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 bis3 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 Sonotrode1 mit einem Hauptkörper2 und einer Hauptkontaktfläche3 sowie einer ersten Nebenkontaktfläche4 und einer zweiten Nebenkontaktfläche5 . Der Hauptkörper2 ist aus Titan und zylinderförmig. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch Aluminium oder Stahl für den Hauptkörper2 verwendet werden. - Die Hauptkontaktfläche
3 weist eine größte Breite auf, während die zweite Nebenkontaktfläche5 eine kleinste Breite der dargestellten Kontaktflächen3 ,4 und5 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 und5 bilden einen oberen Abschluss des Hauptkörpers2 und liegen auf gleicher Höhe, bilden also eine ebene Abschlussfläche der Sonotrode1 . Die Abschlussfläche der Sonotrode1 kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch eine konvexe Krümmung aufweisen, die an ein zu bearbeitendes Bauteil angepasst ist. Die Nebenkontaktflächen4 und5 stehen in unmittelbarem berührendem Kontakt mit der Hauptkontaktfläche3 . Auf einer Oberfläche der Kontaktflächen3 ,4 und5 sind Erhebungen6 angeordnet, die von dem Hauptkörper2 wegweisen und eine ebene Abschlussfläche bilden, also bündig zueinander angeordnet sind. Eine Höhe der Erhebungen6 ist größer als ein Abstand zwischen einzelnen der Erhebungen6 , ansonsten weisen die Erhebungen6 einen gleich großen Abstand zueinander auf. Die Erhebungen6 , die auf mindestens zwei der Kontaktflächen3 ,4 und5 angeordnet sind, laufen durchgehend über die jeweiligen Kontaktflächen3 ,4 oder5 . So erstrecken sich die beiden Erhebungen6 der zweiten Nebenkontaktfläche5 über die Hauptkontaktfläche3 und die erste Nebenkontaktfläche4 . In einer Draufsicht sind die Kontaktflächen3 ,4 und5 kreuzförmig angeordnet, wobei zwei der Arme des Kreuzes, nämlich die durch die erste Nebenkontaktfläche4 und die zweite Nebenkontaktfläche5 gebildeten Arme unterschiedlich breit sind. - In der rechten Hälfte von
1 ist schematisch in einer Schnittansicht ein Einsatz von jeder der Kontaktflächen3 ,4 und5 auf einer Dekorhaut7 für ein Fahrzeuginnenverkleidungsteil gezeigt. Im oberen Teil wird ein stark gekrümmter Bereich mit den Erhebungen6 der zweiten Nebenkontaktfläche5 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 Dekorhaut7 gezeigt. Die vier Erhebungen6 der ersten Nebenkontaktfläche4 können aufgrund einer mittleren Breite der ersten Nebenkontaktfläche4 die Dekorhaut7 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 Hauptkontaktfläche3 und deren zwölf Erhebungen ein ebener Teil der Dekorhaut7 bearbeitet werden. Eine Höhe der Erhebungen6 , die für alle Kontaktflächen3 ,4 und5 gleich ist, ist größer als eine Wandstärke der Dekorhaut7 . - in
2 ist die Sonotrode1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen versehen. Entlang einer Längsachse des Hauptkörpers2 erfolgt eine Ausbreitung von Ultraschallwellen in dem Hauptkörper2 . Ein Ultraschallgenerator ist hierzu an einer den Kontaktflächen3 ,4 und5 gegenüberliegenden Seite der Sonotrode1 angeordnet. Die Kontaktflächen3 ,4 und5 stehen senkrecht auf der Längsachse und somit auch auf der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen in der Sonotrode1 . -
3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die Sonotrode1 , die sich einer Rückseite der Dekorhaut7 von oben nähert. Die Dekorhaut7 wird in einer Form8 gehalten. Die Form8 weist mehrere Kanäle9 auf, durch die ein Unterdruck erzeugt und eine Sichtseite der Dekorhaut7 ortsfest an die Schale8 gesaugt wird. In der Schale befindet sich ein Dekorelement10 , das auf die Dekorhaut7 dauerhaft aufgebracht werden soll. Wenn die Sonotrode1 auf der Rückseite der Dekorhaut7 über dem Dekorelement10 aufsitzt, kann das Dekorelement10 durch ultraschallschweißen mit einer Frequenz von 35 kHz und einer Flächenpressung von 0,4 N/mm2 bis 1,2 N/mm2 mit der Dekorhaut7 verbunden werden, wobei ohne Werkzeugwechsel mit der beschriebenen Sonotrode1 Bereiche unterschiedlicher Krümmung der Dekorhaut7 durch Ultraschallschweißen behandelt werden können. - Lediglich in einzelnen der Ausführungsbeispiele offenbarte Merkmale können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 3935335 C1 [0002]
Claims (10)
- 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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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DE102014210376.2A DE102014210376A1 (de) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Sonotrode zum Ultraschallschweißen |
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DE102014210376A1 true DE102014210376A1 (de) | 2015-12-03 |
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ID=54481321
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DE102014210376.2A Withdrawn DE102014210376A1 (de) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Sonotrode zum Ultraschallschweißen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102014210376A1 (de) |
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DE102022001130A1 (de) | 2022-03-25 | 2023-09-28 | Jonas Münz | Sonotrode sowie Vorrichtung und Verfahren zum Ultraschallschweißen von Stahl |
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DE3935335C1 (de) | 1989-10-24 | 1990-10-31 | Schunk Ultraschalltechnik Gmbh, 6301 Wettenberg, De |
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2014
- 2014-06-02 DE DE102014210376.2A patent/DE102014210376A1/de not_active Withdrawn
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