-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Sonotrodensystems, insbesondere zur Herstellung eines großflächigen Multiaktor-Sonotrodensystems, und das Sonotrodensystem selbst.
-
Sonotroden, auch großflächige Sonotroden sind in der Ultraschalltechnik bekannt. In einigen Anwendungen, beispielsweise in der Ultraschallkühlung werden großflächige Sonotroden benötigt, die zu relativ großen mechanischen Schwingungsamplituden bei Ultraschallfrequenzen angeregt werden können (bis über 20 µm). Piezokeramiken, deren Schwingungsamplituden relativ zur Baugröße nur sehr klein sind, werden benutzt, um die Sonotroden zu Schwingungen anzuregen. Mittels resonanter Anregung von mechanischen, meist metallischen Strukturen durch eingebettete piezoelektrische Keramiken kann eine Anregungsamplitude stark vergrößert werden. Die Schwingungsamplitude ist dabei stark von der Ultraschallfrequenz abhängig.
-
Es ist bekannt, Piezokeramiken in den Resonanzstrukturen mittels Schraub- oder Klebeverbindungen zu befestigen. Die Lebensdauer dieser Verbindungen ist jedoch durch alterungs- und ermüdungsanfälliger Klebestoffe beeinträchtigt. Zudem weisen Klebestellen eine vergleichsweise geringe Steifigkeit und eine hohe Dämpfung auf, so dass ein relativ viel mechanische Bewegungsenergie in Form von thermischer Energie verloren geht. Konzepte mit Verschraubungen bedingen relativ hohe Reibungsverluste – dies ist besonders bei höheren Frequenzen von Bedeutung. Existierende Sonotroden haben daher häufig hohe mechanische Verluste in den Fügestellen. Außerdem sind sie häufig nicht kompakt.
-
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst verlustfreie Übertragung der durch die Piezokeramik erzeugten hohen Anregungskraft auf die resonant schwingende Struktur.
-
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1, einer Pressvorrichtung nach Anspruch 6 und einem Sonotrodensystem nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
-
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Sonotrodensystems in einem ersten Schritt eine Aussparung in eine Grundplatte eingebracht wird, welche gegenüber einem Piezoelement ein Übermaß aufweist. In einem zweiten Schritt wird die Grundplatte auf eine Matrize einer Pressvorrichtung verbracht. In einem dritten Schritt wird das Piezoelement in die Aussparung verbracht. Und in einem vierten Schritt wird mittels eines Stempels der Pressvorrichtung um die Aussparung herum und in einem bestimmten Abstand zur Aussparung eine Grundplattenoberfläche mit einer vordefinierten Kraft in Richtung der Matrize eingedrückt, wodurch Material der Grundplatte quer zur Matrize gegen das Piezoelement fließt und das Piezoelement eingepresst wird.
-
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird also das umzuformende Material mittels des Stempels um das zu fügende Piezoelement herum lokal plastisch verformt, um den Spalt zwischen dem Rand der Aussparung in der Grundplatte und dem Piezoelement durch nachfließendes Material zu schließen Im Zuge dessen erfolgt auch eine Zentrierung des Piezoelementes.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft möglich, ein sehr flaches Sonotrodensystem herzustellen, mit einer möglichst steifen und möglichst reibungsarmen Verbindung zwischen dem Piezoelement und der Grundplatte als Resonanzstruktur. Durch die Vermeidung von verbindenden Werkstoffen mit niedrigeren Steifigkeiten im Fügespalt können hohe Anregungskräfte geringe Stellwege des Piezoelements optimal an die umliegende Resonanzstruktur übertragen werden. Zudem können mit der plastischen Umformung vorteilhaft auch Fertigungstoleranzen ausgeglichen und eine definierte Druck-Vorspannung erzeugt werden.
