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VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 63/420,185 , eingereicht am 28. Oktober 2022, mit dem Titel „Sonic Weld Pad“ (Schall-Schweißpad), die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
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HINTERGRUND
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Das Ultraschallschweißen ist ein Festkörperschweißverfahren, das hochfrequente mechanische Schwingungen verwendet, um Werkstoffe miteinander zu verbinden, wodurch feste, hermetisch versiegelte und ästhetisch ansprechende Schweißnähte geschaffen werden. Das Ultraschallschweißen wird in Branchen eingesetzt, in denen eine feste, zuverlässige und schnelle Verbindung von Kunststoffen und einigen Metallen gewünscht oder erforderlich ist, einschließlich der Automobil-, Elektronik-, Medizinprodukte- und Verpackungsindustrie und der Verbindung von Drähten in der Elektronik.
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Üblicherweise werden zunächst zu einer Schweißnaht zusammenzuschweißende Teile vorbereitet, um eine saubere, ebene Oberfläche mit genauen Passgeometrien zu gewährleisten. In einigen Beispielen kann ein Schweißpad an eine Schweißnaht geschweißt werden, um beispielsweise Rohre und/oder andere Komponenten an einem Befestigungselement oder einer anderen Struktur zu befestigen. Bestehende Schweißpads sind jedoch typischerweise für bestimmte Anwendungen ausgelegt, da sie entsprechend der Passgeometrie eines gegebenen Substrats geformt sind. Dadurch sind typischerweise mehrere Schweißpads erforderlich, um verschiedene Substratgrößen und/oder Oberflächenkonturen zu ermöglichen. Dementsprechend führt das Erfordernis mehrerer Schweißpads zu mehreren Teilenummern, um mehrere Anwendungen zu ermöglichen.
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Es besteht daher, obwohl Fortschritte erzielt wurden, ein Bedarf nach einem universellen Schweißpad, das dazu ausgelegt ist, bei verschiedenen Oberflächen, ob eben, gerundet oder uneben, zur Anwendung zu kommen.
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KURZDARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Ultraschall-Schweißpad, im Wesentlichen wie durch mindestens eine der Figuren veranschaulicht und in Verbindung damit beschrieben, wie in den Ansprüchen vollständiger dargelegt.
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ZEICHNUNGEN
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Die vorgenannten und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter Beispiele davon ersichtlich, wie sie in den begleitenden Figuren dargestellt sind; wobei sich gleiche oder ähnliche Bezugsnummern auf gleiche oder ähnliche Strukturen beziehen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Veranschaulichung der Prinzipien der hier beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren.
- 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Ultraschall-Schweißsystem, das so konfiguriert ist, dass es zwei oder mehr Teile durch Ultraschall verbindet, um eine Schweißnaht zu bilden.
- 2a veranschaulicht eine isometrische Oberseitenansicht eines Schweißpads gemäß einem ersten Beispiel.
- 2b veranschaulicht eine isometrische Unterseitenansicht des Schweißpads aus 2a.
- 2c bis 2f veranschaulichen jeweils eine erste, zweite, dritte und vierte Seitenansicht des Schweißpads aus 2a.
- 2g veranschaulicht eine Draufsicht des Schweißpads aus 2a.
- 2h veranschaulicht eine Unteransicht des Schweißpads aus 2a.
- 2i zeigt eine Seitenansicht des Schweißpads vor dem Verspannen mit dem Werkstück.
- 2j zeigt eine Seitenansicht des Schweißpads, das fest mit dem Werkstück verspannt ist.
- 2k zeigt eine isometrische Ansicht des Schweißpads, das fest mit dem Werkstück verspannt ist.
- 3a veranschaulicht eine isometrische Oberseitenansicht eines Schweißpads gemäß einem zweiten Beispiel.
- 3b veranschaulicht eine isometrische Unterseitenansicht des Schweißpads aus 3a.
- 3c bis 3f veranschaulichen jeweils eine erste, zweite, dritte und vierte Seitenansicht des Schweißpads aus 3a.
- 3g veranschaulicht eine Draufsicht des Schweißpads aus 3a.
- 3h veranschaulicht eine Unteransicht des Schweißpads aus 3a.
- 4a veranschaulicht eine isometrische Oberseitenansicht eines Schweißpads gemäß einem dritten Beispiel.
- 4b veranschaulicht eine isometrische Unterseitenansicht des Schweißpads aus 4a.
- 4c bis 4f veranschaulichen jeweils eine erste, zweite, dritte und vierte Seitenansicht des Schweißpads aus 4a.
- 4g veranschaulicht eine Draufsicht des Schweißpads aus 4a.
