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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung mit einer Modulaufnahme zur Aufnahme eines Schweißmoduls, einem in der Modulaufnahme aufgenommenen Schweißmodul mit einer durch Ultraschallschwingungen beaufschlagbaren Sonotrode und einem Ambossmodul zur definierten Anordnung miteinander zu verschweißender Komponenten einer Schweißbaugruppe gemäß dem Anspruch 1.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen von Komponenten einer Schweißbaugruppe mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung.
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Ultraschallschweißvorrichtungen der eingangs genannten Art werden insbesondere zum Verschweißen von als elektrische Leiter ausgebildeten Komponenten verwendet. Dabei werden die zu verschweißenden Komponenten in einem Ambossmodul aufgenommen, das zum einen eine definierte Relativanordnung der Komponenten zueinander während des Schweißvorgangs ermöglicht und zum anderen ein mechanisches Gegenlager für die während des Schweißvorgangs von der Sonotrode auf die miteinander zu verschweißenden Komponenten aufgebrachten Kräfte ausbildet.
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Zur Verschweißung von drahtförmigen elektrischen Leitern zu End- oder Durchgangsknoten haben sich Ultraschallschweißvorrichtungen bewährt, deren Module, also das Schweißmodul, das als wesentliche Komponenten die Sonotrode und zumindest einen mit der Sonotrode zusammenwirkenden Konverter zur Umwandlung einer hochfrequenten elektrischen Spannung in mechanische Schwingungen umfasst, und ein Ambossmodul, das zur Aufnahme bzw. definierten Anordnung der zu verschweißenden Komponenten dient, sich in einer stationären Anordnung befinden. Zur Durchführung des Schweißvorgangs werden die Komponenten in das Ambossmodul manuell eingelegt, in einem durch das Ambossmodul und die Sonotrode begrenzten Verdichtungsraum definiert gehalten und in diesem Verdichtungsraum über die in Längsrichtung der als Leiter ausgebildeten Komponenten schwingende Arbeitsfläche der Sonotrode mit mechanischen Schwingungen beaufschlagt.
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Eine entsprechend stationäre Anordnung des Schweißmoduls und des Ambossmoduls wird auch eingesetzt, wenn sogenannte „Terminals”, also als Blechformstücke ausgebildete Komponenten, mit Leiterenden eines Drahtleiters verbunden werden, oder wenn Terminals mit Komponenten verbunden werden, die als Substratanschlussfläche ausgebildet sind.
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Bei Einsatz der bekannten, stationär ausgebildeten Ultraschallschweißvorrichtungen ist es insbesondere zur Herstellung von Ultraschallschweißverbindungen an Substraten, die über eine Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Substratanschlussflächen verfügen, notwendig, vor Durchführung der einzelnen, jeweils einen Terminal mit einer Substratanschlussfläche verbindenden Schweißvorgänge die Komponenten in dem Ambossmodul neu auszurichten, um eine Anordnung der miteinander zu verschweißenden Komponenten in dem Ambossmodul zu ermöglichen, die eine zuverlässige Kontaktierung der Komponenten mit der Sonotrode bzw. der Arbeitsfläche der Sonotrode ermöglicht. Diese Notwendigkeit der erneuten Ausrichtung der miteinander zu verschweißenden Komponenten im Ambossmodul macht die Durchführung von Ultraschallschweißvorgängen an komplexen Substraten mit einer Vielzahl unterschiedlich orientierter Substratanschlussflächen sehr zeitaufwändig und damit teuer in der Durchführung.
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Die
DE 29 813 964 U1 zeigt eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, die zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einer plastifizierten Materialbahn und einem Werkstück dient. Dabei wird die Sonotrode zur Herstellung der Schweißverbindung auf dem Werkstück abgerollt, wobei sich die Materialbahn zwischen dem Werkstück und der Sonotrode befindet.
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Die
DE 10 2006 054 760 B4 sowie die
DE 10 2010 004 407 A1 zeigen Ultraschallschweißvorrichtungen zum Bearbeiten einer Materialbahn, bei denen eine Sonotrode in einer gegenüber einem Amboss konstanten Schweißposition angeordnet ist und die Materialbahn durch einen Spalt zwischen der Sonotrode und dem drehbar gelagerten Amboss hindurchgeführt wird.
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Aus der
DE 10 2005 062 137 A1 ist eine Ultraschallschweißvorrichtung zum Verschweißen von Ventilöffnungen an Ventilsäcken bekannt, wobei ein Öffnungsrand der Ventilsäcke über einen rotierend gelagerten Amboss durch einen zwischen dem Amboss und der Sonotrode ausgebildeten Spalt bewegt wird.
