DE102005017570A1 - Vibrationsschweißanlage und Steuervorrichtung hierfür - Google Patents

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Abstract

Eine Vibrationsschweißanlage für thermoplastische Fügeteile mit einem schwingungsbeweglichen Werkzeug zur Aufnahme wenigstens eines Fügeteiles sowie mit einem weiteren Werkzeug zur Aufnahme wenigstens eines korrespondierenden Fügeteiles, mit einem Schwingungsantrieb, der dem schwingungsbeweglichen Werkzeug zugeordnet ist, und mit einem Linearantrieb zum Zusammenführen der beiden Werkzeuge, sowie mit einer Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Schwingungsantriebs und des Linearantriebs ist bekannt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung (S) ein mehrphasiges Steuermodul (SM) aufweist, das den Schwingungsantrieb (8) und/oder den Linearantrieb (10) in einer Vorwärmphase (VP) und in einer Schweißphase (SP) mit unterschiedlichen physikalischen Steuerparameterwerten ansteuert.
Einsatz für die Schweißung von Kunststoffteilen für die Automobilindustrie.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vibrationsschweißanlage für thermoplastische Fügeteile mit einem schwingungsbeweglichen Werkzeug zur Aufnahme wenigstens eines Fügeteiles sowie mit einem weiteren Werkzeug zur Aufnahme wenigstens eines korrespondierenden Fügeteiles, mit einem Schwingungsantrieb, der dem schwingungsbeweglichen Werkzeug zugeordnet ist, und mit einem Linearantrieb zum Zusammenführen der beiden Werkzeuge, sowie mit einer Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Schwingungsantriebs und des Linearantriebs, sowie eine Steuervorrichtung für eine derartige Vibrationsschweißanlage.
  • Derartige Vibrationsschweißanlagen sind allgemein bekannt (bielomatik-Prospekt "Vibration Welding Machines/Vibrations-Schweißmaschinen") und zum Fügen thermoplastischer Kunststoffteile vorgesehen. Die zu fügenden Kunststoffteile sind in einem Oberwerkzeug bzw. einem Unterwerkzeug gehalten. Das Unterwerkzeug ist in einem entsprechenden Maschinengestell mittels eines Linearantriebs hubbeweglich. Das Oberwerkzeug ist schwingungsbeweglich gelagert und elektromagnetisch erregbar, um entsprechende Horizontalschwingungen durchführen zu können. Durch eine entsprechende Hubbewegung des Unterwerkzeugs werden die beiden Werkzeuge zusammengefügt. Dadurch werden zwangsläufig auch die Kunststoffteile in ihrem Fügebereich zusammengepresst. Der Fügedruck ist durch den Linearantrieb des Unterwerkzeugs steuerbar. Die gleichzeitige Vibration des Oberwerkzeugs, nämlich die für einen entsprechenden Reibschweißvorgang erforderliche lineare Schwingung, führt aufgrund von Grenzflächenreibung im Fügebereich zu einem Anschmelzen beider Kunststoffteile im Fügebereich. Auch nach Beendigung der Vibrationsbewegung wird der Fügedruck aufrechterhalten, bis die Schmelze im Fügebereich wieder erstarrt ist.
  • Problematisch bei derartigen Vibrationsschweißanlagen ist es, dass zu Beginn des Vibrationsschweißvorganges, d.h. während einer sogenannten Feststoffreibphase, ein unerwünschter Abrieb erzielt wird, der zu einer sogenannten Fusselbildung führt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vibrationsschweißanlage und eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine solche Fusselbildung vermeiden oder zumindest stark reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Steuervorrichtung ein mehrphasiges Steuermodul aufweist, das den Schwingungsantrieb und/oder den Linearantrieb in einer Vorwärmphase und in einer Schweißphase mit unterschiedlichen physikalischen Steuerparameterwerten ansteuert. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es vorteilhaft möglich, während der Feststoffreibphase den Abrieb und damit eine Fusselbildung stark zu reduzieren. Dabei sind die physikalischen Steuerparameter, mit denen der Schwingungsantrieb und der Linearantrieb angesteuert werden, so gewählt, dass eine Erwärmung der Fügeteile wenigstens in ihren Fügebereichen entweder sehr schnell erfolgt, so dass die Feststoffreibphase bis zur Schmelzphase schnell durchlaufen wird, oder dass während der Feststoffreibphase der Abrieb durch eine Modifikation der Vibrationsschwingungen gegenüber der Schweißphase reduziert wird. Geeignete physikalische Steuerparameter sind insbeson dere Frequenz und Schwingungsamplitude des Schwingungsantriebs bzw. des durch den Schwingungsantrieb betätigten schwingungsbeweglichen Werkzeugs, oder der Fügedruck zwischen den Fügeteilen bzw. den Werkzeugen, der durch den Linearantrieb erzeugt wird.
