DE102012100958A1

DE102012100958A1 - Verfahren zur Charakterisierung von Kunststoffeigenschaften sowie Prüfapparat zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012100958A1
Application number: DE201210100958
Authority: DE
Inventors: Ulf Riehm
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Prüfverfahren zur Bestimmung einer Kenngröße für das Ultraschallbearbeiten für ein Kunststofmaterial, welches die Schritte aufweist: G) Bereitstellen eines Prüfkörpers aus dem Material, H) Bereitstellen einer Ultraschallsonotrode und einer Eindringspitze, I) Bewegen der Eindringspitze in Richtung des Prüfkörpers bis die Eindringspitze mit dem Prüfkörper in Kontakt tritt, J) Beaufschlagen der Eindringspitze mit einer vorgegebenen Kraft in Richtung des Prüfkörpers, so dass die Eindringspitze in den Prüfkörper eindringt, während der Prüfkörper durch die Ultraschallsonotrode mit einer Ultraschallschwingung mit einer vorgegebenen Frequenz und einer vorgegebenen Amplitude angeregt wird, K) Messen der Eindringtiefe und/oder der Eindringgeschwindigkeit der Eindringspitze in den Prüfkörper während Schritt D), L) Verwenden des Messergebnisses in Schritt E) als Kenngröße oder zur Bestimmung der Kenngröße.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kunststoffmaterialkenngröße für das Ultraschallbearbeiten. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Prüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ultraschall ist eine mechanische Schwingung oberhalb der Hörgrenze. Der Frequenzbereich beginnt bei etwa 20 KHz und erstreckt sich bis zu Frequenzen von 1 GHz. Solche Ultraschallfrequenzen werden häufig mit Hilfe von piezoelektrischen Schallwandlern (Konverter) aus elektrischer Energie erzeugt. Diese mechanische Schwingungsenergie wird über die mit dem Konverter, gegebenenfalls über ein Amplitudentransformationsstück (Booster) verbundene Sonotrode, auf das Werkstück bzw. das zu bearbeitende Material aufgebracht.
Das Schwinggebilde besteht somit aus Generator, Konverter, gegebenenfalls dem Amplitudentransformationsstück und der Sonotrode.
Bei der Verschweißung von zwei Fügeteilen mittels Ultraschall wird im allgemeinen die zu bearbeitenden Fügeteile zwischen der Sonotrode und einem (nicht zum Schwinggebilde gehörenden) Gegenwerkzeug, welches auch Amboss genannt wird, positioniert. Die mit einem Fügeteil in Kontakt tretende Sonotrode überträgt dann die Ultraschallenergie auf das Fügeteil und prägt diesem dadurch eine Ultraschallschwingung auf. Zwischen den beiden Fügeteilen kommt es dann zu einer Molekular- und Grenzflächenreibung durch die Wärme und in der Folge eine Verschweißung der beiden Fügeteile entsteht. Um eine haltbare Verschweißung der beiden Fügeteile zu erzielen, ist es notwendig, die mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude schwingende Sonotrode mit einer bestimmten Kraft auf die Fügeteile zu pressen. Die Qualität der Verschweißung hängt von der richtigen Wahl der Schweißparameter, wie z. B. der Kraft, der Frequenz und der Amplitude ab. Um bestimmte Materialien miteinander zu verschweißen, muss daher eine Ultraschallschweißmaschine zur Verfügung gestellt werden, die in der Lage ist, die entsprechenden Schweißparameter bereitzustellen.
Sollen daher Fügeteile eines ausgewählten Materials miteinander verschweißt werden, so ist zunächst unbekannt, ob dieses Material sich für die Ultraschallverschweißung überhaupt eignet. Auch sind die geeigneten Schweißparameter nicht bekannt.
Es besteht daher grundsätzlich Bedarf an einem einfachen Prüfverfahren, mit dem sich bestimmen lässt, ob ein ausgewähltes Kunststoffmaterial für das Ultraschallschweißen geeignet ist und gegebenenfalls welche Schweißparameter für das Ultraschallschweißen besonders geeignet sind.
Gegenwärtig werden im wesentlichen drei Verfahren verwendet, um die Ultraschallverschweißbarkeit zu bestimmen und gegebenenfalls die geeigneten Ultraschallschweißparameter abzuschätzen.
Das erste Verfahren ist ein Prüfverfahren anhand von speziellen Schulterstäben. Diese speziell geformten Schulterstäbe, welche auch CAMPUS-Stäbe (Computer Aided Material Preselection by Uniform Standards) genannt werden, werden in der Mitte getrennt und dann überlappend stumpf aufeinander geschweißt. Im nächsten Schritt wird der derart bearbeitete Schulterstab in einer Zugprüfmaschine gezogen und dadurch an der Fügestelle scherend belastet. Die erzielte Bruchfestigkeit wird mit der Zugfestigkeit eines unzertrennten Stabes verglichen. Dieses Prüfverfahren ist jedoch zur Bestimmung der Ultraschallverschweißbarkeit nur bedingt geeignet, da bei der Aufeinanderschweißung die Nahtgestaltung nicht definiert ist, die aber für das Ultraschallschweißen wesentlich ist. Darüber hinaus wird das Prüfverfahren durch Formfaktoren des Probekörpers, wie zum Beispiel der Ebenheit und der Dicke beeinflusst.