-
Im Gegensatz zu anderen Verfahren, wie dem Aufschrumpfen, wird das Piezoelement während des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht thermisch belastet. Es kann zu keiner Überschreitung der Curietemperatur kommen, bei der Piezokeramiken ihre Polarisationsrichtung verlieren.
-
Das Piezoelement wird während des erfindungsgemäßen Verfahrens ausschließlich in seiner mechanisch widerstandsfähigen Spannungsart, auf Druck, beansprucht. Damit ist die Wahrscheinlichkeit von Sprödbrüchen vermindert.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Piezoelement ein Piezoring mit einer hohlzylindrischen Form verwendet wird.
-
Mit der runden Kontur des Piezorings befindet sich in dem herzustellenden Sonotrodensystem nur eine einzige Fügefläche im Kraftfluss. Aufgrund der gleichmäßigen plastischen Umformung in radialer Richtung kann eine homogene Druckspannung um den Piezoring herum erzeugt werden, wodurch es möglich ist, den Piezoring mit höherer Druckspannung einzupressen. Daraus resultiert, dass im Betrieb des Sonotrodensystems kaum Reibung an der Fügefläche auftritt und Einkoppelverluste der Schwinganregung dadurch geringer sind. Ein sehr energieeffizientes Sonotrodensystem mit elektrisch anregbarer Resonanzsonotrode kann dadurch realisiert werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Ausrichtung des Piezoelements und des Stempel relativ zueinander ein Stift aus dem Stempel in ein Durchgangsloch des Piezoelements geschoben wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Stift beim Eindrücken der Grundplattenoberfläche in dem Durchgangsloch des Piezoelements verbleibt.
-
Damit werden der Stempel und das Piezoelement mit einfachen Mitteln relativ zueinander zentriert und in Position gehalten. Das Piezoelement ist während des Fügens seitlich frei, wodurch sich eine homogene seitliche Druckverteilung einstellen kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in die Grundplatte mehrere Aussparungen eingebracht werden und in jeder Aussparung jeweils ein Piezoelement gleichzeitig oder nacheinander verpresst wird. Damit ist ein Multiaktor-Sonotrodensystem mit mehreren Piezoelementen leicht und kostengünstig herstellbar.
-
Die erfindungsgemäße Pressvorrichtung umfasst eine Matrize und einen der Matrize gegenüber angeordneten Stempel. Der Stempel weist dabei entlang einer Zentrierachse einen Stiftkanal mit einem verschiebbar darin geführten Stift auf.
-
Damit ist ein Werkzeug bereitgestellt, mit dem sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise durchführen lässt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung weist der Stempel einen Niederhalter für das Piezoelement auf. Dadurch kann einem Verschieben des Piezoelements aus der Aussparung heraus beim Verpressen entgegen gewirkt werden.
-
In der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung kann vorgesehen sein, dass eine Auflagefläche der Matrize und/oder eine Stempelunterseite des Stempels gewölbte Flächen aufweist.
-
Damit kann während des Pressvorgangs gleichzeitig eine sphärische Gestalt im Werkstück, insbesondere in der Grundplatte des Sonotrodensystems, erzeugt werden.
-
Das erfindungsgemäße Sonotrodensystem umfasst eine Grundplatte und zumindest ein Piezoelement, wobei das zumindest eine Piezoelement ringförmig ist und einen radialen Presssitz in der Grundplatte aufweist.
-
Dadurch ist ein sehr energieeffizientes Resonanzsonotrodensystem auch mit mehreren redundanten Anregungsaktoren bereitgestellt. Der radiale Presssitz des zumindest einen Piezorings lässt hohe Anregungskräfte und geringe Stellwege optimal in die Grundplatte übertragen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sonotrodensystems ist vorgesehen, dass die Piezoelemente in Bereichen angeordnet sind, in denen in einem Betriebszustand Schwingungsmaxima ausgebildet sind. Es ist aber auch möglich, dass die Piezoelemente in Bereichen angeordnet sind, in denen in einem Betriebszustand keine Schwingungsmaxima ausgebildet sind, bspw. in Bereichen, in denen in einem Betriebszustand Spannungsmaxima ausgebildet sind.
