in the sense of an energy director, since the ultrasonic energy introduced into the material is not focused on the joining area by these mechanical components. Such holding or positioning devices serve exclusively to hold or position the materials to be processed, but do not themselves contribute to the ultrasonic processing.

In einer weiteren Ausführungsform ist die in Schritt d. erzeugte Verbindung zwischen der äußeren Schicht und der zumindest einen mittleren Schicht eine punktuelle oder linienförmige Verbindung. Durch die punktuelle oder linienförmige, d.h. nicht flächige Verbindung wird sichergestellt, dass beispielsweise ein selbstständiges Abrollen der Materialbahn verhindert, das kompressible Material an sich aber so wenig wie möglich bearbeitet wird. Insbesondere ist die Verbindung zwischen der äußeren Schicht und der angrenzenden mittleren Schicht lösbar ausgestaltet, sodass bei Wiederaufnahme der Ultraschallbearbeitung die Materialbahn leicht geöffnet werden kann. Es versteht sich, dass die punktuelle Verbindung nicht auf kreisförmige Verbindungspunkte beschränkt ist, sondern hierunter auch andere geometrische Formen wie Dreiecke, Rechtecke etc. fallen.In a further embodiment, the connection created in step d. between the outer layer and the at least one middle layer is a point-like or linear connection. The point-like or linear, i.e. non-flat, connection ensures that, for example, the material web is prevented from unrolling on its own, but the compressible material itself is processed as little as possible. In particular, the connection between the outer layer and the adjacent middle layer is designed to be detachable, so that the material web can be easily opened when ultrasonic processing is resumed. It goes without saying that the point-like connection is not limited to circular connection points, but also includes other geometric shapes such as triangles, rectangles, etc.

In einer Ausführungsform weist die Ultraschallschwingung, mit welcher die Sonotrode in Schritt d. angeregt wird, eine Frequenz von mindestens 20 kHz und höchstens 35 kHz auf. Bei diesen Frequenzen ist sichergestellt, dass es zu einer ausreichenden Bearbeitung des Materials kommt, das Material gleichzeitig aber nicht unnötig in seiner Struktur beeinträchtigt wird.In one embodiment, the ultrasonic vibration with which the sonotrode is excited in step d. has a frequency of at least 20 kHz and at most 35 kHz. At these frequencies, it is ensured that the material is sufficiently processed, but at the same time the material's structure is not unnecessarily impaired.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Ultraschallschwingung, mit welcher die Sonotrode in Schritt d. angeregt wird, eine Amplitude von mindestens 5 µm, vorzugsweise von mindestens 10 µm und besonders bevorzugt von mindestens 15 µm auf. Unter der Amplitude der Ultraschallschwingung wird eine Maximalamplitude verstanden, die zwischen der Ruhelage der Sonotrode und der maximalen Expansion der Sonotrode definiert wird. Durch die Wahl der Schwingungsamplitude wird sichergestellt, dass das kompressible Material in ausreichender Form zusätzlich zu der Zustellkraft zusammengedrückt wird und damit die Gegenkraft des Materials für das Verbinden der Schichten erhöht wird, sodass letztlich die Verbindungstabilität erhöht wird.In a further embodiment, the ultrasonic vibration with which the sonotrode is excited in step d. has an amplitude of at least 5 µm, preferably of at least 10 µm and particularly preferably of at least 15 µm. The amplitude of the ultrasonic vibration is understood to be a maximum amplitude that is defined between the rest position of the sonotrode and the maximum expansion of the sonotrode. The choice of the vibration amplitude ensures that the compressible material is compressed sufficiently in addition to the feed force and thus the counterforce of the material for connecting the layers is increased, so that ultimately the connection stability is increased.

In einer weiteren Ausführungsform rotiert die Sonotrode während Schritt f. um eine Rotationsachse, wobei die Rotationsachse senkrecht zu einer Richtung der Zustellkraft ausgerichtet ist. Eine rotierende Sonotrode kann gleichzeitig als Materialführungswalze für das kompressible Material genutzt werden.In a further embodiment, the sonotrode rotates about a rotation axis during step f., wherein the rotation axis is aligned perpendicular to a direction of the feed force. A rotating sonotrode can simultaneously be used as a material guide roller for the compressible material.

