DE69528314T2

DE69528314T2 - Ultraschallschweissen von metallisiertem Kunststoff

Info

Publication number: DE69528314T2
Application number: DE69528314T
Authority: DE
Inventors: Andrzej T. Guzik; Stephen D. Hunt
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1995-05-11
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2015-05-12
Also published as: US5397408A; KR0166138B1; EP0685318A2; EP0685318B1; EP0685318A3; KR950031469A; DE69528314D1; CN1113466A; CN1050565C

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Komposit-Erzeugnisses gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf ein Komposit-Erzeugnis gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.

Hintergrund der Erfindung

Ultraschallschweißen gestattet eine akkurate und präzise Anwendung von Energie, um selektiv die erwünschten Bereiche einer Kunststoff-Baueinheit zu schmelzen oder zu schweißen. Der Ultraschallzusammenbau ist für die meisten thermoplastischen Materialien geeignet und wird weit verbreitet zum Schweißen thermoplastischer Teile in der Automobil-, Verpackungs-, Elektronik- und Konsumgüterindustrie angewendet. In der Praxis werden hochfrequente (im Ultraschallbereich liegende) Schwingungen von der Ultraschallschweißanlage auf die zu verbindenden Kunststoffteile übertragen. An der Verbindungs- oder Wechselwirkungsfläche der beiden Teile erhöht eine Kombination aus aufgewandter Kraft und Oberflächen- und/oder zwischenmolekularer Reibung die Temperatur, bis der Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials erreicht ist. Die Ultraschallenergie wird dann abgestellt und es bildet sich eine molekulare Verbindung oder Schweißverbindung zwischen den zwei Kunststoffteilen aus.
Ein Ultraschallschweißsystem umfasst typischerweise eine Hochfrequenz-Stromversorgungseinheit (normalerweise 20-40 kHz). Die Hochfrequenzenergie wird in eine Sonotrode (Horn) geleitet, die als Arm oder metallener Bereich, typischerweise aus Titan, Aluminium oder gehärtetem Stahl, ausgebildet und so dimensioniert ist, dass sie bei der angewendeten Frequenz resident ist. Die Sonotrode kontaktiert das Werkstück und überträgt die mechanischen Schwingungen darauf. Eine Spannvorrichtung oder Auflage trägt und richtet die beiden zu verschweißenden Teile aus. Sie ist im Allgemeinen aus Stahl oder Aluminium und zuweilen mit Urethanguss oder einem anderen elastischen Material gefüttert.
Passendes Design der Verbindungen ist wesentlich für optimale Schweißresultate. Faktoren wie Materialtyp, Teilegeometrie und Anforderungen an die Schweißverbindungen müssen bei der Bestimmung des Designs berücksichtigt werden. Eine Verbindungsstelle sollte eine kleine, einheitliche Anfangskontaktfläche und zur schnellen, lokalisierten Energiedissipation Ausrichtungsmittel zur Konzentration der Ultraschallenergie aufweisen. Ein Energierichter, das meistbenutzte Design, besteht aus einer kleinen dreieckigen Materialleiste auf der zu schweißenden Teileoberfläche. Bei einem Schweißungstyp, wird eine Scher- oder Interferenzverbindung benutzt, um eine hermetische Versiegelung großer Stärke zu erhalten. Während des Schweißens fahren die Wechselwirkungsflächen teleskopartig ineinander und erzeugen eine Schweißverbindung im Schermodus.
Viele Arten thermoplastischer Polymere können verschweißt werden. Amorphe Harze wie etwa Polystyren, Acrylonitril-Butadien-Styren (ABS), Polycarbonat etc. sind sehr energieeffizient und werden allgemein für das Ultraschallschweißen bevorzugt. Sie zeichnen sich aus durch eine zufällige Molekularanordnung und einen breiten Erweichungstemperaturbereich. Dies erlaubt es den Materialien, leicht zu fließen ohne vorschnell zu erstarren. Harze von höherem Kristallisationsgrad benötigen aufgrund ihrer hoch geordneten Molekularstruktur höhere Ultraschallenergien. Manche einander unähnliche Harze können miteinander verschweißt werden, wenn ihre Glasübergangstemperaturen ähnlich sind (typischerweise innerhalb etwa 40ºF) und wenn sie ungefähr ähnliche Molekularstrukturen aufweisen. Typische Beispiele sind ABS und Acryl, Polycarbonat und Acryl sowie Polystyren und Polyphenylenoxid.