-
Damit ist ein Multiaktor-Sonotrodensystem in verschiedenen Ausführungen bereitgestellt, welche den verschiedenen Einsatzzwecken gerecht werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beispielhaften Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Pressvorrichtung zu Beginn eines Pressvorgangs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung großflächiger Sonotrodensysteme;
-
2 einen zweiten Schritt des Pressvorgangs;
-
3 einen dritten Schritt des Pressvorgangs;
-
4 einen vierten Schritt des Pressvorgangs;
-
5 ein erfindungsgemäßes Sonotrodensystem mit einer ersten Anordnung von Piezoringen; und
-
6 ein weiteres erfindungsgemäßes Sonotrodensystem mit einer zweiten Anordnung der Piezoringe.
-
In den 1 bis 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sonotrodensystems 24, insbesondere zur Herstellung eines großflächigen Multiaktor-Sonotrodensystems 24, dargestellt. Dabei soll wenigstens ein Piezoelement 15 in eine Grundplatte 16 eingefügt werden. Die 1 bis 4 stellen das Einfügen eines einzigen Piezoelements 15 in einzelnen nacheinander folgenden Schritten an einer erfindungsgemäßen Pressvorrichtung 10 dar.
-
Die Pressvorrichtung 10 umfasst einen Stempel 13 und eine Matrize 17. Die Matrize 17 weist dabei eine im Wesentlichen plane Auflagefläche 28 auf. Die Auflagefläche 28 kann eben oder anderweitig, bspw. sphärisch, geformt sein. Der Stempel 13 verfügt an seiner Stempelunterseite 25, die der Auflagefläche 28 der Matrize 17 zugewendet ist, über eine zur Auflagefläche korrespondierenden Form, um ein ebenes oder sphärisch geformtes Sonotrodensystem 24 zu erzeugen. Zusätzlich weist die Stempelunterseite 25 einen aus der Stempelunterseite 25 hervorstehenden Steg 14 auf, der insbesondere radial um eine Zentrierachse 11 angeordnet ist. In der radialen Anordnung um die Zentrierachse 11 ist der Steg 14 insbesondere geschlossen ausgeführt, er weist dabei im Wesentlichen die Form eines dünnwandigen Hohlzylinders mit geringer Höhe auf. Auch andere Ausformungen des Stegs 14 sind erfindungsgemäß möglich.
-
Die Form und Anordnung des Stegs 14 ist dabei abhängig von der Gestalt einer Aussparung 18 in der Grundplatte 16. Die in 1 gezeigte Aussparung 18 weist die Form eines geraden Zylinders auf. Die Grundfläche der gezeigten Aussparung 18 ist ein Kreis. Demnach weist die gezeigte Aussparung 18 eine kreisförmige äußere Kontur auf. Entsprechend ist auch eine innere Kontur des gezeigten Stegs 14 kreisförmig gestaltet. Der Durchmesser der inneren Kontur des Stegs 14 ist dabei stets größer als der Durchmesser der äußeren Kontur der Aussparung 18. Auch bei nicht kreisrunden Konturen weist der Steg 14 eine wesensgleiche aber in den Abmessungen größere innere Kontur im Vergleich zur äußeren Kontur der Aussparung 18 auf.
-
Der Stempel 13 ist entlang der Zentrierachse 11 verschiebbar zur Matrize 17 angeordnet. Die Zentrierachse 11 bildet eine Senkrechte zur Auflagefläche 28 der Matrize 17. Der Stempel 13 weist entlang der Zentrierachse 11 einen Stiftkanal 26 auf, in dem ein Zentrierstift 12 angeordnet ist. Der Stiftkanal 26 führt den Zentrierstift 12 entlang der Zentrierachse 11. Der Zentrierstift 12 ist damit aus dem Stempel 13 hinaus und in den Stempel 13 hinein verschiebbar.
