DE102014112683A1

DE102014112683A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Fügen von polymeren Verbundwerkstoffen unter Verwendung einer Hybrid-Reib/Ultraschall-Technik zum Erzielen erwünschter Schweissnahteigenschaften

Info

Publication number: DE102014112683A1
Application number: DE102014112683.1A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-03-12
Also published as: US9987796B2; CN104607794A; US10259170B2; US20180272619A1; US20150068662A1; CN104607794B

Abstract

Hybrid-Formgebungs- und -Energiebeaufschlagungssystem zur Verwendung beim effizienten Zusammenfügen mehrerer Werkstücke, während das Niederlassen von Schweißmaterial in unerwünschten Bereichen unterbunden wird. Das System umfasst ein Formgebungswerkzeug, welches ausgestaltet ist, um zumindest eine Ausnehmung in einem nahegelegenen der zu fügenden Werkstücke zu bilden, und einen Schweißenergie-Applikator, der mit dem Formgebungswerkzeug verbunden und ausgestaltet ist, um Schweißenergie auf das nahegelegene Werkstück anzuwenden. Die Ausnehmung wird gebildet und Schweißenergie wird angewendet, sodass eine Werkstückmaterialschmelze innerhalb der Ausnehmung angeordnet wird, um dadurch die Bildung von Schweißmaterial in irgendeiner unerwünschten Position zu unterbinden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Fügen von polymeren Verbundwerkstoffen und im Spezielleren eine Vorrichtung und Verfahren zum Fügen von Verbundwerkstoffen unter Verwendung einer Hybrid-Fügetechnik, welche das Anwenden von Reibung und Ultraschallenergie auf die Werkstücke, die gefügt werden, beinhaltet. Die Reib- und Ultraschallaktivitäten können gemäß Ausführungsformen der Technologie in einer beliebigen Reihenfolge und gelegentlich zeitgleich ausgeführt werden.
HINTERGRUND
In der Automobilherstellung nimmt die Verwendung von polymeren Verbundwerkstoffen aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften, sie sind unter anderem leichtgewichtig, sehr fügsam oder formbar, stark und dauerhaft, ständig zu. Ferner sind einige Verbundwerkstoffe färbbar und ihre Oberfläche kann bearbeitet werden, sodass die meisten jede gewünschte Struktur aufweisen.
Die zunehmende Verwendung in Automobilen umfasst zum Beispiel jene in Armaturenbrettern und Türverkleidungen, Leuchten, Luftkanälen, Lenkrädern, Polsterungen, Ladeflächen oder anderen Fahrzeugladeräumen, Polsterungen, Außenteilen und selbst Motorkomponenten. Was z. B. Motorkomponenten und andere Anwendungen im Motorraum (oder UTH, vom engl. under the hood) betrifft, werden Polymere ausgestaltet und ständig weiterentwickelt, die einer heißen und/oder chemisch aggressiven Umgebung standhalten können. Was Außenteile, wie beispielsweise Stoßfänger, betrifft, werden Polymere entwickelt, die am Band lackierbar sind und eine hohe Hitze- und chemische Beständigkeit über längere Zeiträume aufweisen. Und es werden kontinuierlich viele andere mögliche Verwendungen in Automobilanwendungen in Betracht gezogen.
Mit diesem Trend wird das Erschließen von Möglichkeiten zum effizienten und effektiven Fügen von Polymerkomponenten immer wichtiger. Dabei werden häufiger Formpress- und Nachform-Fügetechniken – z. B. Ultraschallschweißen – verwendet.
Traditionelle Techniken weisen verschiedene Unzulänglichkeiten auf. Mit Bezug auf die Figuren, und im Spezielleren die erste Figur, zeigt 1 schematisch eine herkömmliche Ultraschallschweißanordnung 100, die ein Schweißhorn 102 und zwei Werkstücke 104, 106 umfasst, vor einer Schweißung.
In dem illustrierten Schritt ist das Horn 102, wie durch den Pfeil nach unten angezeigt, in Richtung eines Kontakts mit einem oberen Werkstück 104 der beiden gesenkt. Sobald es mit dem Stück 104 in Kontakt steht, regt ein mit dem Horn verbundener Ultraschallgenerator Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen an, die durch das Horn hindurch zu dem Stück geleitet werden. An der Grenzfläche wird Wärme erzeugt, und das Werkstück 104 beginnt zu schmelzen 200, wie in 2 gezeigt.
3 zeigt die Anordnung 100, nachdem sie hinreichend zum Schmelzen gebracht wurde, damit die Materialschmelze der Werkstücke die Stücke 104, 106 an einer Fügestelle 300 verbindet.
Die Technik weist Unzulänglichkeiten auf, unter anderem die Bildung von unerwünschtem überschüssigem oder herausgequetschtem Werkstückmaterial 302 auf der oberen Oberfläche des nahegelegenen Werkstückes 104. Das überschüssige Material entwickelt sich zumindest teilweise, da sich das Werkstückmaterial ausdehnt, wenn es schmilzt.
Eine Option, mit dieser Situation umzugehen, besteht darin, das überschüssige Material 302 von der nunmehr geschweißten Werkstückanordnung zu entfernen. Dieses Reinigen ist selbstverständlich zeitaufwendig und verbraucht wichtige Zykluszeit in dem Herstellungsprozess. Eine andere Unzulänglichkeit dieser Option ist die Energie – z. B. Arbeitskraft oder Roboterressourcen, um die Reinigung durchzuführen.
Das Reinigen kann auch beträchtliche andere Kosten wie z. B. Kosten für den Kauf, zum Maßschneidern (Programmieren etc.) und für die Wartung der Schneideausrüstung – z. B. Schneidwerkzeuge auf Klingenbasis oder Lichtbasis hinzufügen.
Es ergeben sich weitere Herausforderungen daraus, ob das Reinigen des Überschusses 302 bevor oder nachdem der Überschuss abgekühlt ist, erfolgt. Falls der Überschuss durch das Abkühlen ausgehärtet ist, müsste besondere Sorgfalt darauf gelegt werden, sicherzustellen, dass das Material 302 entfernt wird, ohne das Gleichgewicht des abkühlenden oder abgekühlten Materials unerwünschterweise zu beeinflussen. Ein Durcheinanderbringen eines Oberflächenabschnitts des abkühlenden oder abgekühlten Materials könnte die kosmetische Qualität des resultierenden Teiles beeinträchtigen. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass durch grobes Entfernen des Überschusses 302, z. B. mittels Spanen an dem Material nach dem Aushärten eine Integrität der Verbindung 300 durcheinanderbringen könnte.
Eine andere Alternative ist die Verwendung von Ultrahochleistungs-Ultraschallenergie. Wenn mehr Ultraschallenergie verwendet wird, schmilzt das obere Werkstück und letztlich auch das untere Werkstück schneller, und daher wird die gewünschte Schweißstelle 300 schneller gebildet. Auf diese Weise wird weniger zusätzliches seitliches Werkstückmaterial geschmolzen, und daher wird weniger überschüssiges Material gebildet. Dieser Ansatz ist dabei auch kostenschonend. Überdies könnte sich überschüssiges Material noch immer bilden.
Eine noch andere Alternative ist ein herkömmliches mechanisches Befestigen. Die Werkstücke können zum Beispiel zusammengeschraubt oder mithilfe von Muttern und Schrauben verbunden werden. Diese Verbindungen weisen Unzulänglichkeiten auf, unter anderem unerwünschtes hinzugefügtes Gewicht, unansehnliche freiliegende Abschnitte der Befestigungselemente und möglicherweise weniger robuste Fügestellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Technologie betrifft eine Hybrid-Fügetechnik, welche das Fügen von Verbundwerkstoffen unter Verwendung einer Hybrid-Fügetechnik umfasst, die das Anwenden von Reibung und Ultraschallenergie auf die Werkstücke, die gefügt werden, beinhaltet. Die Reib- und Ultraschallaktivitäten können gemäß Ausführungsformen der Technologie in einer beliebigen Reihenfolge und gelegentlich zeitgleich ausgeführt werden. Das Ergebnis ist eine große und robuste Schweißnaht, insbesondere verglichen mit herkömmlichen Techniken.
Die Technik umfasst in einer Ausführungsform beispielsweise, dass ein Werkstück in einer Weise mechanisch geformt wird, welche ein effektives und akkurates anschließendes Ultraschallschweißen des Werkstückes mit einem anderen Werkstück erleichtert. In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform erfolgt die Anwendung von Ultraschallenergie nicht vollständig anschließend an die Reibungsanwendung, da die Ultraschallenergie-Anwendung beginnen kann, bevor die Reibungserzeugung abgeschlossen ist. Ein reibungsinduziertes Werkstück-Schmelzen kann gleichzeitig mit einem ultraschallinduzierten Werkstück-Schmelzen stattfinden. In jedem Fall kann jeder dieser Ansätze als reibungsunterstütztes Ultraschallschweißen bezeichnet werden. Wiederum ist das Ergebnis eine große und robuste Schweißnaht, insbesondere verglichen mit herkömmlichen Techniken.