- 4h veranschaulicht eine Unteransicht des Schweißpads aus 4a.
- 4i veranschaulicht eine isometrische Ansicht des Schweißpads, das fest mit dem Werkstück verspannt ist.
- 4j veranschaulicht eine Seitenansicht des Schweißpads, das fest mit dem Werkstück verspannt ist.
- 5a veranschaulicht eine Seitenansicht eines Schweißpads gemäß einem vierten Beispiel.
- 5b veranschaulicht eine Seitenansicht eines Schweißpads gemäß einem fünften Beispiel.
- 6 veranschaulicht eine isometrische Ansicht eines beispielhaften Rohrbefestigungselements, das Rohre aufweist, die mithilfe von Schweißpads daran befestigt sind.
- 7 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zum Ultraschallschweißen eines Schweißpads an ein Schweißsubstrat unter Verwendung eines Ultraschall-Schweißsystems.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bezugnahmen auf Elemente in der Einzahl sollten so verstanden werden, dass sie auch Elemente in der Mehrzahl einschließen und umgekehrt, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder aus dem Text ersichtlich. Grammatikalische Konjunktionen sollen alle disjunktiven und konjunktiven Kombinationen von verbundenen Teilsätzen, Sätzen, Wörtern und dergleichen ausdrücken, sofern nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich. Die Erwähnung von Wertebereichen hierin soll nicht einschränkend sein und bezieht sich stattdessen individuell auf alle Werte, die in den Bereich fallen und/oder diesen einschließen, sofern hierin nichts anderes angegeben ist, und jeder einzelne Wert innerhalb eines solchen Bereichs ist in die Patentschrift aufgenommen, als ob er hierin individuell erwähnt wäre. In der folgenden Beschreibung versteht sich, dass Begriffe wie „erster/erste/erstes“, „zweiter/zweite/zweites“, „oben“, „unten“, „seitlich“, „vorne“, „hinten“ und dergleichen nur der Einfachheit halber verwendet werden und nicht als einschränkende Begriffe zu verstehen sind. Während in einigen Beispielen beispielsweise eine erste Seite angrenzend oder in der Nähe einer zweiten Seite angeordnet ist, implizieren die Begriffe „erste Seite“ und „zweite Seite“ keine bestimmte Reihenfolge, in der die Seiten angeordnet sind.
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Wenn die Begriffe „etwa“, „annähernd“, „im Wesentlichen“ oder dergleichen in Verbindung mit einem numerischen Wert verwendet werden, sind sie so zu verstehen, dass sie eine Abweichung angeben, die von einer Person mit normaler Fachkenntnis als zufriedenstellend für den beabsichtigten Zweck angesehen werden kann. Wertebereiche und/oder Zahlenwerte werden hierin nur als Beispiele bereitgestellt und stellen keine Einschränkung des Umfangs der Offenbarung dar. Die Verwendung aller hierin vorgesehenen Beispiele oder beispielhaften Ausdrücke („z. B.“, „wie“ oder dergleichen) dient lediglich der besseren Veranschaulichung der offenbarten Beispiele und stellt keine Einschränkung des Umfangs der Offenbarung dar. Die Begriffe „z. B.“, „beispielsweise“ und „zum Beispiel“ setzen Aufzählungen von einem oder mehreren nicht einschränkenden Beispielen, Instanzen oder Abbildungen ab. Keine Formulierung in der Patentschrift sollte so ausgelegt werden, dass sie ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die Praxis der offenbarten Beispiele bezeichnet.
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Der Begriff „und/oder“ bedeutet eines oder mehrere der Elemente in der Aufzählung, die durch „und/oder“ verbunden sind. Als Beispiel bedeutet „x und/oder y“ ein beliebiges Element aus der Drei-Elemente-Menge {(x), (y), (x, y)}. Mit anderen Worten: „x und/oder y“ bedeutet „eines oder beide von x und y“. Als weiteres Beispiel bedeutet „x, y, und/oder z“ ein beliebiges Element aus der Sieben-Elemente-Menge {(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)}. Mit anderen Worten: „x, y, und/oder z“ bedeutet „eines oder mehrere aus x, y und z“.
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Es wird ein universelles Schweißpad offenbart, das dazu ausgelegt ist, bei verschiedenen Oberflächen, ob eben, gerundet oder uneben, zur Anwendung zu kommen. In einem Beispiel weist ein Schweißpad für ein Ultraschall-Schweißsystem mit einer Sonotrode Folgendes auf: eine Basis mit einer Öffnung, die so konfiguriert ist, dass sie ein distales Ende der Sonotrode aufnimmt; und eine Schweißkomponente, die einen Satz von Schenkeln und einen Brückenabschnitt dazwischen aufweist. Die Schweißkomponente ist so konfiguriert, dass sie sich während eines Schweißvorgangs an eine Außenfläche eines Schweißsubstrats anpasst.