In einer Ausführungsform wird die Siegelfläche auf das zu bearbeitende kompressible Material abgestimmt. Je nach Material ist die Siegelfläche in einer Ausführungsform glatt oder strukturiert. Im Falle einer strukturierten Siegelfläche weist die Siegelfläche vorzugsweise zumindest einen Schlitz und/oder punktuelle Erhebungen und/oder eine Wabenstruktur auf. Durch die strukturierte Siegelfläche wird ein gezielter Energieeintrag in das kompressible Material ermöglicht. Insbesondere der Schlitz bietet einen Flusskanal für die Schmelze, die bei der Erwärmung des Materials entsteht, sodass die Schmelze gezielt an der Materialoberfläche geleitet wird.In one embodiment, the sealing surface is tailored to the compressible material to be processed. Depending on the material, the sealing surface is smooth or structured in one embodiment. In the case of a structured sealing surface, the sealing surface preferably has at least one slot and/or point-like elevations and/or a honeycomb structure. The structured sealing surface enables targeted energy input into the compressible material. The slot in particular provides a flow channel for the melt that is created when the material is heated, so that the melt is directed in a targeted manner along the material surface.

Insbesondere ist der Schlitz in einer Ausführungsform vorzugsweise nicht in einer Vorschubrichtung orientiert, in welcher die aufeinander angeordneten Schichten des kompressiblen Materials relativ zu der Sonotrode bewegt werden.In particular, in one embodiment, the slot is preferably not oriented in a feed direction in which the layers of the compressible material arranged on top of one another are moved relative to the sonotrode.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Siegelfläche der Sonotrode gekrümmt, vorzugsweise konkav gekrümmt. Hierdurch wird die Kontaktfläche und die Kontaktzeit zwischen der Sonotrode und der äußeren Schicht des Materials erhöht und die Verbindungsstabilität verbessert.In a further embodiment, the sealing surface of the sonotrode is curved, preferably concavely curved. This increases the contact area and the contact time between the sonotrode and the outer layer of the material and improves the connection stability.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung für ein Verfahren nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen gelöst, wobei die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung einen Generator, einen Konverter und eine Sonotrode aufweist, wobei der Generator eingerichtet und derart mit dem Konverter verbunden ist, dass mit dem Generator eine Ultraschallfrequenz erzeugbar und auf den Konverter übertragbar ist, wobei der Konverter derart eingerichtet und mit der Sonotrode verbunden ist, dass mit dem Konverter die von dem Generator erzeugte Ultraschallfrequenz in eine mechanische Ultraschallschwingung umwandelbar und auf die Sonotrode übertragbar ist, wobei die Sonotrode eine Siegelfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit einer äußeren Schicht eines mehrschichtigen, kompressiblen Materials in Kontakt zu treten und eine Zustellkraft auf das kompressible Material auszuüben.The object underlying the invention is also achieved by an ultrasonic processing device for a method according to one of the aforementioned embodiments, wherein the ultrasonic processing device has a generator, a converter and a sonotrode, wherein the generator is set up and connected to the converter in such a way that an ultrasonic frequency can be generated by the generator and transmitted to the converter, wherein the converter is set up and connected to the sonotrode in such a way that that the converter can convert the ultrasonic frequency generated by the generator into a mechanical ultrasonic vibration and transmit it to the sonotrode, wherein the sonotrode has a sealing surface which is intended to come into contact with an outer layer of a multi-layer, compressible material and to exert a delivery force on the compressible material.

Insbesondere ist das mehrschichtige, kompressible Material in einer Ausführungsform eine aufgerollte Materialbahn, die während des Betriebes der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung als Gegenwerkzeug fungiert und eine für die Verbindung der äußeren Schicht mit einer an die äußere Schicht angrenzenden mittleren Schicht erforderliche Gegenkraft zu der Zustellkraft bereitstellt.In particular, in one embodiment, the multilayer, compressible material is a rolled-up material web that acts as a counter-tool during operation of the ultrasonic processing device and provides a counterforce to the feed force required for bonding the outer layer to a middle layer adjacent to the outer layer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie der dazugehörigen Figur deutlich. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsvorrichtung.
• 2a schematische Darstellung eines Ausgangsmaterials für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 2b schematische Darstellung der in1 gezeigten Ausführungsform der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Materials nach2a.