In einigen Ausführungsformen bringt die mechanische Formgebung etwas von dem Werkstückmaterial zum Schmelzen und/oder entfernt es, was ein anschließendes ultraschallinduziertes Schmelzen des Werkstückes erleichtert.
Die Technik umfasst in einer Ausführungsform, dass Reibung nach Beginn einer Ultraschallenergie-Anwendung angewendet wird. In einem speziellen Fall wird eine Reibungserzeugung (z. B. mithilfe eines nachfolgend weiter beschriebenen Formgebungswerkzeuges) nach Beginn eines Anwendens von Ultraschallschwingungen auf zumindest ein nahegelegenes der Werkstücke, die gefügt werden, und vor dem Ende der Anwendung der Ultraschallschwingungen auf das/die Werkstück/e begonnen. Auf diese Weise findet auch ein ultraschallinduziertes Werkstück-Schmelzen gleichzeitig mit einem reibungsinduzierten Schmelzen statt. In einem anderen speziellen und in Erwägung gezogenen Fall wird die Reibungserzeugung unmittelbar nach Ende der Anwendung der Ultraschallschwingungen auf das/die Werkstück/e begonnen. Die Unmittelbarkeit stellt sicher, dass das/die Werkstück/e, geschmolzen und fest, nicht abkühlen oder bis zu einem minimalen Grad abkühlen, um so das anschließende reibungsinduzierte Schmelzen zu erleichtern. Und die Unmittelbarkeit stellt in einigen Fällen sicher, dass Materialschmelze von der Ultraschallaktivität zurückbleibt, sodass die mechanische Wirkung des reibungsinduzierenden Werkzeuges oder Ergebnisse der mechanischen Wirkung diese Materialschmelze beeinflussen, d. h. sie rühren, ihre Größe vergrößern, ihre Form wunschgemäß zu ändern und/oder anderes können. In jedem Fall kann jeder dieser Ansätze als ultraschallunterstütztes Reibschweißen, ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen oder dergleichen bezeichnet werden. Und wiederum ist das Ergebnis eine große und robuste Schweißnaht, insbesondere verglichen mit herkömmlichen Techniken.
Nunmehr wird weiter Bezug auf die zuvor erwähnte Ausführungsform genommen, in der die mechanische Formgebung eines nahegelegenen, ersten Werkstückes der Werkstücke, die gefügt werden, ausgeführt wird, um ein effektives und akkurates anschließendes Ultraschallschweißen des Werkstückes mit einem anderen Werkstück zu erleichtern. Die Formgebung umfasst allgemein, dass eine oder mehrere Ausnehmungen in dem ersten Werkstück zum Aufnehmen von Werkstück-Materialschmelze während des Schweißens geschaffen wird/werden. Die mechanische Formgebung schmilzt in einigen Ausführungsformen etwas von dem Werkstückmaterial, was ein anschließendes ultraschallinduziertes Schmelzen des Werkstückes erleichtert.
Die Vorteile der Techniken umfassen eine verminderte Zykluszeit beim Schweißen, Energie- und Ressourcen-Einsparungen und akkuratere resultierende Teile, die möglicherweise robuster sind.
Es werden Zeit, Energie und Ressourcen eingespart, indem eine Notwendigkeit vermieden wird, von einem oberen Werkstück überschüssiges Werkstückmaterial zu entfernen, das sich während des Schweißens in einer unerwünschte Position, wie z. B. über einer primären Oberfläche der Werkstückoberfläche, entwickelt.
Es kann auch eine Zykluszeit durch Kanalisieren von Schwingungen und resultierender Wärme durch einen oder mehrere begrenzte Kanäle hindurch verbessert werden. Es kann z. B. zumindest eine Ausnehmung gebildet werden, sodass, während das primäre Werkstückmaterial direkt unter dem Ultraschallhorn bleibt, zumindest etwas seitliches Werkstückmaterial benachbart des primären Materials entfernt wird. In diesem Fall werden die von dem Horn abgegebenen Hochfrequenz(HF)-Schwingungen und die resultierende Wärme schneller durch das primäre Material hindurch zu einer Grenzfläche zwischen den Stücken, die gefügt werden, kanalisiert, als wenn das benachbarte Material nicht entfernt würde – d. h. wenn die Schwingungen und die Wärme sowohl das primäre als auch das benachbarte Material beim Erreichen der Grenzfläche zum Schweißen durchqueren müssten.
Teile ohne überschüssiges Material wären sauberer und Teile, die gemäß der vorliegenden Technologie, die keine Entfernung von überschüssigem Material erfordert, gefügt werden, sind erwartungsgemäß Teilen kosmetisch überlegen, die unter der traditionellen Technik, die eine Entfernung erfordert, gefügt werden.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin nachfolgend zum Teil offensichtlich und zum Teil hervorgehoben.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 illustriert schematisch eine herkömmliche Ultraschall-Schweißanordnung mit einem Schweißhorn und zwei Werkstücken vor deren Zusammenschweißen.
2 zeigt die Anordnung von 1, während eine Schweißung begonnen wird.
3 zeigt die Anordnung, wenn eine Schweißung beendet und unerwünschtes überschüssiges oder herausgequetschtes Werkstückmaterial gebildet ist.
4 illustriert schematisch eine neue Ultraschall-Schweißanordnung mit den zwei zu fügenden Werkstücken und einer Hybrid-Werkzeugbestückung, die ein Formgebungswerkzeug oder eine Schulter umfasst, welche ein Ultraschall-Schweißhorn umgibt, vor einer Schweißung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
5 zeigt eine Grundrissansicht der Hybrid-Werkzeugbestückung von 4 von oben.
6 zeigt die Anordnung von 4, die eine erste Aktivität anzeigt, wobei die Schulter in Richtung eines nahegelegenen Werkstückes der Werkstücke, die gefügt werden, gesenkt ist.
7 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 6 und zeigt eine anschließende Aktivität an, wobei die Schulter betätigt, z. B. gedreht wird, um zumindest einen Schlitz in dem nahegelegenen Werkstück zu erzeugen.
8 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 7 und zeigt eine anschließende Aktivität an, wobei die Schulter von ihrer Betriebsposition an dem nahegelegenen Werkstück zurückgeholt wird.
9 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 8, wobei der Schlitz gebildet und die Schulter zurückgezogen worden ist.
10 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 8 und zeigt eine anschließende Aktivität an, wobei das Ultraschall-Schweißhorn zum Schweißen zu dem nahegelegenen Stück gesenkt ist.
11 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 10, wobei das Horn das nahegelegene Stück erreicht hat, genau vor dem Beginn einer Schweißung.
12 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 10 und nachdem eine Schweißung begonnen hat.
13 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 12, nachdem eine hinreichende Schweißung ausgeführt wurde, um zu bewirken, dass Werkstück-Materialschmelze beginnt, einen durch die Schulter geschaffenen Raum im Wesentlichen zu füllen.
14 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 13, wenn die Schweißung fortgesetzt wird und Werkstück-Materialschmelze beginnt, den Großteil des durch die Schulter geschaffenen Raumes im Wesentlichen zu füllen.
15 zeigt die Anordnung bei Fertigstellung der Schweißung und beim Zurückholen der Ultraschallschweißnaht von den gefügten Werkstücken.
16–20 zeigen das System, das gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Technologie verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Je nach Anforderung sind hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon ausgeführt sein können. Wie hierin verwendet, beziehen sich z. B. „beispielhaft” und ähnliche Ausdrücke weitgehend auf Ausführungsformen, die als ein/e Veranschaulichung, Probeexemplar, Modell oder Muster dienen.
Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Elemente können übertrieben oder minimiert sein, um z. B. Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu verhindern, dass die vorliegende Offenbarung unklar wird. Aus diesem Grund sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend, sondern rein als eine Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis zu interpretieren, Fachleute darüber zu unterrichten, die vorliegende Offenbarung auf verschiedenste Weise zu verwenden ist.
Während die Beschreibung einen allgemeinen Kontext von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen umfasst, kann die vorliegende Offenbarung auch in Kombination mit anderen Programmodulen und/oder als eine Kombination aus Hardware und Software angewendet werden. Der Begriff „Anwendung” oder Varianten davon wird/werden hierin weitgehend so verwendet, dass er/sie Routinen, Programmmodule, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen umfassten.
Anwendungen können auf verschiedenen Systemkonfigurationen implementiert werden, die Einzelprozessor- oder Mehrprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte Elektronik, Kombinationen davon und dergleichen umfassen. In bestimmten Ausführungsformen werden einige oder alle Aktivitäten (z. B. das Steuern einer Hornanwendung) durch eine Rechenvorrichtung wie z. B. einen Prozessor durchgeführt oder zumindest initiiert, der von einem Computer ausführbare Befehle ausführt, die in einem computerlesbaren Medium gespeichert oder umfasst sind. Und jeder beliebige oder mehrere Schritte des Prozesses können durch automatisierte Maschinen, wie z. B. Roboter, durchgeführt, initiiert oder anderweitig erleichtert werden.
