DE102015218181A1

DE102015218181A1 - Ultraschallbearbeitungseinrichtung und -verfahren und hierfür ausgeführte Sonotrode

Info

Publication number: DE102015218181A1
Application number: DE102015218181.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Ochs
Original assignee: PP-Tech GmbH
Current assignee: PP-TECH GMBH, DE
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-03-23

Abstract

Ultraschallbearbeitungseinrichtung, umfassend wenigstens eine einen Ultraschall-Konverter und eine Sonotrode aufweisende Ultraschall-Bearbeitungseinheit; wenigstens eine Ambosseinheit zum Positionieren und Abstützen wenigstens eines mittels der Ultraschall-Bearbeitungseinheit zu bearbeitenden Werkstücks; eine Zustellanordung, mittels der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit und die Ambosseinheit entlang wenigstens eines Zustellwegs relativ zueinander bewegbar und ein Wirkbereich der Sonotrode und das zu bearbeitende Werkstück in Bearbeitungseingriff bringbar sind, wobei mittels der Zustellanordnung im Bearbeitungseingriff des Wirkbereichs mit dem Werkstück Andruckkräfte zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück ausübbar sind; wobei in der Sonotrode durch den Ultraschallkonverter eine Ultraschall-Longitudinalschwingung bezogen auf eine sich von dem Ultraschallkonverter zum Wirkbereich erstreckende Sonotrodenachse anregbar ist; und wobei der Wirkbereich eine unter den Andruckkräften auf eine Werkstückfläche des Werkstücks wirkende Wirkoberfläche oder/und eine Mehrzahl vorstehender, unter den Andruckkräften auf die Werkstückfläche des Werkstücks wirkende Wirkelemente aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung, insbesondere eine Ultraschallschweißeinrichtung, umfassend:

– wenigstens eine einen Ultraschall-Konverter und eine Sonotrode aufweisende Ultraschall-Bearbeitungseinheit;
– wenigstens eine Ambosseinheit zum Positionieren und Abstützen wenigstens eines mittels der Ultraschall-Bearbeitungseinheit zu bearbeitenden Werkstücks;
– eine Zustellanordung, mittels der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit und die Ambosseinheit entlang wenigstens eines Zustellwegs relativ zueinander bewegbar und ein Wirkbereich der Sonotrode und das zu bearbeitende Werkstück in Bearbeitungseingriff bringbar sind, wobei mittels der Zustellanordung im Bearbeitungseingriff des Wirkbereichs mit dem Werkstück Andruckkräfte zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück ausübbar sind;

Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Ultraschallbearbeitungsverfahren, insbesondere Ultraschallschweißverfahren.
Es sind Ultraschallbearbeitungseinrichtungen zum Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen in Werkstücke und Materialien, etwa beim Verschweißen von Kunststoffbauteilen und auch Folienmaterialien, bekannt. Hierbei wird mit Hilfe einer schwingenden Sonotrode an einer Stelle des Bauteils bzw. Materials Leistung in Form von Ultraschall eingebracht, die an einer anderen Stelle, beispielsweise einer Fügefläche zu einem damit zu verbindenden zweiten Bauteil, Grenzflächen- und Molekularreibung zwischen den Bauteilen bzw. Materialien hervorruft und somit in Form von Wärme freigesetzt wird. Diese kurzzeitige Erwärmung ist lokal begrenzt und führt zu einer stoffschlüssigen Verbindung, die auf diversen Verbindungsmechanismen, wie zum Beispiel Reibungswärme, Abrasion, Adhäsion, sowie Diffusions- und Rekristallisationseffekten beruht. Der Frequenzbereich der Sonotrode ist anwendungsabhängig und liegt in der Regel zwischen 20 und 90 kHz.
Die zum Ultraschallschweißen benötigte Ultraschallbearbeitungseinheit besteht typischerweise im Wesentlichen aus den Komponenten: Ultraschall-Konverter, Booster, Sonotrode und Amboss. Der Ultraschall-Konverter wandelt durch den Hochfrequenzgenerator eingespeiste elektrische Energie in mechanische Energie in Form von einer Ultraschallschwingung um. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Piezokeramiken erfolgen. In der Regel wird mittels des Boosters eine Ausgangsamplitude des Ultraschallkonverters in eine Arbeitsamplitude umgesetzt und die Schwingung stabilisiert. Das eigentliche Schweißwerkzeug ist die Sonotrode, welche die Ultraschallleistung unter Andruckkräften auf das der Sonotrode zugewandte Werkstück überträgt. Das Zweite, zu verbindende Werkstück wird vom Amboss gehalten, so dass beide Werkstücke mit mindestens einer Kontaktfläche aneinander liegen. Die Verschweißung beider Werkstücke erfolgt im Bereich der Kontaktfläche.
Eine vorstellbare Ausführungsform einer Ultraschallschweißeinrichtung ist beispielsweise in EP 2 058 109 A1 beschrieben.
Herkömmliche Ultraschallschweißverfahren nutzen longitudinale Ultraschallschwingungen, um metallische Werkstoffe oder thermoplastische Kunststoffe stoffschlüssig zu verbinden. Dabei wirken die Andruckkräfte in senkrechter Richtung zu der Kontaktfläche. Bei thermoplastischen Kunststoffen ist die Schwingungsrichtung üblicherweise longitudinal und somit senkrecht zur Kontaktfläche zwischen den zwei Werkstücken gerichtet. Die longitudinalen Ultraschallwellen treffen in senkrechter Richtung auf das Werkstück und somit auch auf die Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Werkstücken. Die eventuell auftretenden transversalen Ultraschallschwingungen (Querschwingungen) in der Sonotrode werden als Störeffekte angesehen und sollen herkömmlich vermieden werden, da diese zu höheren Schweißzeiten und Schäden an der Sonotrode oder/und am Konverter führen können.
In einer sich auf eine Quelle „Greitmann“ beziehenden Internetveröffentlichung des Instituts für Schweißtechik und Fügetechnik der RWTH Aachen wird das Ultraschallschweißen anhand einer Ultraschallschweißanlage erklärt, bei der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit sich in Querrichtung zu den Fügeteilen und deren Kontaktfläche erstreckt, um Längsschwingungen parallel zu der Kontaktfläche in das Obere der zu fügenden Werkstücke einzubringen. Bekannterweise ist solch eine Anordnung, bei der die Schwingungsrichtung parallel (quer) zur Kontaktfläche (Fügefläche) gerichtet ist, damit die Fügepartner aneinander reiben, besonders für das Schweißen von Metallen geeignet.
Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Ultraschallschweißverfahrens ist in Dokument EP 1 930 148 A1 dargestellt. Das darin beschriebene torsionale Ultraschallschweißverfahren verwendet die Schwingung einer Sonotrode um ihre Längsachse bzw. um ihre Torsionsachse, wobei die Torsionsachse senkrecht auf der Kontaktfläche steht.
Bekannterweise können die Ultraschallschwingungen der Sonotrode so in das Werkstück eingeleitet werden, dass das Werkstück, welches sich zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem Amboss befindet, aufschmilzt. Für das Aufschmelzen gibt es bekannterweise zwei verschiedene Methoden.
Eine bevorzugte Methode ist das Aufschmelzen mit Hilfe von einer Mehrzahl vorstehender, unter den Andrückkräften auf die Werkstückfläche des Werkstücks wirkenden Wirkelemente, welche den Wirkbereich der Sonotrode bilden und auf das der Sonotrode zugewandte Werkstück drücken. Die Wirkelemente, sogenannte Pins, setzen thermische Energie im Kontaktbereich zu dem Werkstück frei, so dass der Kunststoff in deren nächsten Umgebung aufschmilzt. Aufgrund der Andruckkräfte tauchen die Wirkelemente, während die Schmelze erzeugt wird, in das Werkstück ein, bis die Schmelze des der Sonotrode zugewandten Werkstücks den Kontaktbereich zwischen zwei Werkstücken erreicht. Nach dem Abkühlen des Kunststoffs entsteht eine stoffschlüssige Verbindung im Bereich der Kontaktfläche zwischen den Werkstücken. Dieses Ultraschallschweißverfahren beruht nicht auf einer Relativbewegung zwischen den Werkstücken.
Ebenso ist ein Ultraschallschweißverfahren bekannt, bei welchem die Werkstücke im Bereich der Kontaktfläche mit Hilfe von sogenannten Energierichtungsgebern (ERGs) verbunden werden, die typischerweise einstückige Bestandteile eines der Werkstücke sind. Die Ultraschallleistung wird in diesem Falle über die Wirkfläche der Sonotrode in das der Sonotrode zugewandte Werkstück eingeleitet und setzt an den Energierichtungsträgern im Kontaktbereich der Werkstücke thermische Energie frei. Die aufgeschmolzenen Energierichtungsgeber gehen eine stoffschlüssige Verbindung mit den zu verbindenden Werkstücken bzw. dem zu verbindenden Werkstück ein. Bei diesen Verfahren üben die Werkstücke eine Relativbewegung, den sogenannten Fügeweg aus. Die endgültige Geometrie der Verbindung wird erst nach dem Ultraschallschweißvorgang erreicht.
Es hat sich gezeigt, dass Ultraschallschweißverfahren für die Anwendung zur Fertigung von Automobilstoßfängern, wie zum Beispiel das Anbringen von Abstandssensoren, sehr gut geeignet sind und Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren, wie zum Beispiel Klebeverfahren, haben. Die Herausforderung besteht aber darin, das Ultraschallschweißen derart auszulegen, dass Stoßfänger und Abstandssensorik fest miteinander verbunden sind, aber gleichzeitig die Leistung nicht so groß ist, dass die Qualität des Lackes auf der Außenseite des Stoßfängers beeinträchtigt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung derart zu gestalten, dass empfindliche Bauteile schonend bearbeitet, insbesondere miteinander verschweißt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird für die eingangs angsprochene Ultraschallbearbeitungseinrichtung vorgeschlagen, dass sich die Sonotrodenachse unter einem Winkel zu der Wirkoberfläche oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene erstreckt. Dadurch wird erreicht, dass die Sonotrode aufgrund ihrer Ultraschall-Longitudinalschwingung Ultraschallleistung mit einer ersten Ultraschall-Schwingungskomponente und einer zweiten Ultraschall-Schwingungskomponente in das Werkstück einbringt, wobei die erste Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche parallele Richtung und die zweite Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche orthogonale Richtung ist.
Überraschenderweise führt diese Ausgestaltung der Ultraschallbearbeitungseinrichtung und eine entsprechende Durchführung des Ultraschallbearbeitungsverfahrens zu deutlich besseren Ergebnissen, beispielsweise bei Anwendungen wie der angesprochenen Anbringung von Abstandssensoren an einem Kraftfahrzeug-Stoßfänger. Es wird vermutet, dass senkrecht zur Werkstückfläche in das Werkstück eingebrachte Longitudinalschwingung tendenziell leichter empfindliche Materialien schädigen können, als parallel zur Werkstückfläche eingebrachte Longitudinalschwingungen. Ein relevanter Effekt könnte die Eindringtiefe von Ultraschallschwingungen sein. Durch Wahl des Winkels zwischen der Wirkoberfläche und der Sonotrodenachse kann man ein Verhältnis zwischen der Wirkleistung der ersten Ultraschall-Schwingungskomponente und der Wirkleistung der zweiten Ultraschall-Schwingungskomponente einstellen. Herkömmlich konnte nur die insgesamt von der Sonotrode aufgrund der vom Ultraschall-Konverter gelieferten Ultraschallleistung ins Werkstück eingebrachte Ultraschallleistung variiert werden.
Bei herkömmlichen Ultraschallschweißverfahren werden die Ultraschallschwingungen ausschließlich parallel oder senkrecht zur Werkstückoberfläche oder/und Kontaktfläche der zu verbindenden Werkstücke eingekoppelt. Die offenbar für empfindliche Bauteile weniger geeigneten longitudinalen Ultraschallwellen senkrecht zur Kontaktfläche werden demgegenüber mit der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinrichtung reduziert, so dass etwa unerwünschte Abzeichnungen auf dem ambossseitigen Werkstück vermieden werden können. Dennoch kann hinreichend Energie eingekoppelt werden, damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Werkstücken durch die Einwirkung der Sonotrode erzielt werden kann.
Bevorzugt erstreckt sich die Sonotrodenachse der Sonotrode der Ultraschallbearbeitungseinheit unter einem Winkel von mindestens 5° zu der Wirkoberfläche oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel mindestens 10° und in einer höchstvorzugsweisen Ausführungsform ist der Winkel mindestens 20°.
Der Winkel zwischen der Sonotrodenachse der Sonotrode und der Wirkoberfläche oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene kann mindestens 30°, vorzugsweise mindestens 40°, höchstvorzugsweise etwa 45° sein.
Bevorzugt erstreckt sich die Sonotrodenachse der Sonotrode der Ultraschallbearbeitungseinheit unter einem Winkel von maximal 85° zu der Wirkoberfläche oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel maximal 80° und in einer höchstvorzugsweisen Ausführungsform ist der Winkel maximal 70°.