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In einem weiteren Beispiel weist ein Schweißpad für ein Ultraschall-Schweißsystem mit einer Sonotrode Folgendes auf: eine Basis mit einer Öffnung, die so konfiguriert ist, dass sie ein distales Ende der Sonotrode aufnimmt; und eine Schweißkomponente, die einen Satz von Schenkeln und einen Brückenabschnitt dazwischen aufweist, wobei der Brückenabschnitt so konfiguriert ist, dass er sich über eine Vielzahl von Kontaktbereichen an eine Außenfläche eines Schweißsubstrats anpasst und mit dieser in Kontakt steht.
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In noch einem weiteren Beispiel weist ein Verfahren zum Ultraschallschweißen eines Schweißpads an ein Schweißsubstrat zum Bilden einer Schweißnaht unter Verwendung eines Ultraschall-Schweißsystems mit einer Sonotrode und einem Amboss Folgendes auf: stapelförmiges Anordnen des Schweißpads und des Schweißsubstrats zwischen der Sonotrode und dem Amboss, wobei das Schweißpad Folgendes aufweist: eine Basis mit einer Öffnung, die so konfiguriert ist, dass sie ein distales Ende der Sonotrode und eine Schweißkomponente aufnimmt, die einen Satz von Schenkeln und einen Brückenabschnitt dazwischen aufweist, wobei die Schweißkomponente so konfiguriert ist, dass sie sich während eines Schweißvorgangs an eine Außenfläche des Schweißsubstrats anpasst; und Anlegen von Ultraschallenergie an eine Schnittstelle zwischen dem Schweißpad und dem Schweißsubstrat über die Sonotrode; und Ultraschallschweißen des Schweißpads an das Schweißsubstrat an der Schnittstelle.
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In einigen Beispielen ist jeder Schenkel in dem Satz von Schenkeln mit der Basis gekoppelt und so konfiguriert, dass er sich relativ zu der Basis biegt. In einigen Beispielen ist jeder Schenkel in dem Satz von Schenkeln senkrecht zu der Basis mit derselben gekoppelt. In anderen Beispielen sind alle Schenkel in dem Satz von Schenkeln mit der Basis gekoppelt und zueinander abgewinkelt.
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In einigen Beispielen definiert der Brückenabschnitt eine Sonotroden-Kontaktfläche und eine Werkstück-Kontaktfläche. Die Sonotroden-Kontaktfläche ist so konfiguriert, dass sie eine Sonotroden-Oberfläche der Sonotrode berührt, und die Werkstück-Kontaktfläche ist so konfiguriert, dass sie eine Außenfläche des Schweißsubstrats berührt. Die Werkstück-Kontaktfläche definiert eine Vielzahl von Kontaktbereichen. In einigen Beispielen ist jeder aus der Vielzahl von Kontaktbereichen ein linearer Steg mit einem dreieckigen Profil. In weiteren Beispielen ist jeder aus der Vielzahl von Kontaktbereichen ein linearer Steg mit einem dreieckigen Profil mit einer abgeflachten Spitze. In noch weiteren Beispielen ist jeder aus der Vielzahl von Kontaktbereichen pyramidenförmig.
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In einigen Beispielen definiert die Sonotroden-Kontaktfläche ein planares Profil, ein gekrümmtes Profil und/oder ein gewelltes Profil. In einigen Beispielen definiert der Brückenabschnitt eine Vielzahl von Fenstern, die als vierseitiger Ausschnitt ausgebildet sein können.
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1 veranschaulicht ein beispielhaftes Ultraschall-Schweißsystem 100, das so konfiguriert ist, dass es zwei oder mehr Teile aus kompatiblen Materialien durch Ultraschall verbindet, um eine Schweißnaht 106 zu bilden. Im Gegensatz zu einigen anderen Schweißverfahren ist beim Ultraschallschweißen der Einsatz von Klebstoffen, Lösungsmitteln oder Schweißzusätzen nicht erforderlich. Außerdem ist das Ultraschallschweißen ein sauberer Prozess, der weder Dämpfe erzeugt noch schädliche Strahlung emittiert.
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Wie dargestellt, werden eine erste Schweißkomponente und eine zweite Schweißkomponente fest zwischen einem Amboss 112 (manchmal als festes Horn bezeichnet) und einer Sonotrode 104 (manchmal als Ultraschallhorn bezeichnet) verspannt. Die erste Schweißkomponente kann ein Schweißpad 108 sein, während die zweite Schweißkomponente ein Schweißsubstrat 110, wie z. B. Rohre, Platten usw., sein kann.