Bei dem zweiten Prüfverfahren werden Probekörper nach der Richtlinie DVS 2216-1 Beiblatt 1 des Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. miteinander mittels Ultraschall verschweißt. Anschließend werden diese Probekörper auf einer Zugprüfmaschine gezogen und das Messergebnis mit entsprechenden Referenzwerten verglichen. Aufgrund der Ausgestaltung der Probekörper wird hier eine definierte Nahtgestaltung erreicht. Die derart ermittelte Festigkeit wird jedoch ebenfalls stark von Formfaktoren des Probekörpers beeinflusst, wie zum Beispiel der Länge des oberen Schweißteils, der Ebenheit der Sonotrodenkoppelfläche und der Ebenheit der Fügezone. In diesem Verfahren wird die Messung der Festigkeit stark vom Belastungsfall beeinflusst, weshalb ein besonderes Werkzeug zur Einspannung der Probekörper auf der Zugprüfmaschine erforderlich ist. Die ermittelten Bruchkräfte werden mithilfe des theoretischen Wandquerschnitts in Bruchspannungen umgerechnet. Dies ist jedoch beim Ultraschallschweißen fehlerbehaftet, da die wirksamen Schweißquerschnitte von der theoretischen Wanddicke abweichen.
Schließlich können in einem dritten Verfahren die optimalen Schweißparameter und die Ultraschallschweißeignung direkt an den realen Schweißteilen erprobt werden. Bei diesem Verfahren muss zunächst ein vollständiger Schweißaufbau, der die tatsächlichen Gegebenheiten wiedergibt, aufgebaut werden. Dabei kann sich jedoch herausstellen, dass das geplante Material für den geplanten Einsatzzweck nicht geeignet ist oder der Schweißaufbau gar nicht in der Lage ist, die geeigneten Schweißparameter bereitzustellen. Möglicherweise war dann die Entwicklung des kompletten Schweißaufbaus unnötig. Mit dem dritten Verfahren lassen sich zwar die Ultraschallschweißparameter am genauesten feststellen, der hierfür notwendige Aufwand ist jedoch am größten.
Bei allen beschriebenen Verfahren werden die wesentlichen Schweißparameter, nämlich die Fügekraft, die Sonotrodenamplitude und die Sonotrodenfrequenz in weiten Bereichen variiert. Die dadurch ermittelten Festigkeiten der Verschweißung können über dem Parameterfeld aufgetragen und geeignete Parameterbereiche bestimmt werden.
Prüfverfahren mit Schulterstäben sind – wegen der undefinierten Nahtgestaltung – nicht verfahrensgerecht und von Formfaktoren bestimmt. Schulterstäbe sind jedoch leicht herstellbar und in der Regel gut normiert verfügbar.
Schweißungen mit DVS-Probekörpern sind zwar prinzipiell verfahrensgerecht, die Ergebnisse werden jedoch durch Formfaktoren, Werkzeugmerkmale beim Schweißen und beim Zugprüfen stark beeinflusst, so dass eine isolierte Beurteilung des Werkstoffs schwierig ist. Zudem stehen in der Praxis aus dem jeweils in Frage stehenden Material häufig keine DVS-Probekörper zur Verfügung. Gegebenenfalls muss zur Herstellung eines solchen Probekörpers zunächst ein geeignetes Spritgieß- und Zugprüfwerkzeug hergestellt werden, was einen nicht unerheblichen Aufwand bedeutet.
Die realen Schweißteile, das heißt die Teile, die man schlussendlich miteinander verschweißen möchte, liegen in der Regel zu einem Zeitpunkt, in dem das geeignete Material ausgewählt werden soll, nicht oder nur als abgewandelte Prototypenteile vor. Ein Vergleich unterschiedlicher Materialien verbietet sich in der Regel wegen des großen Aufwandes beim Spritzguss. Die Parameter von Schweißungen können daher an realen Bauteilen erst im Nachhinein empirisch ermittelt werden und sind allenfalls aus der Erfahrung vorhergehender ähnlicher Projekte planbar.