Viele andere Faktoren, wie der Feuchtegehalt, Füllmaterialien, Substanzen zum Lösen aus der Form beeinflussen die Möglichkeit zum Ultraschallschweißen thermoplastischer Materialien. Optimales Schweißen erfordert, dass die Teile vor dem Schweißen getrocknet werden. Von Füllstoffen ist bekannt, dass sie das Ultraschallschweißen behindern, wenn der Füllstoffanteil 30-35% übersteigt. Oberhalb dieser Anteile kann eine starke Schweißverbindung nicht mehr sichergestellt werden, da die Verbindungsbereiche nur unzureichende Mengen schmelzbaren Materials enthalten. Außerdem können Füllstoffe wie Glas oder Mineralien abrasiv wirken und bei Anteilen über 35% zu übermäßigem Sonotrodenverschleiß führen. Substanzen zum Lösen aus der Form verringern den Reibungskoeffizienten des Materials und beeinflussen das Schweißen ungünstig. Schweißoberflächen sollten vor dem Schweißen vorzugsweise mit geeigneten Reinigern von jeglichen Oberflächenverschmutzungen gereinigt werden.
Das herkömmliche Wissen im Stand der Technik hat stets darauf hingewiesen, dass die zu schweißende Verbindungsstelle sorgfältig gereinigt werden und frei von Fremdmaterial sein soll. Aus diesem Grund ist es schwierig und teuer, Kunststoffteile mit Metallbeschichtung zu verschweißen. Metallbeschichtungen im Bereich der Schweißverbindung müssen entfernt werden, um eine ordentliche Schweißverbindung sicher zu stellen. Dies erfordert, dass bei beschichteten Kunststoffteilen, wie sie beispielsweise für RF-abgeschirmte Gehäuse verwendet werden, die Beschichtung entweder abgedeckt ("masked off") oder vor dem Schweißen entfernt werden muss. Es wäre ganz klar eine vorteilhafte Verbesserung des Standes der Technik, wenn vollständig beschichtete Kunststoffteile geschweißt werden könnten.
Aus der Offenlegungsschrift CH 535 643 A ist ein Verfahren zum Ultraschallschweißen einer Kugel aus zwei Kunststoffteilen bekannt, wobei das Innere der Kugel eine reflektierende Beschichtung aus einer durch eine Anzahl von Düsen und Bohrungen gesprühten Flüssigkeit aufweist. Dieses bekannte Verfahren offenbart jedoch weder eine Metallbeschichtung auf der Schweißverbindung noch ein Schweißen durch eine Metallbeschichtung zur Erzeugung einer Ultraschallschweißverbindung.
Andere Verfahren zum Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen sind bekannt aus den Offenlegungsschriften DE 35 30 039 A, DE 34 34 687 A, JP 570 47 615 A und der Veröffentlichung des Zentralverbandes der elektrotechnischen Industrie e.V.: "Fügen von Formteilen und Halbzeugen aus thermoplastischen Kunststoffen mit Ultraschall", 1985, Fachverband Elektroschweißen, Frankfurt, DE XP00 20 50902 12405.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz gesagt wird, gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Komposit- Erzeugnisses durch Ultraschallschweißen von zwei Kunststoffteilen wie in Anspruch 1 beansprucht zur Verfügung gestellt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vor dem Verfahrensschritt des Verbindens eine Kraft auf das erste und das zweite Teil ausgeübt. Diese Kraft überschreitet diejenige erheblich, die erforderlich wäre, um die beiden Schweißobjekte miteinander in Kontakt zu bringen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Komposit-Erzeugnis wie in Anspruch 5 beansprucht zur Verfügung gestellt, das mit dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wurde.
Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Ansprüche. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen nun beispielsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden; dabei sind
