DE102014210376A1 - Sonotrode zum Ultraschallschweißen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonotrode (1) zum Ultraschallschweißen eines variabel geformten Elements (7) mit einem weiteren Element (10). Die Sonotrode (1) weist einen Hauptkörper (2) auf und eine an dem Hauptkörper (2) angeordnete Hauptkontaktfläche (3) zum Kontaktieren des variabel geformten Elements. Außerdem weist die Sonotrode (1) mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) des Hauptkörpers (2) auf, die an die Hauptkontaktfläche (3) angrenzt. Die Hauptkontaktfläche (3) und die mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) weisen unterschiedliche Breiten auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Ultraschallschweißen und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen mit der Sonotrode.
  • Beim Ultraschallschweißen zum Verbinden mehrerer Werkstücke wird Ultraschall als hochfrequente mechanische Schwingung über eine in Resonanzschwingungen versetzte Sonotrode auf die zu verbindenden Werkstücke geleitet. So offenbart beispielsweise die Druckschrift DE 39 35 335 C1 eine derartige Sonotrode. Bei Werkstücken mit komplizierter Geometrie, beispielsweise Biegungen oder Wölbungen, kann die Sonotrode allerdings bedingt durch ihre Bauart unter Umständen nicht alle Bereiche zum Ultraschallschweißen erreichen bzw. nicht gleichmäßig auf diesen Bereichen aufliegen. In diesen Fällen ist ein Schweißwerkzeugwechsel zu einer anders geformten Sonotrode nötig, was allerdings selbst bei Schnellwechselsystemen zeitaufwändig und kostenintensiv ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen mit der Sonotrode vorzuschlagen, mit denen verschiedene variabel geformte Bauteile miteinander verbunden werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sonotrode nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die Sonotrode zum Ultraschallschweißen eines variabel geformten Elements mit einem weiteren Element weist einen Hauptkörper auf. An dem Hauptkörper ist zum Kontaktieren des variabel geformten Elements eine Hauptkontaktfläche angeordnet sowie angrenzend an die Hauptkontaktfläche mindestens eine weitere Kontaktfläche des Hauptkörpers. Die Hauptkontaktfläche und die mindestens eine weitere Kontaktfläche weisen unterschiedliche Breiten auf.
  • Durch die Sonotrode mit mehreren Kontaktflächen ist es möglich, ohne zeitaufwändigen Wechsel der Sonotrode als Schweißwerkzeug auf verschieden geformten Bereichen und Flächen eines Werkstücks ein weiteres Werkstück mittels Ultraschallschweißens zu befestigen. Durch die unterschiedlich breiten Kontaktflächen liegt die Sonotrode auf verschieden gekrümmten Flächen gleichmäßig auf. Typischerweise handelt es sich bei den Werkstücken um eine Dekorhaut eines Fahrzeuginnenverkleidungsteils und einen Dekoraufsatz.
  • Dadurch, dass mehrere Kontaktflächen mit unterschiedlichen Breiten an der Sonotrode vorgesehen sind, kann eine passende Kontaktfläche je nach Bauteilgeometrie ausgewählt werden. Für stark gekrümmte Bereiche kann eine schmalere Kontaktfläche, also eine Kontaktfläche mit einer geringeren Breite, zum Einsatz kommen, während für schwach gekrümmte Bereiche eine breitere Kontaktfläche eingesetzt werden kann. Durch integration verschiedener Kontaktflächen in einer einzigen Sonotrode wird der Einsatz mehrerer Werkzeuge umgangen und die Sonotrode kann nach einmaligem Justieren benutzt werden.
  • Typischerweise ist die Sonotrode einteilig bzw. einstückig ausgeführt, besteht also nur aus dem Hauptkörper mit daran angeordneten Kontaktflächen. Dies erleichtert eine Einleitung von Ultraschallwellen.
  • Die Hauptkontaktfläche und die mindestens eine weitere Kontaktfläche bilden eine ebene Abschlussfläche der Sonotrode, d. h. sie sind bündig zueinander angeordnet. Hierdurch wird eine einfache Bauform der Sonotrode erreicht, die bei der Handhabung keine Probleme bereitet.
  • Die Hauptkontaktfläche und die mindestens eine weitere Kontaktfläche stehen vorzugsweise in berührendem, d. h. direktem bzw. unmittelbarem Kontakt miteinander, um einen kompakten Aufbau der Sonotrode zu ermöglichen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass an einer Oberfläche der Hauptkontaktfläche und einer Oberfläche der mindestens einen weiteren Kontaktfläche Erhebungen ausgebildet sind. Durch diese Erhebungen können die Ultraschallwellen zielgerichtet und punktgenau auf das zu verschweißende Element gerichtet werden.
  • Die Erhebungen der Hauptkontaktfläche und der mindestens einen weiteren Kontaktfläche können eine ebene Abschlussfläche der Sonotrode bilden, um eine einfache Bauform und Anwendbarkeit zu ermöglichen.