Further advantages, features and possible applications of the present invention will become clear from the following description of a preferred embodiment and the associated figure. Identical components are provided with the same reference numerals.

• 1 shows a schematic representation of an embodiment of the ultrasonic processing device according to the invention.
• 2a schematic representation of a starting material for an embodiment of the process according to the invention.
• 2b schematic representation of the 1 shown embodiment of the ultrasonic processing device for processing the material according to 2a .

Die in1 gezeigte Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 1 dient der Ausführung des erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsverfahrens. Zur Ausführung des Verfahrens wird eine aufgerollte Materialbahn eines kompressiblen Materials 6 bereitgestellt, die aus mehreren Schichten, nämlich einer äußeren Schicht 6a, einer inneren Schicht 6c sowie mehreren dazwischenliegenden mittleren Schichten besteht. Eine mittlere Schicht 6b grenzt dabei unmittelbar an die äußere Schicht 6a an.The in 1 Theultrasonic processing device 1 shown serves to carry out the ultrasonic processing method according to the invention. To carry out the method, a rolled-up web of acompressible material 6 is provided, which consists of several layers, namely anouter layer 6a, aninner layer 6c and several middle layers in between. Amiddle layer 6b is directly adjacent to theouter layer 6a.

Um ein ungewolltes Abrollen der aufgerollten Materialbahn zu verhindern, wird mit der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 1 die äußere Schicht 6a mit der angrenzenden mittleren Schicht 6b verbunden. Dazu weist die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung einen Generator 2 zur Erzeugung einer Ultraschallfrequenz auf, die an einen Konverter 3 weitergeleitet wird. Der Konverter 3 wandelt die Ultraschallfrequenz in eine mechanische Ultraschallschwingung um und regt damit die Sonotrode 4 an, deren Siegelfläche 5 in Kontakt mit der äußeren Schicht 6a steht, nachdem die Sonotrode 4 mit einer Zustellkraft auf das kompressible Material 6 gedrückt wurde, sodass dieses zusammengedrückt wird.In order to prevent the rolled-up material web from unrolling accidentally, theouter layer 6a is connected to the adjacentmiddle layer 6b using theultrasonic processing device 1. For this purpose, the ultrasonic processing device has agenerator 2 for generating an ultrasonic frequency, which is passed on to aconverter 3. Theconverter 3 converts the ultrasonic frequency into a mechanical ultrasonic vibration and thus excites thesonotrode 4, the sealingsurface 5 of which is in contact with theouter layer 6a after thesonotrode 4 has been pressed onto thecompressible material 6 with a feed force, so that it is compressed.

Die Sonotrode 4 bewegt sich aufgrund der Ultraschallschwingung mit Schwingungsamplituden von 25 µm in der in1 gezeigten Schwingungsrichtung 100 auf das Material zu bzw. von diesem weg, wodurch es zu einer lokal begrenzten Erwärmung des kompressiblen Materials 6 kommt und die äußere Schicht 6a mit der angrenzenden mittleren Schicht 6b verbunden wird.Thesonotrode 4 moves due to the ultrasonic vibration with vibration amplitudes of 25 µm in the 1 shownoscillation direction 100 towards or away from the material, whereby a locally limited heating of thecompressible material 6 occurs and theouter layer 6a is connected to the adjacentmiddle layer 6b.

Die Zustellkraft und die Schwingungsamplitude der Sonotrode 4 sind dabei so gewählt, dass eine Gegenkraft, die von dem kompressiblen Material 6 der Sonotrode 4 entgegenwirkt, ausreicht, um eine Verbindung zwischen der äußeren Schicht 6a und der angrenzenden mittleren Schicht 6b zu bewirken. Ein zusätzliches Gegenwerkzeug ist nicht erforderlich. Die aufgerollte Materialbahn aus dem kompressiblen Material 6 fungiert als zweiter Energierichtungsgeber, der die Ultraschallenergie auf einen Fügebereich zwischen der äußeren Schicht 6a und der mittleren Schicht 6b fokussiert.The feed force and the vibration amplitude of thesonotrode 4 are selected such that a counterforce, which is counteracted by thecompressible material 6 of thesonotrode 4, is sufficient to create a connection between theouter layer 6a and the adjacentmiddle layer 6b. An additional counter tool is not required. The rolled-up material web made of thecompressible material 6 acts as a second energy director, which focuses the ultrasonic energy on a joining area between theouter layer 6a and themiddle layer 6b.

