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Thesis (Ph. D.)--Lehigh University, 1999. / Includes vita. Bibliography: leaves 115-123.

Thesis (Ph.D.) -- University of Glasgow, 2008. / Ph.D. thesis submitted to the Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Glasgow, 2008. Includes bibliographical references. Print version also available.

Das Ultraschallschneiden wird insbesondere bei Lebensmitteln eingesetzt, die zum Haften an der Schneide und zu bleibenden Verformungen neigen. Speziell konstruierte Messer werden mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz angeregt, so dass sie an der Schneidenkante mit Amplituden von bis zu 40 µm schwingen. Die Ultraschallschwingung führt produktspezifisch zu einer Reduzierung der Trenn- und Reibkräfte am Messer. Sekundäre Effekte des Ultraschalls, wie Absorption und Kavitation können die Schnittqualität jedoch negativ beeinflussen. In systematischen Untersuchungen an unterschiedlichen Lebensmitteln wurde der Einfluss der Verfahrensparameter beim Ultraschallschneiden ermittelt. Die Ergebnisse wurden durch theoretische Überlegungen zu den Wirkungsmechanismen des Ultraschalleinsatzes untersetzt. Die Schneidkraft kann umso stärker reduziert werden, je höher die Schwinggeschwindigkeit und je geringer die Schneidgeschwindigkeit sind. Die produktspezifisch mögliche Schneidkraftreduzierung kann mittels eines eingeführten Materialparameters cx abgeschätzt werden, der sich in Analogie zur Schallgeschwindigkeit in idealen Festkörpern aus Elastizitätsmodul und Dichte errechnet. Neben den rheologischen Eigenschaften beeinflussen Wasser- und Fettgehalt die Effektivität des Ultraschalleinsatzes. Optimale Schnittqualitäten werden nur erzielt, wenn die Verfahrensparameter produktspezifisch so angepasst werden, dass eine möglichst hohe Schneidkraftreduzierung bei möglichst geringem Energieeintrag oder geringer Ultraschallleistung erfolgt. Neben der drückenden Schnittführung wurden erstmalig ziehende Schnitte beim Ultraschallschneiden von Lebensmitteln untersucht. / Ultrasonic cutting is applied to products, which tend to stick on cutting tools and to sustain permanent deformations. Specially designed cutting tools are excited by sound frequencies of 20 to 40 kHz in such away that the cutting edge oscillates with amplitudes up to 40 µm. The ultrasonic vibration leads to a reduction of separation and frictional forces on the cutting tool. Secondary effects of ultrasound, such as absorption and cavitation may reduce the cutting quality. The influence of process parameters was investigated systematically on different food products. The results were supported by theoretical considerations regarding the mechanisms of ultrasonic application. The cutting force can be reduced even more, the larger the maximum vibration speed and the lower the cutting speed are chosen. The maximum achievable reduction of cutting force depends on the sample specifics and can be estimated by a newly-developed material parameter cx, which is calculated in analogy to the sound velocity of an ideal elastic solid from the elastic modulus and the density. In addition to the rheological properties the water and the fat content affect the efficiency of ultrasound application. Optimum cutting qualities can be obtained only if the process parameters are adapted to a strong reduction of cutting force at the lowest possible energy or to lowest power consumption. Slicing cuts with ultrasound support were investigated with respect to foods application for the first time.

Das Ultraschallschneiden wird insbesondere bei Lebensmitteln eingesetzt, die zum Haften an der Schneide und zu bleibenden Verformungen neigen. Speziell konstruierte Messer werden mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz angeregt, so dass sie an der Schneidenkante mit Amplituden von bis zu 40 µm schwingen. Die Ultraschallschwingung führt produktspezifisch zu einer Reduzierung der Trenn- und Reibkräfte am Messer. Sekundäre Effekte des Ultraschalls, wie Absorption und Kavitation können die Schnittqualität jedoch negativ beeinflussen. In systematischen Untersuchungen an unterschiedlichen Lebensmitteln wurde der Einfluss der Verfahrensparameter beim Ultraschallschneiden ermittelt. Die Ergebnisse wurden durch theoretische Überlegungen zu den Wirkungsmechanismen des Ultraschalleinsatzes untersetzt. Die Schneidkraft kann umso stärker reduziert werden, je höher die Schwinggeschwindigkeit und je geringer die Schneidgeschwindigkeit sind. Die produktspezifisch mögliche Schneidkraftreduzierung kann mittels eines eingeführten Materialparameters cx abgeschätzt werden, der sich in Analogie zur Schallgeschwindigkeit in idealen Festkörpern aus Elastizitätsmodul und Dichte errechnet. Neben den rheologischen Eigenschaften beeinflussen Wasser- und Fettgehalt die Effektivität des Ultraschalleinsatzes. Optimale Schnittqualitäten werden nur erzielt, wenn die Verfahrensparameter produktspezifisch so angepasst werden, dass eine möglichst hohe Schneidkraftreduzierung bei möglichst geringem Energieeintrag oder geringer Ultraschallleistung erfolgt. Neben der drückenden Schnittführung wurden erstmalig ziehende Schnitte beim Ultraschallschneiden von Lebensmitteln untersucht. / Ultrasonic cutting is applied to products, which tend to stick on cutting tools and to sustain permanent deformations. Specially designed cutting tools are excited by sound frequencies of 20 to 40 kHz in such away that the cutting edge oscillates with amplitudes up to 40 µm. The ultrasonic vibration leads to a reduction of separation and frictional forces on the cutting tool. Secondary effects of ultrasound, such as absorption and cavitation may reduce the cutting quality. The influence of process parameters was investigated systematically on different food products. The results were supported by theoretical considerations regarding the mechanisms of ultrasonic application. The cutting force can be reduced even more, the larger the maximum vibration speed and the lower the cutting speed are chosen. The maximum achievable reduction of cutting force depends on the sample specifics and can be estimated by a newly-developed material parameter cx, which is calculated in analogy to the sound velocity of an ideal elastic solid from the elastic modulus and the density. In addition to the rheological properties the water and the fat content affect the efficiency of ultrasound application. Optimum cutting qualities can be obtained only if the process parameters are adapted to a strong reduction of cutting force at the lowest possible energy or to lowest power consumption. Slicing cuts with ultrasound support were investigated with respect to foods application for the first time.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.