DE102011011491A1

DE102011011491A1 - Fügestellenaufbau zum Schweißen von Kunststoffanordnungen

Info

Publication number: DE102011011491A1
Application number: DE201110011491
Authority: DE
Inventors: Jason M. Hayslip
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-01-19
Also published as: US8425706B2; CN102189682A; US20110206898A1

Abstract

Es ist eine schweißbare Komponente beschrieben. Die schweißbare Komponente umfasst einen Schweißniet, der durch einen dünnen Abschnitt befestigt ist, welcher ausgebildet ist, um während des Ultraschweißprozesses zu brechen. Der Schweißniet wird durch eine komplementäre Hohltasche hindurch getrieben, die sich durch den Teil hindurch erstreckt und unter dem Schweißniet positioniert ist. Der Schweißniet ist in der Grundkomponente eingebettet, um die Schweißverbindung zu bilden. Es sind auch eine geschweißte Fügestelle und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen unter Verwendung der schweißbaren Komponente beschrieben.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein das Ultraschallschweißen und im Spezielleren einen Fügestellenaufbau und ein Verfahren zum Schweißen von Kunststoffanordnungen.
Es sind verschiedene Verfahren zum Schweißen von Kunststoffteilen bekannt. Derzeitige Ultraschallschweißtechniken umfassen Punktschweißen und Energierichtungsgeberschweißen. Bei einer Punktschweißfügestelle sind die Teile während des Schweißprozesses stationär. Wie in 1 gezeigt, ist die schweißbare Komponente 15 auf der Grundkomponente 10 angeordnet. Das Ultraschalschweißwerkzeug 20 dringt in die schweißbare Komponente 15 und die Grundkomponente 10 ein, um die Punktschweißfügestelle zu bilden. Wenn gefüllte Kunststoffe wie z. B. glasverstärktes Nylon und dergleichen punktgeschweißt werden, ist das Werkzeug starkem Verschleiß unterworfen. Demzufolge muss das Werkzeug aus extrem harten Materialien gebildet sein, die oft exotisch und kostspielig sind, und es muss häufig ausgetauscht werden. Darüber hinaus kann beim Punktschweißen kein Raum oder Spalt zwischen den zu fügenden Teilen toleriert werden. Auch ist das Erscheinungsbild von punktgeschweißten Fügestellen für einige Anwendungen unerwünscht. Überdies kann es punktgeschweißten Fügestellen an der Festigkeit und den mechanischen Eigenschaften mangeln, die für bestimmte Anwendungen erforderlich sind.
Andere Schweißprozesse erfordern eine relative Bewegung zwischen den zu schweißenden Teilen. Wenn z. B. eine Fügestelle mittels Energierichtungsgeberschweißens hergestellt wird, bewegt sich die schweißbare Komponente relativ zu der Grundkomponente, wie in den 2A-B veranschaulicht. Die schweißbare Komponente 15 ist über der Grundkomponente 10 angeordnet, wobei sich ein Spalt zwischen ihnen befindet. Ein Energierichtungsgebermerkmal 25 erstreckt sich von der schweißbaren Komponente 15 nach unten. Das Ultraschallschweißwerkzeug 20 wird auf die obere Fläche der schweißbaren Komponente 15 angewendet und zwingt sie nach unten gegen die Grundkomponente 10, wo das Energierichtungsgebermerkmal die Schweißverbindung bildet. Da dieses Verfahren es erfordert, dass sich die schweißbare Komponente während des Schweißprozesses bewegt, kann es fehlausgerichtete Schweißverbindungen zur Folge haben.
Es besteht daher Bedarf an einer Schweißtechnik, die keine relative Bewegung während des Schweißprozesses erfordert, und welche nicht in die zu schweißende Anordnung eindringt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird diesem Bedarf gerecht, indem sie ein/e verbesserte/s schweißbare Komponente, Schweißfügestelle und Schweißverfahren vorsieht. Die schweißbare Komponente umfasst einen Schweißniet, der durch einen dünnen Abschnitt, der ausgebildet ist, um während des Ultraschallschweißprozesses zu brechen, befestigt ist. Die schweißbare Komponente weist eine unter dem Schweißniet positionierte komplementäre Hohltasche auf, die sich durch den Teil hindurch erstreckt. Der Schweißniet wird durch die komplementäre Hohltasche hindurch getrieben und in der Grundkomponente eingebettet, um die Schweißverbindung zu bilden.