Um die Schwingungsenergie gezielt in das kompressible Material 6 einzubringen, weist die Siegelfläche 5 der Sonotrode 4 einen Schlitz 7 auf. Der Schlitz 7 dient der gezielten Leitung der Schmelze, um die Verbindungsstabilität zwischen der äußeren Schicht 6a und der angrenzenden mittleren Schicht 6b zu verbessern.In order to introduce the vibration energy into thecompressible material 6 in a targeted manner, the sealingsurface 5 of thesonotrode 4 has aslot 7. Theslot 7 serves to guide the melt in a targeted manner in order to improve the connection stability between theouter layer 6a and the adjacentmiddle layer 6b.

Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsverfahren bzw. der dazugehörigen Vorrichtung ist es möglich, eine aufgerollte Materialbahn eines kompressiblen Materials 6 zu verschließen, ohne weitere Klebemittel oder Siegelwerkzeuge zu verwenden.With the ultrasonic processing method according to the invention or the associated device, it is possible to seal a rolled-up material web of acompressible material 6 without using additional adhesives or sealing tools.

In den2a und2b ist eine zweite Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform weisen die drei aufeinander angeordneten Schichten 6a, 6b, 6c teilweise unterschiedliche Materialien auf.In the 2a and 2b a second possible application of theultrasonic processing device 1 according to the invention is shown. In this embodiment, the threelayers 6a, 6b, 6c arranged on top of one another partially comprise different materials.

Als Ausgangsmaterial 6 kommt, wie in2a dargestellt, ein mehrschichtiges Verbundmaterial zum Einsatz, welches eine watteartige Schicht 6c und eine darüber angeordnete folienartigen Schicht aufweist, deren Länge zumindest geringfügig größer ist als eine Länge der watteartigen Schicht.The startingmaterial 6 is, as in 2a shown, a multilayer composite material is used which has a cotton-like layer 6c and a film-like layer arranged thereon, the length of which is at least slightly greater than a length of the cotton-like layer.

Zur Herstellung eines Tampons wird dieses Verbundmaterial aufgerollt, sodass mehrere aufeinander angeordnete Schichten 6a, 6b, 6c entstehen, wobei die innenliegende Schicht 6c aus der watteartigen Schicht gebildet wird, die von der folienartigen Schicht umgeben ist. Aufgrund der größeren Länge der folienartigen Schicht kommt es durch das Aufrollen zu einer Überlappung der folienartigen Schicht, sodass durch die folienartige Schicht eine äußere Schicht 6b und eine mittlere Schicht 6b gebildet werden, die mit der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsvorrichtung 1 miteinander verbunden werden. Dadurch wird ein Lösen des aufgerollten Ausgangsmaterials verhindert.To produce a tampon, this composite material is rolled up to formseveral layers 6a, 6b, 6c arranged one on top of the other, with theinner layer 6c being formed from the cotton-like layer surrounded by the film-like layer. Due to the greater length The film-like layer is rolled up and the film-like layer overlaps, so that the film-like layer forms anouter layer 6b and amiddle layer 6b, which are connected to one another using theultrasonic processing device 1 according to the invention. This prevents the rolled-up starting material from coming loose.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11

Ultraschallbearbeitungsvorrichtungultrasonic processing device

22

Generatorgenerator

33

Konverterconverter

44

Sonotrodesonotrode

55

Siegelflächesealing surface

66

kompressibles Materialcompressible material

6a6a

äußere Schichtouter layer

6b6b

mittlere Schichtmiddle layer

6c6c

innere Schichtinner layer

77

Schlitzslot

Claims (14)