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Die
EP 0 820 841 A1 zeigt eine Ultraschallvorrichtung zum Schneiden von dünnwändigen Formteilen mit einer um eine Rotationsachse drehbaren Sonotrode.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallschweißvorrichtung bzw. ein Verfahren zum Verschweißen von Komponenten mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung vorzuschlagen, die bzw. das die Herstellung komplexer verschweißter Baugruppen vereinfacht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschallschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Verschweißen von Komponenten mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die Modulaufnahme und/oder das Ambossmodul mit einer Antriebseinrichtung und einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtung versehen, derart, dass eine mehrachsige Relativbewegung zwischen der Modulaufnahme und dem Ambossmodul ausführbar ist, wobei die Antriebseinrichtung eine Translationsachse zur Ausführung einer Translationsbewegung längs einer Zustellachse, auf der die Modulaufnahme mit dem Schweißmodul und das Ambossmodul aufeinander zu bewegt werden, und eine Rotationsachse zur Ausführung einer Rotation um die Zustellachse zur Relativpositionierung der Sonotrode gegenüber den Komponenten aufweist.
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Im Unterschied zu den bekannten stationären Ultraschallschweißvorrichtungen, die lediglich eine definierte Schweißposition ermöglichen und das Schweißmodul bzw. die Sonotrode und die Modulaufnahme in einer entsprechend definierten Relativanordnung aufweisen, ermöglicht die erfindungsgemäße Ultraschallschweißvorrichtung unterschiedliche Schweißpositionen, also entsprechend unterschiedliche Relativanordnungen der Sonotrode und des Ambossmoduls.
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Hierzu ist entweder die Modulaufnahme oder das Ambossmodul oder auch die Modulaufnahme sowie das Ambossmodul mit einer Antriebseinrichtung und einer Steuerungseinrichtung versehen. Aufgrund der Kombination der Translationsachse mit der Rotationsachse wird es möglich, mit der Sonotrode des Schweißmoduls in einer vom Ambossmodul definierten Schweißebene der miteinander zu verschweißenden Komponenten unterschiedliche Schweißpositionen anzusteuern und dort eine Schweißverbindung zwischen den Komponenten herzustellen ohne, dass die Anordnung der miteinander zu verschweißenden Komponenten im Ambossmodul geändert werden müsste.
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Insbesondere im Falle von Baugruppen, die aus einem Substrat mit einer Vielzahl unterschiedlich orientierter Substratanschlussflächen und einer entsprechenden Anzahl von Terminals bestehen, ist es möglich, nacheinander durch entsprechende Steuerung der Antriebseinrichtung bzw. der Bewegungen des Schweißmoduls auf der Translationsachse und um die Rotationsachse alle Schweißpositionen auf dem Substrat anzusteuern, ohne die Anordnung der Komponenten im Ambossmodul zu verändern.
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Vorzugsweise ist die Modulaufnahme mit einer Antriebseinrichtung und einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtung versehen, so dass das Ambossmodul stationär angeordnet werden kann, um beispielsweise eine automatisierte Zuführung der Schweißkomponenten zum Ambossmodul zu ermöglichen.
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Wenn entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Ultraschallschweißvorrichtung die Antriebseinrichtung zusätzlich zur Rotationsachse quer zur Zustellachse eine Translationsachse zur Relativpositionierung der Sonotrode gegenüber den Komponenten aufweist, ist auch die Herstellung von Schweißverbindungen an einer Vielzahl von Schweißpositionen auf einem Substrat möglich, die beliebig in der Schweißebene des Ambossmoduls bzw. der Substratebene verteilt sind, so dass die Schweißpositionen nicht auf eine konzentrische Anordnung zur Zustellachse beschränkt sind.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das Schweißmodul neben der Sonotrode einen Konverter und/oder einen Booster umfasst, so dass das Schweißmodul in seiner Gesamtheit von der Modulaufnahme aufgenommen wird und sich somit sämtliche Komponenten des Schweißmoduls auf der Modulaufnahme befinden. Somit ist es möglich, zur Ausführung der Ultraschallschweißvorrichtung die mit dem Schweißmodul versehene Modulaufnahme mit einem standardmäßig ausgestalteten Roboter zu kombinieren, der eine steuerbare Translationsachse und eine steuerbare Rotationsachse aufweist.