Die Ultraschallschweißeignung und insbesondere die geeigneten Schweißparameter lassen sich auch nicht aus gegebenenfalls messbaren Materialkonstanten bestimmen, da beim Ultraschallschweißen eine Vielzahl von Materialkonstanten in komplexer und zum Teil bislang unerforschter Art und Weise auf das Schweißergebnis Einfluss nehmen. Bei der Ausbildung der Schmelze beim Ultraschallschweißen müssen für eine theoretische Modellierung zumindest die folgenden Mechanismen betrachtet werden:
1. Grenzflächenreibung
Die Grenzflächenreibung tritt nur zu Beginn der Schmelzebildung auf.
2. Visko-elastische Verformung im (noch) kalten Festkörper
Dies ist der wesentliche Prozess bis zum Ausbilden der Schmelze. Zur Modellierung dieses Prozesses muss die mechanische Leistung der Sonotrode, welche sich durch die Ultraschallamplitude und die Ultraschallfrequenz darstellen lässt, der temperaturabhängige mechanische Verlustfaktor, d. h. das Verhältnis von elastischem zu plastischem Schubmodul, die in der Fügezone erwärmte Masse, die Wärmekapazität der erwärmten Masse, die temperaturabhängig und an den Phasenübergängen diskontinuierlich ist, sowie die Verteilung der Temperatur in der Fügezone sowohl orts- als auch zeitabhängig, berücksichtigt werden.
3. Viskose Dämpfung in der Schmelze
Sobald das zu bearbeitende Kunststoffmaterial geschmolzen ist, ändern sich der mechanische Verlustfaktor, die Wärmekapazität und die Ausbildung des Temperaturfeldes.
4. Kraftverteilung
Zusätzlich ist die Verdrängung der Schmelze aus der Fügezone durch die aufgebrachte Fügekraft zu berücksichtigen. Genaugenommen wird der durch die viskose Dämpfung eingebrachte Wärmestrom teilweise mit der entweichenden Schmelze und teilweise durch konduktive Erwärmung der noch nicht erschmolzenen Bereiche abgeleitet.
Unter einer gegebenen Parametereinstellung, das heißt bei gegebener Ultraschallamplitude, Ultraschallfrequenz sowie Schweißkraft, stellt sich hier im Allgemeinen ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verdrängter Schmelze ein. Daraus resultiert ein gleichmäßiger Fügeverlauf. Dieses Gleichgewicht wird durch weitere Materialeigenschaften beeinflusst wie zum Beispiel der Schmelzeviskosität und der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs. Schmelzen aus Polymermaterial sind zudem als strukturviskos bekannt, d. h. die Viskosität verändert sich unter der intensiven Scherwirkung der hochfrequenten Ultraschallbewegung nochmals erheblich. Entsprechende Viskositätsdaten sind unter diesen Bedingungen in der Regel nicht verfügbar und kaum messbar.
Alle genannten Materialeigenschaften beeinflussen die Schmelzebildung und damit die Fügegeschwindigkeit. Der genau physikalische Zusammenhang ist jedoch weitgehend unbekannt. Daher wurden bislang kaum Versuche unternommen, aus den teilweise bekannten Materialkonstanten Vorhersagen für die Ultraschallschweißeignung und geeignete Schweißparameter zu treffen.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Prüfverfahren und eine Prüfvorrichtung hierfür zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Kenngröße für das Ultraschallbearbeiten für ein Kunststoffmaterial bestimmt werden kann.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Schritte gelöst:

A) Bereitstellen eines Prüfkörpers aus dem Material,
B) Bereitstellen einer Ultraschallsonotrode und einer Eindringspitze,
C) Bewegen der Eindringspitze in Richtung des Prüfkörpers bis die Eindringspitze mit dem Prüfkörper in Kontakt tritt,
D) Beaufschlagen der Eindringspitze mit einer vorgegebenen Kraft in Richtung des Prüfkörpers, so dass die Eindringspitze in den Prüfkörper eindringt, während der Prüfkörper durch die Ultraschallsonotrode mit einer Ultraschallschwingung mit einer vorgegebenen Frequenz und einer vorgegebenen Amplitude angeregt wird, Beaufschlagen der Sonotrode mit einer vorgegebenen Kraft in Richtung des Prüfkörpers, so dass die Eindringspitze in den Prüfkörper eindringt, während die Ultraschallsonotrode mit einer Ultraschallschwingung mit einer vorgegebenen Frequenz und einer vorgegebenen Amplitude angeregt wird,
E) Messen der Eindringtiefe und/oder der Eindringgeschwindigkeit der Eindringspitze in den Prüfkörper während Schritt D),
F) Verwenden des Messergebnisses in Schritt E) als Kenngröße oder zur Bestimmung der Kenngröße.

Erfindungsgemäß wird daher zur Ermittlung der Ultraschallschweißeignung und gegebenenfalls der geeigneten Ultraschallschweißparameter eine Prüfspitze in einen Prüfkörper mit einer vorgegebenen Kraft eingepresst, während der Prüfkörper mit einer definierten Ultraschallschwingung beaufschlagt wird. Dabei wird die Eindringtiefe und/oder die Eindringgeschwindigkeit der Eindringspitze in den Prüfkörper gemessen.