  • Das Problem der Fusselbildung während der Feststoffreibphase ist bei Vibrationsschweißanlagen bereits seit längerem bekannt. Es sind auch bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, bei denen durch eine externe Heizvorrichtung eine Erwärmung wenigstens eines Fügeteiles vorgenommen wird, bevor der eigentliche Vibrationsschweißvorgang beginnt. Diesbezüglich wird auf die DE 34 05 272 A1 , die DE 101 22 802 A1 oder die DE 102 03 090 A1 verwiesen.
  • Erfindungsgemäß hingegen wird keine zusätzliche Heizvorrichtung benötigt. Vielmehr muss lediglich bei einer bereits vorhandenen Vibrationsschweißanlage die Steuervorrichtung durch Aufnahme des erfindungsgemäßen Steuermoduls modifiziert werden, um die erfindungsgemäßen Vorteile erzielen zu können. Die Steuervorrichtung kann elektronisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch ausgeführt sein. In entsprechender Weise ist das Steuermodul eine elektronische Einheit, die insbesondere eine entsprechende Steueranweisung in Form einer entsprechend angepassten Software aufweisen kann, oder das Steuermodul ist entsprechend elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch als Schalt- oder Steuerteil ausgeführt. Wesentlich für die erfindungsgemäße Lösung ist es, dass durch die erfindungsgemäße Lösung der Vibrationsschweißvorgang zwar eingeleitet wird, während der Feststoffreibphase aber so modifiziert ist, dass eine reduzierte Fusselbildung und dennoch die gewünschte Erwärmung der Fügeteile im Fügebereich bis hin zur Schmelztemperatur erzielt wird. Im Gegensatz zu bekannten Vibrationsschweißverfahren wird durch die erfindungsgemäße Steuerung somit eine Änderung der Steuerparameter zwischen Feststoffreibphase und Schweißphase vorgenommen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuermodul so ausgelegt, dass für die Vorwärmphase gegenüber der Schweißphase reduzierte Steuerparameterwerte vorgesehen sind. Vorzugsweise werden somit Fügedruck, Schwingungsamplitude oder Frequenz in der Vorwärmphase reduziert, um anschließend in der Schweißphase erhöht zu werden. Der Zeitpunkt, zu dem die Steuerparameter für den Übergang aus der Vorwärmphase in die Schweißphase erhöht werden müssen, kann anhand der Werkstoffparameter und der Steuerparameter errechnet werden. Alternativ kann eine empirische Ermittlung erfolgen, die dann vorzugsweise gespeichert und/oder in einem Kennfeld abgelegt werden kann. Es ist auch möglich, dem Steuermodul ein Zeitmodul zuzuordnen, das automatisch nach Ablauf einer definierten Zeitspanne eine Umschaltung der Steuerparameter von den reduzierten Werten für die Vorwärmphase auf die erhöhten Werte für die Schweißphase vornimmt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Steuermodul als Steuerparameter eine Schwingungsamplitude des Werkzeugs auf, die in der Vorwärmphase kleiner als 0,5 mm und in der Schweißphase größer als 0,5 mm gewählt ist. Vorzugsweise wird die Schwingungsamplitude für die Schweißphase zwischen 1 mm und 1,5 mm gewählt. Das schwingungsbewegliche Werkzeug ist vorzugsweise das Oberwerkzeug. Hubbeweglich ist vorzugsweise lediglich das Unterwerkzeug.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Steuerparameter ein Fügedruck zwischen den Werkzeugen gewählt. Dieser Fügedruck ist – wie auch die Schwingungsamplitude als Steuerparameter – durch geeignete Sensor- oder Messeinrichtungen erfassbar. Aufgrund des erfassten Fügedruckes zwischen den Werkzeugen ist auch der Fügedruck zwischen den Fügeteilen im Fügebereich erfassbar oder bestimmbar. In vorteilhafter Weise ist der Fügedruck in der Vorwärmphase gegenüber der Schweißphase reduziert. Die Reduzierung des Fügedruckes während der Vorwärmphase kann alternativ oder kumulativ zu einer Reduzierung der Schwingungsamplitude in der Vorwärmphase erfolgen.