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Um einen optimalen Zugriff auf die unterschiedlich orientierten Schweißpositionen eines im Ambossmodul aufgenommenen Substrats zu ermöglichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sonotrode als Biegeschwinger ausgebildet ist, so dass sich Arbeitsflächen der Sonotrode an quer zu einer Schwingungsachse der Sonotrode angeordneten Schwingarmen der Sonotrode befinden und die Schwingarme in ihrer Längsrichtung entlang der Zustellachse an die jeweilige Schweißposition geführt werden können, ohne dass die Gefahr einer Kollision mit in der Umgebung der Schweißposition angeordneten Teilen des Substrats besteht.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Antriebseinrichtung eine quer zu einer Schwingungsachse der Sonotrode verlaufende weitere Rotationsachse aufweist, da somit ein Anstellwinkel der Sonotrodenarbeitsfläche gegenüber einer Komponentenarbeitsfläche in der jeweiligen Schweißposition einstellbar ist.
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Um beispielsweise die Zustellbewegung der Sonotrode zur Schweißposition unmittelbar vor Kontaktierung mit den zu verschweißenden Komponenten verzögern zu können, erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Translationsbewegung längs der Zustellachse ein Stellmodul aufweist, das die Einstellung kinematischer Größen in Abhängigkeit vom Abstand der Sonotrode zu den im Ambossmodul aufgenommenen Komponenten ermöglicht.
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Wenn die Modulaufnahme zur Ausführung der Rotation des Schweißmoduls um die Rotationsachse eine Modulbasis mit einem drehbar an der Modulbasis angeordneten Schweißmodulträger aufweist, ist die Rotationsachse bereits durch die Modulaufnahme ausgebildet, so dass zur Herstellung der Ultraschallschweißvorrichtung ein hinsichtlich der Anzahl seiner Achsen möglichst einfach ausgestatteter Roboter ausreichend ist.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verschweißen von Komponenten einer Schweißbaugruppe mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung führt ein in einer Modulaufnahme angeordnetes Schweißmodul, umfassend eine durch Ultraschallschwingungen beaufschlagbare Sonotrode, mittels einer auf die Modulaufnahme wirkenden und mit einer Steuerungseinrichtung versehenen Antriebseinrichtung zum Verschweißen von in einem Ambossmodul aufgenommenen Komponenten längs einer Zustellachse eine Translationsbewegung aus und zur Relativpositionierung der Sonotrode gegenüber den Komponenten eine Rotationsbewegung um eine in Richtung der Zustellachse verlaufende Rotationsachse aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung einer Vielzahl von Schweißverbindungen an konzentrisch um eine Zustellachse angeordneten Schweißpositionen, ohne dass die Anordnung der Komponenten im Ambossmodul verändert werden müsste.
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Wenn die Modulaufnahme zusätzlich zur Rotationsbewegung um die Zustellachse zur Relativpositionierung der Sonotrode gegenüber den im Ambossmodul aufgenommenen Komponenten eine Translationsbewegung längs einer quer zur Zustellachse verlaufenden Translationsachse ausführt, sind – ohne Veränderung der Anordnung der Komponenten im Ambossmodul – nicht nur konzentrisch zur Zustellachse im Ambossmodul angeordnete Schweißpositionen mit der Sonotrode anfahrbar, sondern beliebig in einer Substratebene bzw. einer Schweißebene verteilt angeordnete Schweißpositionen.
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Wenn die Modulaufnahme zur Einstellung eines Anstellwinkels einer Sonotrodenarbeitsfläche gegenüber einer mit der Sonotrodenarbeitsfläche zur Durchführung des Schweißvorgangs beaufschlagten Komponentenarbeitsfläche um eine quer zu einer Schwingungsachse der Sonotrode verlaufende Rotationsachse verschwenkt wird, ist es durch eine entsprechende Änderung des Anstellwinkels möglich, der Ausbildung von Relativbewegungen der Komponenten in der Schweißebene entgegen zu wirken und somit zu einer erhöhten Positionsgenauigkeit der Komponenten nach dem Schweißvorgang zu gelangen.
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Die Verschwenkung der Sonotrodenarbeitsfläche kann unabhängig vom Schweißvorgang, also beispielsweise zur Relativausrichtung der Sonotrodenarbeitsfläche gegenüber einer unter einem Winkel zur Oberfläche eines Substrats angeordneten Substratanschlussfläche, oder während des Schweißvorgangs erfolgen. Die Relativausrichtung kann parallel oder unter einem Winkel zur Substratanschlussfläche erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verschwenkung der Sonotrodenarbeitsfläche während des Schweißvorgangs erfolgt, da somit in situ Korrekturen der Relativpositionierung zwischen den Komponenten durchgeführt werden können.