Ein Aspekt der Erfindung ist eine schweißbare Komponente. In einer Ausführungsform umfasst die schweißbare Komponente einen thermoplastischen Teil mit einer ersten Fläche, einen Schweißniet, der durch einen dünnen Abschnitt an dem Teil befestigt ist, wobei sich der Schweißniet über der ersten Fläche erstreckt, und eine komplementäre Hohltasche, die unter dem Schweißniet positioniert ist, wobei sich die komplementäre Hohltasche durch den Teil hindurch erstreckt, wobei der Schweißniet in die komplementäre Hohltasche passt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine geschweißte Fügestelle zwischen einer Grundkomponente und einer schweißbaren Komponente. In einer Ausführungsform umfasst die geschweißte Fügestelle: eine Grundkomponente mit einer Fläche, die geschweißt werden soll; eine schweißbare Komponente, die einen Teil mit einer komplementären Hohltasche umfasst, die sich durch den Teil hindurch erstreckt, und einen Schweißniet, der in der komplementären Hohltasche positioniert und an die Fläche der Grundkomponente ultraschallgeschweißt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ultraschallschweißen. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass: eine Grundkomponente mit einer Fläche, die geschweißt werden soll, vorgesehen wird; eine schweißbare Komponente, umfassend einen Teil mit einer ersten Fläche, einen Schweißniet, der durch einen dünnen Abschnitt an dem Teil befestigt ist, wobei sich der Schweißniet über der ersten Fläche erstreckt, und eine komplementäre Hohltasche, die unter dem Schweißniet positioniert ist, wobei sich die komplementäre Hohltasche durch den Teil hindurch erstreckt, wobei der Schweißniet in die komplementäre Hohltasche passt, vorgesehen wird; die schweißbare Komponente auf der Grundkomponente angeordnet wird; und ein Ultraschallschweißwerkzeug auf den Schweißniet und die erste Fläche des Teiles angewendet wird, der Schweißniet von dem Teil abgebrochen wird, der Schweißniet durch die komplementäre Hohltasche hindurch und in die Grundkomponente hinein getrieben wird, und die schweißbare Komponente mit dem Schweißniet an die Fläche der Grundkomponente ultraschallgeschweißt wird.
Kurzbeschreibung der Erfindung
1 ist eine Veranschaulichung eines Punktschweißverfahrens nach dem Stand der Technik.
2A–B sind Veranschaulichungen eines Energierichtungsgeberschweißverfahrens nach dem Stand der Technik.
3A–C sind eine Veranschaulichung einer Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es sind ein/e verbesserte/s Schweißfügestelle und Schweißverfahren vorgesehen. Ein Schweißniet wird in Position als ein Teil der schweißbaren Komponente geformt. Dies eliminiert die Verwendung einer zusätzlichen Komponente in dem Schweißprozess, die unerwünscht ist. Der Schweißniet wird durch einen dünnen Bereich aus Kunststoff an den Hauptkörper der schweißbaren Komponente gefügt. Er ist derart ausgebildet, dass er während des Ultraschallschweißprozesses abbricht, wodurch zugelassen ist, dass er sich in einer Linie mit der Schweißkraft bewegt und sich in der Grundkomponente einbettet. Dies gestattet es, dass die zusammengesetzten Komponenten während des Schweißprozesses stationär bleiben und genau in Position gehalten sind. Das Schweißgerät dringt nicht in die Anordnung ein, was die beträchtlichen Werkzeugverschleißprobleme für gefüllte Materialien reduziert. Darüber hinaus ist die Positionierung des Teils weniger kritisch als mit einer Punktschweißverbindung. Es ist möglich, Komponenten zu schweißen, selbst wenn sich ein Spalt zwischen ihnen befindet, da der Niet in der Lage ist, sich bis zu einem Kontakt mit der Grundkomponente zu bewegen. Überdies wird der vorliegende Schweißprozess weniger Oberflächenzerrissenheit im Vergleich mit dem Punktschweißprozess aufweisen.
3 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens. Es gibt eine Grundkomponente 10 und eine schweißbare Komponente 15. Ein Schweißniet 30 erstreckt sich über der oberen Fläche der schweißbaren Komponente 15 und ist als Teil der thermoplastischen schweißbaren Komponente 15 geformt.