Es versteht sich, dass die Eindringtiefe und die Eindinggeschwindigkeit direkt zusammenhängen. Wird die Eindringtiefe in Abhängigkeit von der Zeit gemessen, so ergibt sich die Eindringgeschwindigkeit der Eindringspitze aus der ersten Ableitung der ersten Eindringtiefe nach der Zeit. Die Prüfspitze kann beispielsweise an der Sonotrode angeordnet sein, so dass die Beaufschlagung des Prüfkörpers mit Ultraschall über die Prüfspitze erfolgt. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens. Alternativ kann aber auch die Prüfspitze auch getrennt von der Sonotrode angeordnet sein, z. B. an einem der Sonotrode gegenüberliegenden Gegenwerkzeug.
Die in Schritt C) beschriebene Bewegung ist so zu verstehen, dass die Sonotrode relativ zu dem Prüfkörper bewegt wird. Selbstverständlich könnte der Prüfkörper auch in Richtung Sonotrode bewegt werden, während die Sonotrode fixiert ist.
Da ein Verfahren, bei dem die Prüfspitze an der Sonotrode angeordnet ist, bevorzugt ist, wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren anhand dieser Ausführungsform beschrieben. Dennoch kann das im folgenden beschriebene Verfahren auch mit einer von der Sonotrode getrennten Prüfspitze durchgeführt werden.
Die derart gemessene Eindringtiefe und/oder die Eindringgeschwindigkeit kann dann selbst als Kenngröße für das Kunststoffmaterial verwendet werden, oder es kann aus dieser Größe eine Kenngröße errechnet werden. Die Kenngröße kann beliebig festgelegt werden und muss außer mit der Eindringtiefe und/oder der Eindringgeschwindigkeit mit keiner weiteren Materialeigenschaft in Bezug stehen. Die Kenngröße dient lediglich dazu, eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Materialien zu gewährleisten.
Im einfachsten Fall wird jedoch unter den vorgegebenen Bedingungen, das heißt bei vorgegebener Ultraschallfrequenz, vorgegebener Amplitude und vorgegebener Schweißkraft, die erzielte Eindringgeschwindigkeit als Maß für die Ultraschallverschweißbarkeit verwendet.
Zur Durchführung des Prüfverfahrens wird die Ultraschallsonotrode zunächst in Richtung des Prüfkörpers bewegt, bis die Eindringspitze mit dem Prüfkörper in Kontakt tritt. Erst jetzt beginnt das eigentliche Prüfverfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sobald die Eindringspitze mit dem Prüfkörper in Kontakt tritt, die Ultraschallsonotrode mit der gewünschten Ultraschallschwingung angeregt wird. Alternativ dazu könnte die Ultraschallsonotrode jedoch bereits während des Zufahrens auf den Prüfkörper mit der Ultraschallschwingung angeregt werden.
Grundsätzlich kann das Prüfverfahren auf unterschiedlichste Art und Weise durchgeführt werden. Wesentlich ist lediglich, dass das Eindringverhalten, das auf diese Art und Weise ermittelt worden ist, als Kenngröße oder als Maß für eine Kenngröße verwendet wird.
Es hat sich gezeigt, dass sich das Verfahren standardisieren lässt, wenn Schritt D) solange durchgeführt wird, bis eine vorgegebene Eindringtiefe erreicht wird. Aus der Zeitdauer, die bis zum Erreichen der Eindringtiefe notwendig ist, können ebenfalls Rückschlüsse auf die Ultraschallverschweißbarkeit des geprüften Kunststoffmaterials gezogen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Schritte A) bis F) mehrmals mit unterschiedlichen vorgegebenen Kräften und/oder unterschiedlichen vorgegebenen Amplituden und/oder unterschiedlichen vorgegebenen Frequenzen durchgeführt und unter Verwendung der derart ermittelten Kenngrößen eine für das Ultraschallschweißen geeignete Schweißkraft und/oder geeignete Amplitude und/oder geeignete Frequenz bestimmt. Beispielsweise können durch dieses Verfahren die Kombination aus Schweißkraft, Schwingungsamplitude und Ultraschallfrequenz ermittelt werden, bei der die Eindringgeschwindigkeit der Eindringspitze am größten beziehungsweise oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Die auf diese Art ermittelten Schweißparameter können dann beim Verschweißen der realen Bauteile verwendet werden.
Insbesondere dann, wenn die Anregung der Sonotrode mit Ultraschall erst mit Inkontakttreten der Eindringspitze mit dem Prüfkörper erfolgt, wird sich die Amplitude der Ultraschallschwingung erst allmählich aufbauen. Folglich wird auch die Eindringgeschwindigkeit zu Beginn von Schritt D) geringer sein, bis die Sonotrode sich nahezu eingeschwungen hat, das heißt die vorgegebene Amplitude erreicht worden ist.
Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in Schritt E) die Eindringgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem die Ultraschallsonotrode mit mindestens 90% der vorgegebenen Amplitude schwingt. Alternativ kann die Geschwindigkeit auch zu einem Zeitpunkt gemessen werden, zu dem sich zwischen Schmelzeerzeugung und Schmelzeverdrängung ein Gleichgewicht eingestellt hat, d. h. der Fügeverlauf gleichmäßig oder quasistationär ist.
Nicht für alle Anwendungsfälle lassen sich die durch das beschriebene Prüfverfahren ermittelten Schweißparameter unmittelbar beim realen Produkt einsetzen. So können beispielsweise beim Verschweißen von mehreren Lagen dünner Kunststofffolien die derart ermittelten Schweißparameter in der Regel nicht direkt übernommen werden.
Dennoch kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren bei der Bestimmung von geeigneten Schweißparametern hilfreich sein. Sind nämlich bereits für die spezielle Anwendung für ein bestimmtes Material die geeigneten Ultraschallschweißparameter empirisch bestimmt worden, so kann das Prüfverfahren bei der Auswahl geeigneter Ultraschallschweißparameter für ein anderes Material verwendet werden. In diesem Fall weist das Verfahren zur Bestimmung geeigneter Ultraschallschweißparameter die folgenden Schritte auf:

a) Empirisches Bestimmen geeigneter Ultraschallschweißparameter für ein erstes Referenzkunststoffmaterial,
b) Durchführen des oben genannten Prüfverfahrens für das erste Referenzmaterial,
c) Durchführen des oben beschriebenen Prüfverfahrens für das zu bearbeitende Kunststoffmaterial,
d) Vergleichen der in Schritt b) bestimmten Kenngröße des ersten Referenzmaterials mit der in Schritt c) bestimmten Kenngröße des zu bearbeitenden Kunststoffmaterials, und
e) Bestimmung geeigneter Ultraschallschweißparameter auf Basis der in Schritt a) bestimmten geeigneten Ultraschallschweißparameter unter Verwendung des in Schritt d) gewonnenen Vergleichsergebnisses.

Ist beispielsweise für das erste Referenzkunststoffmaterial eine geeignete Schweißkraft zum Ultraschallschweißen von dünnen Folien bekannt und stellt sich die Frage nach der optimalen Schweißkraft zum Verschweißen von Kunststofffolien eines zweiten Materials, so kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren sowohl für das Referenzmaterial als auch für das zweite Kunststoffmaterial durchgeführt werden. Ergibt sich daraus beispielsweise, dass hohe Eindringgeschwindigkeiten bei dem zweiten Material nur mit doppelt so großer vorgegebenen Eindringkraft erreicht werden kann, so kann daraus geschlussfolgert werden, dass beim Verschweißen von Kunststofffolien aus dem zweiten Material ebenfalls deutlich höhere Schweißkräfte notwendig sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die empirische Bestimmung geeigneter Ultraschallschweißparameter zusätzlich für ein zweites Referenzkunststoffmaterial. Zudem wird auch für das zweite Referenzmaterial das oben genannte Prüfverfahren durchgeführt und die entsprechende Kenngröße bestimmt. Im Anschluss wird dann die derart bestimmte Kenngröße des zweiten Referenzmaterials ebenfalls mit der Kenngröße des zu bearbeitenden Kunststoffmaterials verglichen. Die Bestimmung der geeigneten Ultraschallschweißparameter erfolgt dann auf Basis der empirisch bestimmten geeigneten Ultraschallschweißparameter, wobei die Vergleichsergebnisse der Kenngrößen berücksichtigt werden.
Hinsichtlich der Prüfvorrichtung wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst mit einer Aufnahme für einen Prüfkörper und einer mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagbaren Sonotrode, wobei eine Vorschubeinheit zum Bewegen der Sonotrode in Richtung der Aufnahme oder zum Bewegen der Aufnahme in Richtung der Sonotrode vorgesehen ist. Weiterhin weist die Sonotrode eine Prüfspitze auf, die dafür vorgesehen ist, in einen Prüfkörper einzudringen. Die Aufnahme kann auch als Gegenwerkzeug ausgebildet oder an diesem angeordnet sein.
