DE9117295U1 - Drehbares Ultraschallhorn - Google Patents

Drehbares Ultraschallhorn

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DE9117295U1
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    • B29C66/9517—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94 by measuring or controlling the vibration frequency and/or the vibration amplitude of vibrating joining tools, e.g. of ultrasonic welding tools characterised by specific vibration amplitude values or ranges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
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    • B29C66/812—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the composition, by the structure, by the intensive physical properties or by the optical properties of the material constituting the pressing elements, e.g. constituting the welding jaws or clamps
    • B29C66/8122—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the composition, by the structure, by the intensive physical properties or by the optical properties of the material constituting the pressing elements, e.g. constituting the welding jaws or clamps characterised by the composition of the material constituting the pressing elements, e.g. constituting the welding jaws or clamps

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Description

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Claims (18)

1. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), das mit einer Frequenz von etwa 18 bis etwa 60 kHz zu erregen ist, wobei das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) ein geformtes massives Metallobjekt umfaßt, das eine von einem ersten Ende (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82; 92; 103; 113; 123; 132; 143; 4003) und einem zweiten Ende (13; 23; 35; 47; 55; 65; 75; 85; 95; 106; 116; 126; 135; 146; 4004) begrenzte radiale Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) aufweist, sowie eine Rotationsachse (14; 24; 36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001), wobei jedes der Enden durch eine Oberfläche festgelegt ist und das Objekt axial symmetrisch ist, wobei Durchmesser, Breite und Dicke für eine gewünschte Frequenz gewählt sind, so daß das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) bei Erregung mittels Ultraschallenergie mit einer derartigen Frequenz, die an der Rotationsachse (14; 24; 36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001) an und im wesentlichen senkrecht zu einem oder beiden Enden angelegt wird, in der. Lage ist, derart in Resonanz zu treten, daß
  • 1. das erregte Ende sich im wesentlichen phasengleich mit der Bewegung der Erregerquelle bewegt;
  • 2. das entgegengesetzte Ende, unabhängig davon, ob es aktiv erregt worden ist oder nicht, sich im wesentlichen phasenungleich mit der Bewegung des erregten Endes bewegt;
  • 3. die das Werkstück berührende radiale Oberfläche sich ebenfalls phasenungleich mit der Bewegung des erregten Endes bewegt; und
  • 4. das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) einen einzigen Knotenpunkt in seinem geometrischen Mittelpunkt aufweist, wobei das drehbare Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), dadurch gekennzeichnet, daß
    • A) der Durchmesser des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) im Bereich von etwa 4 cm bis etwa 19 cm liegt;
    • B) die Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) etwa 0,6 cm bis etwa 13 cm beträgt;
    • C) die Dicke des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der Rotationsachse (14; 24; 36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001) davon etwa 0,6 cm bis etwa 15 cm beträgt und unabhängig von der Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; . 120; 130; 140; 4000) an der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) ist;
    • D) das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) eine Masse im Bereich von etwa 0,06 kg bis etwa 30 kg aufweist;
    • E) das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) einen geraden kreisförmigen zylindrischen Querschnitt aufweist;
    • F) der Durchmesser, die Breite und die Dicke derart gewählt sind, daß das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) eine im wesentlichen plattenartige Form aufweist; und
    • G) die Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) und die Dicke des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) derart sind, daß das Amplitudenprofil im wesentlichen flach über die Breite der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) ist;
wobei ein Horn mit einer Dicke, die größer ist als der Durchmesser des Horns oder dieser entspricht, ausgeschlossen ist.
2. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), das die Form eines Kegelstumpfs mit einer krummlinigen Oberfläche aufweist und mit einer Frequenz von etwa 18 bis etwa 60 kHz zu erregen ist, wobei das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) ein geformtes massives Metallobjekt umfaßt, das eine von einem ersten Ende (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82; 92; 103; 113; 123; 132; 143; 4003) und einem zweiten Ende (13; 23; 35; 47; 55; 65; 75; 85; 95; 106; 116; 126; 135; 146; 4004) begrenzte radiale Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) aufweist, sowie eine Rotationsachse (14; 24; 36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001), wobei jedes der Enden durch eine Oberfläche festgelegt ist und das Objekt axial symmetrisch ist, wobei Durchmesser, Breite und Dicke für eine gewünschte Frequenz gewählt sind, so daß das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) bei Erregung mittels Ultraschallenergie mit einer derartigen Frequenz, die an der Rotationsachse (14; 24; 36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001) an und im wesentlichen senkrecht zu einem oder beiden Enden angelegt wird, in der Lage ist, derart in Resonanz zu treten, daß
  • 1. das erregte Ende sich im wesentlichen phasengleich mit der Bewegung der Erregungsquelle bewegt;
  • 2. das entgegengesetzte Ende, ob es aktiv erregt worden ist oder nicht, sich im wesentlichen phasenungleich mit der Bewegung des erregten Endes bewegt; und
  • 3. die das Werkstück berührende radiale Oberfläche sich ebenfalls phasenungleich mit der Bewegung des erregten Endes bewegt,
  • 4. das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) einen einzigen Knotenpunkt in seinem geometrischen Mittelpunkt aufweist,
wobei das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), dadurch gekennzeichnet, daß
  • A) der Durchmesser des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) im Bereich von etwa 4 cm bis etwa 19 cm liegt;
  • B) die Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) etwa 0,6 cm bis etwa 13 cm beträgt;
  • C) die Dicke des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der Rotationsachse (14; 24; 36; 48; 56; 68; 78; 88; 98; 109; 119; 129; 138; 149; 4001) davon etwa 0, 6 cm bis etwa 15 cm beträgt und unabhängig von der Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) ist;
  • D) das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) eine Masse im Bereich von etwa 0,06 kg bis etwa 30 kg aufweist;
  • E) der Durchmesser, die Breite und die Dicke derart gewählt sind, daß das Horn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) eine im wesentlichen plattenartige Form aufweist; und
  • F) die Breite des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) an der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) und die Dicke des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) derart sind, daß das Amplitudenprofil im wesentlichen flach über die Breite der radialen Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141; 4002) ist;
wobei ein Horn mit einer Dicke, die größer ist als der Durchmesser des Horns oder dieser entspricht, ausgeschlossen ist.
3. Drehbares Ultraschallhorn (30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Ende (32; 42; 52; 62; 72; 82; 92; 103; 113; 123; 132; 143; 4003) und/oder das zweite Ende (65; 75; 85; 95; 106; 116; 126; 135; 146; 4004) eine im wesentlichen konkave Konfiguration aufweisen.
4. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens ein Ende (12, 13; 22, 23; 52; 62, 65; 72, 75; 82, 85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146) des Horns (10; 20; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) eine Nabe (17, 18; 25, 26; 53; 63; 66; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) aufweist.
5. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) gemäß Anspruch 4, bei dem die Nabe (17, 18; 25, 26; 53; 63; 66; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) sich nach außen von dem Ende (12, 13; 22, 23; 52; 62,65; 72,75; 82,85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146) erstreckt.
6. Drehbares Ultraschallhorn (20; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem die Nabe (25, 26; 53; 63; 66; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) ein integraler Bestandteil des Horns (20; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) ist.
7. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 50; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Nabe (17, 18; 25, 26; 53; 73, 76; 83, 86; 93, 96; 104, 107; 114, 117; 124, 127; 133, 136; 144, 147) sich über eine Kante (54; 64, 67; 74, 77; 84, 87; 94, 97; 105, 108; 115, 118; 125, 128; 134, 137; 145, 148) der radialen Oberfläche (11; 21; 51; 71; 81; 91; 101; 112; 121; 131; 141) des Horns (10; 20; 50; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140) erstreckt.
8. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 70; 80) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Ansatz (15A, 16A; 27A, 28A; 73B, 76B; 83C, 86C) aus dem Ende und/oder der Nabe (17, 18; 25; 73,76; 83,86) hervorsteht und konzentrisch mit diesem bzw. dieser ist.
9. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 70; 80) gemäß Anspruch 8, beidem der Ansatz (15A, 16A; 27A, 28A; 73B, 76B; 83C, 86C) mit einem Gewinde versehen ist.
10. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 70; 80) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem der Ansatz (15A, 16A; 27A, 28A; 73B, 76B; 83C, 86C) ein integraler Bestandteil des Horns (10; 20; 70; 80) ist.
11. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 4000) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Oberfläche (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 4002) ein lineares Profil aufweist.
12. Drehbares Ultraschallhorn (100; 110; 120; 130; 140) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die radiale Oberfläche (101; 112; 121; 131; 141) ein nicht lineares Profil aufweist.
13. Drehbares Ultraschallhorn (100) gemäß Anspruch 12, bei dem die radiale Oberfläche (101) einen zentral angeordneten erhöhten Steg (102) aufweist.
14. Drehbares Ultraschallhorn (110) gemäß Anspruch 12, bei dem die radiale Oberfläche (112) einen erhöhten Steg (111) an einer Kante (118) davon aufweist.
15. Drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchmesser, die Breite und die Dicke des Horns und die Konfiguration der Endoberflächen derart gewählt sind, daß das durchschnittliche Verhältnis der radialen Amplitude über die das Werkstück berührende Oberfläche zu der longitudinalen Amplitude wenigstens etwa 1 beträgt und der Durchschnittswert der radialen Amplitude über die das Werkstück berührende Oberfläche pro Watt Erregungsenergie wenigstens etwa 0,14 µm beträgt.
16. Drehbares Ultraschallhorn (4000) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Ende (4003) und das zweite Ende (4004) eine im wesentlichen konkave Konfiguration aufweisen, die einen zentralen, kreisförmigen flachen Bereich (4005) aufweist, der mit der Drehachse (4001) konzentrisch ist, sowie einen im allgemeinen konvexen Bereich (4006), der sich von dem flachen Bereich (4005) zu der radialen Oberfläche (4002) erstreckt, wobei:
  • a) der Durchmesser des flachen Bereichs (4005) wenigstens 20% des Durchmessers des Horns (4000) beträgt;
  • b) der im allgemeinen konvexe Bereich (4006) eine gekrümmte Oberfläche ist, die eine axiale Symmetrie und ein krummliniges Profil im Querschnitt durch die Rotationsachse (4001) aufweist, das in der Dreiecksfläche liegt, die festgelegt ist durch (i) eine von der äußeren Begrenzung (4012) des flachen Bereichs (4005) zu der Kante (4013) der radialen Oberfläche (4002) führende gerade Linie; (ii) eine sich parallel zur Drehachse (4001) erstreckende gerade Linie, die an der äußeren Begrenzung (4012) des flachen Bereichs (4005) beginnt und sich nach außen weg von dem Horn (4004) erstreckt; und (iii) eine gerade Linie, die sich senkrecht zu der Rotationsachse (4001) und von der Kante (4013) der radialen Oberfläche (4002) zu der sich parallel zu der Rotationsachse (4001) erstreckenden geraden Linie erstreckt;
  • c) das Horn (4000) eine Varianz von nicht mehr als etwa 20% über die radiale Oberfläche (4002) aufweist; und
  • d) das Verhältnis der durchschnittlichen radialen Amplitude zu der longitudinalen Amplitude wenigstens 1 ist.
17. Drehbares Ultraschallhorn (4000) gemäß Anspruch 16, bei dem die Breite des Horns (4000) an der radialen Oberfläche (4002) 5 bis 13 cm beträgt.
18. Vorrichtung zum Verbinden von zwei oder mehr Materialien mittels Ultraschall oder zur anderweitigen Verarbeitung eines Materials mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung ein drehbares Ultraschallhorn (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), ein Vibrationsmittel (1800) zur Bereitstellung einer Quelle für eine mechanische Vibration in Längsrichtung, das mit einem oder beiden Enden (12, 13; 22, 23; 32, 35; 42, 47; 52, 55; 62, 65; 72, 75; 82, 85; 92, 95; 103, 106; 113, 116; 123, 126; 132, 135; 143, 146; 4003, 4004) des Horns (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140; 4000), wahlweise mittels einer länglichen Wellenführung, gekoppelt ist, ein Unterstützungsmittel für das drehbare Ultraschallhorn, Antriebsmittel zum Drehen des drehbaren Ultraschallhorns und einen drehbaren Amboß nahe des drehbaren Ultraschallhorns aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Ultraschallhorn ein Horn gemäß einem der Ansprüche 1-17 ist.
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