Der Schweißniet 30 ist durch einen dünnen Materialabschnitt wie z. B. einem dünnen Bereich aus Kunststoff mit der schweißbaren Komponente 15 verbunden. Der dünne Abschnitt ist viel dünner als der Schweißniet oder die schweißbare Komponente. Er sollte dünn genug sein, sodass er einfach zerbrochen wird, wenn der Schweißniet 30 von dem Ultraschallschweißwerkzeug kontaktiert wird. Die Größe und Form des dünnen Abschnitts werden von der Größe und Geometrie der Schweißfügestelle abhängig sein. In vielen Fällen würde sie kleiner als etwa ein Drittel der Höhe des Schweißniets sein. Der dünne Abschnitt könnte ein kontinuierlicher Steg oder mehrere nicht kontinuierliche Segmente sein. Der Schweißniet wird besser mit einer sehr dünnen Verbindung zu dem Teil funktionieren. Dies kann jedoch Schwierigkeiten mit sich bringen, den Teil während der Herstellung vollständig gefüllt zu bekommen. Infolgedessen sollten diese Faktoren bei der Ausgestaltung des Schweißniets und des Verbindungsabschnitts ausgewogen sein.
Der Verbindungsbereich zwischen der schweißbaren Komponente und dem Schweißniet sollte ein Bereich mit hoher Spannung sein. Der Bereich mit hoher Spannung wird von der Größe der Fügestelle und der Anwendung abhängig sein. Ein Bereich mit hoher Spannung könnte mit einem relativ kleinen Radius an dem Verbindungspunkt oder einer anderen Form, welche die Schweißenergie konzentriert, um den Schweißniet abzubrechen, bewerkstelligt sein. Als ein Beispiel kann der Schweißniet an einer scharfen Ecke, die ein Bereich mit hoher Spannung ist, an der schweißbaren Komponente befestigt sein. Der Winkel zwischen der oberen Fläche des Teils und dem Schweißniet liegt typischerweise im Bereich von etwa 70° bis etwa 110°, oder etwa 80° bis etwa 100°, oder etwa 85° bis etwa 105°. Der Übergangsradius sollte klein sein, sodass die Ecke eher schärfer als mehr gerundet ist. Die tatsächlichen Abmessungen werden von der Größe der Komponenten abhängig sein. Fachleuten sind andere Ausgestaltungen bekannt, welche Bereiche mit hoher Spannung zur Folge haben.
Die Befestigung des Schweißniets an der schweißbaren Komponente wird von der Ausgestaltung des Teils und des Schweißniets abhängig sein. Fachleute sind in der Lage, entsprechende Verbindungen zu entwerfen.
Der Schweißniet kann eine beliebige gewünschte Form einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf kreisförmig, quadratisch, rechteckig, dreieckig, sternförmig und dergleichen oder Kombinationen davon aufweisen. Die Ausgestaltung des Schweißniets wird von einer Anzahl von Faktoren wie z. B. der Schweißfestigkeit der speziellen Form, der Teilausgestaltung, den Anforderungen der Anwendung und dergleichen beeinflusst. Fachleute können eine geeignete Ausgestaltung für den Schweißniet wählen.
Der Schweißniet 30 kann einen mit einer Spitze versehenen Energierichtungsgeber 35 aufweisen, falls erwünscht. Der Energierichtungsgeber ist geformt, um während des Schweißprozesses Schweißenergie in die Grundkomponente hinein bereitzustellen. Der Energierichtungsgeber erhöht die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Bindung durch Konzentrieren des Kontaktflächenbereiches zwischen dem Schweißniet und der Grundkomponente für die Anwendung der Ultraschallenergie. Das Vorsehen eines konzentrierten Kontaktbereiches erhöht das Vermögen, die Stelle und Qualität der Bindung zu steuern und errichtet einen Schauplatz für den Beginn des Flusses von durch die Ultraschallenergie geschmolzenem Material.
In der Schweißkomponente befindet sich eine komplementäre Hohltasche 40, die allgemein der Form des Schweißniets 30 entspricht. Der Schweißniet passt in die komplementäre Hohltasche. Sie weist typischerweise die gleiche Größe und Form auf wie der Schweißniet. Die komplementäre Hohltasche kann etwas kleiner sein als der Schweißniet, falls erwünscht. Diese Anordnung würde Bereiche mit hoher Spannung an den Seiten des. Schweißniets und der komplementären Hohltasche vorsehen, sodass der Schweißniet eine Schweißverbindung mit der schweißbaren Komponente an den Seiten der komplementären Hohltasche wie auch mit der Grundkomponente bildet. Alternativ kann die Außenseite des Schweißniets oder die Innenseite der komplementären Hohltasche Rippen, scharfe Kanten oder dergleichen umfassen, um Bereiche mit hoher Spannung in der komplementären Hohltasche vorzusehen.