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Der Amboss 112 trägt den feststehenden Teil, während die Sonotrode 104 an einem Wandler 102 befestigt ist. Der Ultraschallwandler 102 erzeugt hochfrequente mechanische Schwingungen, oft unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls oder einer magnetostriktiven Vorrichtung. Die hochfrequenten mechanischen Schwingungen können beispielsweise 20-70 kHz betragen. Diese Schwingungen werden über die Sonotrode 104 auf die zu verschweißenden Materialien übertragen.
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Die mechanischen Schwingungen erzeugen Reibungswärme an der Schnittstelle 114 zwischen dem Schweißpad 108 und dem Schweißsubstrat 110, um eine Schweißnaht 106 zu bilden. Bei Kunststoffen bewirkt das Ultraschallschweißen ein lokalisiertes Schmelzen des Kunststoffs an der Schnittstelle 114, da Schwingungsenergie absorbiert wird. Bei Metallen führt die Hochdruckdispersion von Oberflächenoxiden und die lokale Bewegung der Materialien an der Schnittstelle 114 zu einer Metallbindung, d. h. die Vibrationen erzeugen eine lokale Atombindung.
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Wenn die Materialien erweichen oder schmelzen, übt die Verspannung einen Druck auf das Schweißpad 108 und das Schweißsubstrat 110 aus, der sie zwingt, zu verschmelzen und eine Schweißnaht an der Schnittstelle 114 zu bilden. Druckkräfte gewährleisten eine starke Verbindung, indem sie den Kontakt zwischen dem Schweißpad 108 und dem Schweißsubstrat 110 aufrechterhalten.
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Während bestehende Schweißpads 108 typischerweise für eine bestimmte Anwendung ausgelegt sind, ist das offenbarte Schweißpad 108 so ausgelegt, dass es mit verschiedenen Oberflächen, ob eben, gerundet oder uneben, funktioniert. Wie nachfolgend beschrieben, können die offenbarten universellen Schweißpads 108 in einem von mehreren Beispielen ausgeführt sein.
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2a und 2b veranschaulichen jeweils eine isometrische Oberseitenansicht und eine isometrische Unterseitenansicht eines Schweißpads 108 gemäß einem ersten Beispiel. 2c bis 2f veranschaulichen jeweils eine erste, zweite, dritte und vierte Seitenansicht des Schweißpads 108 aus 2a. 2g und 2h veranschaulichen jeweils eine Ober- und eine Unteransicht des Schweißpads 108 aus 2a. 2i veranschaulicht eine Seitenansicht des Schweißpads 108 vor dem Verspannen mit dem Werkstück, während 2j und 2k jeweils eine Seitenansicht und eine isometrische Ansicht des Schweißpads 108 veranschaulichen, das fest mit dem Werkstück verspannt ist.
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Das Schweißpad 108 weist im Allgemeinen eine Basis 202 und eine Schweißkomponente 204 auf. Die Basis 202 definiert eine Öffnung 206, die so konfiguriert ist, dass sie ein distales Ende der Sonotrode 104 aufnimmt. Im Betrieb verläuft die Sonotrode 104 durch die Öffnung 206, um mit der Schweißkomponente 204 in Kontakt zu treten und dieses letztlich mit einem Schweißsubstrat 110 zu verspannen. Bei einem Schweißvorgang werden die hochfrequenten mechanischen Schwingungen von einer Sonotroden-Oberfläche 220 der Sonotrode 104 über die Öffnung 206 in der Basis 202 auf die Schweißkomponente 204 übertragen.
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Das Schweißpad 108 ist als eine einzelne Komponente ausgelegt, die so konfiguriert ist, dass sie sich unter dem Klemmdruck der Sonotrode 104 verformt, sodass die Kontaktbereiche 222, die auf der Schweißkomponente 204 ausgebildet sind, sich biegen können, um an mehreren Stellen entlang der Schnittstelle 114 mit dem Schweißsubstrat 110 in Kontakt zu treten. Das Schweißpad 108 ist so ausgelegt, dass es in einer einfachen 2-Platten-Form oder 3D-Druckanwendung bearbeitet werden kann.