I. Allgemeine Übersicht über die Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Hybrid-Technik zum Fügen von Werkstücken wie z. B. polymeren Verbundwerkstoffen. Die Technologie umfasst eine Hybrid-Fügetechnik, die das Fügen von Verbundwerkstoffen unter Verwendung einer Hybrid-Fügetechnikumfasst, die das Anwenden von Reibung und Ultraschallenergie auf die Werkstücke, die gefügt werden, beinhaltet. Die Reib- und Ultraschallaktivitäten können gemäß Ausführungsformen der Technologie in einer beliebigen Reihenfolge und gelegentlich zeitgleich ausgeführt werden. Das Ergebnis ist eine große und robuste Schweißnaht, insbesondere verglichen mit herkömmlichen Techniken.
Während sich die nachfolgenden Beschreibungen vorwiegend auf Ausführungsformen konzentrieren, die in der obigen Zusammenfassung als reibungsunterstütztes Ultraschallschweißen bezeichnet werden, sind die anderen hierin ausdrücklich und grundsätzlich beschriebenen Ausführungsformen optionale Aspekte der vorliegenden Technologie. Die Technologie kann ebenso gut gemäß anderen Ausführungsformen wie z. B. den Ausführungsformen, angewendet werden, die in der obigen Zusammenfassung als ultraschallunterstütztes Reibschweißen, ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen oder dergleichen bezeichnet werden. In allen Fällen ist es das Ziel, große und robuste Schweißnähte, insbesondere verglichen mit den Schweißnähten, die mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden, zu erzielen.
Die 16–20 zeigen das System, das gemäß Ausführungsformen verwendet wird, in denen die Ultraschallenergie-Anwendung zuerst begonnen wird. Aspekte dieser Ausführungsformen können abgewandelt werden, wie hierin ausdrücklich und grundsätzlich beschrieben ist. Während das Horn 406 in den 17 und 18 als in Position verbleibend gezeigt ist, könnte das Horn 406 z. B. zurückgezogen werden, bevor oder während das Formgebungswerkzeug 404 gesenkt wird oder zu rotieren beginnt. Und während das Horn 406 in den 18 und 19 Schweißenergie (z. B. Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen) ausstrahlend gezeigt ist, könnte das Horn 406 bei diesen Stufen zurückgezogen sein, wie erwähnt, oder in Verbindung mit 19 oder mit den 18 und 19 noch immer in dem gesenkten Zustand vorhanden sein, ohne aber die Energie ausstrahlen. Ein in Erwägung gezogener Vorteil dessen, das Horn 406 in Position zu belassen, selbst wenn es keine Energieausstrahlt, besteht darin, dass die Oberfläche des Horns 406 fungieren könnte, um Werkstück-Materialschmelze unter der Werkstückoberfläche (siehe z. B. 1504 in 15) in Position zu halten, wie es während einer Aktivität des Reibwerkzeuges 404 erwünscht ist.
Nunmehr wird auf die zuvor erwähnte Ausführungsform weiter Bezug genommen, in der eine mechanische Formgebung eines nahegelegenen, ersten Werkstückes der Werkstücke, die gefügt werden, ausgeführt wird, um ein effektives und akkurates anschließendes Ultraschallschweißen des Werkstückes mit einem anderen Werkstück zu erleichtern. Durch die Formgebung werden ein oder mehrere Ausnehmungen gebildet. Die Anzahl der Ausnehmungen und deren Größen, Formen und Positionen werden bestimmt, um eine Schweißung in einer vorbestimmten Weise zu erleichtern. Die Ausnehmungen erleichtern eine Schweißung zumindest dadurch, dass sie Werkstück-Materialschmelze während des Schweißens aufnehmen.
Es wird auch in Erwägung gezogen, dass in einigen Ausführungsformen eine Schweißung durch das Vorhandensein der einen oder mehreren Ausnehmungen beschleunigt wird. In einem Fall z. B., wenn zumindest eine Ausnehmung gebildet ist, sodass das primäre Werkstückmaterial direkt unter dem Ultraschallhorn bleibt, aber zumindest etwas von dem seitlichen Werkstückmaterial benachbart des primären Materials entfernt wird, werden die von dem Horn abzugebenden Ultraschallschwingungen und die dadurch erzeugte Wärme schneller bis zu einer Grenzfläche zwischen den Stücken, die gefügt werden, queren, als wenn das benachbarte Material nicht entfernt würde.
Die mechanische Formgebung schmilzt in einigen Ausführungsformen etwas von dem Werkstückmaterial. Unabhängig davon, ob die mechanische Formgebung bewirkt, dass das Werkstückmaterial tatsächlich schmilzt, wird es das Werkstückmaterial erwärmen. Wenn eine Ultraschallschweißung begonnen wird, während das Werkstück noch nicht oder zumindest nicht vollständig abgekühlt ist, erleichtert diese reibungsinduzierte Vorerwärmung das Ultraschallschweißen. Es wird z. B. weniger Ultraschallenergie benötigt, um das vorerwärmte Material zum Schmelzen zu bringen.
Unabhängig davon, ob die mechanische Formgebung bewirkt, dass das Werkstückmaterial tatsächlich schmilzt, kann die Technik als eine Hybrid-Schweißtechnik bezeichnet werden, die mechanische und Ultraschall-Aktivitäten umfasst – die/das mechanische/reibungsinduzierte Formgebung und mögliche Schmelzen des Werkstückes und das durch die mechanischen Aktivitäten erleichterte ultraschallinduzierte Schmelzen.
Andere Vorteile umfassen eine zusätzliche Reduktion von Zyklen, Energie und Ressourcen durch das Verhindern jeglicher Notwendigkeit, von einem nahegelegenen Werkstück von den beiden, die gefügt werden, überschüssiges Werkstückmaterial zu entfernen, das sich während einer Schweißung in einer unerwünschten Ortsposition wie z. B. über einer primären Oberfläche des nahegelegenen Werkstückes entwickelt.
Teile ohne überschüssiges Material wären sauberer und Teile, die gemäß der vorliegenden Technologie, die keine Entfernung von überschüssigem Material erfordert, gefügt werden, sind erwartungsgemäß Teilen kosmetisch überlegen, die unter der traditionellen Technik, die eine Entfernung erfordert, gefügt werden.
Es wird auch in Erwägung gezogen, dass eine Werkstück-zu-Werkstück-Verbindung gemäß der vorliegenden Technologie eine höhere Integrität oder Robustheit als Verbindungen aufweisen könnte, die mit herkömmlichen Techniken gebildet werden. Eine Verbindung, die gebildet wird oder schon gebildet ist, könnte durch die herkömmliche Notwendigkeit, unerwünschtes Material von unerwünschten Stellen zu entfernen, beschädigt werden. Ein Durcheinanderbringen eines Oberflächenabschnitts eines abkühlenden oder abgekühlten Materials könnte, außer dass es die kosmetische Qualität des Teiles herabsetzt, die Verbindung durcheinanderbringen. Eine grober/s Umgang oder Spanen von überschüssigem Material könnte auch erwünschtes Material spanen und Risse in dem Fügestellenmaterial verursachen. Ein Riss, der an der Oberfläche entsteht, könnte sich zu der Fügestelle ausbreiten, oder ein grober Umgang mit den Teilen könnte eine unerwünschte Zwischenteilbewegung verursachen und die Fügestelle durcheinanderbringen.
Durch Verhindern der Entfernungsfunktion insgesamt spart die vorliegende Technologie somit Zeit, Energie und Ressourcen und erhält die Integrität des resultierenden Teiles oder Produkts aufrecht.
Zeit und Energie können auch in Ausführungsformen gespart werden, in denen das Werkstück durch die Werkstück-Formgebung (z. B. Reibung) vorerwärmt wird. Es ist weniger Zeit und Energie erforderlich, um das Werkstück, das als solches vorerwärmt wurde, zum Schmelzen zu bringen.
Die Systemkomponenten, Algorithmen und Aktivitäten sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben.
II. Verfahren, Werkzeugbestückung und Werkstücke – Fig. 4–Fig. 15
Die vorliegende Technologie wird nun unter Bezugnahme auf Beispiele für Systeme, eine Werkzeugbestückung und Werkstücke beschrieben. Es wird auf die Figuren verwiesen, um das Verständnis der Technologie zu erleichtern und nicht um ihren Schutzumfang einzuschränken.
Bezugnahmen auf Richtungen hierin wie z. B. obere/s/r, untere/s/r, oben, unten und seitlich sind bereitgestellt, um die Beschreibung der vorliegenden Technologie zu erleichtern, stellen aber keine Einschränkung des Schutzumfangs der Technologie dar. Eine Beschreibung, in der ein Horn als auf ein nahegelegenes Werkstück nach unten herabkommend beschrieben wird, ist zum Beispiel nicht darauf beschränkt, dass sich das Horn vertikal nach unten in dem Erd- oder Umgebungsrahmen bewegt. Das Horn kann sich in diesem Fall in dem Umgebungsrahmen z. B. von links nach rechts bewegen.
