DE102005020718A1 - Verfahren zum Verbinden von Teilen - Google Patents

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Jörg GÄBLER
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus eine vernetzte Schaumstruktur aufweisendem Kunststoff wie Polypropylen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: DOLLAR A - Anordnung der zur verschweißenden Teile zwischen zumindest einer Sonotrode und zumindest einer zu der Sonotrode beabstandeten Gegenelektrode einer Ultraschallschweißvorrichtung, DOLLAR A - relatives Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode hin, DOLLAR A - Ultraschallerregung der Sonotrode vor oder beim Berühren des sonotrodenseitig verlaufenden Teils, DOLLAR A - weiteres relatives Verstellen der Ultraschall erregten Sonotrode, derart, dass das sonotrodenseitig verlaufende Teil bei geringem Anpressdruck berührt wird, DOLLAR A - bei Ultraschall erregter Sonotrode Erwärmen der zu verschweißenden Teile bis ins Innere hinein und DOLLAR A - anschließendes Verpressen der Teile bei erhöhtem Druck.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus eine vernetzte Schaumstruktur aufweisendem Kunststoff wie Polypropylen.
  • Um zum Beispiel Hohlräume von Kraftfahrzeugen wie Holme thermisch oder insbesondere akustisch zu isolieren, ist es bekannt, taschen- oder scheidenförmige Hohlkörper aus Polypropylen zu verwenden. Hierzu werden Zuschnitte aus flächigem Polypropylenmaterial in ihren Randbereichen verklebt, um sodann entsprechend ausgebildete, eine dreidimensionale Gestalt aufweisende Körper in die Hohlräume wie zum Beispiel einen A-Holm eines Kraftfahrzeuges einzusetzen. Das Verkleben der Zuschnitte ist aufwendig, zeitintensiv und zudem umweltbelastend.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass präzise Körper, insbesondere Hohlkörper aus eine vernetzte Schaumstruktur aufweisendem Kunststoff, insbesondere aus Polypropylen, herstellbar sind, ohne dass aufwendige Verfahrensschritte erforderlich sind und ohne dass eine Umweltbelastung erwächst. Auch sollen die Verbindungsbereiche den Anforderungen entsprechend insbesondere schmal ausgebildet werden können.
  • Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung im Wesentlichen die Verfahrensschritte vor:
    • – Anordnen der zu verschweißenden Teile zwischen zumindest einer Sonotrode und zumindest einer zu der Sonotrode beabstandeten Gegenelektrode einer Ultraschallschweißvorrichtung,
    • – relatives Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode hin,
    • – Ultraschallerregung der Sonotrode vor oder beim Berühren des sonotrodenseitig verlaufenden Teils,
    • – weiteres relatives Verstellen der Ultraschall erregten Sonotrode derart, dass das Teil bei geringem Anpressdruck berührt wird,
    • – Erwärmen der Teile in ihren zu verschweißenden Bereichen bis ins Innere hinein und
    • – anschließendes Verpressen der Teile durch relatives Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode.
  • Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Sonotrode während des Erwärmens der Teile bis zum Inneren stillsteht oder weitgehend stillsteht bzw. dass Abstand zwischen der Sonotrode und der Gegenelektrode während des Erwärmens entsprechend dem Grad des Erwärmens der Teile ohne oder im Wesentlichen ohne Erhöhung der auf die Teile einzuleitenden Kräfte bzw. Drücke verstellt wird.
  • Abweichend von üblichen Ultraschallschweißverfahren wird die Sonotrode erregt, bevor eine Triggerkraft auf die zu verschweißenden Teile einwirkt. also bevor ein Kontakt mit den zu verschweißenden Teilen erfolgt bzw. wenn die Teile gerade berührt werden. Demgegenüber ist es nach dem Stand der Technik üblich, dass nach Aufbringen einer Trigger kraft auf die zu verschweißenden Teile erst anschließend die Sonotrode in Schwingung versetzt wird.