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Das Schweißpad 108 kann beispielsweise aus synthetischen oder halbsynthetischen Polymeren (z. B. Kunststoffen, wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polyvinylchlorid (PVC) usw.), Verbundmaterialien (z. B. Glasfasern) oder einer Kombination davon unter Verwendung einer Kunststoffinjektionstechnik, Additivherstellung oder anderweitig hergestellt sein. In einigen Beispielen kann das Schweißpad 108 unter Verwendung von Materialextrusion (z. B. Schmelzabscheidungsmodellierung (Fused Deposition Modeling, FDM), Stereolithographie (SLA), selektivem Lasersintern (SLS), Materialstrahlverfahren, Bindemittelstrahlverfahren, Pulverbettfusion, gerichteter Energieabscheidung, Fotopolymerisation in Form von Elektronen und/oder jedweder anderen geeigneten Art von additiven Fertigungs-/3D-Druckverfahren hergestellt werden. In anderen Beispielen kann das Schweißpad 108 aus einem Metall (oder einer Metalllegierung) hergestellt werden.
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Additive Fertigungstechniken drucken Gegenstände in drei Dimensionen, sodass sowohl die minimale Merkmalsgröße (d. h. Auflösung) der X-Y-Ebene (horizontale Auflösung) als auch die Schichthöhe in der Z-Achse (vertikale Auflösung) in der gesamten Druckerauflösung berücksichtigt werden. Die horizontale Auflösung ist die kleinste Bewegung, die der Extruder des Druckers innerhalb einer Schicht auf der X- und der Y-Achse ausführen kann, während die vertikale Auflösung die minimale Dicke einer Schicht ist, die der Drucker in einem Durchgang erzeugt. Die Druckerauflösung beschreibt die Schichtdicke und die X-Y-Auflösung in Punkten pro Zoll (Dots per Inch, DPI) oder Mikrometern (µm). Die Partikel (3D-Punkte) in der horizontalen Auflösung können einen Durchmesser von etwa 50 bis 100 µm (510 bis 250 DPI) haben. Typische Schichtdicken (vertikale Auflösung) liegen bei 100 µm (250 DPI), wobei die Schichten jedoch bis zu 16 µm (1600 DPI) dünn sein können. Je kleiner die Partikel sind, desto höher ist die horizontale Auflösung (d. h. desto mehr Details erzeugt der Drucker). Ebenso ist die vertikale Auflösung (d. h. je glatter die bedruckte Fläche ist) umso höher, je kleiner die Schichtdicke in der Z-Achse ist. Ein Druckverfahren in einem Druck mit höherer vertikaler Auflösung dauert jedoch länger, um feinere Schichten zu erzeugen, da der Drucker mehr Schichten erzeugen muss. In einigen Beispielen können Abschnitte des Schweißpads 108 während eines Druckvorgangs mit unterschiedlichen Auflösungen ausgebildet oder anderweitig hergestellt werden.
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In dem veranschaulichten Beispiel weist die Schweißkomponente 204 im Allgemeinen einen Satz von Schenkeln 204a auf, von denen jeder an einem proximalen Ende davon elastisch mit der Basis 202 gekoppelt ist. Wie veranschaulicht, sind die Sätze von Schenkeln 204a voneinander beabstandet und so konfiguriert, dass sie senkrecht von der Basis 202 weg vorstehen. Ein Brückenabschnitt 204b verbindet die distalen Enden des Satzes von Schenkeln 204a miteinander.
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Der Brückenabschnitt 204b definiert eine Sonotroden-Kontaktfläche 208 und eine Werkstück-Kontaktfläche 210. Die Sonotroden-Kontaktfläche 208 ist so konfiguriert, dass sie die Sonotroden-Oberfläche 220 an dem distalen Ende der Sonotrode 104 berührt, während die Werkstück-Kontaktfläche 210 so konfiguriert ist, dass sie eine Außenfläche 214 des Schweißsubstrats 110 berührt. Die Werkstück-Kontaktfläche 210 und die Außenfläche 214 bilden die Schnittstelle 114 zwischen dem Schweißpad 108 und dem Schweißsubstrat 110 oder definieren diese anderweitig.
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Die Werkstück-Kontaktfläche 210 ist so geformt, dass sie den einen oder die mehreren Kontaktbereiche 222 definiert. In dem veranschaulichten Beispiel sind der eine oder die mehreren Kontaktbereiche 222 lineare Stege, die die Werkstück-Kontaktfläche 210 linear überspannen. Wie am besten in den 2e und 2f veranschaulicht, ist das Profil der Werkstück-Kontaktfläche 210 so geformt, dass es ein gewelltes Profil definiert, wodurch benachbarte Kontaktbereiche 222 durch einen Kanal 212 getrennt sind. Der Kanal 212 erhöht zusätzlich zur Definition der linearen Kontaktbereiche 222 die Flexibilität des Brückenabschnitts 204b.