  • Typischerweise sind die Erhebungen mit einer Höhe ausgebildet, die größer ist als eine Wandstärke des zu bearbeitenden variabel geformten Elements. Dies erlaubt es, auch tiefergehende Schweißverbindungen über die Erhebungen zu erzeugen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen einen gleich großen Abstand voneinander aufweisen, wobei ein Abstand zwischen den Erhebungen vorzugsweise kleiner als die Höhe der Erhebungen ist. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Erhebungen wird eine Handhabung der Sonotrode erleichtert und durch einen geringen Abstand eine homogene Ultraschallverteilung erreicht.
  • Die Erhebungen der Hauptkontaktfläche und die Erhebungen der mindestens einen weiteren Kontaktfläche sind als durchgehende Erhebungen ausgestaltet, d. h. die Erhebungen verlaufen von einer der beiden Kontaktflächen ohne Unterbrechung zu der anderen der Kontaktflächen. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Kontaktfläche und der Erhebungen.
  • Typischerweise sind die Hauptkontaktfläche und die mindestens eine weitere Kontaktfläche senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung von Ultraschallwellen im Hauptkörper angeordnet, damit eine von den Ultraschallwellen übermittelte mechanische Energie effizient zu dem zu verschweißenden Element gelangt.
  • Bei einem Verfahren zum Ultraschallschweißen mit der beschriebenen Sonotrode wird das variabel geformte Element durch Vakuumansauger in einer Form gehalten und mittels der Sonotrode über die Hauptkontaktfläche und bzw. oder die mindestens eine weitere Kontaktfläche mit einem weiteren Element verschweißt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Kopfs der Sonotrode sowie schematische Ansichten eines Einsatzes der Sonotrode;
  • 2 eine perspektivische Ansicht der gesamten Sonotrode;
  • 3 eine Schnittdarstellung eines Einsatzes der Sonotrode beim Ultraschallschweißen.
  • 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht in der linken Bildhälfte einen Kopf der Sonotrode 1 mit einem Hauptkörper 2 und einer Hauptkontaktfläche 3 sowie einer ersten Nebenkontaktfläche 4 und einer zweiten Nebenkontaktfläche 5. Der Hauptkörper 2 ist aus Titan und zylinderförmig. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch Aluminium oder Stahl für den Hauptkörper 2 verwendet werden.
  • Die Hauptkontaktfläche 3 weist eine größte Breite auf, während die zweite Nebenkontaktfläche 5 eine kleinste Breite der dargestellten Kontaktflächen 3, 4 und 5 aufweist, in weiteren Ausführungsbeispielen können natürlich auch nur zwei Kontaktflächen mit unterschiedlichen Breiten oder mehr als drei Kontaktflächen mit unterschiedlichen Breiten vorgesehen sein.
  • Die Kontaktflächen 3, 4 und 5 bilden einen oberen Abschluss des Hauptkörpers 2 und liegen auf gleicher Höhe, bilden also eine ebene Abschlussfläche der Sonotrode 1. Die Abschlussfläche der Sonotrode 1 kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch eine konvexe Krümmung aufweisen, die an ein zu bearbeitendes Bauteil angepasst ist. Die Nebenkontaktflächen 4 und 5 stehen in unmittelbarem berührendem Kontakt mit der Hauptkontaktfläche 3. Auf einer Oberfläche der Kontaktflächen 3, 4 und 5 sind Erhebungen 6 angeordnet, die von dem Hauptkörper 2 wegweisen und eine ebene Abschlussfläche bilden, also bündig zueinander angeordnet sind. Eine Höhe der Erhebungen 6 ist größer als ein Abstand zwischen einzelnen der Erhebungen 6, ansonsten weisen die Erhebungen 6 einen gleich großen Abstand zueinander auf. Die Erhebungen 6, die auf mindestens zwei der Kontaktflächen 3, 4 und 5 angeordnet sind, laufen durchgehend über die jeweiligen Kontaktflächen 3, 4 oder 5. So erstrecken sich die beiden Erhebungen 6 der zweiten Nebenkontaktfläche 5 über die Hauptkontaktfläche 3 und die erste Nebenkontaktfläche 4. In einer Draufsicht sind die Kontaktflächen 3, 4 und 5 kreuzförmig angeordnet, wobei zwei der Arme des Kreuzes, nämlich die durch die erste Nebenkontaktfläche 4 und die zweite Nebenkontaktfläche 5 gebildeten Arme unterschiedlich breit sind.
  • In der rechten Hälfte von 1 ist schematisch in einer Schnittansicht ein Einsatz von jeder der Kontaktflächen 3, 4 und 5 auf einer Dekorhaut 7 für ein Fahrzeuginnenverkleidungsteil gezeigt. Im oberen Teil wird ein stark gekrümmter Bereich mit den Erhebungen 6 der zweiten Nebenkontaktfläche 5 in Verbindung gebracht, da diese aufgrund ihrer geringen Breite diesen Bereich kontaktieren kann.