  • Für die Steuervorrichtung wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass ein mehrphasiges Steuermodul vorgesehen ist, das die Werkzeuge der Vibrationsschweißanlage in ihrer aneinander gefügten Arbeitsposition zeitversetzt in einer Vorwärmphase und in einer Schweißphase mit unterschiedlichen Steuerparameterwerten ansteuert. Vorzugsweise erfolgt in der Vorwärmphase eine Ansteuerung mit reduzierten Parameterwerten, die dann in der Schweißphase erhöht werden.
    •
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist.
  • 1 zeigt in einer aufgeschnittenen Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vibrationsschweißanlage und
  • 2 ein Diagramm, das die Ansteuerung der Vibrationsschweißanlage nach 1 erläutert.
  • Eine Vibrationsschweißanlage 1 nach 1 ist für das Fügen thermoplastischer Kunststoffteile vorgesehen. Eine Vibrationsschweißanlage eignet sich insbesondere zum Schweißen von Kunststoffbauteilen mit großen Fügeflächen und schwierig zu verarbeitenden Kunststoffmaterialien. Bevorzugte Einsatzbereiche sind die industrielle Großserienfertigung im Automobilbereich und in der Elektro- oder Verpackungsindustrie. Dazu müssen die zu verschweißenden Kunststoffteile lediglich in ihren Fügebereichen entsprechend schweißbare Kunststoffmaterialien aufweisen. Im übrigen können sie auch aus Holz- oder Metallverbundstoffen oder aus Textilverbundstoffen bestehen.
  • Die Vibrationsschweißanlage 1 weist ein Maschinengestell 2 auf, in dem ein Hubtisch 3 in Richtung des Doppelpfeiles H hubbeweglich gelagert ist. Der Hubtisch 3 dient dazu, ein entsprechendes Unterwerkzeug für wenigstens ein unteres Fügeteil aufzunehmen. Der Hubtisch 3 ist über Antriebs- und Führungsmittel, wie hydraulische Hubzylinder und Fügungsprofile, anhebbar oder absenkbar. Die Führungsprofile sind vorzugsweise als Säulenprofile ausgeführt und vertikal im Maschinengestell 2 ausgerichtet. Eine obere Werkzeugträgerplatte 4 dient zur Aufnahme eines Oberwerkzeugs. Die Werkzeugträgerplatte 4 ist mit Hilfe von Federn 7 an einer Portalplatte 6 horizontal schwingbeweglich gehalten. Die Werkzeugträgerplatte 4 ist somit einschließlich eines entsprechend befestigten Oberwerkzeugs in Richtung des horizontalen Doppelpfeiles V schwingbeweglich. Die Schwingbewegung wird durch einen Schwingungsantrieb in Form eines Elektromagneten 8 angeregt. Mittels einer Messeinrichtung 9 wird eine durch den Elektromagneten 8 erzeugte Schwingungsamplitude erfasst, um den Schwingungsantrieb und damit den Elektromagneten 8, insbesondere in einem geschlossenen Regelkreis, zu steuern. Vorzugsweise ist es möglich, diese Regelung mit einer Toleranz von +– 0,1 mm für die Schwingungsamplitude durchzuführen. Die Regelung des Schwingungsantriebs und damit des Elektromagneten 8 erfolgt über eine Steuervorrichtung S. An die Steuervorrichtung S ist die Messeinrichtung 9 mittels einer strichpunktiert dargestellten Signalleitung angeschlossen. Die Steuervorrichtung S steht über eine ebenfalls strichpunktiert dargestellte Steuerleitung mit dem Elektromagneten 8 in Steuerverbindung.
  • Der Hubtisch 3, auf dem ein entsprechendes Unterwerkzeug befestigt wird, wird durch den als Linearantrieb ausgestalteten Hubantrieb in Form von wenigstens einem Hydraulikzylinder 10 angehoben und abgesenkt.
  • Das Oberwerkzeug dient dazu, wenigstens ein zu dem entsprechenden Fügeteil des Unterwerkzeugs korrespondierendes oberes Fügeteil aufzunehmen. Fügeteile sind die zuvor angesprochenen Kunststoffteile.