-
In der 1 ist der Beginn des Einfügens des Piezoelements 15 in die Grundplatte 16 dargestellt. Dazu wird die Grundplatte 16 auf die Matrize 17 aufgelegt. Vorab wurde die Grundplatte 16 mit der Aussparung 18 versehen. In die Aussparung 18 wird zentrisch ein Piezoelement 15 eingelegt. Dazu ist die Aussparung 18 in der Grundplatte 16 größer bemessen, als das Piezoelement 15. Um das Piezoelement 15 bildet sich so ein gleichmäßig breiter Spalt 19 aus, bei kreisförmiger äußerer Kontur des Piezoelements 15 bildet sich ein Ringspalt 19 aus. Der Spalt 19 weist beispielsweise eine Breite von 0,05mm auf (sog. Spielpassung).
-
Die Form der Aussparung 18 ist dabei abhängig von der Form des Piezoelements 15. Das in 1 gezeigte Piezoelement 15 weist die Form eines Hohlzylinders mit einem mittig angeordneten Durchgangsloch 29 auf. Die Grundfläche des gezeigten Piezoelements 15 ist ein Kreisring. Demnach weist das gezeigte Piezoelement 15 eine kreisförmige äußere Kontur auf. Entsprechend ist auch eine innere Kontur der gezeigten Aussparung 18 kreisförmig gestaltet. Der Durchmesser der inneren Kontur der Aussparung 18 ist dabei stets größer als der Durchmesser der äußeren Kontur des Piezoelements 15. Die Aussparung 18 weist ein Übermaß auf. Auch bei nicht kreisrunden Konturen weist die Aussparung 18 eine wesensgleiche aber in den Abmessungen größere innere Kontur im Vergleich zur äußeren Kontur des Piezoelements 15 auf. Eine geometrische Gestaltung eines Aussparungsbodens 27 bestimmt eine vertikale Ausrichtung des Piezoelements 15 in der Grundplatte.
-
In der 2 ist ein nächster Schritt im Fügeverfahren dargestellt. Der Stempel 13 und die Werkstücke, Grundplatte 16 und Piezoelement 15, werden an der Zentrierachse zueinander ausgerichtet. Der Stempel 13 wird dazu abgesenkt und der Zentrierstift 12 wird aus dem Stempel 13 herausgefahren, in das Durchgangsloch 29 des Piezoelements 15 hinein.
-
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass zusätzlich zum mittig eingreifenden Stift 12 ein oder mehrere nicht gezeigte Zentrierelemente eingesetzt werden, die in den Spalt 19 einfahren um die Werkstücke zueinander auszurichten. Diese Zentrierelemente werden nach der Ausrichtung dann vor dem nächsten Schritt aus dem Spalt 19 herausgefahren.
-
Der Stift 12 verbleibt dagegen bei einem in der 3 dargestellten Verpressen in dem Durchgangsloch 29 des Piezoelements 15. Mit einer symbolisch als Pfeile dargestellten vordefinierten Kraft 21 wird der Stempel 13 entlang der Zentrierachse 11 mit seinem Steg 14 in die Grundplatte 16 gepresst. Die Kraft 21 beträgt beispielsweise 40 kN. Dabei taucht der Steg 14 in eine Grundplattenoberfläche 20 ein. Der Steg 14 weist dazu eine geringe Einpressfläche auf. Zudem ist der Steg 14 aus einem Material gefertigt, dessen Festigkeit höher ist, als die der Grundplatte 16. So wird nur beim Material der Grundplatte 16 ein Fließen erzeugt, der Steg 14 bleibt beim Verpressen plastisch unverformt.