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Schweißens,
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung zweier metallisierter Kunststoffteile nach erfindungsgemäßem Schweißen,
Fig. 3 eine Illustration eines Testverfahrens, das benutzt wird, um die Effektivität der Schweißverbindung zu bestimmen.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Obwohl die Spezifizierung mit den Ansprüchen abgeschlossen ist, die die als neu angesehenen Merkmale der Erfindung definieren, wird angenommen, dass die Erfindung unter Berücksichtigung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet werden, besser verstanden wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird herkömmliches Ultraschallschweißen wie folgt durchgeführt: 60 Hz Wechselstrom (AC) Netzleistung wird auf hohe (Ultraschallbereich) Frequenz (20-40 kHz) transformiert, die ihrerseits vermittels eines piezoelektrischen Wandlers in mechanische Schwingungen ähnlicher Ultraschallfrequenz konvertiert wird. Diese Transformationen finden in einem Bereich einer Ultraschallschweißanlage statt, der üblicherweise als Generator/Konverter 10 bezeichnet wird. Die mechanischen Schwingungen 12 werden über den Booster 15 und die Schweiß- Sonotrode 20 auf die zu verbindenden Kunststoffteile 25, 30 übertragen. Diese Baueinheit wir zusammenfassend als "Stack" bezeichnet. Die Geometrie des Boosters 15 und der Sonotrode 20 definieren die Schwingungsverstärkung, die in dem Stack erfolgt, wobei die auf die Kunststoffteile 25, 30 angewendeten Schwingungen 22 definiert werden. Die Schwingungsamplitude definiert weitgehend die einsetzbare Menge an Ultraschallenergie. Die Schweiß-Sonotrode 20 ist speziell ausgestaltet, um mit dem ersten Kunststoffteil 25 zusammenzupassen. Das zweite Kunststoffteil 30 wird von einer speziell ausgestalteten Spannvorrichtung 35 gehalten, die auch dazu dient, dessen Verformung zu verhindern. Die mechanischen Schwingungen 22 verursachen in den Kunststoffteilen 25, 30 intermolekulare Reibung und daher Reibungswärme. Durch geeignetes Design der Schweißverbindungselemente kann die intermolekulare Reibung lokal maximiert werden, wobei selektiv Bereiche der Kunststoffteile aufgeschmolzen und daher miteinander verschweißt werden. Der gesamte Prozess wird unter Anwendung einer mechanischen Kraft 40 durchgeführt, die in einer Richtung aufgewendet wird, die verursacht, dass das erste Teil 25 das zweite Teil 30 berührt und so deren innigen Kontakt sicher stellt. Diese Kraft wird in zwei Stufen aufgewendet: Zum einen vor der Anwendung der Ultraschallschwingungen 22 - diese Kraft wir als Triggerkraft bezeichnet - und zum anderen während der Anwendung der Ultraschallschwingungen - diese Kraft wird Schweißkraft genannt. Die Triggerkraft übersteigt diejenige Kraft, die erforderlich wäre, um die Schweißverbindungselemente miteinander in Kontakt zu bringen, wesentlich, womit ein gleichzeitiger Schmelzbeginn über die gesamte Schweiß-Wechselwirkungsfläche gesichert wird. Sobald diese Kraft aufgewendet ist, beginnt der Eintrag der Ultraschallenergie. Die Schweißkraft, die nicht notwendigerweise mit der Triggerkraft identisch ist, definiert weitgehend die Geschwindigkeit, mit der die beiden Teile verbunden werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das erste und das zweite Kunststoffteil 25, 30 Spritzguss- Probestücke. Diese Probestücke werden als modifizierte I- Träger bezeichnet und unterscheiden sich von Standard- Probestücken, die von der American Welding Society G-1 Subcommittee on the Joinig of Plastics and Composites entwickelt wurden, deutlich dadurch, dass sie einen spitzwinkligen Abschnitt 23 in wenigstens einem Bereich wenigstens eines der Kunststoffteile aufweisen. Das erste und zweite Kunststoffteil wurden aus Polycarbonat, einem thermoplastischen Material, spritzgegossen und dann in einem stromlosen Abscheidungsprozess mit