Die Prüfspitze kann beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt haben. Alternativ dazu kann sie auch einen rechteckigen Querschnitt haben. Die Prüfspitze kann in Richtung des Prüfkörpers eine ebene Fläche aufweisen. Grundsätzlich könnte die Prüfspitze auch spitz zulaufend sein oder eine konvex gekrümmte Fläche aufweisen. Zudem kann die Prüfspitze eine Anfasung aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Prüfvorrichtung,
2 eine zweite Ausführungsform einer Prüfvorrichtung,
3 eine Auftragung der mit dem Prüfverfahren ermittelten Kenngrößen
4 eine dreidimensionale Auftragung der Kenngrößen einschließlich berechneter Stützwerte,
5 eine Flächendarstellung der Darstellung von 4,
6 Abbildung der 5 mit Linien gleicher Einschmelzgeschwindigkeit,
7 eine zweidimensionale Darstellung von 6,
8 eine schematische Darstellung der Zeitabhängigkeit des Fügeverlaufs,
9 eine schematische Darstellung der zeitlichen Abhängigkeit der Ultraschallamplitude.
In den 1 und 2 sind erfindungsgemäß ausgebildete Sonotroden dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens geeignet sind.
Die in 1 gezeigte Sonotrode besteht aus einem im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Sonotrodenkörper 1 und einer über dem Sonotrodenkörper 1 vorstehenden Sonotroden- oder Eindringspitze 3. Der Querschnitt der Eindringspitze ist schematisch eingezeichnet worden und mit der Bezugszahl 2 versehen. Der Sonotrodenkörper 1 wird aus einer Rundsonotrode mit einer Eigenschwingung von 35 kHz und der Länge einer Ultraschallhalbwelle gebildet. Die Sonotrode wurde aus Stahl hergestellt. Die Transformation beträgt 1:3. Die Sonotrode weist eine Kontaktfläche 5 auf, die in der gezeigten Ausführungsform eben ausgebildet ist.
Zur Variation der Ausgangsamplituden können diverse Amplitudentransformationsstücke und Variationen am Generator verwendet werden.
Die Länge der Eindringspitze beträgt bei der gezeigten Ausführungsform 5 mm, da als Eindringtiefe 3 mm vorgesehen sind. Selbstverständlich hätten auch andere Eindringtiefen ausgewählt werden können.
Aus fertigungstechnischen Gründen wurde hier ein runder Querschnitt der Prüfspitze gewählt. Um mit den an der Maschine gut reproduzierbaren Schweißkräften geeignete Flächenpressungen zu erhalten, wie sie auch bei typischen Schweißanwendung vorkommen, wurde der Durchmesser der kreisförmigen Kontaktfläche 5 der Prüfspitze mit 2 mm gewählt. Die wirklich wirksame Kreisfläche ist etwas geringer, da die Prüfspitze eine Fase 4 aufweist.
Versuche haben jedoch gezeigt, dass für viele Materialien die hierdurch erreichten Flächenpressungen sehr schnell zu hoch werden, das heißt die Eindringspitze eine zu geringe Fläche hatte.
Es wurden daher Versuche mit Prüfspitzen durchgeführt, die eine größere Kontaktfläche haben.
Es hat sich dabei gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Prüfspitze eine Kontaktfläche aufweist, die in einer Richtung eine Breite von weniger als 5 mm und vorzugsweise etwa 2 mm breit ist. In der dazu senkrechten Richtung kann die Ausdehnung deutlich größer sein. Durch die begrenzte Breite der Kontaktfläche kann die während des Prüfverfahrens erzielte Schmelze leicht verdrängt werden. Dieser Zustand ist dem Zustand bei der Verschweißung von realen Bauteilen ähnlicher, so dass die mit solch einer Prüfspitze gewonnenen Kenngrößen aussagekräftiger sind.
Daher weißt die in 2 gezeigte Ausführungsform eine Eindringspitze mit rechteckigem Querschnitt auf.
Die zu prüfenden Materialien können in einer beliebigen Form bereitgestellt werden. So können beispielsweise die eingangs erwähnten CAMPUS-Stäbe verwendet werden. Selbstverständlich können auch Abschnitte realer Bauteile verwendet werden. Jeder Körper mit einer ausreichend ebenen Fläche und einer Dicke, die größer als die gewünschte Eindringtiefe ist, könnte prinzipiell verwendet werden.
Es hat sich gezeigt, dass Rundstäbe mit einem Durchmesser von 20 mm verwendet werden können. Solche Stäbe können leicht als extrudiertes Halbzeug bezogen werden.
Die Muster wurden in einer Aufnahme fest positioniert und die Sonotrode mit einer eingestellten Kraft auf das Muster gefahren. Sobald die Prüfspitze mit dem Prüfkörper in Kontakt tritt wird der Ultraschall eingeschaltet. Dabei wird die Prüfspitze mit der eingestellten Kraft auf den Prüfkörper gedrückt. Nach etwa 20 bis 50 ms hat sich die Ultraschallamplitude voll ausgebildet und unter der Eindringspitze bildet sich Schmelze, die unterhalb der Kontaktfläche 5 aufgrund der auf die Sonotrode aufgebrachten Kraft verdrängt wird, so dass die Eindringspitze in das Prüfmaterial eindringt.