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In dem veranschaulichten Beispiel sind sowohl die Sonotroden-Kontaktfläche 208 als auch die Werkstück-Kontaktfläche 210 so geformt, dass sie ein gekrümmtes gewelltes Profil definieren. Ein nicht-planares Profil, wie z. B. ein gekrümmtes gewelltes Profil, kann während der Kompression die Flexibilität des Brückenabschnitts 204b erhöhen. Während die Sonotroden-Kontaktfläche 208 und die Werkstück-Kontaktfläche 210 so veranschaulicht sind, dass sie ein gekrümmtes gewelltes Profil definieren, und die Kontaktbereiche 222 als lineare Stege mit dreieckigem Profil mit einer scharfen Kante veranschaulicht sind, sind andere Profile und Formen denkbar. So können beispielsweise die Profile der Sonotroden-Kontaktfläche 208 und/oder der Werkstück-Kontaktfläche 210 winkelig (z. B. dreieckig), glatt gekrümmt (ein Beispiel davon ist in 5a veranschaulicht) oder sogar linear (ein Beispiel davon ist in Verbindung mit den 4a bis 4j beschrieben) sein. In einem anderen Beispiel sind die Kontaktbereiche 222 pyramidenförmig (z. B. angeordnet als eine Folge von pyramidenförmigen Kontaktbereichen 222) und linear und weisen ein dreieckiges Profil mit einer flachen Oberseite oder eine anderweitige Form auf.
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Der Satz von Schenkeln 204a diente in der Praxis als Gelenke oder Biegepunkte, um die Schweißkomponente 204 an der Werkstück-Kontaktfläche 210 flexibler zu machen. Wie am besten in den 2i und 2j veranschaulicht, sind der Satz von Schenkeln 204a und der Brückenabschnitt 204b so konfiguriert, dass sie sich verformen, wenn sie verspannt werden (z. B. zwischen der Sonotrode 104 und dem Amboss 112), sodass ihre Kontaktbereiche 222 an mehreren Orten entlang der Schnittstelle 114 eng mit dem Schweißsubstrat 110 in Kontakt stehen. Das heißt, dass sich der Satz von Schenkeln 204a während eines Schweißvorgangs, wenn das Schweißpad 108 in Richtung des Schweißsubstrats 110 gedrückt wird (wie durch den Pfeil 216 angegeben) und einem Klemmdruck zwischen der Sonotrode 104 und dem Amboss 112 ausgesetzt wird, aufeinander zubiegt (wie durch die Pfeile 218a, 218b angegeben) und sich der Brückenabschnitt 204b krümmt oder biegt, um sich an die Außenfläche 214 des Schweißsubstrats 110 anzupassen.
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Die Sonotroden-Oberfläche 220 kann auch so geformt sein, dass sie die Verformung (z. B. Biegen oder Krümmen) des Brückenabschnitts 204b unterstützt, sodass die Werkstück-Kontaktfläche 210 sich der Form der Außenfläche 214 des Schweißsubstrats 110 anpasst. In einigen Beispielen, von denen ein Beispiel in den 2i und 2j veranschaulicht ist, ist die Sonotroden-Oberfläche 220 der Sonotrode 104 so geformt, dass sie ein gewünschtes Profil für die Sonotroden-Kontaktfläche 208 definiert, wenn sie verspannt ist. In dem dargestellten Beispiel ist die Sonotroden-Oberfläche 220 so geformt, dass sie ein gewelltes Profil definiert, das sich im verspannten Zustand mit dem Profil der Sonotroden-Kontaktfläche 208 ergänzt.
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3a und 3b veranschaulichen jeweils eine isometrische Oberseitenansicht und eine isometrische Unterseitenansicht eines Schweißpads 108 gemäß einem zweiten Beispiel. 3c bis 3f veranschaulichen eine erste, zweite, dritte und vierte Seitenansicht des Schweißpads 108 aus 3a. 3g und 3h veranschaulichen jeweils eine Ober- und eine Unteransicht des Schweißpads 108 aus 3a.
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Das Schweißpad 108 gemäß dem zweiten Beispiel aus den 3a bis 3h ist im Wesentlichen das gleiche wie das Schweißpad 108 gemäß dem ersten Beispiel aus den 2a bis 2k, mit der Ausnahme, dass die Krümmung des Brückenabschnitts 204b derart reduziert ist, dass sie gewellt, aber im Allgemeinen linear oder im Wesentlichen linear ist. Während der gekrümmte Brückenabschnitt 204b aus den 2a bis 2k geeignet sein kann, wenn das Schweißsubstrat 110 eine Außenfläche 214 mit einer bedeutenden Krümmung (z. B. kleinere Rohre) aufweist, wäre ein linearer oder weniger gekrümmter Brückenabschnitt 204b besser für Schweißsubstrate 110 geeignet, die keine Außenfläche 214 mit einer bedeutenden Krümmung aufweisen (z. B. Rohre größeren Durchmessers und/oder flache Komponenten).
