DE202005003067U1 - Sonotrode für die Ultraschall-Verschweißung von thermoplastischen Werkstücken - Google Patents

Sonotrode für die Ultraschall-Verschweißung von thermoplastischen Werkstücken Download PDF

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Abstract

Sonotrode (10) für die Ultraschall-Verschweißung von Werkstücken geringer Wandstärke aus thermoplastischen Materialien durch Ultraschallschweißung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (10) im Bereich ihrer beim Schweißvorgang auf der Oberfläche eines der in Übereinanderlage gebrachten zu verbindenden Werkstücke (18; 20) aufzusetzenden Arbeitsfläche eine Anzahl von in wenigstens einer Reihe angeordneten, sich in Richtung auf ihr auf den Werkstücken (18; 20) aufzusetzenden freien Enden verjüngenden, eng benachbarten Vorsprüngen (24) versehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sonotrode für die Ultraschall-Verschweißung von Werkstücken geringer Wandstärke aus thermoplastischen Materialien.
  • Als schnelles Verbindungsverfahren, welches reproduzierbare Ergebnisse liefert, hat sich Ultraschallweißen bei der Herstellung thermoplastischer Werkstücke in der Serienproduktion in großem Umfang eingeführt. Bei diesem Fügeverfahren werden die Schweißteile mittels eines auf den zu verbindenden Werkstücken aufgesetzten, als Sonotrode bezeichneten Werkzeug in mechanische Schwingung versetzt, wobei durch den gleichzeitig über die Sonotrode aufgebrachten Druck das Material sich infolge der Reibungswärme im Nahtbereich plastifiziert. Nach kurzer Haltezeit entsteht dann eine homogene Verbindung hoher Festigkeit. Problematisch kann die Ultraschall-Verschweißung von Werkstücken dann werden, wenn ein aus zu verbindenden dünnwandigen Werkstücken hergestelltes Produkt eine durch den Schweißvorgang optisch und ästhetisch gegenüber dem Ausgangszustand unveränderte Sichtfläche hoher Oberflächengüte aufweisen muss, d.h. der thermoplastische Fügevorgang keine Abdrücke der Sonotrode bzw. der Werkstückaufnahme im Bereich der Sichtfläche hinterlassen darf. Noch schwieriger ist diese Anforderung dann zu erfüllen, wenn diese Verbindung außerdem absolut dicht gegen den Durchtritt von Gas oder flüssigen Medien ausgebildet werden muss, wie dies zum Beispiel bei großformatigen Teilen von Automobilen heute zunehmend gefordert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode für die Ultraschall-Verschweißung von Werkstücken geringer Wandstärke aus thermoplastischem Material anzugeben, welche die Herstellung von großformatigen Serienteilen ermöglicht, deren sichtseitige Oberfläche durch den Schweißvorgang keinerlei optisch erkennbare Veränderung erfährt, wobei gleichzeitig die erhaltene Verbindung zwischen den Werkstücken die geforderte absolute Dichtheit gegen Durchtritt von flüssigen oder gasförmigen Medien aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sonotrode im Bereich ihrer beim Schweißvorgang auf der Oberfläche eines der in Übereinanderlage gebrachten zu verbindenden Werkstücke aufzusetzenden Arbeitsfläche eine Anzahl von in wenigstens einer Reihe angeordneten, sich in Richtung auf ihr auf den Werkstücken aufzusetzenden freien Enden verjüngenden, eng benachbarten Vorsprüngen versehen ist. Beim Schweißvorgang dringen diese Vorsprünge aufgrund der im Ultraschall-Generator erzeugten, auf die Sonotrode übertragenen Ultraschall-Schwingungen und des gleichzeitig einwirkenden Drucks in das Material des sonotrodenzugewandten Werkstücks ein und verdrängen ein komplementäres Volumen des plastifizierten Materials dieses Werkstücks, wobei die Steuerung so erfolgt, dass die vorderen schlanken Enden der Vorsprünge dann etwas in das zweite Werkstück eindringen. Das verdrängte plastifizierte Material dringt auch in die Fuge zwischen den übereinander liegenden Bereichen der Werkstücke ein und stellt so – nach Verfestigung – die geforderte Dichtigkeit her.