Nachdem eine vorgestellte Eindringtiefe von z. B. 3 mm, erreicht wurde, wird der Ultraschall abgeschaltet. Während des Eindringens wird die Fügebewegung gemessen und daraus die Fügegeschwindigkeit bestimmt. Die Fügegeschwindigkeit wird auf diese Art für unterschiedliche Kräfte und für unterschiedliche Schwingungsamplituden bestimmt. Entsprechende Messergebnisse sind für das Material PVC in 3 dreidimensional aufgetragen. Zwischen den so erzeugten Messwerten können mittels Interpolation äquidistante Stützwerte errechnet werden und zusätzlich in das Diagramm eingetragen werden, wie in 4 gezeigt ist. Daraus kann dann eine Fläche berechnet werden, wie in 5 gezeigt ist.
Auf den Flächen können Linien gleicher Einschmelzgeschwindigkeit, so genannte Iso-Linien, eingetragen werden, wie dies in 6 geschehen ist. Diese können auch zweidimensional dargestellt werden, wie dies in 7 gezeigt ist. Man erkennt daraus, dass eine bestimmte Einschmelzgeschwindigkeit sowohl für große Amplituden und niedrige Drücke, als auch für hohe Drücke und niedrige Amplituden erreicht werden kann.
In 8 ist beispielhaft ein während des Eindringvorgangs aufgenommenes Fügeprofil gezeigt. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen, während die Ordinate die Eindringtiefe beziehungsweise den Fügeweg zeigt.
Die gestrichelte Kurve 6 zeigt einen idealisierten Fügeverlauf. Tatsächlich ist der Fügeverlauf jedoch nicht linear, wie der 8 zu entnehmen ist. Man erkennt, dass für einen ersten Zeitabschnitt 7 die Sonotrode nicht oder nicht wesentlich in das Material eindringt. Hier kommt es zu einer Verzögerung, da zunächst die Ultraschallamplitude aufgebaut werden muss. Zudem muss aufgrund der Ultraschallschwingung der Kontaktbereich bis zur Schmelztemperatur erwärmt werden. Sobald das Material aufgeschmolzen ist, dringt die Prüfspitze entsprechend dem Verlauf 8 bis zu dem vorgegebenen Endpunkt 9 in das Material ein, den es zum Zeitpunkt 10 erreicht. In einer alternativen Ausführungsform könnte die Dauer dieses Zeitabschnitts als Kenngröße verwendet werden.
In 9 ist die Ultraschallamplitude über der Zeit aufgetragen. Es dauert etwa 30 bis 50 ms nach dem Einschalten des Generators, bis sich die Ultraschallschwingung ausgebildet hat. Die sogenannte Einschwingzeit ist nahezu unabhängig von der gewählten Kraft, der gewählten Frequenz und der gewählten Amplitude. Bei kürzeren Schweißzeiten ist jedoch der zeitliche Anteil, bei der die Sonotrode mit nicht vollständiger Amplitude schwingt, nicht zu vernachlässigen. Wenn daher die Fügegeschwindigkeit aus der gesamten Schweißzeit und dem Fügeweg berechnet wird, kann es zu erheblichen Fehlern kommen. Daher sollte zur Bestimmung der Fügegeschwindigkeit der Fügeweg erst dann erfasst werden, wenn die Amplitude mindestens 90% der erwünschten Ultraschallamplitude erreicht hat. Es hat sich gezeigt, dass die auf diese Art ermittelte Eindringgeschwindigkeit eine geeignete Kenngröße zur Einteilung von Kunststoffmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung für das Ultraschallschweißen ist. Insbesondere konnte durch das erfindungsgemäße Verfahren festgestellt werden:

– bei zu geringen Amplituden gelingt trotz nahezu beliebig großer Fügekräfte kein Eindringen in den Kunststoff,
– bei einer zu geringen Presskraft gelingt trotz nahezu beliebig großer Ultraschallamplituden kein Eindringen in den Kunststoff,
– viele Materialien zeigen eine maximale Einschmelzgeschwindigkeit, die trotz weitere Erhöhung von Kraft und/oder Amplitude nicht überschritten werden kann
– viele Materialien zeigen bei geringen Amplituden nahezu keine Abhängigkeit der Eindringgeschwindigkeit von der Kraft,
– viele Materialien zeigen bei geringen Fügekräften nahezu keine Abhängigkeit der Eindringgeschwindigkeit von der Amplitude.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einfache Weise eine Einteilung der Materialien in Bezug auf ihre Ultraschalleignung erfolgen. Dabei kommt es auf die exakte Form der Prüfspitze und den exakten Verfahrensablauf nicht an. Wesentlich ist lediglich, dass der Prüfaufbau und der Verfahrensablauf bei der Bestimmung der Kenngrößen unterschiedlicher Kunststoffmaterialien nicht verändert wird. Denkbar wäre daher, dass ein normierter Verfahrensablauf mit einer normierten Prüfspitze festgelegt wird. Und unter den so festgelegten Normbedingungen, z. B. die Eindringgeschwindigkeit für eine Reihe von unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestimmt wird. Die Größe der Eindringgeschwindigkeit kann dann als Kenngröße zur Charakterisierung der Ultraschallschweißeigenschaften des Materials dienen.