Der Winkel zwischen der Sonotrodenachse der Sonotrode und der Wirkoberfläche oder der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene kann maximal 60° und vorzugsweise maximal 50° sein.
Entsprechend dem verwendeten Winkel kann der Anteil der ersten und zweiten Ultraschall-Schwingungskomponente variiert werden. Insbesondere bei einem Winkel von 45° ergeben sich die auf eine zur Werkstücksfläche parallelen und orthogonalen Ultraschall-Schwingungsamplituden gleichermaßen zu 1/√2 der durch die Sonotrode longitudinal zur Sonotrodenachse eingebrachten Ultraschall-Schwingungsamplitude.
Eine schräg gestellte Sonotrode entsprechend dem gewählten Winkel zwischen der Sonotrodenachse und der Wirkoberfläche bzw. der Bezugsebene ermöglicht auch das Verschweißen bzw. Bearbeiten von Werkstücken mit komplizierter Geometrie, beispielsweise mit Hinterschneidungen. Eine schräg gestellte Sonotrode kann Bereiche erreichen, die mit einer senkrecht gestellten Sonotrode nicht zugänglich wären. Der Einsatzbereich für das Verschweißen mittels Ultraschallleistung kann daher mit der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinheit deutlich erweitert werden.
Der Einsatzbereich der Ultraschallbearbeitungseinheit kann ferner durch die Gestaltung des Wirkbereichs am Ende der Sonotrode erweitert bzw. geeignet angepasst werden. Vorzugsweise weist der Wirkbereich einen langgestreckten oder/und zylindrischen Körperabschnitt auf, welcher an die jeweilige Anwendung angepasst sein kann. Beispielsweise kann der zylindrische Körperabschnitt derart ausgelegt sein, dass eine dreieckige oder/und rechteckige Wirkoberfläche entsteht, wobei auch mehreckige oder/und asymmetrische sowie runde oder/und ovale Wirkoberflächen denkbar sind.
Der Wirkbereich an einem Ende der Sonotrode kann mit wenigstens einer beispielsweise konkaven, etwas sichelförmigen Aussparung ausgeführt sein, so dass dieser im Bearbeitungseingriff mit dem Werkstück mit einem die Aussparung begrenzenden Flächenbereich einen von der Werkstückfläche vorstehenden Abschnitt des zu bearbeitenden Werkstücks umgreifen kann. Mit dem so ausgeformten Wirkbereich können Werkstücke, welche eine zylindrisch-runde Erhebungen aufweisen, sehr gut bearbeitet werden. Eine Anordnung mit zwei sichelförmig ausgebildeten Sonotroden, wobei jede Sichel einen Halbkreis von beispielsweise 180° umfasst, könnte Werkstücke mit zylindrisch-runden Erhebungen bzw. Ausformungen vollständig oder nahezu vollständig umgreifen. Die Erhebung kann ebenso rechteckig oder/und oval ausgeformt sein. Denkbar ist an dieser Stelle auch eine Anpassung des Wirkbereichs der Sonotrode an asymmetrische Erhebungen.
Alternativ kann der Wirkbereich der Sonotrode im Bearbeitungseingriff mit dem Werkstück mit einem den Vorsprung begrenzenden Flächenbereich in eine Aussparung eines von der Werkstückfläche vorstehenden Abschnitts des zu bearbeitenden Werkstücks eingreifen. Somit wird der Anwendungsbereich auf beispielsweise U-förmige Werkstücke oder Werkstücke mit Aussparungen erweitert.
Bevorzugt ist die Zustellanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform für eine Verstellung und ggf. Justage einer momentanen Position der Ultraschall-Bearbeitungseinheit in einer zur Werkstückfläche senkrechten Hochrichtung und in mindestens einer zur Werkstückfläche parallelen Querrichtung, vorzugsweise in zwei zueinander orthogonalen, jeweils zur Werkstückfläche parallelen Querrichtungen ausgelegt, anstelle oder zusätzlich zu einer Verstellbarkeit der Sonotrode entlang deren Sonotrodenachse.
Anzumerken ist, dass sich die Sonotrodenachse erfindungsgemäß unter einem Winkel zu der Wirkoberfläche oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene erstreckt. Die Zustellanordnung sollte daher derart ausgelegt sein, dass eine Verstellung und ggf. Justage einer momentanen Kipporientierung der Ultraschall-Bearbeitungseinheit bezogen auf eine zur Sonotrodenachse orthogonale, zur Werkstückfläche parallele Kippachse möglich ist.
Vorzugsweise sieht die Zustellanordnung mindestens ein Abstützelement vor, an welchem die Sonotrode in einem mittleren Bereich ihrer Erstreckung längs der Sonotrodenachse abstützbar ist. Das Abstützelement ist vorzugsweise derart in Bezug auf die Sonotrode angeordnet, dass aus den Andruckkräften resultierende, auf die Sonotrode wirkenden Momente, die zu einer Kippung oder Biegung der Sonotrode führen können, abstützbar sind. So kann die Übertragung der Andruckkräfte unterstützt werden, insbesondere wenn sich die Zustellanordnung im Bearbeitungseingriff befindet und hohe Andruckkräfte notwendig sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich eines der Abstützelemente an oder nahe eines Bereiches, bei welchem die Amplitude der Ultraschall-Longitudinalschwingung verschwindet oder nahezu verschwindet, aufgrund destruktiver Interferenz stehender Wellen. Die Anordnung des Abstützelementes in einem Bereich, an welchem es einen sogenannten Knotenpunkt gibt, also die Amplitude der Ultraschall-Longitudinalschwingung zumindest teilweise ausgelöscht ist, ist unter anderem vorteilhaft im Hinblick auf die Positioniergenauigkeit der Ultraschall-Bearbeitungseinheit und vermeidet, dass in unerwünschter Weise Komponenten der Zustellanordnung in Vibration versetzt werden.
Es wird allgemein vorgeschlagen die Ultraschallbearbeitungseinrichtung mit mehreren Sonotroden unterschiedlicher Orientierung, vorzugsweise mit wenigstens einem Paar von entgegengesetzt orientieren Sonotroden, zum gleichzeitigen oder wechselweisen Bearbeiten des Werkstücks vorzusehen. Eine parallele Bearbeitung kann die Prozessgeschwindigkeit erheblich erhöhen. Eine erfindungsgemäße Ultraschallbearbeitungseinrichtung kann also mit einer dem Werkstück und dem Prozess angepassten Sonotrodenanzahl und einer für deren Positionierung und ggf. Justage bezüglich des Werkstücks ausgeführten Zustellanordnung bereitgestellt werden.