  • Die Vorsprünge der Sonotrode haben vorzugsweise eine Höhe, die größer als die Wandstärke des beim Schweißvorgang direkt von den Vorsprüngen beaufschlagten Werkstücks ist, wobei die Ausgestaltung dann zweckmäßig weiter so getroffen wird, dass die Höhe der Vorsprünge geringer als die gesamte Wandstärke der beiden Werkstücke im zu verbindenden Bereich ist. Damit wird sichergestellt, dass die Vorsprünge keinesfalls bis in unmittelbare Nähe oder gar durch die spätere sichtseitige Oberfläche des Verbindungsprodukts treten können.
  • Die jeweils in einer Reihe benachbart angeordneten Vorsprünge werden dann zweckmäßig in einem Abstand voneinander angeordnet, der kleiner ist als ihre Höhe.
  • Es hat sich herausgestellt, dass sowohl die Festigkeit als auch die Dichtigkeit der Verbindung optimiert wird, wenn wenigstens zwei parallel und mit Abstand voneinander verlaufende Reihen von Vorsprüngen vorgesehen sind.
  • Der Abstand zwischen den parallelen Vorsprung-Reihen wird dann mit Vorteil etwas größer als der Abstand zwischen den benachbarten Vorsprüngen der gleichen Reihe gewählt.
  • Als besonders vorteilhaft bezüglich der Schweißfunktion sowie der für die Herstellung aufzuwendenden Kosten hat es sich erwiesen, wenn die Vorsprünge jeweils die Form von schlanken Pyramiden oder Pyramidenstümpfen haben, wobei diese Pyramidenstümpfe bzw. Pyramidenstümpfe dann vorzugsweise quadratische oder rechteckige Basisflächen haben.
  • Dabei kann die der Basisfläche gegenüberliegende obere Abschlussfläche bei pyramidenstumpfförmigen Vorsprungen jeweils ebenflächig ausgebildet sein. Durch Überschleifen der oben liegenden Abschlussflächen der Pyramidenstümpfe sind solche ebenflächigen und exakt in der gleichen fluchtenden Höhe liegenden ebenflächigen Enden kostengünstig herstellbar.
  • Alternativ können die der Basisfläche gegenüberliegenden oberen Abschlussflächen des jeweiligen pyramidenstumpfförmigen Vorsprungs auch die Form einer niedrigen zugespitzten Pyramide mit stumpfem Scheitelwinkel haben.
  • Für die Verbindung von Werkstücken durch Ultraschweißung in längeren Verbindungsbereichen können zwei oder mehr Sonotroden der vorstehend geschilderten Art in dichter Nebeneinander-Anordnung an einem gemeinsamen, an eine Ultraschallquelle ankoppelbaren Adapter vorgesehen werden.
  • Darüber hinaus können dann auch zwei oder mehr gemeinsam oder gesondert an einer Ultraschallquelle ankoppelbaren Sonotroden-Anordnung verwirklicht werden.
  • Die jeweils an einem zugeordneten Adapter angeordneten einzelnen Sonotroden können dann in Bezug auf die Ausrichtung der auf den Werkstücken aufzusetzenden Vorsprünge dann eine dem räumlichen Verlauf der zu verbindenden Bereiche der Werkstücke entsprechend angepasste Ausrichtung aufweisen.
  • Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt:
  • 1 eine Seitenansicht einer in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildeten Sonotrode für Ultraschall-Verschweißungen von dünnwandigen thermoplastischen Werkstücken;
  • 2 eine Ansicht der Sonotrode, gesehen in Richtung des Pfeils 2 in 1;
  • 3 eine Seitenansicht von zwei in Übereinanderlage gebrachten, miteinander zu verbindenden thermoplastischen Werkstücken geringer Wandstärke, wobei eine Sonotrode der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung in der vor Durchführung des eigentlichen Verschweißungsvorgangs noch angehobenen Position oberhalb der zu verbindenden Werkstücke dargestellt ist;
  • 4 eine Draufsicht auf die Werkstück-Abschnitte nach deren Verbindung durch Ultraschall-Verschweißung mit der Sonotrode, gesehen in Richtung des Pfeils 4 in 3;
  • 5 eine Seitenansicht der miteinander verbundenen Werkstück-Abschnitte, gesehen in Richtung des Pfeils 5 in 4;
  • 6 eine isometrische Ansicht von vier an einem gemeinsamen Adapter angeordneten Sonotrode gemäß 1 und 2;
  • 7 eine in der Blickrichtung veränderte und maßstäblich vergrößerte isometrische Ansicht der in 6 gezeigten Sonotroden-Anordnung;
  • 8 eine Seitenansicht der Sonotroden-Anordnung gemäß 6 und 7;
  • 9 eine Ansicht der Sonotroden-Anordnung, gesehen in Richtung des Pfeils 9 in 8;
  • 10 eine Ansicht der Sonotroden-Anordnung, gesehen in Richtung des Pfeils 10 in 8;
  • 11 eine Ansicht der Sonotroden-Anordnung, gesehen in Richtung des Pfeils 11 in 8; und
  • 12 den in 9 innerhalb des strichpunktierten Kreises 12 liegenden Bereich der Sonotroden-Anordnung in vergrößertem Maßstab.
  • Die in den 1 und 2 gezeigte, in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Sonotrode aus Metall, vorzugsweise einer Titan- oder Stahllegierung hat in ihrem oberen, am Ultraschall-Generator einer Ultraschall-Schweißeinheit ankoppelbaren Schaftabschnitt 12 einen kreisförmigen Querschnitt, welcher über gegenüberliegende Abrundungen 14 in einen unteren langgestreckten rechteckähnlichen, an seinen gegenüberliegenden kürzeren Seiten jedoch mit einem dem Radius des Schaftabschnitts 12 entsprechenden Radius kreisbogenförmig begrenzten Sonotroden-Abschnitt 16 übergeht, dessen zwischen den längeren geradlinigen Seiten gemessene Breite nur etwa 1/3 des Durchmessers des oberen Schaftabschnitts beträgt.
  • Von der beim dargestellten Ausführungsbeispiel zur Verbindung von zwei dünnen ebenflächigen Werkstücken 18, 20 (3 bis 5) in einer Probeschweißung bestimmten Endfläche 22 des unteren Sonotrodenabschnitts 16 treten in zwei parallelen Reihen in gleichmäßigen Abständen vorgesehene Vorsprünge 24 vor, welche im dargestellten Fall die Form von lang gestreckten vierseitigen Pyramidenstümpfen mit ebener Abschlussfläche 26 haben. D.h. die Vorsprünge 24 verjüngen sich von ihrer von der Endfläche 22 ausgehenden Basis in Richtung zu den Abschlussflächen 26.