  • Um den Hubantrieb 10 anzusteuern, ist die Steuervorrichtung S mittels wenigstens einer strichpunktiert dargestellten Steuerleitung an den Hubantrieb 10 angeschlossen. Wenigstens eine dem Hubantrieb 10 zugeordnete Signalleitung ist ebenfalls strichpunktiert dargestellt und verbindet eine Weg- und Druckmesseinrichtung mit der Steuervorrichtung S, um den Weg des Hubtisches 3 und den Fügedruck zu erfassen, mit dem die Fügeteile in ihrem Fügebereich zusammengepresst werden. Auch hier ist die Steuervorrichtung S so ausgeführt, dass eine weg- und druckabhängige Regelung des Hubantriebs 10 ermöglicht ist.
  • Die Steuervorrichtung S ist mit einem Steuermodul SM versehen, das eine zweiphasige Ansteuerung des Schwingantriebs 8 und/oder des Hubantriebs 10 ermöglicht. Dabei wird durch das Steuermodul SM der Vibrationsschweißvorgang, bei dem Ober- und Unterwerkzeug bereits zusammengeführt sind und die Fügeteile in ihrem Fügebereich aneinander liegen, in zwei Steuerphasen unterteilt.
  • Anhand der 2 sind die Steuerphasen, wie sie durch das Steuermodul SM vorgegeben werden, erkennbar. In durchgezogener Darstellung ist der Verlauf der Schwingungsamplitude A über der Zeit t, in gestrichelter Darstellung der Verlauf des Fügedruckes D und in strichpunktierter Darstellung der Verlauf des Fügeweges W gezeigt. Das Steuermodul SM ist für den Amplitudensprung und den Drucksprung verantwortlich, der zwischen einer Vorwärm- oder Vorreibphase VP und einer eigentlichen Schweißphase SP erfolgt. An die Schweißphase SP schließt eine Fügephase FP an, in der die Vibrationsbewegung des Schwingungsantriebs 8 beendet ist, wie anhand des Abfalls der Amplitudenlinie A verdeutlicht ist. Der Fügedruck D hingegen bleibt auf gleichem oder gemäß nicht dargestellter Ausführung aber wenigstens auf reduziertem Niveau aufrechterhalten, um die Fügeteile relativ zueinander bis zur vollständigen Erstarrung des Schmelzfilms zu fixieren. Der Fügeweg W entspricht einem Abschmelzweg der Kunststoffmaterialien im Fügebereich der Fügeteile.
  • Sobald Ober- und Unterwerkzeug in ihrer Arbeitsposition relativ zueinander positioniert sind, in der die Fügeteile in ihren Fügebereichen aneinander liegen, wird das Oberwerkzeug gemeinsam mit der Werkzeugträgerplatte 4 in Vibrationsschwingung (Doppelpfeil V) durch den Schwingungsantrieb 8 versetzt. Für die Vorwärm- oder Vorreibphase steuert das Steuermodul SM die Schwingungsamplitude des Oberwerkzeugs über eine bestimmte Zeitspanne, nämlich während der Vorwärm- oder Vorreibphase VP, auf einem reduzierten Niveau. Vorzugsweise wird eine Schwingungsamplitude von 0,5 mm oder weniger gewählt. Die Vibration mit geringer Amplitude führt zu einer ausreichenden Erwärmung im Fügebereich der Fügeteile bis hin zur Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials wenigstens eines Fügeteiles. Sobald die Schmelztemperatur erreicht ist oder sobald ein gewisses Anschmelzen im Fügebereich erfasst werden kann, steuert das Steuermodul SM den Schwingungsantrieb in die Schweißphase SP, indem die Schwingungsamplitude A auf einen für die Schweißung vorteilhaften Wert, vorzugsweise zwischen 1 mm und 1,5 mm, erhöht wird. Der Zeitpunkt, zu dem das Steuermodul SM eine entsprechende Erhöhung des Parameterwertes, nämlich der Schwingungsamplitude A, durchführen muss, kann durch einen dem Fügebereich zugeordneten Temperatursensor oder durch eine hochgenaue Erfassung des Abschmelzweges definiert und eingeleitet werden. Sobald im Fügebereich ein geringfügiges Nachgeben in axialer Druckrichtung des Hubtisches erfasst wird, erfolgt die Umschaltung auf die Schweißphase SP. Denn hierdurch kann indirekt erfasst werden, dass der Beginn einer Schmelzfilmbildung erfolgt ist. Alternativ oder kumulativ zu der Erhöhung der Schwingungsamplitude A ist