Anzumerken ist noch, dass die Ultraschallbearbeitungseinrichtung in Form einer Ultraschallschweißeinrichtung betrieben werden kann. Als solche sind vielfältige Anwendungen, etwa Anwendungen im Bereich des Automobilbaus, insbesondere zum Verbinden von Karosserieteilen und funktionellen Einheiten, denkbar. Verschweißt werden kann beispielsweise ein elektronisches Bauteil mit einem Gehäuseteil. Ein konkretes Beispiel ist das Verschweißen eines Sensors mit einem Automobilstoßfänger oder einem Radkasten. Ebenso könnten zwei Halteelemente oder ein Halteelement und ein Funktionsteil miteinander verschweißt werden.
Des Weiteren wird die oben stehende Aufgabe durch ein Verfahren zur Ultraschallbearbeitung gelöst. Dazu wird vorgeschlagen, dass eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung, wie zuvor beschrieben, in einem Ultraschallbearbeitungsverfahren, insbesondere Ultraschallschweißverfahren, derart verwendet wird, dass die Sonotrode mit ihrem Wirkbereich mit wenigstens einem Werkstück in Bearbeitungseingriff gebracht und mittels der Zustellanordnung Andruckkräfte zwischen dem Wirkbereich und dem Werkstück ausgeübt werden und in der Sonotrode durch den Ultraschallkonverter eine Ultraschall-Longitudinalschwingung bezogen auf eine sich von dem Ultraschall-Konverter zum Wirkbereich erstreckende Sonotrodenachse angeregt wird. Dies erfolgt derart, dass die angeregte Ultraschall-Longitudinalschwingung mit einer ersten Ultraschall-Schwingungskomponente und einer zweiten Ultraschall-Schwingungskomponente in das Werkstück eingebracht wird, wobei die erste Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche parallele Richtung und die zweite Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche orthogonale Richtung ist. Es werden die erläuterten Vorteile erreicht.
In der Regel wird man die in das Werkstück eingebrachte Ultraschallleistung derart wählen, dass Material wenigstens eines von wenigstens zwei stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücken aufgrund von aus der Ultraschallleistung resultierender thermischer Energie aufschmilzt.
Das Verfahren kann derart durchführt werden, dass eine Mehrzahl von Wirkelementen des Wirkbereichs der Sonotrode unter den Andruckskräften in aufgrund der eingebrachten Ultraschallleistung und hieraus resultierender thermischer Energie aufschmelzendes Material des Werkstücks eindringt, ggf. bis zu einer der Werkstückfläche entgegengesetzten Oberfläche des Werkstücks oder darüber hinaus in aufschmelzendes Material eines/des mit dem Werkstück stoffschlüssig zu verbindenden weiteren Werkstücks. Die zu verbindenden Werkstücke können dabei bereits zu Beginn, also wenn die Werkstücke für die Bearbeitung positioniert sind, ihre endgültige Position relativ zueinander einnehmen. Eine Relativbewegung zwischen den zu verbindenden Werkstücken im Bearbeitungseingriff oder/und während der Ultraschallbearbeitung kann so vermieden werden.
Die Gestalt der Wirkelemente ist geeignet wählbar. Diese können beispielsweise eine kreisrunde, halbrunde, ovale, viereckige oder mehreckige Grundfläche besitzen oder sich zu einer Spitze verjüngen.
Alternativ kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass eine Wirkoberfläche des Wirkbereichs der Sonotrode flächig Ultraschallleistung in ein oberes von zwei stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücken einbringt, welche an wenigstens einer anderen Stelle des Werkstücks aufgrund von aus der Ultraschallleistung resultierender thermischer Energie zu einem Aufschmelzen von Material wenigstens eines der Werkstücke führt. Dabei kann das Material wenigstens eines Energierichtungsgebers an einem Kontaktbereich eines der Werkstücke zu dem anderen der Werkstücke aufschmelzen. Es kann eine Relativbewegung der stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücke resultieren.
Solch ein zwischen den zwei stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücken sich befindender Energierichtungsgeber wird in der Regel mit einem der zwei Werkstücke eine Einheit bilden. Denkbar ist jedoch auch, dass beide Werkstücke mit Energierichtungsgebern versehen sind oder sich ein weiteres, mit keinen der stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücke verbundenes Material zwischen den zu verbindenden Werkstücken angeordnet ist und als Energierichtungsgeber wirkt.
Vorteilhaft kann das Ultraschallschweißverfahren verwendet werden, um wenigstens zwei, ein Innen- oder Außenteil eines Kraftfahrzeuges bildende, Werkstücke miteinander zu verschweißen. Es ergeben sich stoffschlüssige Verbindungen, die von Erschütterungen und Witterungsbedingungen, denen ein Kraftfahrzeug typischerweise ausgesetzt ist, nicht getrennt werden können, unter Erhalt einer gewünschten hohen Oberflächenqualität des resultierenden Kraftfahrzeug-Bauteils.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens ein Abstandssensor mit einem Stoßfängerrohling verschweißt. Das erfindungsgemäße Ultraschallverfahren ermöglicht sichtbare Abzeichnungen am Stoßfänger zu vermeiden.
Es wird vor allem daran gedacht, dass wenigstens zwei Werkstücke an jeweiligen Kunststoffmaterialabschnitten miteinander verbunden werden. Entsprechend der gewünschten Anwendung können die Kunststoffmaterialien frei gewählt werden.
Die Erfindung stellt ferner auch eine Sonotrode für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinheit und dem vorgestellten Ultraschallbearbeitungsverfahren bereit. Die erfindungsgemäße Sonotrode kann einen entlang einer Sonotrodenachse langgestreckten Sonotrodenkörper umfassen, welcher an einem Ende einen mit einem Werkstück in Bearbeitungseingriff bringbaren Wirkbereich aufweist, wobei der Wirkbereich eine Wirkoberfläche oder/und eine Mehrzahl vorstehender Wirkelemente aufweist, mit der/denen Andruckkräfte auf eine Werkstückfläche des Werkstücks ausübbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sonotrodenachse sich unter einem Winkel zu der Wirkoberfläche oder zu einer die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene erstreckt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten bzw. veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1: zeigt eine herkömmliche Ultraschallschweißanlage.
2: veranschaulicht ein Ultraschallschweißverfahren mittels einer Mehrzahl vorstehender Wirkelemente an der Wirkoberfläche einer Sonotrode.
3: veranschaulicht ein Ultraschallschweißverfahren mittels Energierichtungsgebern in einer Kontaktfläche zwischen zwei zu verbindenden Werkstücken.
4: zeigt nicht beschränkende Beispiele von Sonotrodenkörpern.