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4a und 4b veranschaulichen jeweils eine isometrische Oberseitenansicht und eine isometrische Unterseitenansicht eines Schweißpads 108 gemäß einem dritten Beispiel. 4c bis 4f veranschaulichen jeweils eine erste, zweite, dritte und vierte Seitenansicht des Schweißpads 108 aus 4a. 4g und 4h veranschaulichen jeweils eine Ober- und eine Unteransicht des Schweißpads 108 aus 4a.
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Das Schweißpad 108 gemäß dem dritten Beispiel aus den 4a bis 4j ist im Wesentlichen das gleiche wie das Schweißpad 108 gemäß dem zweiten Beispiel aus den 3a bis 3h, mit bestimmten Ausnahmen. Zunächst ist das Profil der Sonotroden-Kontaktfläche 208 in diesem Beispiel planar (anstatt beispielsweise gekrümmt oder gekrümmt und gewellt) und so konfiguriert, dass es eine Sonotroden-Oberfläche 220 der Sonotrode 104a ergänzt und/oder berührt, die ähnlich planar ist. Zweitens beinhaltet das Schweißpad 108 eine Vielzahl von Fenstern 402, die in dem Brückenabschnitt 204b ausgebildet sind. Jedes aus der veranschaulichten Vielzahl von Fenstern 402 ist als ein vierseitiger Ausschnitt (z. B. ein Rechteck) ausgebildet; es sind jedoch auch andere Formen denkbar, wie z. B. Kreise, Ovale, Dreiecke, lineare Schlitze usw. Die Vielzahl von Fenstern 402 dient dazu, die Flexibilität des Brückenabschnitts 204b durch Schneiden und/oder Entfernen von Material von der Struktur des Brückenabschnitts 204b zu erhöhen, die zwischen dem Satz von Schenkeln 204a positioniert ist. Die Vielzahl von Fenstern 402 kann auch in den anderen hierin beschriebenen beispielhaften Schweißpads 108 verwendet werden.
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5a veranschaulicht eine Seitenansicht eines Schweißpads 108 gemäß einem vierten Beispiel. Das Schweißpad 108 gemäß dem vierten Beispiel aus 5a ist im Wesentlichen das gleiche wie das Schweißpad 108 gemäß dem ersten Beispiel aus den 2a bis 2k, mit der Ausnahme, dass das Profil der Sonotroden-Kontaktfläche 208 in diesem Beispiel glatt gekrümmt ist (anstatt beispielsweise gekrümmt und gewellt).
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5b veranschaulicht eine Seitenansicht eines Schweißpads 108 gemäß einem fünften Beispiel. Das Schweißpad 108 gemäß dem fünften Beispiel aus 5b ist im Wesentlichen das gleiche wie das Schweißpad 108 gemäß dem ersten Beispiel aus den 2a bis 2k, mit der Ausnahme, dass das Schweißpad 108 vorkonturiert ist.
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In einigen Beispielen kann das Schweißpad 108 (oder ein Teil davon, wie der Brückenabschnitt 204b) in einer vorkonturierten Position ausgebildet sein, um zu verringern, wie stark sich das Schweißpad 108 biegen muss, um mit der Außenfläche 214 des Schweißsubstrats 110 in Kontakt zu treten. Das heißt, dass das Vorkonturieren des Schweißpads 108 vorteilhaft sein kann, wenn erwartet wird, dass das Schweißpad 108 mit einer Kategorie von Schweißsubstraten 110 verwendet wird, die mehr eine gemeinsame Eigenschaft aufweist. Beispielsweise würden Schweißsubstrate 110, die als Rohre konfiguriert sind, obwohl sie hinsichtlich Krümmung, Größe oder Form nicht notwendigerweise identisch sind, typischerweise ein Außenprofil aufweisen, das gekrümmt ist.
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Zu diesem Zweck können der Satz von Schenkeln 204a und der Brückenabschnitt 204b in einem bestimmten Ausmaß vorkonturiert oder vorgeformt sein, wodurch das Ausmaß verringert wird, in dem sich das Schweißpad 108 biegen muss, wenn es verspannt wird. Im Falle von Schweißsubstraten 110, die beispielsweise als Rohre ausgebildet sind, muss der Satz von Schenkeln 204a nicht senkrecht zur Basis 202 sein, sondern der Satz von Schenkeln 204a kann relativ zur Basis 202 unter einem Winkel α (vor dem Verspannen) zueinander abgewinkelt sein, um besser an die erwartete Form angepasst zu sein, wenn er verspannt wird (z. B. wie in 2j veranschaulicht). In ähnlicher Weise kann die Krümmung 502 des Brückenabschnitts 204b erhöht werden, um sich besser an die erwartete Form anzupassen, wenn er verspannt wird.