Wiederum sind, während sich die nachfolgenden Beschreibungen vorwiegend auf Ausführungsformen konzentrieren, die in der obigen Zusammenfassung als reibungsunterstütztes Ultraschallschweißen bezeichnet werden, die anderen hierin ausdrücklich und grundsätzlich beschriebenen Ausführungsformen optionale Aspekte der vorliegenden Technologie. Die Technologie kann ebenso gut gemäß anderen Ausführungsformen wie z. B. den Ausführungsformen, angewendet werden, die in der obigen Zusammenfassung als ultraschallunterstütztes Reibschweißen, ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen oder dergleichen bezeichnet werden.
Wendet man sich erneut den Figuren und im Spezielleren der vierten Figur zu, so zeigt 4 schematisch die neue Ultraschall-Schweißanordnung 400 vor einer Schweißung.
Die Anordnung 400 umfasst die zwei Werkstücke 104, 106 von 1, die gefügt werden sollen.
Die Werkstücke 104, 106 können beliebige von verschiedenen Materialien umfassen und beliebige von vielerlei Formen und Größen aufweisen. In einem Beispiel weist das nahegelegene Werkstück 104 eine Dicke (Dicke von oben nach unten in den Figuren) zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm auf.
Was das Material betrifft, können die Werkstücke 104, 106 im Vergleich zueinander ähnliche oder verschiedenartige Materialien umfassen. Was verschiedenartige Werkstückmaterialien betrifft, kann ein Werkstück z. B. ein Kunststoff oder ein anderes Polymer sein, und das andere kann Stahl, Aluminium, eine Legierung oder ein anderes Metall etc. umfassen. Somit können die Lehren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um ein Polymer (z. B. einen polymeren Verbundwerkstoff) an ein anderes Polymer zu fügen, oder um z. B. ein Polymer an ein Metall zu fügen.
In einer Ausführungsform umfasst das Material 104, 106 Polyethylen. In einer Ausführungsform umfasst das Material Polyethylen-Terephthalat (PET) Polyethylen hoher Dichte (HDPE, vom engl. high density polyethylene) und/oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH).
In einer Ausführungsform umfasst zumindest eines der Werkstücke 104, 106, die gefügt werden, ein Polymer. Zumindest eines der Werkstücke 104, 106 kann synthetische oder anorganische Moleküle umfassen. Während die Verwendung von sogenannten Biopolymeren (oder grünen Polymeren) zunimmt, sind Polymere auf Erdölbasis noch immer viel weiter verbreitet.
Das Material eines oder beider Werkstücke 104, 106 kann auch wiederaufbereitetes Material wie z. B. ein Polybutylen-Terephthalat(PBT)-Polymer umfassen, das aus etwa fünfundachtzig Prozent Alt-Polyethylen-Terephthalat (PET) besteht.
In einer Ausführungsform umfasst/en eines oder beide von den Werkstücken 104, 106 eine Art von Kunststoff. In einer Ausführungsform umfasst das Material einen Thermoplast.
In einer Ausführungsform umfasst/en eines oder beide von den Werkstücken 104, 106 einen Verbundwerkstoff. In einer Ausführungsform umfasst/en eines oder beide von den Werkstücken 104, 106 z. B. einen faserverstärkten Polymer(FRP, vom engl. fiber-reinforced polymer)-Verbundwerkstoff wie z. B. ein kohlefaserverstärktes Polymer (CFRP, vom engl. carbon-fiber-reinforced polymer) oder ein glasfaserverstärktes Polymer (GFRP, vom engl. glass-fiber-reinforced polymer). Der Verbundwerkstoff kann z. B. ein Faserglas-Verbundwerkstoff sein. In einer Ausführungsform ist der FRP-Verbundwerkstoff ein Hybrid-Kunststoff-Metall-Verbundwerkstoff.
Das Material 104, 106 umfasst in einigen Anwendungen ein Polymer in Polyamid-Qualität, das allgemein als Polyamid bezeichnet werden kann.
Das Material eines oder beider Werkstücke 104, 106 kann auch Polyvinylchlorid (PVC) umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das Material 104, 106 Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).
In einer Ausführungsform umfasst das Material 104, 106 ein Polycarbonat (PC).
Das Material 104, 106 eines oder beider von den Werkstücken kann auch eine Art von Harz umfassen. Beispielhafte Harze umfassen ein Faserglas-Polypropylen(PP)-Harz, ein PC/PBT-Harz und ein PC/ABS-Harz.
Die Werkstücke 104, 106 können vor dem Schweißen vorbehandelt, z. B. erwärmt und formgepresst, werden.
Die Anordnung 400 umfasst ferner eine Hybrid-Werkzeugbestückung 402 mit einem Formgebungswerkzeug 4004 welches ein/en Ultraschallenergie-Applikator oder -Horn 406 umgibt. Ein oder beide Werkstücken 104, 106 kann/können zumindest teilweise von einer Stützstruktur oder einer Stützkraft 408 gestützt werden.
Das Formgebungswerkzeug 404 ist in einer geeigneten Weise ausgestaltet, um die hierin beschriebenen Formgebungsfunktionen auszuführen. In einer Ausführungsform umfassen die Formgebungswerkzeug-Funktionen primär das Erzeugen zumindest eines/r Schlitzes, Loches, Ausnehmung oder anderen Leerraumes in dem nahegelegenen Werkstück 104.
In einer Ausführungsform basiert das Formgebungswerkzeug 404 primär auf Mechanik. Eine mechanische Ausgestaltung kann ausgestaltet sein, um den Schlitz oder Leerraum z. B. mittels Reibung, Druck, Eindrücken, Schneiden oder einer beliebigen Kombination aus diesen zu erzeugen.
Für Ausführungsformen, in denen das Material durch Reibung entfernt wird, um den Schlitz zu bilden, kann das Formgebungswerkzeug 404 als Reibwerkzeug bezeichnet werden. Das Werkstückmaterial kann durch eine Bewegung des Werkzeuges 404 in Ansprechen auf einen direkten Werkzeug-zu-Werkstück-Kontakt oder Reibung und gegebenenfalls auch durch Wärme, die durch die Reibung erzeugt wird, verdrängt oder entfernt werden.
Als ein Vorteil der vorliegenden Technologie werden Gesamt-Schweißzykluszeit eingespart und die Prozesseffizienz verbessert, da Wärme in dem Werkstück infolge der – z. B. Reibung erzeugt wird, die durch das Formgebungswerkzeug auf dem Werkstück verursacht wird. Es ist weniger Energie erforderlich, um das vorerwärmte Werkstück als solches zum Schmelzen zu bringen, und damit wird der Schweißprozess beschleunigt. Es wird auch Energie, z. B. elektrische Energie eingespart, da eine Menge an notwendiger Ultraschall-Leistung reduziert wird, wenn das Teil vorerwärmt wird.
Das Formgebungswerkzeug 404 von 4 ist eines von der Art, die auf Mechanik basiert. Das illustrierte Werkzeug 404 ist nachfolgend in Verbindung mit den 5-8 weiter beschrieben.
Gemäß einer anderen in Erwägung gezogenen Ausführungsform basiert das Formgebungswerkzeug auf Licht wie z. B. ein Werkzeug, das einen Laser verwendet. Das Werkzeug ist ausgestaltet, um einen Schlitz oder Leerraum durch Verdrängen und/oder Entfernen von Material des Werkstückes 104 mithilfe von Energie auf Lichtbasis (z. B. Laser) zu erzeugen.
In einer anderen in Erwägung gezogenen Ausführungsform ist das Formgebungswerkzeug 404 ausgestaltet, um Wärme auf das Werkstück anzuwenden, um einen Schlitz durch Verbrennen von Werkstückmaterial zu bilden. Das Werkzeug 404 könnte z. B. eine Elektrode oder ein sich schnell erwärmendes Eisen umfassen. In einer anderen in Erwägung gezogenen Ausführungsform ist das Werkzeug 404 ausgestaltet oder mit einer Vorrichtung verbunden, die ausgestaltet ist, um das Material abzusaugen, wenn es zum Schmelzen gebracht oder verbrannt wird, um den Schlitz zu bilden. In einer anderen in Erwägung gezogenen Anwendung ist die Wärme ausreichend, um das Material zu verbrennen oder zu versengen, sodass der Schlitz wunschgemäß ohne Entwicklung von überschüssigem Material über der Oberfläche des Werkstückes 104 gebildet wird. Das Verbrennen kann z. B. etwas von dem Werkstückmaterial verdampfen, um den Schlitz zu bilden.