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Als besonders vorteilhaft zur zeit- und qualitätsoptimierten Durchführung von Schweißvorgängen erweist es sich, wenn die Translationsbewegung der Modulaufnahme längs der Zustellachse ungleichförmig ausgeführt wird, also etwa vorzugsweise die Translationsbewegung bei Annäherung an die Komponenten verzögert wird, um einerseits größere Wege zur Schweißposition beschleunigt zurücklegen zu können, und andererseits das Auftreffen der Sonotrodenarbeitsfläche auf die Komponenten mit möglichst geringer Kraft durchführen zu können, um insbesondere bei empfindlichen, bruchgefährdeten Komponenten eine Schädigung der Komponenten zu vermeiden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Ultraschallschweißvorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform der Ultraschallschweißvorrichtung mit einer als Roboter mit sechs Freiheitsgraden ausgebildeten Antriebseinrichtung;
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2: eine zweite Ausführungsform der Ultraschallschweißvorrichtung mit vereinfachter Antriebseinrichtung und einer oberhalb einer Schweißposition angeordneten Sonotrode;
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3: die in 2 dargestellte Ultraschallschweißvorrichtung mit der in eine erste Schweißposition abgesenkten Sonotrode;
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4: die in 2 dargestellte Ultraschallschweißvorrichtung mit der in eine zweite Schweißposition abgesenkten Sonotrode;
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5: die in 2 dargestellte Ultraschallschweißvorrichtung mit einer um einen Anstellwinkel gegenüber einer Schweißebene gekippten Sonotrode;
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6: die in 5 um den Anstellwinkel gekippte Sonotrode in einer vergrößerten Darstellung;
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7: eine in einem Ambossmodul aufgenommene Schweißbaugruppe in Draufsicht;
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8 das in 7 dargestellte Ambossmodul in Schnittdarstellung.
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1 zeigt eine Ultraschallschweißvorrichtung 10 mit einer Modulaufnahme 11 zur Aufnahme eines Schweißmoduls 12, das, wie insbesondere aus 4 ersichtlich, eine Sonotrode 13 aufweist, die von einem Konverter 14, gegebenenfalls über einen hier nicht näher dargestellten Booster, mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird. Weiterhin umfasst die Ultraschallschweißvorrichtung 10 ein Ambossmodul 15, das im vorliegenden Fall zur Aufnahme einer Mehrzahl von Schweißbaugruppen 16 dient.
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Die Modulaufnahme 11 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Ultraschallschweißvorrichtung 10 mit einer als Roboter ausgebildeten Antriebseinrichtung 18 versehen, die eine hier nicht näher dargestellte Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtung aufweist und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit sechs Bewegungsachsen oder Freiheitsgraden versehen ist, derart, dass die Antriebseinrichtung 18 sowohl Translationsbewegungen in Richtung sämtlicher Raumachsen (x, y, z-Achse) als auch Rotationsbewegungen um diese Raumachsen ausführen kann.
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Im Vergleich zu der in 1 beispielhaft dargestellten Ultraschallschweißvorrichtung 10, die eine Antriebseinrichtung 18 mit insgesamt sechs Bewegungsachsen aufweist, weist die in 2 beispielhaft dargestellte Ultraschallschweißvorrichtung 20 eine Antriebseinrichtung 21 auf, die eine Translationsachse 22 ausbildet zur Ausführung einer Translationsbewegung des Schweißmoduls 12 bzw. der Sonotrode 13 längs einer Zustellachse 23 sowie eine Rotationsachse 24 zur Ausführung einer Rotation um die Zustellachse 23. Ferner umfasst die Antriebseinrichtung 21 der in 2 dargestellten Ultraschallschweißvorrichtung eine weitere Translationsachse 25 quer zur Zustellachse 23, die ein Verfahren des Schweißmoduls 12 bzw. der Sonotrode 13 des Schweißmoduls 12 in Richtung der Translationsachse 25 und somit von einer in 2 dargestellten Position oberhalb der linken Schweißbaugruppe 16 in eine entsprechende Position oberhalb der rechten Schweißbaugruppe 16 ermöglicht.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rotationsachse 24 dadurch ausgebildet, dass eine Modulaufnahme 26 einen drehbar gegenüber einer Modulbasis 27 angeordneten Schweißmodulträger 28, der mit dem Schweißmodul 12 starr verbunden ist, aufweist.
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Die Modulaufnahme 26 kann auch anstatt der Modulaufnahme 11 mit der in 1 dargestellten Antriebseinrichtung 18 kombiniert werden.