5: zeigt in einer Seitenansicht wesentliche Komponenten einer erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
6–7: zeigen erfindungsgemäße Ultraschallschweißverfahren mittels einer Mehrzahl vorstehender Wirkelemente an der Wirkoberfläche der Sonotrode (6) und mittels Energierichtungsgeber in der Kontaktfläche zwischen zwei zu verbindenden Werkstücken, wobei die Wirkfläche der Sonotrode flächig ausgebildet ist (7).
8a–8b: zeigen nicht beschränkende Beispiele des Wirkbereichs einer erfindungsgemäßen Sonotrode im Querschnitt.
9–11: zeigen nicht beschränkende Beispiele des Wirkbereichs erfindungsgemäßer Sonotroden, mit sichelförmiger Aussparung (9), mit konkaver, als Rechteck geformter Aussparung (10) und mit konvexen, als Rechteck geformten Vorsprung (11).
12: dient zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Zustellanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt schematisch eine Ultraschallbearbeitungeinrichtung nach dem Stand der Technik mit einer herkömmlichen Ultraschall-Bearbeitungseinheit (10). Diese besteht typischerweise im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: einem Hochfrequenzgenerator (12), einem Ultraschall-Konverter (14), einem Booster (16) und einer Sonotrode (18). In der Praxis ist der Hochfrequenzgenerator (12) häufig als gesonderte Einheit ausgeführt, die über eine Kabelverbindung mit dem Ultraschall-Konverter (14) der Ultraschall-Bearbeitungseinheit (10) verbunden ist, in Abweichung von der schematischen und die üblichen Proportionen nicht wiedergebenden Zeichnung. An einem Endbereich der Sonotrode sind Wirkelemente (20), sogenannte Pins, zu sehen. Dies ist eine mögliche Ausführungsform des Wirkbereichs der Sonotrode. Alternativ kann der Wirkbereich als flächige Wirkoberfläche ausgebildet sein, wie 3 zeigt. Unterhalb des Wirkbereichs der Sonotrode sind zwei zu verbindende Werkstücke (22, 24) auf einem Amboss (26) gelagert.
Auf bekannte Art und Weise dient die Ultraschallbearbeitungseinrichtung zur Beaufschlagung eines zu bearbeitenden Werkstücks (22), insbesondere zum Ultraschallverschweißen des Werkstücks (22) mit einem weiteren darunterliegenden Werkstück (24), indem die Sonotrode mittels einer nicht dargestellten Hubeinheit an ihrem Wirkbereich mit dem der Sonotrode zugewandten Werkstück (22) in Kontakt gebracht wird. Die Ultraschallleistung wird mittels der Sonotrode unter Andruckkräften, welche in Y-Richtung wirken, in das Werkstück (22) eingebracht. Bei dem hier aufgezeigten herkömmlichen Ultraschallschweißverfahren werden die bezogen auf eine Längsachse (A) der Sonotrode longitudinalen Ultraschallschwingungen senkrecht in Bezug auf die Werkstückoberfläche in das Werkstück eingebracht.
Ist der Wirkbereich der Sonotrode mit Wirkelementen (20) versehen, dann erfolgt die Ultraschallverschweißung wie in 2 dargestellt. Die Wirkelemente (20) werden in Wirkrichtung der Andruckkräfte (28) auf das der Sonotrode zugewandte Werkstück (22) gedrückt und bewegen sich aufgrund der durch die Ultraschallleistung erzeugten thermischen Energie in das Werkstück (22) hinein. Die Wirkelemente (20) sind derart ausgelegt, dass diese unter den Andruckkräften in das Werkstück (22), bis zum Erreichen des zu verbindenden Werkstücks (24), eintauchen. Während dieses Vorgangs entsteht Schmelze (32) im Kontaktbereich (30) zwischen den zu verbindenden Werkstücken (22, 24), welche erkaltet und zu einer stoffschlüssigen Verbindung (34) zwischen den Werkstücken (22, 24) führt, nachdem die Sonotrode (18) mit den Wirkelementen (20) zurückgefahren wurde.
Die wohl verbreitetste Methode, mittels Ultraschallschweißverfahren zwei Werkstücke zu verbinden, ist in 3 dargestellt. Bei dieser Methode wird Ultraschallleistung über die flächig ausgebildete Wirkoberfläche (38) der Sonotrode (18) in das der Sonotrode zugewandte Werkstück (22) eingebracht und gezielt an Energierichtungsgebern (36) im Kontaktbereich der Werkstücke (22, 24) in Form von thermischer Energie freigesetzt. Dies führt zu einem Aufschmelzen der Energierichtungsgeber (36), die gemäß der Ausführungsform in 3 an dem der Sonotrode zugewandten Werkstück (22) angeordnet sind, so dass das Werkstück (22) sich in die Wirkrichtung der Andruckkräfte (28) bewegen kann und die Werkstücke (22, 24) eine Relativbewegung zueinander ausführen können. Nach Abschaltung der Ultraschallleistung bzw. Entfernen der Sonotrode erkaltet die Schmelze (32) im Kontaktbereich (30), so dass eine stoffschlüssige Verbindung (34) zwischen den Werkstücken (22, 24) entsteht.
Beispielhafte, aus dem Stand der Technik bekannte Sonotrodenformen, sind in 4 dargestellt. Diese Sonotrodenformen können in der zuvor beschriebenen herkömmlichen Ultraschallbearbeitung verwendet werden und den Ausgangspunkt für die Bereitstellung erfindungsgemäßer Sonotroden bilden.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Ultraschall-Bearbeitungseinheit allgemein mit (10) bezeichnet. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Winkel (40) zwischen der Sonotrodenachse (A) und einer die distalen Enden der Wirkelemente (20) schneidenden Bezugsebene (44) vorhanden, so dass die Wirkrichtung der Andruckkräfte (28) nicht mit der Längserstreckungsrichtung der Sonotrode zusammenfällt. Für die Bereitstellung des sich unter einem Winkel (40) zur Sonotrodenachse (A) erstreckenden Wirkbereichs kann das Ende des langgestreckten, zylindrischen Körperabschnitts der Sonotrode (18) auf zwei Flächen aufgeteilt sein, wie in der Zeichnung als Beispiel gezeigt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wirkelemente (20) lediglich auf einer der beiden Flächen dargestellt, es ist jedoch ebenso denkbar, beide Flächen mit Wirkelementen auszulegen, bzw. beide Flächen zum Ultraschallbeaufschlagen von Werkstücken zu nutzen. Es ist weiterhin möglich, dass anstatt der dargestellten Wirkelemente (20) die Wirkoberfläche der Sonotrode flächig ausgebildet ist, wie zum Beispiel in 7 ersichtlich.