Translated fromGerman

Ultraschallbearbeitungsverfahren zur Verbindung von Schichten (6a, 6b) eines kompressiblen Materials (6) mit den Schritten:a. Bereitstellen von zumindest drei aufeinander angeordneten Schichten (6a, 6b, 6c) eines Materials (6) oder verschiedener Materialien (6), nämlich einer äußeren Schicht (6a), einer inneren Schicht (6c) und zumindest einer zwischen der äußeren Schicht (6a) und der inneren Schicht (6c) angeordneten mittleren Schicht (6b), wobei zumindest eine der zumindest drei Schichten ein kompressibles Material aufweist,b. Bereitstellen einer Sonotrode (4) mit einer Siegelfläche (5), wobei die Sonotrode (4) dafür vorgesehen ist, mit einer Ultraschallschwingung in Resonanz gebracht zu werden,c. Inkontaktbringen der Siegelfläche (5) mit der äußeren Schicht (6c) und Bewegen der Sonotrode (4) in Richtung der inneren Schicht (6c) mit einer Zustellkraft, sodass die aufeinander angeordneten Schichten (6a, 6b, 6c) durch die Zustellkraft zusammengedrückt werden,d. Anregen der Sonotrode (4) mit der Ultraschallschwingung, wobei die Zustellkraft und/oder eine Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung derart gewählt wird, dass die äußere Schicht (6a) mit der zumindest einen mittleren Schicht (6b), die an die äußere Schicht (6c) angrenzt, verbunden wird, aber nicht alle der zumindest drei aufeinanderliegenden Schichten (6a, 6b, 6c) miteinander verbunden werden.Ultrasonic processing method for joining layers (6a, 6b) of a compressible material (6) with the steps:a. Providing at least three layers (6a, 6b, 6c) of a material (6) or different materials (6) arranged on top of one another, namely an outer layer (6a), an inner layer (6c) and at least one middle layer (6b) arranged between the outer layer (6a) and the inner layer (6c), wherein at least one of the at least three layers comprises a compressible material,b. Providing a sonotrode (4) with a sealing surface (5), wherein the sonotrode (4) is intended to be brought into resonance with an ultrasonic vibration,c. Bringing the sealing surface (5) into contact with the outer layer (6c) and moving the sonotrode (4) in the direction of the inner layer (6c) with a feed force so that the layers (6a, 6b, 6c) arranged on top of one another are pressed together by the feed force,d. Exciting the sonotrode (4) with the ultrasonic vibration, wherein the feed force and/or an oscillation amplitude of the ultrasonic vibration is selected such that the outer layer (6a) is connected to the at least one middle layer (6b) which adjoins the outer layer (6c), but not all of the at least three layers (6a, 6b, 6c) lying on top of one another are connected to one another.Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die aufeinander angeordneten Schichten durch Aufrollen einer Materialbahn aus dem Material (6) bereitgestellt werden.Method according to the preceding claim, wherein the layers arranged on top of one another are provided by rolling up a web of material (6).Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt a. ein mehrschichtiges Material (6) mit einer kompressiblen Schicht und einer folienartigen Schicht bereitgestellt wird, wobei die folienartige Schicht über die kompressible Schicht in zumindest einer Richtung hervorsteht und das mehrschichtige Material (6) derart aufgerollt wird, dass die kompressible Schicht die innere Schicht (6c) bereitstellt und die folienartige Schicht im Bereich einer Überlappung die mittlere Schicht (6b) und die äußere Schicht (6a) bereitstellt.Method according to one of the preceding claims, wherein in step a. a multilayer material (6) with a compressible layer and a film-like layer is provided, wherein the film-like layer protrudes beyond the compressible layer in at least one direction and the multilayer material (6) is rolled up such that the compressible layer provides the inner layer (6c) and the film-like layer in the region of an overlap provides the middle layer (6b) and the outer layer (6a).Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kompressible Material (6) eine Rückstellkraft auf die Sonotrode (4) ausübt, die der Zustellkraft entgegen wirkt, wobei das kompressible Material (6) derart gewählt wird, dass das kompressible Material (6) durch die Rückstellkraft eine für das Verbinden der Schichten (6a, 6b) erforderliche Gegenkraft bereitstellt.Method according to one of the preceding claims, wherein the compressible material (6) exerts a restoring force on the sonotrode (4) which counteracts the feed force, wherein the compressible material (6) is selected such that the compressible material (6) provides a counterforce required for connecting the layers (6a, 6b) through the restoring force.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ohne zusätzliches Gegenwerkzeug als Energierichtungsgeber ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out without an additional counter tool as an energy director.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Schritt d. erzeugte Verbindung zwischen der äußeren Schicht (6a) und der zumindest einen mittleren Schicht (6b) eine punktuelle oder linienförmige Verbindung ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the connection produced in step d. between the outer layer (6a) and the at least one middle layer (6b) is a point-like or linear connection.