  • Die von der Basis zu den Abschlussflächen 26 gemessene Höhe der Vorsprünge 24 ist größer als die Dicke des oberen Werkstück-Abschnitts 18, aber geringer als die gesamte Dicke beider in Übereinanderlage befindlichen Werkstück-Abschnitte 18 und 20. Wenn die Werkstück-Abschnitte beispielsweise eine Wandstärke von jeweils 3mm haben, dann wäre die Höhe der Vorsprünge größer als 3mm und kleiner als 6mm, d.h. beispielsweise 4,5mm, zu bemessen. Beim Verbinden der Werkstück-Abschnitte 18 und 20 durch Aufsetzen der mit geeigneter Frequenz im Ultraschallbereich angeregten Vorsprünge 24 unter gleichzeitiger Druckauflastung in Richtung auf die zu verbindenden Werkstücke wird die Schwingungsenergie von den Vorsprüngen auf die zugeordneten Bereiche der Werkstück-Abschnitte und – mit zunehmendem Eindringen in die Werkstücke auch in das Werkstück 20 – übertragen und das Material wird aufgrund der erzeugten Reibungsenergie erwärmt und plastifiziert, wobei die Vorsprünge das ihrer geometrischen Form entsprechende Volumen von plastifiziertem Kunststoff verdrängen. Das verdrängte Material dringt zum einen in den im Verbindungsbereich zwischen den Werkstück-Abschnitten 18 und 20 liegenden Spalt und verbindet die Werkstücke dann – nach dem Erkalten – zu einem im Schweißbereich homogen verbundenen Werkstück. Überschüssiges, beim Schweißvorgang plastifiziertes Material wird an der Oberseite des oberen Werkstück-Abschnitts 18 am Fuß der Vorsprünge 24 nach außen verdrängt, so dass die Verbindung bereits auf der frei liegenden Oberfläche des oberen Werkstück-Abschnitts 18 die in 4 und 5 erkennbare Gestalt von im Wesentlichen quadratischen, sich in die Tiefe komplementär zu den Vorsprüngen verjüngenden Vertiefungen 28 mit jeweils zwischen den Einzel-Vertiefungen verbleibenden Stegen 30 annehmen, an deren außen liegenden Enden dann jeweils unregelmäßige erhöhte Materialvorsprünge 32 aus verdrängtem plastifizierten Material anschließen.
  • Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung der in der geschilderten Weise ausgebildeten Sonotrode eine sich auf der in 5 unten liegenden Oberfläche des unteren Werkstück-Abschnitts 20 nicht abzeichnende Verbindung erhalten wird, die nicht nur hoch belastbar, sondern im Verbindungsbereich auch absolut dicht ist.
  • Es ist ersichtlich, dass durch die in 4 veranschaulichte Anbringung von zwei voneinander beabstandeten Verbindungsbereichen eine entsprechend erhöhte Festigkeit gegen Lösen der Werkstück-Abschnitte 18, 20 erzielt werden kann.
  • Es ist ersichtlich, dass im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen und Weiterbildungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels verwirklichbar sind. So kann die ebenflächige Abschlussfläche 26 alternativ auch die Form einer zugespitzten niedrigen vierflächigen Pyramide haben. Weitere Abwandlungen der Vorsprünge 24 in der Form und den Abmessungen, z.B. als in einer Spitze auslaufende vierflächige Pyramiden, können in Anpassung an die Wandstärke der zu verbindenden Werkstücke und die speziellen Eigenschaften des Materials dieser Werkstücke verwirklicht werden.
  • In den 6 bis 12 ist die gemeinsame Anordnung von vier Einzel-Sonotroden 10 der vorstehend beschriebenen Art an einem seinerseits an einer Ultraschallquelle ankoppelbaren Adapter 36 veranschaulicht. Die Sonotroden 10 sind in enger Nebeneinanderlage derart an der langgestreckten schmalen Unterseite des quaderförmigen Adapters 36 befestigt, dass sich die an den Arbeitsflächen der Sonotroden vorgesehenen Vorsprünge 24 zu zwei entsprechend, d.h. um das vierfache, verlängerten Reihen von Vorsprüngen ergänzen und somit die Erzeugung von dichten Verbindungen von übereinanderliegenden Bereichen von Werkstücken entsprechend vergrößerter Länge ermöglichen. Eine weitere Verlängerung des Verbindungsbereichs ist entweder durch Anordnung von mehr als vier Sonotroden 10 an einem entsprechend verlängerten Adapter 36 oder aber auch durch Reihung mehrerer, mit Einzel-Sonotroden 10 bestückter Adapter 36 verwirklichbar. Im letztgenannten Fall können die Adapter dann entweder jeweils an einer gesonderten Ultraschallquelle oder auch an einen gemeinsamen Ultraschallgenerator angekoppelt sein, der – bei hinreichender Schallleistung - gleichzeitig und gemeinsam Ultraschallschwingungen als Energie in die Adapter einspeist oder aufeinander folgend an den einzelnen Adaptern ankoppelbar ist.