  • Dadurch, dass bei geringem Anpressdruck die zu verschweißenden Teile bis ins Innere hinein erwärmt werden, ist sichergestellt, dass ein Plastifizieren im Wesentlichen ausschließlich in dem Bereich erfolgt, in dem die Teile miteinander verbunden werden. Dabei kann in Abhängigkeit vom Grad des Plastifizierens ein Nachregeln des Abstandes zwischen Sonotrode und Amboss erfolgen. Unabhängig hiervon erfolgt ein endgültiges Verpressen erst dann, wenn die Teile im hinreichenden Umfang erwärmt, also plastifiziert sind.
  • Des Weiteren ist vorgesehen, dass während des Erwärmens bzw. Plastifizierens der Teile die Sonotrode relativ zu der Gegenelektrode in einem Umfang verstellt wird, dass der Anpressdruck konstant oder nahezu konstant ist.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Verpressen der Teile in einem Umfang erfolgt, dass die Dicke d der verschweißten Teile im Schweißnahtbereich zur Gesamtausgangsdicke D der Teile sich beläuft auf 2d < D < 3d.
  • Herstellungstechnisch ergeben sich insbesondere dann Vorteile, wenn die Teile in ihrem zu verschweißenden Nahtbereich auf eine Gegenelektrode positioniert werden, die einen dem Nahtbereich entsprechenden Geometrieverlauf zeigen.
  • Die Teile werden zu einem dreidimensionalen Körper verschweißt, dessen Schweißnaht durch Geometrieverlauf der Schweißfläche der Gegenelektrode vorgegeben wird, wobei der Gegenelektrode mehrere z. B. synchron verstellbare Sonotroden zugeordnet sein können, die eine die auszubildende Schweißnaht abdeckende Gesamtschweißfläche bilden.
  • Selbstverständlich kann die Schweißnaht auch durch sukzessives Einwirken einer oder mehrerer Sonotroden erfolgen, die auf unterschiedliche Schweißpositionen verstellbar sind.
  • Unabhängig ist vorgesehen, dass die Sonotrode bzw. Sonotroden derart schwimmend gelagert werden, dass beim relativen Verstellen der Gegenelektrode zu der Sonotrode bzw. den Sonotroden die in die Teile eingeleiteten Kräfte bzw. Drücke auf einen vorgegebenen bzw. konstanten oder nahezu konstanten Wert gehalten werden und zwar während des Plastifizierens.
  • Um kostengünstig entsprechende Hohlkörper auszubilden, wird insbesondere ein aus Abfallmaterial bestehendes flächiges Kunststoffmaterial verwendet, das der gewünschten dreidimensionalen Geometrie entsprechend zugeschnitten wird.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von einem der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung einer Sonotrode und einer Gegenelektrode einer Ultraschallschweißvorrichtung nach dem Einlegen der zu verschweißenden Teile bei zueinander beabstandeter Sonotrode und Gegenelektrode,
  • 2 die Anordnung gemäß 1 bei zu der Gegenelektrode verstellter Sonotrode, ohne die zu verschweißenden Teile zu berühren,
  • 3 einen Ausschnitt der Anordnung gemäß 1 bzw. 2 bei die zu verschweißenden Teile berührender Sonotrode.
  • 4 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt der 2 und
  • 5 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt der 3.
  • In 1 ist rein prinzipiell ein Schwinger 10 mit einem Sonotrodenkopf 12 sowie ein diesem zugeordneter Amboss 14 einer Ultraschallschweißvorrichtung dargestellt. Der Amboss 14 kann auch als Gegenelektrode bezeichnet wird.
  • In 1 sind Schwinger 10 bzw. Sonotrodenkopf 12 und Amboss 14 zueinander beabstandet, um zu verschweißende Teile 16, 18 auf eine Schweißfläche 20 des Ambosses 14 zu positionieren. Dabei weist die Schweißfläche 20 einen Geometrieverlauf auf, die dem Verlauf der Schweißnaht entspricht, in der die Teile 16, 18 untereinander verbunden werden sollen.