Das eigentliche Ultraschallbearbeitungsverfahren, insbesondere Ultraschallschweißverfahren, erfolgt analog zu dem bereits aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und ist in 6 veranschaulicht. Die Ultraschallleistung wird mittels der Wirkelemente (20) unter Andruckkräften in das Werkstück (22) eingebracht. Die parallelen und orthogonalen Ultraschallschwingungskomponenten bewirken eine Aufschmelzung des Werkstücks (22), so dass sich die Wirkelemente (20) durch dieses bis zum Erreichen des darunterliegenden Werkstücks (24) hindurch bewegen können. Die Bewegungsrichtung der Wirkelemente entspricht der Wirkrichtung der Andruckkräfte (28). Die im Kontaktbereich entstehende Schmelze (32) sorgt nach der Abschaltung der Ultraschallleistung und dem Auskühlen der Werkstücke für eine stoffschlüssige Verbindung (34).
In 7 repräsentiert ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinheit (10) und veranschaulicht ein entsprechendes Ultraschallbearbeitungsverfahren. Die Wirkoberfläche (38) der Sonotrode (18) ist flächig, also ohne vorstehende Wirkelemente (20) ausgebildet. Erfindungsgemäß ist ein Winkel (40) zwischen der Sonotrodenachse (A) und der Wirkoberfläche (38) der Sonotrode (18) realisiert, so dass die Wirkrichtung der Andruckskräfte (28) nicht mit der Längserstreckungsrichtung der Sonotrode zusammenfällt.
Die Verschweißung der Werkstücke (22, 24) erfolgt mittels mindestens einem Energierichtungsgeber (36), wobei in dem dargestellten Beispiel mehrere Energierichtungsgeber (36) an dem der Sonotrode zugewandten Werkstück (22) im Kontaktbereich (30) zwischen den Werkstücken (22, 24) vorgesehen sind. Die für die Verschweißung benötigte Ultraschallleistung wird über die flächig ausgebildete Wirkoberfläche (38) der Sonotrode (18) in das der Sonotrode zugewandte Werkstück (22) eingebracht und an den Energierichtungsgebern (36) in Form von thermischer Energie freigesetzt. Somit wird ein Aufschmelzen der Energierichtungsgeber und zumindest ein Teilbereich des darunter befindlichen Werkstücks erreicht. Während der Verschweißung können die Werkstücke (22, 24) eine Relativbewegung zueinander ausführen. Nach Abschaltung der Ultraschallleistung bzw. Fortfahren der Sonotrode (18) erkaltet die Schmelze (32) im Kontaktbereich (30), so dass eine stoffschlüssige Verbindung (34) zwischen den Werkstücken (22, 24) entsteht. Das erste Werkstück (22) könnte zum Beispiel ein Abstandssensor sein, und das darunterliegende Werkstück (24) könnte ein Automobilstoßfänger sein.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit repräsentieren 5 und 7 jeweils einen Spezialfall, bei dem der Winkel (40) 45° beträgt. Dadurch wird die Amplitude der longitudinal zur Sonotrodenachse (A) eingekoppelten Ultraschallleistung, die sogenannte Ultraschallschwingungsamplitude (A_l), gleichermaßen in zwei Ultraschallschwingungskomponenten aufgeteilt, einer ersten zur Werkstückoberfläche parallelen Ultraschallschwingungsamplitude (A_p) und einer zweiten zur Werkstückoberfläche orthogonalen Ultraschallschwingungsamplitude (A_o). Jede der Ultraschallschwingungsamplituden ergibt sich zu 1/√2 der durch die Sonotrode longitudinal zur Sonotrodenachse (A) eingebrachten Ultraschallschwingungsamplitude (A_l). Mittels der Aufteilung der Ultraschallleistung in zwei Ultraschallschwingungskomponenten kann erreicht werden, dass die Verschweißung zwischen den Werkstücken (22, 24) erheblich schonender, aber immer noch sehr wirkungsvoll erfolgt, wenn der Prozess mit dem derzeitigen Stand der Technik, bei welchem die Ultraschallleistung ausschließlich longitudinal zur Sonotrodenachse und senkrecht zum Werkstück (22) bzw. zum Kontaktbereich (30) zwischen den Werkstücken (22, 24) eingebracht wird, verglichen wird.
Erfindungsgemäß wird also durch die Aufteilung der Ultraschallleistung in zwei Ultraschallschwingungskomponenten eine schonendere Verarbeitung der Werkstücke erreicht. Somit können insbesondere empfindliche Bauteile, wie zum Beispiel Sensoren oder lackierte Oberflächen, mittels Ultraschallverarbeitungsverfahren verbunden werden, ohne dass sich deutliche Abzeichnungen aufgrund des Ultraschallverarbeitungsverfahrens auf den Werkstücken abzeichnen.
Zweckmäßig sind auch Sonotroden (18) mit einem anderen Winkel (40) zwischen der die distalen Enden der Wirkelementen (20) schneidenden Bezugsebene bzw. der Wirkoberfläche (38) und der Sonotrodenachse (A). Beispielsweise kann man einen Winkel im Bereich zwischen 5° und 85° Grad vorsehen, um eine Aufteilung der eingekoppelten Ultraschallleistungen in zwei Ultraschallschwingungskomponenten mit zueinander orthogonalen Schwingungsrichtungen (parallel und orthogonal zur Werkstückoberfläche) zu erreichen. Es kann ein breiter Anwendungsbereich abgedeckt werden. Insbesondere kann die eingebrachte Ultraschallleistung und deren Wirkung im bzw. am Werkstück an die Anforderungen einzelner Werkstücke angepasst werden.
Die bisherigen Ausführungen zeigen eine mögliche Art und Weise, wie die Sonotrode als langestreckter, zylindrischer Körperabschnitt ausgeformt sein kann. Mögliche Anwendungen sind jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Es besteht ferner die Möglichkeit, dass der langestreckte, zylindrische Körperabschnitt asymmetrisch geformt ist, wie in 8a gezeigt, oder abgerundete Abschnitte aufweist, wie in 8b beispielhaft dargestellt. Die Sonotrode kann im Prinzip eine beliebige, für den Anwendungszweck geeignete Form haben, auch ohne einen zylindrischen Körperabschnitt.