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6 veranschaulicht eine isometrische Ansicht eines beispielhaften Rohrbefestigungselements 600, das rohrförmige Schweißsubstrate 110 aufweist, die mithilfe von Schweißpads 108 daran befestigt sind. Das Rohrbefestigungselement 600 kann aus synthetischen oder halbsynthetischen Polymeren (z. B. Kunststoffen, wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polyvinylchlorid (PVC) usw.), Verbundmaterialien (z. B. Glasfasern) oder einer Kombination davon unter Verwendung einer Kunststoffinjektionstechnik, Additivherstellung oder anderweitig hergestellt sein.
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Das Rohrbefestigungselement 600 kann eine Vielzahl von Aussparungen 602 und ein Befestigungselement 604 beinhalten, definieren oder anderweitig bereitstellen. Das Rohrbefestigungselement 600 ist so konfiguriert, dass es die rohrförmigen Schweißsubstrate 110 über das Befestigungselement 604 relativ zueinander und letztlich mit einer anderen Komponente (z. B. einer Fahrzeugkomponente, wie einem Rahmen oder einer ähnlichen Struktur) zu koppeln und/oder an dieser zu befestigen. Jede aus der Vielzahl von Aussparungen 602 ist so konfiguriert, dass sie ein rohrförmiges Schweißsubstrat 110 befestigt. Wie veranschaulicht, kann jede der Vielzahl von Aussparungen 602 als ein Kanal geformt sein, der im Allgemeinen dem Durchmesser der rohrförmigen Schweißsubstrate 110 entspricht.
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Ein Schweißsubstrat 110 mit einer gekrümmten Außenfläche 214 (z. B. ein rohrförmiges Schweißsubstrat) kann in jede aus der Vielzahl von Aussparungen 602 eingeführt und darin befestigt werden, indem das rohrförmige Schweißsubstrat 110 in Richtung der jeweiligen Rohraussparung 602 geschoben wird. Während zwei Aussparungen 602 veranschaulicht sind, können je nach Konstruktionsbedarf (z. B. der Anzahl der zu befestigenden Rohre 110) zusätzliche oder weniger Aussparungen 602 bereitgestellt sein. Sobald ein rohrförmiges Schweißsubstrat 110 in seiner entsprechenden Rohraussparung 602 positioniert ist, wird ein Schweißpad 108 angrenzend an das rohrförmige Schweißsubstrat 110 positioniert und über eine Öffnung, die in dem Rohrbefestigungselement 600 ausgebildet ist, an einen Abschnitt des rohrförmigen Schweißsubstrats 110 (z. B. an die Außenfläche 214) geschweißt. Dadurch werden die rohrförmigen Schweißsubstrate 110 sowohl mithilfe der Aussparung 602 als auch mithilfe des Schweißpads 108 relativ zu der Rohraussparung 602 befestigt.
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7 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren 700 zum Ultraschallschweißen eines Schweißpads 108 an ein Schweißsubstrat 110 unter Verwendung eines Ultraschall-Schweißsystems 100 mit einer Sonotrode 104 und einem Amboss 112.
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In Schritt 702 werden das Schweißpad 108 und das Schweißsubstrat 110 stapelförmig oder anderweitig zwischen der Sonotrode 104 und dem Amboss 112 positioniert. Beispielsweise können das Schweißpad 108 und das Schweißsubstrat 110 in einem Befestigungselement positioniert und dann zwischen der Sonotrode 104 und dem Amboss 112 verspannt werden.
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In Schritt 704 wird über die Sonotrode 104 Ultraschallenergie an die Schnittstelle 114 zwischen dem Schweißpad 108 und dem Schweißsubstrat 110 angelegt.
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In Schritt 706 wird das Schweißpad 108 an der Schnittstelle 114 mit Ultraschall an das Schweißsubstrat 110 geschweißt.
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Obwohl das vorliegende Verfahren und/oder System unter Bezugnahme auf bestimmte Implementierungen beschrieben wurde, wird es für Fachleute auf dem Gebiet verständlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Anwendungsbereich des vorliegenden Verfahrens und/oder Systems abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Offenbarung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. So können beispielsweise Blöcke und/oder Komponenten der offenbarten Beispiele kombiniert, geteilt, neu angeordnet und/oder anderweitig modifiziert werden. Daher sind das vorliegende Verfahren und/oder System nicht auf die bestimmten offenbarten Implementierungen beschränkt. Stattdessen weist das vorliegende Verfahren und/oder System alle Implementierungen auf, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, sowohl wörtlich als auch unter der Lehre der Äquivalente.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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