DE3313918A1

DE3313918A1 - Verfahren zur steuerung und regelung der beim fuegen von thermoplasten mittels ultraschall benoetigten elektrischen leistung

Info

Publication number: DE3313918A1
Application number: DE19833313918
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. Dr. 6701 Friedelsheim Hagen; Karl Dipl.-Ing. Dr. 6702 Bad Dürkheim Kroebl; Gerhard Dipl.-Ing. Schmelze (FH), 6700 Ludwigshafen; Karl Heinz Dipl.-Ing. Dr. 6715 Lambsheim Scholl
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1982-04-20
Filing date: 1983-04-16
Publication date: 1983-10-27

Description

Verfahren zur Steuerung und Regelung der beim Fügen von
Thermoplasten mittels Ultraschall benötigten elektrischen Leistung Beim Schweißen, Nieten, Einbetten, Verdämmen und Bördeln im im folgenden zusammengefaßt Fifgen genannt - von verstärkten oder unverstärkten thermoplastischen Werkstoffen mittels Ultraschall wird ein genau definiertes Quantum an thermischer Energie zum Aufschmelzen des Werkstoffes in der Fügeebene benötigt.
Diese Energiemenge ist abhängig u.ae von Form und Abmessung der zu fügenden Bauteile, von der chemischen Beschaffenheit der Werkstoffe und von der Art des Fügevorganges selbst.
Beim Fügen mittels Ultraschall wird diese Energie derart erzeugt, daß mittels einer schwingungserregenden Sonotrode eine Ultraschallschwingung von vorgegebener Fre--quenz für eine eingestellte Zeitdauer in die zu fügenden Teile eingekoppelt wird. Hierzu wird die schwingende Sonotrode hydraulisch oder pneumatisch mit einem vorgegebenen Druck auf die Fügeteile aurgepreßt, die ihrerseits in einer Aufnahmevorrichtung (Amboß) und gegenseitig durch entsprechende Konturen fixiert sind0 Die eingekoppelte Schwingung durchläuft die Fügeteile und erzeugt eine mechanische Schwingungs die an den Kontaktflächen zu einer spontanen lokalen Erwärmung führt, so daß konstruktiv vorgegebene Bereiche der Fügefläche (Energierichtungsgeber) plastifiziert werden und die Teile sich so miteinander verbinden.
Dies gilt mit Ausnahme kleiner verfahrensspezifischer Varianten für praktisch alle vorgenannten Verbindungs- methoden. Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung optimaler und reproduzierbarer Fügenahtfestigkeiten eine genaue Dosierung der beim Fügevorgang umzusetzenden Schwingungsenergie notwendig ist, da ein Überschuß an eingeleiteter Energie sich genauso nachteilig auswirken kann wie eine zu gering bemessene Energierate.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die für den Fügevorgang notwendige Schwingungsenergie in ihrem zeitlichen Verlauf reproduzierbar zu erfassen und zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Zunächst wird während eines Fügevorgangs die vom Konver#-ter 4 aufgenommene elektrische Leistung mit einem speziellen Leistungsmesser 7 gemessen und in ihrem zeitlichen Verlauf mit einer einmal empirisch ermittelten Sollkurve 5 verglichen. In diesem Konverter 4 wird die aufgenommene elektrische Leistung in eine Ultraschallschwingung umgesetzt.
Die aus diesem Vergleich resultierenden positiven oder negativen Abweichungen des Istwerts der Leistung von ihrem Jeweiligen Sollwert und Verlauf verändern den für den Fügevorgang notwendigen Druck der Sonotrode 1 auf die in einem Amboß 3 gelagerten Fügeteile 2. Der Druck wird in an sich bekannter Weise durch ein Stellventil 8 sowie einen Maschinenzylinder 9 erzeugt, so daß immer eine optimale Kopplung zwischen der schwingenden Sonotrode 1 und dem Fügeteil 2 hergestellt wird.
überraschend wurde gefunden, daß auch der während des Fügevorgangs von der Sonotrode 1 zurückgelegte Stellweg 11 ein Maß für die Güte des Fügeergebnis#es darstellt.
Es wird daher erfind;ungsgemäß dieser Stellweg 11 mit einem elektrischen Wegaufnehmer 10 gemessen, in einem Differenzverstärker 13 mit einer einmal empirisch ermittelten Sollwertvorgabe 12 verglichen und mit den hieraus resul--tierenden positiven oder negativen Abweichungen der Druck der Sonotrode 1 in geeigneter Weise durch die Mittel 8, 9 beeinflußt0 Wie bereits erwhnt, ist für die Qualität eines Fügeergebnisses das Maß der Schwingungsenergie von ausschlaggebender Bedeutung. Diese Energie ist definitionsgemäß dem Zeitintegral der umgesetzten elektrischen Leistung proportional# Es werden daher die von dem vorab erwähnten Leistungsmesser 7 erfaßten Augenblickswerte der elektrisehen Leistung in einem elektronischen Integrator 6 über die Zeit des Fügevorgangs aufsummiert und als Qualitätskriterium für das Fügeergebnis in Zahlenform ausgegeben0 Zeichn.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Verfahren. zur Regelung und Steuerung des Aufschmelz-und Verbindungsvorganges während des Agens (Schweissen, Nieten, Einbetten, Bördeln, Verdämmen) von Formteilen aus verstärkten oder unverstärkten Thermoplasten sowie während des Einbettungsvorganges von Bauteilen nicht thermoplastischer Natur in verstärkte oder unverstärkte thermoplastische Materialien mittels Ultraschallenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Fägevorganges in einem Ultraschallkonverter umgesetzte elektrische Leistung fortlaufend gemessen und in ihrem zeitlichen Verlauf mit einer vorgegebenen empirisch ermittelten Masterfunktion verglichen wird, wobei die aus diesem Vergleich resultierenden positiven oder negativen Abweichungen den Bewegungsvorgang der Sonotrode derart beeinflussen, daß Differenzen zwischen der vorgegebenen Masterkurve und der ermittelten Leistungskurve zu einem Minimum werden, wodurch eine optimale Schwingungskopplung zwischen Sonotrode und FUgeteil erreicht wird und damit optimale, reproduzierbare Fügeergebnasse erzielt werden.
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadureh gekennzeichnet, daß zusätzlich mittels eines elektrischen Wegaufnehmers der Sonotrodenvorschub während des Aufschmelzvorganges kontinuierlich gemessen und mit einer vorgegebenen empirisch ermittelten Masterfunktion verglichen wird, wobei die aus diesem Vergleich resultierenden positiven oder negativen Abweichungen als zusätzliches Korrektiv des Schweiß-oder Einbettungsvorganges herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich an den Schaltkreis der elektrischein Leistungsmessung ein elektronischer Integrator derart angeschlossen wird, daß die während des Aufschmelzvorganges gemessenen Augenblickswerte der elektrischen Leistung als Funktion der Aufschmelzzeit aufintegriert und als Zahlenwert angezeigt werden, wodurch ein quantitativer Nachweis erbracht werden kann, daß die bis Optimum vorgegebene Umwandlungsenergie auch tatsächlich in den Prozeß eingebracht worden ist.