Bezugszeichenliste

1: Sonotrodenkörper
2: Querschnitt der Eindringspitze
3: Eindringspitze
4: Fase
5: Kontaktfläche
6: gestrichelte Linie
7: erster Zeitabschnitt
8: Verlauf
9: Endpunkt
10: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Richtlinie DVS 2216-1 Beiblatt 1 [0009]

Claims

Prüfverfahren zur Bestimmung einer Kenngröße für das Ultraschallbearbeiten für ein Kunststoffmaterial, welches die Schritte aufweist: A) Bereitstellen eines Prüfkörpers aus dem Material, B) Bereitstellen einer Ultraschallsonotrode und einer Eindringspitze, C) Bewegen der Eindringspitze in Richtung des Prüfkörpers bis die Eindringspitze mit dem Prüfkörper in Kontakt tritt, D) Beaufschlagen der Eindringspitze mit einer vorgegebenen Kraft in Richtung des Prüfkörpers, so dass die Eindringspitze in den Prüfkörper eindringt, während der Prüfkörper durch die Ultraschallsonotrode mit einer Ultraschallschwingung mit einer vorgegebenen Frequenz und einer vorgegebenen Amplitude angeregt wird, E) Messen der Eindringtiefe und/oder der Eindringgeschwindigkeit der Eindringspitze in den Prüfkörper während Schritt D), F) Verwenden des Messergebnisses in Schritt E) als Kenngröße oder zur Bestimmung der Kenngröße.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt C) die Ultraschallsonotrode nicht mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt D) solange durchgeführt wird, bis eine vorgegebene Eindringtiefe oder eine konstante Eindringgeschwindigkeit erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte A) bis F) mehrmals mit unterschiedlichen vorgegebenen Kräften und/oder unterschiedlichen vorgegebenen Amplituden und/oder unterschiedlichen vorgegebenen Frequenzen durchgeführt werden und unter Verwendung der derart ermittelten Kenngrößen eine für das Ultraschallschweißen geeignete Schweißkraft und/oder geeignete Amplitude und/oder geeignete Frequenz bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) die Eindringgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die Bestimmung zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem die Ultraschallsonotrode mit mindestens 90% der vorgegebenen Amplitude schwingt.
Verfahren zur Bestimmung geeigneter Ultraschallschweißparameter, wie z. B. der Schweißkraft, der Schweißamplitude und/oder der Schweißfrequenz, für ein mit Ultraschall zu bearbeitendes Kunststoffmaterial mit den Schritten: a) Empirisches Bestimmen geeigneter Ultraschallschweißparameter für ein erstes Referenzkunststoffmaterial, b) Durchführen des Prüfverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für das erste Referenzmaterial, c) Durchführen des Prüfverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für das zu bearbeitende Kunststoffmaterial, d) Vergleichen der in Schritt b) bestimmten Kenngröße des ersten Referenzmaterials mit der in Schritt c) bestimmten Kenngröße des zu bearbeitenden Kunststoffmaterials, e) Bestimmung geeigneter Ultraschallschweißparameter auf Basis der in Schritt a) bestimmten geeigneten Ultraschallschweißparameter unter Verwendung des in Schritt d) gewonnenen Vergleichsergebnis.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte: a1) Empirisches Bestimmen geeigneter Ultraschallschweißparameter für ein zweites Referenzkunststoffmaterial, b1) Durchführen des Prüfverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für das zweite Referenzmaterial, d1) Vergleichen der in Schritt b1) bestimmten Kenngröße des zweiten Referenzmaterials mit der in Schritt c) bestimmten Kenngröße des zu bearbeitenden Kunststoffmaterials, wobei in Schritt e) die Bestimmung geeigneter Ultraschallschweißparameter auf Basis der in Schritt a) und in Schritt b) bestimmten geeigneten Ultraschallschweißparameter unter Verwendung der in Schritt d) und d1) gewonnenen Vergleichsergebnisse erfolgt.
Prüfvorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Aufnahme für eine Prüfkörper und einer mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagbaren Sonotrode, wobei eine Vorschubeinheit zum Bewegen der Sonotrode in Richtung der Aufnahme oder zum Bewegen der Aufnahme in Richtung der Sonotrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung eine bewegliche Prüfspitze aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitze an der Sonotrode angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Sonotrode einen Sonotrodenkörper und die über den Sonotrodenkörper vorstehende Prüfspitze aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitze einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitze einen rechteckigen Querschnitt hat.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitze eine Anfasung aufweist.