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallschwingung, mit welcher die Sonotrode (4) in Schritt d. angeregt wird, eine Amplitude von mindestens 5 µm, vorzugsweise von mindestens 10 µm und besonders bevorzugt von mindestens 15 µm aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic vibration with which the sonotrode (4) is excited in step d. has an amplitude of at least 5 µm, preferably of at least 10 µm and particularly preferably of at least 15 µm.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sonotrode (4) während Schritt d. um eine Rotationsachse rotiert, wobei die Rotationsachse senkrecht zu einer Richtung der Zustellkraft ausgerichtet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the sonotrode (4) rotates about a rotation axis during step d., wherein the rotation axis is aligned perpendicular to a direction of the feed force.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siegelfläche (5) der Sonotrode (4) glatt oder strukturiert ist, wobei die strukturierte Siegelfläche (5) vorzugsweise zumindest einen Schlitz und/oder punktuelle Erhebungen und/oder eine Wabenstruktur aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the sealing surface (5) of the sonotrode (4) is smooth or structured, wherein the structured sealing surface (5) preferably has at least one slot and/or point-like elevations and/or a honeycomb structure.Verfahren nachAnspruch 9, wobei die aufeinander angeordneten Schichten des kompressiblen Materials (6) in einer Vorschubrichtung relativ zu der Sonotrode bewegt werden, wobei der Schlitz vorzugsweise nicht in Vorschubrichtung orientiert ist.procedure according to claim 9 , wherein the layers of the compressible material (6) arranged on top of one another are arranged in a feed direction relative to the Sonotrode can be moved, whereby the slot is preferably not oriented in the feed direction.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siegelfläche (5) der Sonotrode (4) gekrümmt, vorzugsweise konkav gekrümmt ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the sealing surface (5) of the sonotrode (4) is curved, preferably concavely curved.Tampon, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.A tampon produced by a process according to any one of the preceding claims.Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (1) für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (1) einen Generator (2), einen Konverter (3) und eine Sonotrode (4) aufweist, wobei der Generator (2) eingerichtet und derart mit dem Konverter (3) verbunden ist, dass mit dem Generator (2) eine Ultraschallfrequenz erzeugbar und auf den Konverter (3) übertragbar ist, wobei der Konverter (3) derart eingerichtet und mit der Sonotrode (4) verbunden ist, dass mit dem Konverter (3) die von dem Generator (2) erzeugte Ultraschallfrequenz in eine mechanische Ultraschallschwingung umwandelbar und auf die Sonotrode (4) übertragbar ist, wobei die Sonotrode (4) eine Siegelfläche (5) aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit einer äußeren Schicht (6a) eines mehrschichtigen, kompressiblen Materials (6) in Kontakt zu treten und eine Zustellkraft auf das kompressible Material (6) auszuüben.Ultrasonic processing device (1) for a method according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic processing device (1) has a generator (2), a converter (3) and a sonotrode (4), wherein the generator (2) is set up and connected to the converter (3) in such a way that an ultrasonic frequency can be generated by the generator (2) and transmitted to the converter (3), wherein the converter (3) is set up and connected to the sonotrode (4) in such a way that the ultrasonic frequency generated by the generator (2) can be converted into a mechanical ultrasonic vibration by the converter (3) and transmitted to the sonotrode (4), wherein the sonotrode (4) has a sealing surface (5) which is intended to come into contact with an outer layer (6a) of a multi-layer, compressible material (6) and to exert a feed force on the compressible material (6).Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (1) nachAnspruch 13, wobei das mehrschichtige, kompressible Material (6) eine aufgerollte Materialbahn ist, die während des Betriebes der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (1) als Gegenwerkzeug fungiert und eine für die Verbindung der äußeren Schicht (6a) mit einer an die äußeren Schicht (6a) angrenzenden mittleren Schicht (6b) erforderliche Gegenkraft zu der Zustellkraft bereitstellt.Ultrasonic processing device (1) according to claim 13 , wherein the multi-layer, compressible material (6) is a rolled-up material web which acts as a counter-tool during operation of the ultrasonic processing device (1) and provides a counterforce to the feed force required for connecting the outer layer (6a) to a middle layer (6b) adjacent to the outer layer (6a).

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