es möglich, beim Übergang von der Vorwärm- oder Vorreibphase VP zur Schweißphase SP auch den Fügedruck D zu erhöhen. Die Erwärmung der Fügeteile im Fügebereich kann somit in der Vorwärm- oder Vorreibphase ausschließlich durch eine reduzierte Schwingungsamplitude bei über beide Phasen gleichbleibendem Druck oder ausschließlich durch eine Druckreduzierung bei über beide Phasen gleichbleibender Schwingungsamplitude, oder durch eine kombinierte Erhöhung sowohl der Schwingungsamplitude A als auch des Fügedruckes D beim Übergang von Vorwärm- oder Vorreibphase VP zur Schweißphase SP erfolgen. Sobald eine ausreichende Schmelzfilmbildung erzielt ist, wird der Schwingungsantrieb abgeschaltet, während der Fügedruck zumindest auf geringerem Niveau bis zum vollständigen Erstarren des Schmelzfilmes aufrechterhalten wird. Diese Phase wird als Fügephase FP dargestellt. Das Erfassen des Endes der Schmelzphase SP wird durch Erfassung des Abschmelzweges und damit durch Erfassung des Fügeweges W erreicht. Ab einem definierten Abschmelzweg wird eine weitere Vibrationsbewegung durch den Schwingungsantrieb 8 gestoppt. Wie anhand der 2 erkennbar ist, nimmt der Fügeweg W in der Fügephase FP noch bis zur vollständigen Erstarrung um einen gewissen Betrag zu.
  • Das Steuermodul SM umfasst vorzugsweise eine entsprechende Softwaresteuerung, die einem elektronischen Steuerteil der Steuervorrichtung S zugeordnet ist. Die Steuervorrichtung S steuert den Elektromagneten 8 in geeigneter Weise elektrisch und die Hydraulikzylinder 10 entsprechend hydraulisch an.

Claims (7)

  1. Vibrationsschweißanlage für thermoplastische Fügeteile mit einem schwingungsbeweglichen Werkzeug zur Aufnahme wenigstens eines Fügeteiles sowie mit einem weiteren Werkzeug zur Aufnahme wenigstens eines korrrespondierenden Fügeteiles, mit einem Schwingungsantrieb, der dem schwingungsbeweglichen Werkzeug zugeordnet ist, und mit einem Linearantrieb zum Zusammenführen der beiden Werkzeuge, sowie mit einer Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Schwingungsantriebs und des Linearantriebs, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (S) ein mehrphasiges Steuermodul (SM) aufweist, das den Schwingungsantrieb (8) und/oder den Linearantrieb (10) in einer Vorwärmphase (VP) und in einer Schweißphase (SP) mit unterschiedlichen physikalischen Steuerparameterwerten ansteuert.
  2. Vibrationsschweißanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (SM) so ausgelegt ist, dass für die Vorwärmphase (VP) gegenüber der Schweißphase (SP) reduzierte Steuerparameterwerte vorgesehen sind.
  3. Vibrationsschweißanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (SM) als Steuerparameter eine Schwingungsamplitude (A) des Werkzeugs (4) aufweist, die in der Vorwärmphase (VP) kleiner als 0,5 mm und in der Schweißphase (SP) größer als 0,5 mm gewählt ist.
  4. Vibrationsschweißanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerparameter ein Fügedruck (D) zwischen den Fügeteilen gewählt ist.
  5. Vibrationsschweißanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügedruck (D) in der Vorwärmphase (VP) gegenüber der Schweißphase (SP) reduziert ist.
  6. Steuervorrichtung für eine Vibrationsschweißanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrphasiges Steuermodul (SM) vorgesehen ist, das die Werkzeuge der Vibrationsschweißanlage (1) in ihrer aneinandergefügten Arbeitsposition zeitversetzt in einer Vorwärmphase (VP) und in einer Schweißphase (SP) mit unterschiedlichen Steuerparameterwerten ansteuert.
  7. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorwärmphase (VP) gegenüber der Schweißphase (SP) reduzierte Steuerparameterwerte, insbesondere eine reduzierte Schwingungsamplitude, vorgesehen sind.
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