-
Durch das Eintauchen des Stegs 14 wird die Grundplatte 16 in der Weise lokal plastisch verformt, dass sich der Spalt 19 mit fließendem Material füllt. Der Spalt 19 wird geschlossen und die Abmessungen der Aussparung 18 verringern sich auf das Maß des Piezoelements 15. Je mehr Material der Grundplatte 16 durch den Steg 14 verdrängt wird, umso stärker verformt sich die Grundplatte 16 und umso stärker wird das Piezoelement 15 eingepresst.
-
Sind das Piezoelement 15 und der Steg 14 ringförmig gestaltet, erfolgt durch nachfließendes Material während des Verpressens eine automatische Zentrierung des Piezoelements 15. Zusätzlich Zentrierelemente sind dann nicht notwendig.
-
Zusätzlich kann die Grundplatte 16 durch eine entsprechende Wölbung der Matrize 17 und eine entsprechende Wölbung des Stempels 13 während des Verpressens in eine sphärische Form gebracht werden.
-
Beim Verpressen wird die niedrigere Druckfestigkeit eines Materials der Grundplatte 16 gegenüber der Druckfestigkeit des Piezoelements 15 ausgenutzt. Die Grundplatte 16 ist beispielsweise aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung gefertigt und das Piezoelement 15 besteht aus Piezokeramik. Durch diese Materialpaarung wird bewirkt, dass die Anpresskraft nie die Druckfestigkeit des Piezoelements 15 übersteigt, da die Festigkeitsgrenze des Grundplattenmaterials sehr viel geringer ist.
-
Im nächsten in der 4 dargestellten Schritt werden der Stempel 13 und der Stift 12 nach oben aus den Werkstücken heraus gefahren. Nach dem Aufbringen einer definierten Kraft 21 und einem gewissen Grad an elastischer Rückformung bleibt nun eine bestimmte Presskraft erhalten, mit der das Piezoelement 15 in der Grundplatte 16 verpresst ist. Die Grundplatte 16 weist nun einen umgeformten Bereich 23 um das Piezoelement 15 herum auf. Die Eintauchtiefe des Stegs 14 in die Grundplattenoberfläche 20 gibt nach dem Verformungsprozess Aufschluss über die überbrückte Spaltweite. Es verbleibt bei ringförmiger Gestalt des Piezoelements 15 eine radiale gleichmäßige Anpresskraft auf den kompletten Umfang des Piezoelements 15 erhalten.
-
In den 1 bis 4 ist die Pressvorrichtung 10 mit einem einzigen Stempel 13 gezeigt. Erfindungsgemäß kann die Pressvorrichtung 10 auch mehrere derartige Stempel 13 aufweisen, die dann gleichzeitig oder nacheinander an verschiedenen Stellen jeweils ein Piezoelement 15 in der Grundplatte 16 verpressen. Alternativ kann auch der eine Stempel 13 der Pressvorrichtung 10 mehrere Stifte 12 und Stege 14 zum Verpressen mehrerer Piezoelemente 15 gleichzeitig aufweisen.
-
Die 5 und 6 zeigen erfindungsgemäße Sonotrodensysteme 24. Diese weisen jeweils eine an einem Aufnehmer 30 befestigte Grundplatte 16 und mehrere Piezoelemente 15 in Ringform auf. Das in der 5 gezeigte Sonotrodensystem 24 umfasst vier Piezoelemente 15, die in der Grundplatte 16 an Stellen angeordnet sind, an denen sich in einem Betriebszustand Schwingungsmaxima ausbilden. Das in 6 gezeigte Sonotrodensystem 24 umfasst fünf Piezoelemente 15, die in der Grundplatte 16 an Stellen angeordnet sind, an denen sich im Betriebszustand Schwingungsminima ausbilden.
-
Die Grundplatte 16 des Sonotrodensystems 24 kann erfindungsgemäß auch sphärisch ausgebildet sein. Zudem ist es möglich, dass die Grundplatte 16 Lochaussparungen aufweist.