5 zeigt eine Grundrissansicht der Hybrid-Werkzeugbestückung von 4 von oben. Wie gezeigt, umgibt das Formgebungswerkzeug 404 das Ultraschallhorn 406. In einer Ausführungsform sind die Komponenten 404, 406 benachbart zueinander verschiebbar positioniert, sodass sich jede mit relativer Leichtigkeit in Bezug auf die andere 406, 404 bewegen kann.
In einer Ausführungsform lässt die relative Ausgestaltung die relative Bewegung in der vertikalen Richtung zu. Diese Flexibilität gestattet es z. B., dass das Formgebungswerkzeug 404 in Bezug auf das Horn 406 und das nahegelegene Werkstück 104 gesenkt und angehoben wird und das Horn in Bezug auf das nahegelegene Werkstück 104 gesenkt und angehoben wird, wie nachfolgend in Verbindung mit den 6, 8–11 und 15 weiter beschrieben ist.
In einer Ausführungsform lässt die relative Ausgestaltung zu, dass sich das Formgebungswerkzeug 404 und das Ultraschallhorn 406 in Bezug aufeinander in einer oder mehreren Richtungen zusätzlich zu der oder anders als die vertikale/n Richtung bewegen. In einer ersten speziellen Ausführungsform lässt die Ausgestaltung zu, dass das Formgebungswerkzeug 404 in Bezug auf das Horn 406 und das nahegelegene Werkstücke rotiert. In einer zweiten speziellen Ausführungsform, in der keine relative Rotationsbewegung zwischen dem Formgebungs- und dem Horn-Werkzeug 404, 406 vorhanden ist, rotieren die beiden gemeinsam in Bezug auf das Werkstück 104, um den Schlitz (704 in 7) zu bilden. Wenngleich sich diese beiden Ausführungsformen unterscheiden, soll die Illustration von 7 schematisch eine Aktivität unter jeder dieser beiden Ausführungsformen in Richtung des Bildens des in 9 gezeigten Schlitzes zeigen.
Mit weiterer Bezugnahme auf die 4 und 5 sind das Horn 406 mit einer allgemein zylindrischen Form und einem kreisförmigen oberen Querschnitt, und das Formgebungswerkzeug 404 mit einem kreisringförmigen oberen Profil gezeigt. Die Form des Horns ist nicht auf diese Form beschränkt, und das Horn kann jede geeignete Form von vielerlei Formen umfassen.
In Erwägung gezogene alternative Formen umfassen einen großen Block mit einem ovalen, quadratischen oder anderen rechteckigen oberen Profil. Für diese nicht kreisförmigen Ausführungsformen würde der Werkstückschlitz nicht durch Rotation des Werkzeuges 404 sondern vielmehr durch beispielsweise Druck oder Eindrücken gebildet werden.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf die Figuren zeigt 6 die Anordnung 400 von 4, wobei durch die Pfeile 600 eine erste Aktivität angezeigt wird, bei der das Formgebungswerkzeug oder die Schulter 404 in Bezug auf das Horn 406 und in Bezug auf das nahegelegene Werkstück 104 des Werkstückes 104 gesenkt wird.
In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform umfassen die Schulter 404 und das Horn 406 entsprechende Spurelemente (nicht im Detail gezeigt) zum Erleichtern der relativen Schulter-zu-Horn-Bewegung. Eines kann einen relativ kleinen, länglichen Vorsprung umfassen, während das andere eine kleine vertikale Nut umfasst, die ausgestaltet ist, um den Vorsprung verschiebbar aufzunehmen. Für diese Ausführungsform würden die Schulter 404 und das Horn 406 in der Aktivität von 7 gemeinsam rotieren.
In einigen Ausführungsformen ist/sind das Formgebungswerkzeug 404 und/oder das Ultraschallhorn 406 auf eine oder mehrere Arten ausgestaltet und/oder angeordnet, um sicherzustellen, dass die Ultraschallfunktionen nicht durch das mit dem Werkzeug in Kontakt stehende Horn behindert werden. In einer Ausführungsform sind die beiden 404, 406 durch einen kleinen Spalt oder Raum getrennt, zumindest wenn und wo der Ultraschall ausgesendet wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst/en eine oder beide Komponenten 404, 406 eine Isolierung wie z. B. eine äußere/Oberflächen- oder etwas innere schwingungsverhindernde Isolierschicht.
In einer noch anderen Ausführungsform sind die Komponenten 404, 406 durch ein Material wie z. B. ein Fluid getrennt, das eine Übertragung von Ultraschallschwingungen von dem Horn zu dem Formgebungswerkzeug unterbindet. In einer speziellen Ausführungsform wirkt das Material auch als ein Schmiermittel (z. B. ein fluidisches oder trockenes/festes Schmiermittel) zwischen den Komponenten 404, 406, das eine relative Bewegung zwischen den beiden 404, 406 erleichtert (z. B. 6, 7, 8, 10 und 15). In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform umfasst die Anordnung eine oder mehrere Dichtungen, um das Trennmaterial zu umhüllen und es zwischen den Komponenten 404, 406 zu halten.
Wie referenziert, können beliebige der Aktivitäten durch automatisierte Maschinen wie z. B. Roboter ausgeführt, initiiert oder anderweitig erleichtert werden. Was z. B. die durch 6 angezeigte Aktivität betrifft, kann ein Roboter (nicht im Detail gezeigt) ausgestaltet und angeordnet (z. B. mit der Schulter 404 verbunden) sein, um das Senken der Schulter 404 zu steuern. Der Roboter kann automatisiert oder durch eine Automatisierung gesteuert sein, die z. B. in einem Computer oder einem anderen elektronischen Controller (nicht gezeigt) eingebaut ist.
Der Controller umfasst in einer Ausführungsform eine/n konkrete/n, computerlesbare/n Speichervorrichtung oder Speicher. Der Speicher ist mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen oder einem Code programmiert (d. h. er speichert diese), welche/r, wenn sie/er von einem Prozessor wie z. B. einem Prozessor des Controllers ausgeführt wird/werden, bewirkt/en, dass der Prozessor eine Bewegung des Formgebungswerkzeuges 404 initiiert und steuert.
Der Controller steuert eine Abwärtsbewegung des Formgebungswerkzeuges 404, eine Gesamtstrecke oder -verschiebung der Bewegung und eine Geschwindigkeit oder Rate einer Verschiebung und Richtung (z. B. nach unten oder nach oben).
In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform wird zumindest eine Bewegung zumindest eines von dem Formgebungswerkzeug 404 und dem Horn 406 manuell gesteuert. Eines oder beide können z. B. durch eine Bewegung gesteuert werden, die durch Menschenkraft – z. B. Kraft von Personal in einer Produktionsanlage – initiiert wird.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf die Figuren zeigt 7 durch einen Pfeil eine Ausführungsform, in der, wie oben referenziert, entweder das Formgebungswerkzeug 404 in Bezug auf das Horn 406 und das nahegelegene Werkstück 104 bewegt wird, oder beide Werkzeuge 404, 406 zusammen in Bezug auf das Werkstück 104 bewegt werden.
Die Formgebungswerkzeug-Bewegung ist durch den gedrehten Pfeil 700 angezeigt. Das Rotieren, wie mit allen Werkzeugbestückungs 400-Robotern oder anderen automatisierten Maschinen und einem Controller, wie oben bezüglich des Senkens des Formgebungswerkzeuges 404 zu dem nahegelegenen Werkstück 104 referenziert.
In einer Ausführungsform wird eine Rotation des Formgebungswerkzeuges 404 gestartet, nachdem das Werkstück in Kontakt mit dem nahegelegenen Werkstück 104 gebracht worden ist. In einer anderen Ausführungsform wird die Rotation gestartet, bevor das Formgebungswerkzeug 404 zum ersten Mal mit dem Werkstück 104 in Kontakttritt.
Während eine Spitze 702 des Formgebungswerkzeuges 404 in den 4 und 6-15 schematisch mit einem quadratischen Profil gezeigt ist, können die Spitzen eine beliebige geeignete Form aufweisen, um die Funktionen auszuführen und die Ziele zu erreichen, die hierin beschrieben sind. Anstatt das gezeigte quadratische Profil aufzuweisen, sind die Spitzen in einer Ausführungsform spitzer (nicht im Detail gezeigt). In einer Ausführungsform ist der Punkt durch eine abgewinkelte Linie gebildet, die auf eine vertikale Seite des Formgebungswerkzeuges trifft, um den Punkt zu bilden, oder durch zwei abgewinkelte Linien, die sich treffen, um den Punkt zu bilden.
Das Werkzeug 404 ist ausgestaltet (z. B. Größe, Form und Material) und wird verwendet, um das nahegelegene Werkstück 104 wunschgemäß gemäß den anwendbaren tribologischen Prinzipien zu formen oder zu formen und zum Schmelzen zu bringen.