Eine besonders gute Anpassung an diverse Werkstückgeometrien lässt sich durch die Gestaltung der Sonotrode erzielen, wofür die 9, 10 und 11 Beispiele zeigen. In 9 weist das Werkstück (22) eine zylindrische Erhebung auf. Es ist angedacht, dieses Werkstück mit einem nicht dargestellten darunterliegenden Werkstück zu verbinden, wobei die Schweißnaht möglichst nahe an der zylindrisch-runden Erhebung (46) des Werkstücks (23) platziert werden soll. Dies kann besonders gut mittels einer sichelförmigen Aussparung (48) im Wirkbereich der Sonotrode (18), die die zylindrisch-runde Erhebung (46) etwa zur Hälfte umschließt, erreicht werden.
Analog zu 9, kann der Wirkbereich der Sonotrode (18) auch an eckig-zylindrische Erhebungen, wie in 10 dargestellt, oder an mehreckig-zylindrische Erhebungen angepasst werden. 10 zeigt eine rechteckige Aussparung (50) im Wirkbereich der Sonotrode.
Ebenso denkbar sind Werkstücke mit einer konkaven Aussparung, welche im Bereich dieser Aussparung mit einem darunterliegenden Werkstück stoffschlüssig zu verbinden sind. Eine Anpassung an diese Anforderung ist in 11 dargestellt. Dabei ist im Wirkbereich der Sonotrode ein rechteckiger Vorsprung (52), welcher an das konkave Werkstück (22) angepasst ist, vorhanden, so dass während der Ultraschallbearbeitung Werkstück (22) und Sonotrode (18) ineinander greifen.
Nach einem dritten Ausführungsbeispiel (12) sind zwei gesonderte Ultraschall-Bearbeitungseinheiten (10a und 10b), mit zwei entgegengesetzt orientierten Sonotroden (18a und 18b) vorhanden. Jede der Sonotroden (18a und 18b) befindet sich in einer Kipporientierung unter einem Kippwinkel, welcher dem jeweiligen Winkel (40a und 40b) entspricht. Mittels einer nicht dargestellten Zustellanordnung kann jede der Sonotroden entsprechend der in 12 dargestellten Achsen, also in X-, Y- und φ-Richtung justiert werden. Bei der Justage können ein oder mehrere Abstützelemente (56) hilfreich sein. Es nicht zwingend, dass beide Sonotroden (18) spiegelsymmetrisch entsprechend einer gedachten Symmetrieebene (58) entlang der Mitte des Werkstücks (22) angeordnet sind. Ferner kann die Kipporientierung unterschiedlich sein, was besonders vorteilhaft ist, wenn asymmetrische Werkstücke in einer Zustellanordnung bearbeitet werden sollen. Es ist weiterhin denkbar, dass die Ultraschallbearbeitungseinrichtung mehr als zwei Sonotroden umfasst, um beispielsweise größere Baugruppen mit mehreren Schweißpunkten zeitgleich miteinander verbinden zu können.
Die Zustellanordnung der Ultraschallbearbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt die Sonotrode (18) oder die Sonotroden mit dem Werkstück (22) und dem zu verbindenden Werkstück (24) in eine Bearbeitungsstellung zu bringen, in welcher unter Andruckkräften Ultraschallleistungen in das der Sonotrode zugewandte Werkstück (22) eingebracht wird. Die Wirkrichtung der Andruckkräfte (28) ist jeweils in Y-Richtung. Häufig sind für die Ultraschallverschweißung hohe Andruckkräfte notwendig. Um diese in einer Kipporientierung der Sonotrode (18) auf die zu verbindenden Werkstücke (22, 24) übertragen zu können, ist es möglich, die Abstützelemente (56), welche zum Beispiel Kipp- oder/und Biegemomente aufnehmen können, entsprechend zu nutzen. Anstelle eines Abstützelements (56), welches wie in 12 dargestellt etwa mittig entlang der Sonotrodenachse (A) angebracht ist, könnten auch eine Führungsschiene oder mehrere entlang des Sonotrodenkörpers angeordnete Abstützelemente (56) vorhanden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2058109 A1 [0005]
EP 1930148 A1 [0008]

Claims

Ultraschallbearbeitungseinrichtung, umfassend – wenigstens eine einen Ultraschall-Konverter (14) und eine Sonotrode (18) aufweisende Ultraschall-Bearbeitungseinheit (10); – wenigstens eine Ambosseinheit (26) zum Positionieren und Abstützen wenigstens eines mittels der Ultraschall-Bearbeitungseinheit zu bearbeitenden Werkstücks (22, 24); – eine Zustellanordung (54), mittels der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit und die Ambosseinheit (26) entlang wenigstens eines Zustellwegs relativ zueinander bewegbar und ein Wirkbereich der Sonotrode und das zu bearbeitende Werkstück (22, 24) in Bearbeitungseingriff bringbar sind, wobei mittels der Zustellanordnung (54) im Bearbeitungseingriff des Wirkbereichs mit dem Werkstück (22, 24) Andruckkräfte zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück ausübbar sind; wobei in der Sonotrode (18) durch den Ultraschall-Konverter (14) eine Ultraschall-Longitudinalschwingung bezogen auf eine sich von dem Ultraschallkonverter zum Wirkbereich erstreckende Sonotrodenachse (A) anregbar ist; und wobei der Wirkbereich eine unter den Andruckkräften auf eine Werkstückfläche des Werkstücks wirkende Wirkoberfläche (38) oder/und eine Mehrzahl vorstehender, unter den Andruckkräften auf die Werkstückfläche des Werkstücks wirkende Wirkelemente (20) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenachse (A) sich unter einem Winkel (40) zu der Wirkoberfläche (38) oder zu einer die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene (44) erstreckt, derart, dass die Sonotrode (18) aufgrund ihrer Ultraschall-Longitudinalschwingung Ultraschallleistung mit einer ersten Ultraschall-Schwingungskomponente und einer zweiten Ultraschall-Schwingungskomponente in das Werkstück (22, 24) einbringt, wobei die erste Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche parallele Richtung und die zweite Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche orthogonale Richtung ist.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenachse (A) sich unter einem Winkel (40) von mindestens 5°, vorzugsweise mindestens 10°, höchstvorzugsweise mindestens 20° zu der Wirkoberfläche (38) oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene (44) erstreckt.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenachse (A) sich unter einem Winkel (40) von mindestens 30°, vorzugsweise mindestens 40°, höchstvorzugsweise etwa 45° zu der Wirkoberfläche (38) oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene (44) erstreckt.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenachse (A) sich unter einem Winkel (40) von maximal 85°, vorzugsweise maximal 80°, höchstvorzugsweise maximal 70° zu der Wirkoberfläche (38) oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene (44) erstreckt.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenachse (A) sich unter einem Winkel (40) von maximal 60°, vorzugsweise maximal 50° zu der Wirkoberfläche (38) oder zu der die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene (44) erstreckt.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (18) einen den Wirkbereich an einem Ende aufweisenden, vorzugsweise langgestreckten oder/und zylindrischen Körperabschnitt aufweist.