  • Es ist ersichtlich, dass durch die Zusammenstellung von Einzel-Sonotroden auch geometrisch von geradlinigen ebenflächigen Verbindungsbereichen abweichende Sonotroden-Anordnungen verwirklichbar sind, welche an ebene kurvenförmige oder auch an räumlich dreidimensional verlaufende Verbindungsbereiche angepasst sind.

Claims (14)

  1. Sonotrode (10) für die Ultraschall-Verschweißung von Werkstücken geringer Wandstärke aus thermoplastischen Materialien durch Ultraschallschweißung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (10) im Bereich ihrer beim Schweißvorgang auf der Oberfläche eines der in Übereinanderlage gebrachten zu verbindenden Werkstücke (18; 20) aufzusetzenden Arbeitsfläche eine Anzahl von in wenigstens einer Reihe angeordneten, sich in Richtung auf ihr auf den Werkstücken (18; 20) aufzusetzenden freien Enden verjüngenden, eng benachbarten Vorsprüngen (24) versehen ist.
  2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (24) eine Höhe haben, die größer als die Wandstärke des beim Schweißvorgang direkt von den Vorsprüngen beaufschlagten Werkstücks (18).
  3. Sonotrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (24) eine Höhe haben, die geringer als die Gesamtwandstärke der beiden Werkstücke (18; 20) im zu verbindenden Bereich ist.
  4. Sonotrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Reihe benachbart angeordneten Vorsprünge (24) jeweils einen Abstand voneinander haben, der kleiner ist als ihre Höhe.
  5. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei parallel und mit Abstand voneinander verlaufende Reihen von Vorsprüngen (24) vorgesehen sind.
  6. Sonotrode nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den parallelen Vorsprung-Reihen größer als der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen (24) der gleichen Reihe ist.
  7. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (24) jeweils die Form von schlanken Pyramiden haben.
  8. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (24) jeweils die Form von schlanken Pyramidenstümpfen haben.
  9. Sonotrode nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (24) jeweils die Form einer Pyramide bzw. eines Pyramidenstumpfs mit quadratischer oder rechteckiger Basisfläche haben.
  10. Sonotrode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die der Basisfläche gegenüberliegende obere Abschlussfläche des jeweiligen pyramidenstumpfförmigen Vorsprungs (24) ebenflächig ausgebildet ist.
  11. Sonotrode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die der Basisfläche gegenüberliegende obere Abschlussfläche des jeweiligen pyramidenstumpfförmigen Vorsprungs (24) die Form einer niedrigen zugespitzten Pyramide hat.
  12. Sonotroden-Anordnung, gekennzeichnet durch die Anordnung von zwei oder mehr Sonotroden (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in dichter Nebeneinander-Anordnung an einem gemeinsamen, an eine Ultraschallquelle ankoppelbaren Adapter (36).
  13. Sonotroden-Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Aneinanderreihung von zwei oder mehr an einer Ultraschallquelle ankoppelbaren Adaptern (36).
  14. Sonotroden-Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils an einem zugeordneten Adapter (36) angeordneten einzelnen Sonotroden (10) in Bezug auf die Ausrichtung der auf den Werkstücken aufzusetzenden Vorsprüngen eine dem räumlichen Verlauf der zu verbindenden Bereiche der Werkstücke entsprechend angepasste Ausrichtung aufweisen.
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