In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform weist das Formgebungswerkzeug 404 eine oder mehrere Unstetigkeiten an seiner unteren Kante auf. Die untere Kante kann z. B. scharfe Vorsprünge und/oder Ausnehmungen oder Spalte umfassen. Die Anordnung könnte in einigen Fällen Zähne wie z. B. Zähne einer Säge bilden. Das Werkzeug 404 kann ein oder mehrere Merkmale analog zu einem/r kreisringförmigen Schneider, Bohrer oder Oberfräse umfassen oder aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst das System ein Werkstückentfernungs-Untersystem (nicht im Detail gezeigt). Das Untersystem ist ausgestaltet und benachbart des Werkzeuges 404 und des nahegelegenen Werkstückes angeordnet, um das verdrängte Werkstückmaterial (z. B. abgeschnittenes oder abgekratztes, aber nicht zum Schmelzen gebrachtes Werkstückmaterial) von dem Werkzeug 404 und dem Stück 104 weg zu bewegen. Das Untersystem kann z. B. Überdruck- und/oder Unterdruck-Luftströmungselemente wie z. B. ein fokussiertes Gebläse und/oder Saug- oder Vakuumelemente umfassen.
In einer Ausführungsform wird das Formgebungswerkzeug 404 gesenkt, während es rotiert. Durch diese Bewegung in zwei Richtungen schneidet oder kratzt das Formgebungswerkzeug 404 zumindest anfänglich Werkstückmaterial weg, wenn es in Kontakt mit dem Werkstück 104 gesenkt wird.
Wie vorgesehen, wird das Formgebungswerkzeug 404 in einer Ausführungsform auf das nahegelegene Werkstück 104 mit einer Kraft gesenkt, die ausreicht, um einen Eindruck oder eine Vertiefung in dem Werkstück herzustellen, ohne oder zumindest vor irgend einer Rotation des Werkzeuges. In einem in Erwägung gezogenen Fall ist das Werkzeug 404 ausgestaltet, angeordnet und wird an einem anfänglichen Kontakt mit dem Werkstück 104 vorbei bewegt, um ohne Werkzeugrotation den Eindruck oder Schlitz – z. B. den in 7 gezeigten Schlitz 704 – zu bilden. In einer anderen in Erwägung gezogenen Ausführungsform ist das Formgebungswerkzeug 404 ausgestaltet, angeordnet und wird betätigt, um den Schlitz 704 dadurch zu bilden, dass solch ein Druck angewendet wird, während das Werkzeug 404 zumindest ein geringes Niveau an Wärme aussendet.
Das Formgebungswerkzeug 404 kann ein beliebiges von vielerlei Materialien umfassen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Technologie abzuweichen. In einer Ausführungsform besteht das Werkzeug 404 aus Stahl oder einem anderen Metall. Allgemein umfasst das Formgebungswerkzeug 404 ein Material, das härter ist als das des nahegelegenen Werkstückes 104.
Mit Bezugnahme auf die Figuren fortsetzend, wie vorgesehen, zeigt 7 die Anordnung 400, nachdem das Formgebungswerkzeug 404 gemäß beschriebenen Ausführungsformen verwendet worden ist, um den Schlitz 704 zu erzeugen.
Der Schlitz 704 weist eine Form auf, die einer Ausgestaltung zumindest des Formgebungswerkzeuges 404 entspricht. Beispielsweise wird in Ausführungsformen, in denen das Werkzeug 404 ein kreisringförmiges oberes Profil aufweist, wie das in 5 gezeigte, der resultierende Schlitz 704 ein ähnliches Profil aufweisen.
Die Aktivität umfasst, dass das Formgebungswerkzeug 404 weiter rotiert und gesenkt wird. Das Werkzeug wird bis zu einer erwünschten Tiefe oder vertikalen Verschiebung gesenkt.
Während das Formgebungswerkzeug 404 weiter rotiert und gesenkt wird, beginnt sich das Werkstück 104 infolge der Reibung lokal zu erwärmen. In einigen Ausführungsformen wird das Werkstück 104 in diesem Stadium soweit erwärmt, dass das Werkstück 104 zu schmelzen beginnt. Die durch Reibung erzeugte Materialschmelze ist in 8 durch die Bezugsziffer 800 bezeichnet.
Das Ausmaß an Reibung, das erforderlich ist, um ein Werkstück 104-Schmelzen zu bewerkstelligen, entspricht proportional einem Schmelzpunkt des Werkstückes 104. Es wäre relativ wenig Reibung für ein Werkstück mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt erforderlich. In einer Ausführungsform weist/en eines oder beide von den Werkstücken 104, 106 einen Schmelzpunkt zwischen etwa 150° und 300°C auf. Die Werkstückmaterialien 104, 106 sind nachfolgend weiter beschrieben.
Es sind verschiedene System- und Betriebseigenschaften festgelegt, um erwünschte Ergebnisse zu erzielen. Die Eigenschaften können einander in verschiedenartiger Weise beeinflussen. Zum Beispiel wird eine Menge von durch Reibung erzeugter Materialschmelze 800, die erzeugt wird, durch Variablen einschließlich der Tiefe oder Verschiebung, bis zu der das Werkzeug 400 gesenkt wird, während es rotiert, das/die Werkzeug 404-Material und -Form/Geometrie (z. B. Härte, ob gezahnt etc.), das Werkstück 104-Material (z. B. Schmelzpunkt und thermische Leitfähigkeit), die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug gesenkt wird, etc., beeinflusst.
Und eine Zeitspanne, in der das Werkzeug 404 gesenkt und rotiert wird, kann von der Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug rotiert wird, dem/der Werkzeug 400-Material und -Form/Geometrie (z. B. Härte, ob gezahnt etc.), dem Werkstück 104-Material (z. B. Schmelzpunkt und thermische Leitfähigkeit), der Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug gesenkt wird, einer Menge von Werkstückmaterial 104, die zu entfernen und zum Schmelzen zu bringen erwünscht ist, einer erwünschten Ausgestaltung (z. B. Größe und Form) jeglicher erwünschten reibungsinduzierten Schweißlinse etc., abhängen. Für Fachleute werden bei der Umsetzung der hierin gelehrten Technologie andere derartige Beziehungen offensichtlich werden.
Wie in 8 gezeigt, kann das Werkstück die ganze Strecke bis zu einer Grenzfläche 802 zwischen den Werkstücken 104, 106 hinunter schmelzen. Wenn es heiß genug ist, kann das zum Schmelzen gebrachte Material 800 des nahegelegenen Werkstückes ein Schmelzen des oberen Oberflächenmaterials des distalen Werkstückes 106 initiieren.
Selbst wenn das zum Schmelzen gebrachte Material 800 des nahegelegenen Werkstückes nur gerade die Grenzfläche erreicht und in Kontakt mit der Oberfläche des distalen Werkstückes 106 tritt, wird eine reibungserzeugte Schweißnaht 800 gebildet, welche die Werkstücke 104, 106 fügt.
8 zeigt auch einen anschließenden Schritt zum Zurückholen des Formgebungswerkzeuges 404 von dem nahegelegenen Werkstück 104. Das Zurückholen ist durch den nach oben gerichteten Pfeil 801 angezeigt.
9 zeigt die Anordnung 400, nachdem der Schlitz 704 gebildet worden ist (7) und das Formgebungswerkzeug 404 zurückgezogen ist (8).
10 zeigt die Anordnung 400 nach der Aktivität von 8 und zeigt durch den Pfeil 1000 eine anschließende Aktivität an, bei der das Ultraschall-Schweißhorn 406 gesenkt wird, um mit dem nahegelegenen Werkstück 104 in Kontakt zu treten, wie in 11 gezeigt.
Das Horn 406 kann gesenkt und die anschließende Ultraschallschweißung (11) bei einem beliebigen von verschiedenen Zeitabläufen in Bezug auf das Werkzeug 404 begonnen werden, das seine Arbeit auf dem/den Werkstücke/n abschließt. In einer Ausführungsform wird das Horn 406 z. B. in Kontakt mit dem nahegelegenen Werkstück 104 gesenkt, während das Werkzeug 404 noch rotiert und in Kontakt mit dem/den Werkstück/en steht. In einem anderen Fall wird das Horn 406 in Kontakt mit dem Werkstück 104 gesenkt, unmittelbar nachdem das Werkzeug 404 aufgehört hat, zu rotieren, und dabei ist, angehoben zu werden. In einem anderen Fall wird das Horn 406 in Kontakt mit dem Werkstück 104 gesenkt, während das Werkzeug 404 dabei ist, angehoben zu werden oder nachdem das Werkzeug 404 angehoben worden ist.
In einem in Erwägung gezogenen Fall (nicht im Detail gezeigt) wird das Horn 406 in Kontakt mit dem Werkstück 104 gesenkt, bevor das Werkzeug 404 anfängt, an der ersten Stelle zu rotieren. Das Horn 406 kann z. B. mit dem Werkzeug 404 in 6 gesenkt werden und bleibt in den durch die 7 und 8 gezeigten Schritten unten.