einer Beschichtung 27 aus Kupfer und Nickel überzogen. Die Beschichtungsdicke des Kupfers betrug etwa 1 um. Die Beschichtungsdicke des Nickels betrug etwa 0,25 um. Metallbeschichtungen im Bereich von 0,1 um bis 5 um werden als brauchbar angesehen, wobei die exakte Dicke eine Funktion der Designanforderungen und des ausgewählten Metalls ist. Die Beschichtung darf jedoch nicht zu kräftig ausfallen, da sie sonst zu stark ist und von den Schweißkräften nicht überwunden werden kann, sodass keine gute Verbindung erzielt werden kann. Andere äquivalente Mittel zur Beschichtung der Kunststoffteile können ebenfalls erfolgreich eingesetzt werden, wie etwa durch Vakuumabscheidung der Beschichtung (Sputtern, Evaporation etc.), Galvanisieren, Flammspritzen, Überzug mit metallisierter Farbe etc. Außerdem können auch andere Metalle, wie Aluminium, Chrom, Zinn, Titan verwendet werden. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Weise wird die Metallbeschichtung 27 auf dem gesamte Teil aufgebracht und nicht selektiv entfernt oder im Bereich der Schweißverbindungselemente abgedeckt (maskiert). Vor dem Schweißen wurde das erste Kunststoffteil 25 relativ zu dem zweiten Kunststoffteil 30 wie gezeigt ausgerichtet. Es wurde eine geeignete Spannvorrichtung 35 benutzt, um die komplementären Schweißverbindungselemente der zwei Kunststoffteile in geeigneter Weise auszurichten. In dieser Darstellung des Ausführungsbeispiels umfasste das zweite Kunststoffteil 30 ein Schweißverbindungselement mit einem spitzwinkligen Bereich 23. Die Anordnung der Schweißverbindungselemente könnte auch zwischen den zwei Kunststoffteilen vertauscht sein. Es wurde gefunden, dass der spitzwinklige Bereich nützlich ist, um während des Schweißprozesses eine Schwachstelle in der Metallbeschichtung zu erzeugen. Diese Schwachstelle unterstützt den Schweißvorgang, indem sie dem Kunststoff gestattet, leichter zu fließen und eine starke Schweißverbindung mit dem anderen Kunststoffteil einzugehen.
An dem ersten Kunststoffteil wurde eine Triggerkraft von 245 N angesetzt. Die Schwingungsamplitude betrug 60 um und die Schweißkraft wurde auf 267 N gesetzt. Die Teile wurden nach Abschaltung der Ultraschallenergie für 0,5 Sekunden unter Anwendung der gewählten Schweißkraft zusammen gehalten. Die Anwendung dieser Verfahrensbedingungen erlaubte es, die komplementären Schweißverbindungselemente der beiden Kunststoffteile lokal über den Schmelzpunkt von Polycarbonat hinaus zu erhitzen. Das geschmolzene Material verformte sich und erstarrte nach Abschaltung der Ultraschallenergie wieder zu der Schweißverbindung.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Nach dem Schweißen ist die Metallbeschichtung 27 unterbrochen und über die gesamte Schweißverbindung verteilt, was den beiden Kunststoffteilen erlaubt, zusammenzufließen. Der abgeschlossene Prozess führte zu einer verschweißten, metallisierten Kunststoffbaueinheit.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Die metallisierte Kunststoffbaueinheit 38 wurde in der Spannvorrichtung einer Instron Universal-Testanlage positioniert und eine Kraft 50, 51 wie dargestellt angesetzt. Die Kraft wurde erhöht bis die zwei verschweißten Kunststoffteile schließlich auseinander gerissen wurden, was zu einem Versagen führte. Dieser Test wurde gemäß den von der American Welding Society G-1 Subcommittee on the Joinig of Plastics and Composites entwickelten Standardverfahren durchgeführt. Kurz gesagt beinhalten diese Tests die Bestimmung der Kraft, die erforderlich ist, um bei einem geschweißten Standard-Probestück ein Versagen hervorzurufen, im Vergleich zu der Kraft, die erforderlich ist, um bei einem einstückigen Spritzguss-Probestück identischer Geometrie (dem Kontrollstück) ein Versagen hervorzurufen. Die Ergebnisse des an verschiednen Kunststoffteilen durchgeführten Tests sind wie folgt:

Material Mittlere Stärke

einstückiges, Spritzguss-Polycarbonat-Kontrollstück 6352 N
Geschweißtes, unbeschichtetes Polycarbonat 6325 N
Geschweißtes, beschichtetes Polycarbonat 6280 N
Die obigen Resultate zeigen, dass eine metallisierte Kunststoffbaueinheit effektiv durch Verbinden zweier metallbeschichteter Kunststoffteile unter Verwendung des Ultraschallschweißens hergestellt werden kann. Eine effektive Schweißverbindung, die derjenigen bei unbeschichtetem Kunststoff äquivalent ist, kann auch bei im Bereich der Schweißverbindung vollständig beschichteten Kunststoffteilen erzielt werden. Obwohl die bevorzugten Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, wird klar sein, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Beispielsweise können andere Triggerkräfte, Metallbeschichtungen, Kunststoffzusammensetzungen und Schweißverbindungs-Konfigurationen benutzt werden. Diese und andere Modifikationen, Änderungen, Variationen, Ersetzungen und Äquivalente werden dem Fachmann in den Sinn kommen, ohne dass er sich aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, entfernen müsste.

Claims

1. Verfahren zu Herstellung eines Komposit-Erzeugnisses, umfassend die Verfahrensschritte:

Bereitstellen eines ersten (25) und eines zweiten (30) Teils, hergestellt aus thermoplastischem Material und mit einer metallisierten Oberfläche (27),

Verbinden des ersten Teils mit dem zweiten Teil, indem das erste und das zweite Teil zusammen angeordnet und miteinander ultraschallverschweißt werden,

dadurch gekennzeichnet, dass

das erste und das zweite Teil komplementär geformte Ausbildungen (23, 27) aufweisen, von denen jede eine metallisierte Oberfläche hat, wobei an den Ausbildungen das erste und das zweite Teil durch deren metallisierte Oberflächen miteinander ultraschallverschweißt werden, wobei die unverschweißten Oberflächen des ersten und des zweiten Teils eine metallisierte Beschichtung aufweisen derart, dass das durch Verschweißen gebildete Komposit-Erzeugnis im Wesentlichen vollständig mit einer metallisierten Beschichtung versehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine der komplementär geformten Ausbildungen einen spitzwinkligen Bereich (23) aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, weiter umfassend den Verfahrensschritt: Anwenden einer Kraft (40) auf das erste und das zweite Teil, die diejenige Kraft, die erforderlich wäre, um die komplementär geformten Bereiche vor und während des Verfahrensschrittes des Verbindens miteinander zu kontaktieren, wesentlich übersteigt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die metallisierte Beschichtung auf dem ersten und dem zweiten Teil eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 um bis 5 um aufweist.

5. Komposit-Erzeugnis, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend:

erste und zweite Teile (25, 30), die aus thermoplastischem Material hergestellt und miteinander ultraschallverschweißt sind und

dadurch gekennzeichnet, dass

die ersten und zweiten Teile an komplementär geformten Ausbildungen (23, 27), von denen jede eine metallisierte Oberfläche aufweist, miteinander verschweißt sind, wobei das Verschweißen durch die metallisierten Oberflächen erfolgt ist und wobei die unverschweißten Oberflächen des ersten und des zweiten Teils eine metallisierte Beschichtung aufweisen derart, dass das durch Verschweißen gebildete Komposit-Erzeugnis im Wesentlichen vollständig mit einer metallisierten Beschichtung versehen ist.

6. Komposit-Erzeugnis nach Anspruch 5, wobei die metallisierte Beschichtung auf dem ersten und dem zweiten Teil eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 um bis 5 um aufweist.

7. Komposit-Erzeugnis nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Metall der metallisierten Beschichtung ausgewählt ist aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Chrom, Zinn und Titan.