  • Die Teile 16, 18 sind Zuschnitte aus einem eine vernetzte Schaumstruktur aufweisenden Kunststoff wie Polypropylen. Dabei werden die Teile 16, 18 bevorzugterweise derart positioniert, dass sich nach dem Verschweißen ein dreidimensionaler Körper, insbesondere ein einseitig offener taschen- bzw. seheidenförmiger Körper ergibt. Dies wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel dadurch erzielt, dass das Teil 16 eine größere Breitenerstreckung als das Teil 18 aufweist, so dass sich hierdurch die gewünschte Taschengeometrie ergibt.
  • Ist in der 1 ein Schwinger mit einem Sonotrodenkopf 12 dargestellt, so sind dem Amboss 14, d. h. dessen Schweißfläche 20 vorzugsweise ein Sonotrodenbett zugeordnet, um gleichzeitig die Teile 16, 18 entlang ihres gesamten zu verschweißenden Bereichs verbinden zu können. Sonotrodenbett bedeutet dabei, dass eine Vielzahl nebeneinander angeordneter und nur einen geringen Spalt zueinander aufweisender Sonotroden synchron zu der Gegenelektrode bzw. dem Amboss 14 verstellbar und in Schwingung erregbar sind, so dass das gewünschte gleichzeitige Verschweißen der Teile 16, 18 erfolgt.
  • Dabei können die Sonotroden schwimmend gelagert werden. um bei Abstandsveränderung zwischen Sonotroden und Amboss ein Ausweichen zu ermöglichen. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, dass gewünschte Kräfte bzw. Drücke auf die zu verschweißenden Teile in Abhängigkeit vom Herstellungsprozessablauf einwirken.
  • Nach dem Positionieren der Teile 16, 18 zwischen dem Schwinger 10 und dem Amboss 14 wird der Schwinger 10 und damit der Sonotrodenkopf 12 in Richtung der Schweißfläche 20 verstellt. Vor Berühren des sonotrodenseitig verlaufenden Teils 18 wird der Schwinger 10 erregt und sodann in Kontakt mit den zu verschweißenden Teilen 16, 18 bei geringem Anpressdruck gebracht. Anschließend verbleibt der Schwinger 10 im erregten Zustand in seiner Position, bis die Teile 16, 18 in ihrem zu verschweißendem Bereich bis ins Innere hinein erwärmt und plastifiziert sind. Nach dem Erwärmen bzw. Plastifizieren erfolgt das Verpressen, das heißt, das weitere Zustellen des Schwingers 10 in Richtung des Ambosses 14, um die Teile 16, 18 zu verschweißen. Hierbei bildet sich eine Schweißnaht 22 unmittelbar im Bereich oberhalb der Schweißfläche 20 des Ambosses 14 aus.
  • Die 4 und 5 sollen noch einmal rein prinzipiell den Verfahrensablauf verdeutlichen. So ist in 4 die Situation dargestellt, in der sich die Sonotrode unmittelbar oberhalb des sonotrodenseitig verlaufenden Teils 18 befindet. In dieser Stellung wird die Sonotrode erregt und sodann in Richtung des Ambosses 14 verstellt. Nach Berühren des Teils 18 erfolgt ein Quasi-Stillstellen der Sonotrode, wobei der Sonotrodenkopf 12 die zu verschweißenden Teile 16, 18 mit einem geringen Anpressdruck berührt. In dieser Position verbleibt der Sonotrodenkopf 12 grundsätzlich so lange, bis die Teile 16, 18 bis ins Innere hinein erwärmt und somit plastifiziert sind, um anschließend die Teile 16, 18 durch Zustellen des Sonotrodenkopfs 12 in Richtung des Ambosses 14 zu verpressen.
  • Quasi-Stillstehen bedeutet dabei, dass die Sonotrode bzw. die Sonotrode und der Amboss derart zueinander verstellt werden können, dass in Abhängigkeit des Plastifizierens eine Abstandsänderung erfolgt, ohne dass eine auf die Teile einwirkende unerwünschte Kraft- bzw. Druckänderung erfolgt.