Sobald das Horn 406 in Kontakt mit dem nahegelegenen Werkstück 104 steht, regt ein mit dem Horn 406 verbundener Ultraschallgenerator Hochfrequenz(HF)-Ultraschallschwingungen an. Die Schwingungen werden durch das Horn 406 hindurch zu dem nahegelegenen Werkstück 104 geleitet, wie durch die Bezugsziffer 1200 in 12 angezeigt ist.
Wenn das Werkstück 104 die Schwingungen 1100 aufnimmt, erzeugt die Anregung Wärme in dem Werkstück, die bewirkt, dass das Werkstück 104 schmilzt, 1202, wie in 12 ebenfalls gezeigt ist. Wie vorgesehen, weist/en in einer Ausführungsform eines oder beide von den Werkstücken 104, 106 einen Schmelzpunkt zwischen etwa 150° und 300°C auf.
Sobald das Formgebungswerkzeug 404 aufhört, zu rotieren, wird die durch das Werkzeug 404 verursachte Erwärmung des/der Werkstücke/s naturgemäß aufhören. Wenn ein kleines Zeitfenster zwischen dem Aufhören des Werkzeuges 404 und der Anwendung von Ultraschallschwingungen vorhanden ist, werden die reibungserzeugte Materialschmelze 800 und umgebendes Werkstückmaterial naturgemäß etwas abkühlen. Wenn das Fenster kleiner ist, werden die reibungserzeugte Materialschmelze 800 und umgebendes Werkstückmaterial weniger abkühlen.
In jedem Fall ist es meistens bevorzugt, selbst wenn nicht geplant ist, dass die durch das Werkzeug erzeugte Reibung irgendeine Materialschmelze erzeugt, dass das Fenster klein genug ist, um sicherzustellen, dass etwas Wärme in dem/den Werkstück/en bleibt, wenn der Ultraschall gestartet wird. Das Vorerwärmen hat verschiedene Vorteile. Ein Hauptvorteil besteht darin, dass weniger Ultraschallenergie erforderlich sein wird, um das Werkstückmaterial unter dem Horn 406 zum Schmelzen zu bringen. Das Vorerwärmen hat Einsparungen von Energie in diesem Stadium zur Folge, und die Ultraschall-Besonderheiten können für eine kürzere Zeitperiode verwendet werden, als gäbe es kein Vorerwärmen.
In einer Ausführungsform ist das Horn 406 ausgestaltet (z. B. durch Gewicht oder Federbelastung) und/oder gesteuert, um während des Schweißens eine Abwärtskraft auf dem Werkstück 104 anzuwenden. Wenn die Werkstücke infolge der Ultraschallschwingungen schmelzen, senkt sich somit das Horn 406 etwas.
13 zeigt die Anordnung nach der Aktivität von 12, nachdem eine hinreichende Schweißung ausgeführt wurde, um zu bewirken, dass das durch Schwingung zum Schmelzen gebrachte Werkstückmaterial 1202 beginnt, jeglichen Raum 704 zu füllen, der durch das Formgebungswerkzeug 404 geschaffen wurde. Für Ausführungsformen, in denen die durch Rotation des Formgebungswerkzeuges 404 erzeugte Reibung eine Materialschmelze 800 geschaffen hat, trifft das wachsende durch Schwingung zum Schmelzen gebrachte Material 800 letztlich auf das durch Reibung zum Schmelzen gebrachte Material 800 oder verbindet sich damit, wie in 13 gezeigt.
Wenn das durch Schwingung zum Schmelzen gebrachte Material 1202 genug mit Energie beaufschlagt (z. B. erwärmt ist), kann das Material 1202 jegliches abgekühlte durch Reibung zum Schmelzen gebrachte Material 800 erwärmen und jegliches davon 800 wieder zum Schmelzen zu bringen, wenn es abgekühlt wäre und/oder bewirken, dass jegliches Werkstückmaterial benachbart des zuvor zum Schmelzen gebrachten Materials 800 schmilzt.
In einigen Ausführungsformen wird eine einzige robuste Schweißnaht 1400 gebildet, wie in 14 gezeigt ist. Wie in 14 ebenfalls gezeigt, beginnt, wenn das Ultraschallschweißen fortgesetzt wird, geschmolzenes Werkstück 104-Material im Wesentlichen den Großteil des durch die Aktivität (7) des Formgebungswerkzeuges 404 gebildeten Raumes 704 zu füllen. Wie ebenfalls in 14 gezeigt ist, erreicht die Materialschmelze die Grenzfläche 1400 zwischen den Teilen 104, 106, um die Schweißverbindung zu bilden.
15 zeigt die Anordnung nach dem Abschluss der Schweißung und eine Rückholaktion, angezeigt durch den Aufwärtspfeil 1500, des Ultraschallschweißgeräts von den gefügten Werkstücken.
Für Ausführungsformen, in denen eine vollständig flache resultierende Oberfläche erwünscht ist, hat der beschrieben Prozess optimalerweise eine bearbeitete (erwärmte und abgekühlte) Materialoberfläche 1502 zur Folge, die im Wesentlichen bündig mit dem benachbarten, nicht bearbeiteten Material 1504 ist, wie in 15 gezeigt ist. Für diese und jede Ausführungsform wird eine gewünschte kosmetische Qualität des resultierenden Produkts erreicht.
Der Schweißprozess ist ausgestaltet, um die erwünschte resultierende Oberflächengüte zu bilden. Beispielhafte Variablen umfassen z. B. eine Form und Größe des Horns 406, ein Niveau angewendeter HF-Schwingung, eine Zeitspanne, in der die Schweißenergie angewendet wird, eine Abwärtskraft des Horns und eine resultierende Abwärtsverschiebung des Horns beim Schweißen.
In der in Erwägung gezogenen Ausführungsform, die oben beschrieben ist und in der sich das Horn 406 während des Schweißens nach unten bewegt, sind die Variablen so ausgestaltet, dass gewünschte die Endoberfläche, z. B. die erwähnte bündige Oberflächengüte, gebildet wird. Das Horn 406 könnte während des Schweißens einen Leerraum schaffen, den eine kleine Menge von überschüssigem Werkstück 104-Material füllen würde, wenn das Horn zurückgeholt wird, wie durch den Pfeil 1500 in 15 angezeigt ist.
III. Verschiedene Besonderheiten der Technologie
Einige, aber nicht alle, der Vorteile, Vorzüge, Motivationen und Ergebnisse der vorliegenden Technologie sind oben beschrieben, und einige, aber nicht alle davon, sind in diesem Abschnitt beschrieben.
Hybrid-Reib- und Ultraschall-Fügeverfahren zum Erreichen von qualitativ hochwertigen Schweißnähten beim Fügen mehrerer faserverstärkter polymerer Verbundwerkstoffe.
Die Vorteile umfassen eine reduzierte Zykluszeit und verbesserte Prozesseffizienz, Zykluszeit und Fügestellen-Qualität.
Es wird Zeit eingespart und somit die Prozesseffizienz erhöht, beispielsweise indem die Notwendigkeit vermieden wird, unerwünschtes unter der Oberfläche geschmolzenes oder zum Schmelzen gebrachtes und abkühlendes oder abgekühltes Werkstückmaterial – z. B. zum Schmelzen gebrachtes Werkstückmaterial, das unerwünschterweise über der Oberfläche 1504 vorhanden ist, zu entfernen.
Es wird auch Zeit eingespart und die Prozesseffizienz erhöht, da Wärme in dem Werkstück infolge der – z. B. Reibung, die durch das Formgebungswerkzeug auf dem Werkstück verursacht wird, erzeugt wird. Es ist somit weniger Energie erforderlich, um das Werkstückmaterial, das sich benachbart des durch Reibung vorerwärmten Materials befindet, durch Ultraschall zum Schmelzen zu bringen, unabhängig davon, ob das reibungserwärmte Material infolge der Reibung geschmolzen wird oder bleibt – solange das reibungserwärmte Material über eine Basistemperatur (z. B. Raum-, Raum- oder Umgebungstemperatur) erwärmt wird, bei der sich das Werkstückmaterial ohne Anwendung der Reibung befinden würde.
Somit ist die Ultraschallschweißstufe allgemein verglichen mit der Zeit verkürzt, die ohne die reibungsinduzierte Vorerwärmung notwendig wäre. Es wird auch Energie, z. B. elektrische Energie eingespart, da eine notwendige Menge an Ultraschallenergie reduziert ist, wenn das Werkstück vorerwärmt ist.
Es könnte auch Zeit durch die HF-Schwingungs- und Wärmekanalisierung eingespart werden, die durch selektives Entfernen von Werkstückmaterial verursacht wird. Die von dem Horn abgegebenen Hochfrequenz(HF)-Schwingungen und die resultierende Wärme könnten schneller durch das primäre Material unter dem Horn zu einer Grenzfläche zwischen den Werkstücken, die gefügt werden, kanalisiert werden, als wenn das benachbarte Werkstückmaterial nicht entfernt worden wäre.