Die schweißbare Komponente 15 wird auf der Grundkomponente 10 angeordnet. Ein Ultraschallschweißwerkzeug 25 mit einer zusammenpassenden Geometrie kommt auf den Schweißniet 30 herab. Der Abschnitt, der den Schweißniet 30 mit der schweißbaren Komponente 15 verbindet, wird geschmolzen, was bewirkt, dass der Schweißniet 30 von der schweißbaren Komponente 15 abbricht. Das Ultraschallschweißwerkzeug 25 bewegt sich weiter nach unten und treibt den Schweißniet 30 nach unten durch die komplementäre Hohltasche 40 in der schweißbaren Komponente 15 hindurch und in die Grundkomponente 10 hinein. Der Energierichtungsgeber 35 des Schweißniets 30 erzeugt einen Bereich mit hoher Spannung auf der Grundkomponente 10, was die Bildung der Schweißfügestelle zwischen dem Schweißniet 30 und der Grundkomponente zur Folge hat. Wie oben erläutert, kann mit einer entsprechenden Ausgestaltung des Schweißniets und der komplementären Hohltasche auch eine Schweißfügestelle zwischen der Außenfläche des Schweißniets und der komplementären Hohltasche gebildet werden, falls erwünscht.
Die Schweißfügestelle erfordert keine relative Bewegung zwischen der Grundkomponente und der schweißbaren Komponente während des Schweißprozesses, was ein präziseres Schweißen zulässt. Es sorgt auch für ein besseres Aussehen der Schweißfügestelle als das Punktschweißen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Schweißbare Komponente, umfassend einen thermoplastischen Teil mit einer ersten Fläche, einen Schweißniet, der durch einen dünnen Abschnitt aus Thermoplastik an dem Teil befestigt ist, wobei sich der Schweißniet über der ersten Fläche erstreckt, und eine komplementäre Hohltasche, die sich durch den Teil hindurch erstreckt und unter dem Schweißniet positioniert ist, wobei der Schweißniet in die komplementäre Hohltasche passt.
Schweißbare Komponente nach Anspruch 1, wobei ein Winkel zwischen der ersten Fläche und dem Schweißniet etwa 70° bis etwa 110° beträgt.
Schweißbare Komponente nach Anspruch 1, wobei eine Seite des Schweißniets oder eine Seite der komplementären Hohltasche einen Bereich mit hoher Spannung aufweist.
Schweißbare Komponente nach Anspruch 1, wobei die komplementäre Hohltasche kleiner ist als der Schweißniet.
Geschweißte Fügestelle zwischen einer Grundkomponente und einer schweißbaren Komponente, umfassend, dass: die Grundkomponente eine Fläche aufweist, die geschweißt werden soll; und die schweißbare Komponente einen Teil mit einer komplementären Hohltasche, die sich durch den Teil hindurch erstreckt, und einen Schweißniet, der in der komplementären Hohltasche positioniert und an die Fläche der Grundkomponente ultraschallgeschweißt ist, umfasst.
Schweißbare Komponente nach Anspruch 5, wobei der Schweißniet an die schweißbare Komponente in der komplementären Hohltasche ultraschallgeschweißt ist.
Verfahren zum Ultraschallschweißen, umfassend, dass: eine Grundkomponente mit einer Fläche, die geschweißt werden soll, vorgesehen wird; eine schweißbare Komponente, umfassend einen Teil mit einer ersten Fläche, einen Schweißniet, der durch einen dünnen Abschnitt an dem Teil befestigt ist, wobei sich der Schweißniet über der ersten Fläche erstreckt, und eine komplementäre Hohltasche, die sich durch den Teil hindurch erstreckt und unter dem Schweißniet positioniert ist, wobei der Schweißniet in die komplementäre Hohltasche passt, vorgesehen wird; die schweißbare Komponente auf der Grundkomponente angeordnet wird; und ein Ultraschallschweißwerkzeug auf den Schweißniet und die erste Fläche des Teiles angewendet wird, der Schweißniet von dem Teil abgebrochen wird, der Schweißniet durch die komplementäre Hohltasche hindurch und in die Grundkomponente hinein getrieben wird, und die schweißbare Komponente mit dem Schweißniet an die Fläche der Grundkomponente ultraschallgeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Seite des Schweißniets oder eine Seite der komplementären Hohltasche einen Bereich mit hoher Spannung aufweist, und ferner umfassend, dass der Schweißniet in der komplementären Hohltasche an die schweißbare Komponente ultraschallgeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schweißniet eine Form aufweist, die aus kreisförmig, quadratisch, rechteckig, dreieckig, sternförmig oder Kombinationen davon gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der dünne Abschnitt einen kontinuierlichen Steg oder zumindest zwei nicht kontinuierliche Segmente umfasst.