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2 zeigt die Sonotrode 13 in einer oberhalb einer Schweißebene 19, in der die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen miteinander zu verschweißenden Komponenten den Schweißbaugruppen 16 erfolgt, angeordneten Ausgangsposition A1, aus der, wie in 3 dargestellt, die Sonotrode 13 in einer Translationsbewegung längs der Zustellachse 23 in eine Schweißposition S1 bewegt wird, in der, wie in 8 dargestellt, eine am unteren Ende der als Biegeschwinger ausgebildeten Sonotrode 13 angeordnete Sonotrodenarbeitsfläche 29 in Schweißkontakt mit den miteinander zu verschweißenden Komponenten der Schweißbaugruppe 16 gebracht wird, wobei die Komponenten im vorliegenden Fall als ein aus einem gekröpfter Blechstreifen gebildeter Terminal 30 und eine Substratanschlussfläche 31 eines Substrat 32 ausgebildet sind, das beispielsweise mit Leistungshalbleitern bestückt sein kann.
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Wie aus einer Zusammenschau der 7 und 8 hervorgeht, weist das Substrat 32 vier, an unterschiedlichen Stellen auf der Substratoberfläche positionierte Substratanschlussflächen 31 auf, die jeweils in der im Wesentlichen mit der Substratoberfläche übereinstimmenden Schweißebene 19 durch Ultraschallschweißung mit den zugeordneten Terminals 30 verbunden werden. Das Ambossmodul 15 nimmt, wie beispielsweise aus 3 zu ersehen, in zwei benachbarten Substrataufnahmen 34, jeweils ein Substrat 32 der beiden Schweißbaugruppen 16 auf. Jede Substrataufnahme 34 ist, wie die 7 und 8 zeigen, an einem Umfangsrand 36 mit Terminalaufnahmen 33 versehen, die jeweils zwischen zwei Klemmbacken 37, 38 den jeweiligen Substratanschlussflächen 31 zugeordnete Terminals 30 so aufnehmen, dass die Substratanschlussflächen 31 und die Terminals 30 in der Schweißebene 19 aneinanderliegen und, wie in 8 dargestellt, ein Kontakt der Sonotrodenarbeitsfläche 29 mit einer Komponentenarbeitsfläche 39 zur Herstellung einer Schweißverbindung hergestellt erfolgt.
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Wie 7 zeigt, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die in der Schweißposition angeordnete Sonotrode 13 zur Abschirmung der Sonotrodenarbeitsfläche 29 und der Komponentenarbeitsfläche 39 mit einer Absaugvorrichtung 35 zu versehen, die verhindert, dass Schweißemissionen in die Umgebung gelangen.
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4 zeigt die Sonotrode 13 in einer Schweißposition S2, die nachfolgend der Durchführung eines Schweißvorgangs in der in 3 dargestellten Schweißposition S1 dadurch erreicht wird, dass die Sonotrode 13 bzw. das Schweißmodul 12 nach Durchführung des Schweißvorgangs in der Schweißposition S1 vermittels einer Translationsbewegung in Richtung der Translationsachse 22 (2) zurück in die Ausgangsposition A verfahren wird und anschließend eine Rotationsbewegung um die Zustellachse 23 soweit ausgeführt wird, bis die Sonotrode 13 oberhalb der nächsten Schweißstelle der Schweißbaugruppe 16 positioniert ist. Aus dieser neuen Ausgangsposition erfolgt dann wiederum eine Translationsbewegung längs der Zustellachse 23 in die Schweißposition S2, in der die Sonotrodenarbeitsfläche 29 sich auf dem Terminal 30 befindet.
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In der Schweißposition S2 kann, wie beispielsweise in den 5 und 6 dargestellt, ein Verschwenken des Schweißmoduls 12 um eine quer zur Schwingungsachse 40 der Sonotrode 13 laufende Rotationsachse 41 erfolgen, um zwischen der Sonotrodenarbeitsfläche 29 und der Komponentenarbeitsfläche 39 einen Anstellwinkel α einzustellen.
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Unabhängig davon, ob die in 1 dargestellte Ultraschallschweißvorrichtung 10, die als Antriebseinrichtung 18 einen Roboter mit sechs Bewegungsfreiheitsgraden aufweist, oder die in den 2 bis 6 dargestellte Ultraschallschweißvorrichtung 20 zum Einsatz kommt, können sämtliche der in 7 dargestellten Schweißpositionen angesteuert bzw. Schweißpaarungen der Terminals 30 mit den Substratanschlussflächen 31 mit der Sonotrode 13 beaufschlagt werden, da hierzu lediglich drei Bewegungsachsen ausreichend sind, nämlich eine Translationsachse 22 in Richtung der Zustellachse 23, eine Rotationsachse 24 zur Ausführung einer Rotationsbewegung um die Zustellachse 23 und eine weitere Translationsachse 25 zur Ausführung einer Translationsbewegung parallel zur Schweißebene 19 bzw. quer zur Zustellachse 23.