Es ist auch die Fügestellen-Qualität, unter anderem die Integrität oder Robustheit, verbessert. Gemäß den vorliegenden Technologien werden gebildete Verbindungen oder solche, die gebildet werden, nicht durch die herkömmliche Notwendigkeit beschädigt, unerwünschtes Werkstückmaterial zu entfernen. Es besteht somit keine Gefahr, einen abkühlenden oder abgekühlten Oberflächenabschnitt durcheinanderzubringen und so die kosmetische Qualität zu vermindern.
Die resultierende Schweißverbindung ist auch größer als die Schweißnaht sein würde, wenn sie mit dem/der gleichen Horn und Ultraschallenergie gebildet würde und keine Vor-Reibungsformgebung durchgeführt würde.
Das Vermeiden der Notwendigkeit, Material zu entfernen, beseitigt auch die Gefahr, ein Gleichgewicht des abkühlenden oder abgekühlten Materials benachbart des zusätzlichen Materials zu beeinflussen. Wie erwähnt, besteht bei herkömmlichen Systemen ein Risiko, indem ein Oberflächenabschnitt des abkühlenden oder abgekühlten Materials z. B. durch grobes Entfernen des Überschusses (z. B. Abschlagen an ausgehärtetem Material) durcheinander gebracht wird, dass sich Effekte durch das Werkstück hindurch übertragen könnten, um auch eine Integrität der Schweißnaht durcheinanderzubringen und gegebenenfalls die Kosmetik des resultierenden Produkts zu beeinflussen.
Die Vorteile machen das Schweißen in einer Montageumgebung viel kostensparender und die Fertigung von leichtgewichtigen Teilen und Produkten (z. B Fahrzeugen) kostensparender und haben bessere Produkte zur Folge.
IV. Schluss
Hierin sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon ausgeführt sein können. Wie hierin verwendet, beziehen sich z. B. „exemplarisch” und ähnliche Ausdrücke weitgehend auf Ausführungsformen, die als ein/e Veranschaulichung, Probeexemplar, Modell oder Muster dienen.
Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Elemente können übertrieben oder stark verkleinert sein, um z. B. Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die vorliegende Offenbarung unklar wird. Aus diesem Grund sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend, sondern rein als eine Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis zur Belehrung von Fachleuten zu interpretieren.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind rein exemplarische Illustrationen von Anwendungen, welche für ein klares Verständnis der Prinzipien der Offenbarung dargelegt sind. Es können Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Alle derartigen Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen sind hierin von dem Schutzumfang dieser Offenbarung und den folgenden Ansprüche umfasst.

Claims

Hybrid-Formgebungs- und -Energiebeaufschlagungssystem zur Verwendung beim effizienten Zusammenfügen mehrerer Werkstücke einer Werkstückanordnung, während der Einbruch von Schweißmaterial in einen oder mehrere unerwünschte Bereiche der Anordnung unterbunden wird, umfassend, dass: ein Formgebungswerkzeug, welches ausgestaltet ist, um zumindest eine Ausnehmung in einem nahegelegenen der zu fügenden Werkstücke zu bilden; und einen Schweißenergie-Applikator, der mit dem Formgebungswerkzeug verbunden und ausgestaltet ist, um Schweißenergie auf das nahegelegene Werkstück anzuwenden; wobei die Ausnehmung gebildet und Schweißenergie angewendet wird, sodass eine Werkstückmaterialschmelze innerhalb der Ausnehmung angeordnet wird, um dadurch die Bildung von Schweißmaterial in den unerwünschten Bereichen zu unterbinden.
System nach Anspruch 1, wobei das Formgebungswerkzeug um den Schweißenergie-Applikator herum angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Formgebungswerkzeug und der Schweißenergie-Applikator eine relative Bewegungsbeziehung aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche daraus besteht, dass: das Formgebungswerkzeug ausfahrbar und zurückziehbar in Bezug auf den Schweißenergie-Applikator ist; und der Schweißenergie-Applikator ausfahrbar und zurückziehbar in Bezug auf das Formgebungswerkzeug ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine automatische maschinelle Einrichtung, die eine oder mehrere Funktionen des Systems steuert.
System nach Anspruch 1, wobei das Formgebungswerkzeug von dem Schweißenergie-Applikator beabstandet ist und ein dazwischentretender Spalt definiert ist, wenn der Schweißenergie-Applikator zum Anwenden von Ultraschallschwingungen positioniert ist, um eine Übertragung von Schwingungen von dem Schweißenergie-Applikator auf das Formgebungswerkzeug zu unterbinden.
System nach Anspruch 1, wobei das System eine Isoliereigenschaft aufweist, die aus einer Gruppe gewählt ist, welche daraus besteht, dass: das Formgebungswerkzeug eine Isolierschicht umfasst, um eine Übertragung von Schwingungen von dem Schweißenergie-Applikator auf das Formgebungswerkzeug zu unterbinden; der Schweißenergie-Applikator eine Isolierschicht umfasst, um eine Übertragung von Schwingungen von dem Schweißenergie-Applikator auf das Formgebungswerkzeug zu unterbinden; und das System ein dazwischentretendes Material umfasst, das zwischen dem Formgebungswerkzeug und dem Schweißenergie-Applikator positioniert ist, wenn der Schweißenergie-Applikator zum Anwenden von Ultraschallschwingungen positioniert ist, und ausgestaltet ist, um eine Übertragung von Schwingungen von dem Schweißenergie-Applikator auf das Formgebungswerkzeug zu unterbinden.
Verfahren zum effizienten Zusammenfügen mehrerer Werkstücken einer Werkstückanordnung, während ein Einbruch von Schweißmaterial in einen oder mehrere unerwünschte Bereiche der Anordnung unterbunden wird, umfassend, dass: unter Verwendung eines Formgebungswerkzeuges eines Hybrid-Formgebungs- und -Energiebeaufschlagungssystems zumindest eine Ausnehmung in einem nahegelegenen der zu fügenden Werkstücke gebildet wird; und unter Verwendung eines Schweißenergie-Applikators eines Hybrid-Formgebungs- und -Energiebeaufschlagungssystems Schweißenergie auf das nahegelegene Werkstück angewendet wird; wobei die Ausnehmung gebildet und Schweißenergie angewendet wird, sodass eine Werkstückmaterialschmelze innerhalb der Ausnehmung angeordnet wird, um dadurch die Bildung von Schweißmaterial in den unerwünschten Bereichen zu unterbinden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei: Sich beim Bilden der Ausnehmung unter Verwendung des Formgebungswerkzeuges Material des nahegelegenen Werkstückes erwärmt und das nahegelegene Werkstück teilweise zum Schmelzen bringt; das Anwenden bei einer Schweißaktivität ausgeführt wird; und das Erwärmen und Zum-Schmelzen-Bringen des nahegelegenen Werkstückes einen Ultraschallschweißvorgang erleichtert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Werkzeug und der Applikator gemäß einer Art und Weise ausgestaltet, angeordnet und gesteuert sind, die aus einer Gruppe gewählt ist, welche daraus besteht, dass: sie ausgestaltet, angeordnet und gesteuert sind, sodass eine Aktivität des Schweißenergie-Applikators, um Schweißenergie anzuwenden, nach einem Beginn einer Aktivität des Formgebungswerkzeuges, um Wärme in dem Werkstück durch Reibung zu erzeugen, begonnen wird; sie ausgestaltet, angeordnet und gesteuert sind, sodass eine Aktivität des Schweißenergie-Applikators, um Schweißenergie anzuwenden, vor einem Beginn einer Aktivität des Formgebungswerkzeuges, um Wärme in dem Werkstück durch Reibung zu erzeugen, begonnen wird; sie ausgestaltet, angeordnet und gesteuert sind, sodass eine Aktivität des Schweißenergie-Applikators, um Schweißenergie anzuwenden, nach einem Ende einer Aktivität des Formgebungswerkzeuges, um Wärme in dem Werkstück durch Reibung zu erzeugen, begonnen wird; und sie ausgestaltet, angeordnet und gesteuert sind, sodass eine Aktivität des Formgebungswerkzeuges, um Wärme in dem Werkstück durch Reibung zu erzeugen, nach einem Ende einer Aktivität des Schweißenergie-Applikators, um Schweißenergie anzuwenden, begonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei: das Bilden der Ausnehmung Wärme in dem nahegelegenen Werkstück erzeugt, die das Werkstückmaterial schmilzt; und das Anwenden der Schweißenergie unter Verwendung des Schweißenergie-Applikators gemäß einem Zeitablauf begonnen wird, der aus einer Gruppe von Zeitabläufen gewählt ist, welche besteht aus: nach Beginn des Bildens der Ausnehmung und des Zum-Schmelzen-Bringens des Werkstückes durch Reibung; vor Beginn des Bildens der Ausnehmung und des Zum-Schmelzen-Bringens des Werkstückes durch Reibung; nach dem Ende des Bildens der Ausnehmung und des Zum-Schmelzen-Bringens des Werkstückes durch Reibung; und nach dem Ende des Anwendens der Schmelzenergie unter Verwendung des Schweißenergie-Applikators.