  • Im unteren Teil ist ein Einsatz der ersten Nebenkontaktfläche 4 auf einem mäßig gekrümmten Bereich der Dekorhaut 7 gezeigt. Die vier Erhebungen 6 der ersten Nebenkontaktfläche 4 können aufgrund einer mittleren Breite der ersten Nebenkontaktfläche 4 die Dekorhaut 7 bei mäßiger Krümmung erreichen, nicht jedoch den stark gekrümmten Bereich, der im oberen Teil dargestellt ist.
  • Wie im mittleren Teil der rechten Hälfte von 1 dargestellt, kann mit der breiten Hauptkontaktfläche 3 und deren zwölf Erhebungen ein ebener Teil der Dekorhaut 7 bearbeitet werden. Eine Höhe der Erhebungen 6, die für alle Kontaktflächen 3, 4 und 5 gleich ist, ist größer als eine Wandstärke der Dekorhaut 7.
  • in 2 ist die Sonotrode 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen versehen. Entlang einer Längsachse des Hauptkörpers 2 erfolgt eine Ausbreitung von Ultraschallwellen in dem Hauptkörper 2. Ein Ultraschallgenerator ist hierzu an einer den Kontaktflächen 3, 4 und 5 gegenüberliegenden Seite der Sonotrode 1 angeordnet. Die Kontaktflächen 3, 4 und 5 stehen senkrecht auf der Längsachse und somit auch auf der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen in der Sonotrode 1.
  • 3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die Sonotrode 1, die sich einer Rückseite der Dekorhaut 7 von oben nähert. Die Dekorhaut 7 wird in einer Form 8 gehalten. Die Form 8 weist mehrere Kanäle 9 auf, durch die ein Unterdruck erzeugt und eine Sichtseite der Dekorhaut 7 ortsfest an die Schale 8 gesaugt wird. In der Schale befindet sich ein Dekorelement 10, das auf die Dekorhaut 7 dauerhaft aufgebracht werden soll. Wenn die Sonotrode 1 auf der Rückseite der Dekorhaut 7 über dem Dekorelement 10 aufsitzt, kann das Dekorelement 10 durch ultraschallschweißen mit einer Frequenz von 35 kHz und einer Flächenpressung von 0,4 N/mm2 bis 1,2 N/mm2 mit der Dekorhaut 7 verbunden werden, wobei ohne Werkzeugwechsel mit der beschriebenen Sonotrode 1 Bereiche unterschiedlicher Krümmung der Dekorhaut 7 durch Ultraschallschweißen behandelt werden können.
  • Lediglich in einzelnen der Ausführungsbeispiele offenbarte Merkmale können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 3935335 C1 [0002]

Claims (10)

  1. Sonotrode (1) zum Ultraschallschweißen eines variabel geformten Elements (7) mit einem weiteren Element (10), mit einem Hauptkörper (2) und einer an dem Hauptkörper (2) angeordneten Hauptkontaktfläche (3) zum Kontaktieren des variabel geformten Elements (7), wobei mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) des Hauptkörpers (2) an die Hauptkontaktfläche (3) angrenzt und die Hauptkontaktfläche (3) und die mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) unterschiedliche Breiten aufweisen.
  2. Sonotrode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkontaktfläche (3) und die mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) eine ebene Abschlussfläche der Sonotrode (1) bilden.
  3. Sonotrode (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkontaktfläche (3) und die mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) in berührendem Kontakt miteinander stehen.
  4. Sonotrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Oberfläche der Hauptkontaktfläche (3) und einer Oberfläche der mindestens einen weiteren Kontaktfläche (4, 5) Erhebungen (6) ausgebildet sind.
  5. Sonotrode (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen der Hauptkontaktfläche (2) und der mindestens einen weiteren Kontaktfläche (4, 5) eine ebene Abschlussfläche bilden.
  6. Sonotrode (1) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (6) mit einer Höhe ausgebildet sind, die größer als eine Wandstärke des zu bearbeitenden variabel geformten Elements (7) ist.
  7. Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (6) einen gleich großen Abstand voneinander aufweisen und der Abstand zwischen den Erhebungen (6) vorzugsweise kleiner als die Höhe der Erhebungen (6) ist.
  8. Sonotrode (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (6) der Hauptkontaktfläche (3) und die Erhebungen (6) der mindestens einen weiteren Kontaktfläche (4, 5) als durchgehende Erhebungen (6) ausgestaltet sind.
  9. Sonotrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkontaktfläche (3) und die mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung von Ultraschallwellen im Hauptkörper (2) angeordnet sind.
  10. Verfahren zum Ultraschallschweißen mit einer Sonotrode (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das variabel geformte Element (7) durch ein Vakuumansaugen in einer Form (8) gehalten wird und mittels der Sonotrode (1) über die Hauptkontaktfläche (3) und/oder die mindestens eine weitere Kontaktfläche (4, 5) mit einem weiteren Element (10) verschweißt wird.
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