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkbereich mit wenigstens einer beispielsweise konkaven, etwa sichelförmigen Aussparung (48) ausgeführt ist, derart, dass der Wirkbereich im Bearbeitungseingriff mit dem Werkstück (22, 24) mit einem die Aussparung begrenzenden Flächenbereich einen von der Werkstückfläche vorstehenden Abschnitt des zu bearbeitenden Werkstücks umgreifen kann.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkbereich mit wenigstens einem beispielsweise konvexen Vorsprung ausgeführt ist, derart, dass der Wirkbereich im Bearbeitungseingriff mit dem Werkstück (22, 24) mit einem den Vorsprung begrenzenden Flächenbereich in eine Aussparung eines von der Werkstückfläche vorstehenden Abschnitts des zu bearbeitenden Werkstücks (22, 24) eingreifen kann.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellanordnung (54) für eine Verstellung und ggf. Justage einer momentanen Position der Ultraschall-Bearbeitungseinheit (10) in einer zur Werkstückfläche senkrechten Hochrichtung und in mindestens einer zur Werkstückfläche parallelen Querrichtung, vorzugsweise in zwei zueinander orthogonalen, jeweils zur Werkstückfläche parallelen Querrichtungen ausgeführt ist.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellanordnung für eine Verstellung und ggf. Justage einer momentanen Kipporientierung der Ultraschall-Bearbeitungseinheit (10) bezogen auf eine zur Sonotrodenachse (A) orthogonale, zur Werkstückfläche parallele Kippachse ausgeführt ist.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellanordnung (54) mindestens ein Abstützelement (56) aufweist, an welchem die Sonotrode (18) in einem mittleren Bereich ihrer Erstreckung längs der Sonotrodenachse (A) abstützbar ist, wobei das Abstützelement (56) vorzugsweise derart in Bezug auf die Sonotrode (18) angeordnet ist, dass aus dem Andruckkräften resultierende, auf die Sonotrode (18) wirkende Kippmomente oder/und Biegemomente abstützbar sind.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Abstützelemente (56) an oder nahe eines Bereiches angeordnet ist, bei welchem die Amplitude der Ultraschall-Longitudinalschwingung verschwindet oder nahezu verschwindet.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sonotroden unterschiedlicher Orientierung, vorzugsweise wenigstens ein Paar von entgegengesetzt orientierten Sonotroden (18) zum gleichzeitigen- oder wechselweisen Bearbeiten des Werkstücks (22, 24) vorhanden ist.
Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen in Form einer Ultraschallschweißeinrichtung.
Ultraschallbearbeitungsverfahren, insbesondere Ultraschallschweißverfahren, welches eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (18) mit ihrem Wirkbereich mit wenigstens einem Werkstück (22, 24) in Bearbeitungseingriff gebracht und mittels der Zustellanordnung Andruckkräfte zwischen dem Wirkbereich und dem Werkstück (22, 24) ausgeübt werden und in der Sonotrode (18) durch den Ultraschall-Konverter (14) eine Ultraschall-Longitudinalschwingung bezogen auf eine sich von dem Ultraschallkonverter zum Wirkbereich erstreckende Sonotrodenachse (A) angeregt wird, derart, dass die angeregte Ultraschall-Longitudinalschwingung mit einer ersten Ultraschall-Schwingungskomponente und einer zweiten Ultraschall-Schwingungskomponente in das Werkstück (22, 24) eingebracht wird, wobei die erste Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche parallele Richtung und die zweite Ultraschall-Schwingungskomponente eine Longitudinalschwingung bezogen auf eine zur Werkstückfläche orthogonale Richtung ist.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Werkstück eingebrachte Ultraschallleistung derart gewählt ist, dass Material wenigstens eines von wenigstens zwei stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücken (22, 24) aufgrund von aus der Ultraschallleistung resultierender thermischer Energie aufschmilzt.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Wirkelementen (20) des Wirkbereichs unter den Andruckkräften in aufgrund der eingebrachten Ultraschallleistung und hieraus resultierender thermischer Energie aufschmelzendes Material des Werkstücks eindringt, ggf. bis zu einer der Werkstückfläche entgegengesetzten Oberfläche des Werkstücks (22) oder darüber hinaus in aufschmelzendes Material eines/des mit dem Werkstück (22) stoffschlüssig zu verbindenden weiteren Werkstücks (24).
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (22) und das weitere Werkstück (24) an aneinander anliegenden Kontaktflächen (30) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirkfläche des Wirkbereichs flächig Ultraschallleistung in ein oberes von zwei stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücken (22, 24) einbringt, welche an wenigstens einer anderen Stelle des Werkstücks (22, 24) aufgrund von aus der Ultraschallleistung resultierender thermischer Energie zu einem Aufschmelzen von Material wenigstens eines der Werkstücke (22, 24) führt.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Material wenigstens eines Energierichtungsgebers (36) an einem Kontaktbereich (30) eines der Werkstücke (22, 24) zu dem anderen der Werkstücke (22, 24) aufschmilzt.
Ultraschallschweißverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dass wenigstens zwei ein Innen- oder Außenteil eines Kraftfahrzeuges bildende Werkstücke (22, 24) miteinander verschweißt werden.
Ultraschallschweißverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abstandssensor-Halterungssensor mit einem Stoßfängerrohling verschweißt wird.
Ultraschallschweißverfahren nach einem Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Werkstücke (22, 24) an jeweiligen Kunststoffmaterialabschnitten miteinander verschweißt werden.
Sonotrode (18) zum Einsatz in einer Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder/und zur Verwendung in einem Ultraschallbearbeitungsverfahren nach einem Ansprüche 14 bis 22, umfassend einen entlang einer Sonotrodenachse (A) langgestreckten Sonotrodenkörper, welcher an einem Ende einen mit einem Werkstück in Bearbeitungseingriff bringbaren Wirkbereich aufweist, wobei der Wirkbereich eine Wirkoberfläche (38) oder/und eine Mehrzahl vorstehender Wirkelemente (20) aufweist, mit der/denen Andruckkräfte auf eine Werkstückfläche (22, 24) des Werkstücks ausübbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenachse (A) sich unter einem Winkel (40) zu der Wirkoberfläche (38) oder zu einer die distalen Enden der Wirkelemente schneidenden Bezugsebene (44) erstreckt.
Sonotrode (18) nach Anspruch 24, mit den sich auf die Sonotrode (18) beziehenden Merkmalen wenigstens einer der Ansprüche 2 bis 9.