  • Dadurch, dass die Sonotrode vor Berühren der zu verschweißenden Teile 16, 18 in Schwingung erregt ist und sodann bei geringem Anpressdruck mit den Teilen 16, 18, das heißt mit der Oberfläche des sonotrodenseitig angeordneten Teils 18 schwingend in Berührung steht. erfolgt ein gezieltes Erwärmen und Plastifizieren unmittelbar im Bereich der Schweißfläche 20 des Ambosses 14 mit der Folge, dass sich eine präzise Schweißnaht 22 zwischen den Teilen 16, 18 ausbildet, die im Kontaktbereich zwischen der Schweißfläche 20 und der zugewandten Schweißfläche 24 des Sonotrodenkopfs 12 verläuft.
  • Die einwirkenden Druckkräfte sind dabei derart ausgelegt, dass in der Schweißnaht 22 eine Materialdicke D von zum Beispiel 1,5 mm bei einer Ausgangsgesamtdicke von zum Beispiel 4 mm erreicht wird. Eine entsprechende Schweißnaht 22 hat eine hinreichende Festigkeit und stellt sicher, dass Teile 16, 18 fest verschweißt sind.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Verbinden von Teilen aus eine vernetzte Schaumstruktur aufweisendem Kunststoff wie Polypropylen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Anordnung der zu verschweißenden Teile zwischen zumindest einer Sonotrode und zumindest einer zu der Sonotrode beabstandeten Gegenelektrode einer Ultraschallschweißvorrichtung, – relatives Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode hin, – Ultraschallerregung der Sonotrode vor oder beim Berühren des sonotrodenseitig verlaufenden Teils, – weiteres relatives Verstellen der Ultraschall erregten Sonotrode derart, dass das sonotrodenseitig verlaufende Teile bei geringem Anpressdruck berührt wird, – bei Ultraschall erregter Sonotrode Erwärmen der zu verschweißenden Teile bis ins Innere hinein und – anschließendes Verpressen der Teile bei erhöhtem Druck.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erwärmens der Teile die Sonotrode stillsteht oder nahezu stillsteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abstand zwischen der Sonotrode und der Gegenelektrode während des Erwärmens entsprechend dem Grad des Erwärmens bzw. Plastizifierens der Teile ohne oder im Wesentlichen ohne Erhöhung der auf die Teile einwirkenden Kräfte bzw. Drücke verstellt wird.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erwärmens der Teile die Sonotrode relativ zu der Gegenelektrode in einem Umfang verstellt wird, dass der Anpressdruck konstant oder nahezu konstant ist.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode bzw. Sonotroden derart schwimmend gelagert werden, dass beim relativen Verstellen der Gegenelektrode zu der Sonotrode bzw. den Sonotroden die in die Teile eingeleiteten Kräfte bzw. Drücke in Abhängigkeit vom Herstellungsablauf auf einen vorgegebenen bzw. konstanten oder nahezu konstanten Wert gehalten werden.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile in ihrem zu verschweißenden Bereich auf eine einen entsprechenden Geometrieverlauf aufweisende Schweißfläche der Gegenelektrode positioniert werden.
  7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile zu einem dreidimensionalen Körper verschweißt werden, dessen Schweißnaht durch Geometrieverlauf der Schweißfläche der Gegenelektrode vorgegeben wird, wobei der Gegenelektrode mehrere Sonotroden zugeordnet werden, die eine die auszubildende Schweißnaht abdeckende Gesamtschweißfläche bilden.
  8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode zu der Sonotrode bzw. den Sonotroden verstellt wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode bzw. die Sonotroden zu der Gegenelektrode synchron verstellt werden.
  10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Teile Zuschnitte eines flächigen Kunststoffmaterials, insbesondere einem aus Abfall bestehenden Kunststoffmaterials verwendet werden.
  11. Verfahren nach zumnindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verpressen der Teile in einem Umfang erfolgt, dass die Dicke d der verschweißten Teile im Schweißnahtbereich zur Gesamtausgangsdicke D der Teile sich beläuft auf 2d < D < 3d.
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