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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Werkzeugkopf für eine Ultraschallschweißeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Werkzeugkopf ist aus der
WO 89/01384 bekannt. Der bekannte Werkzeugkopf weist eine Sonotrode auf, die zumindest mittelbar mit einer Schwingungseinrichtung gekoppelt ist, die dazu dient, die Sonotrode in Ultraschallschwingungen zu versetzen. Auf der einem Verbindungsbereich zweier Werkstücke zugewandten Seite der Sonotrode weist diese ein separates Element zur Ausbildung einer Arbeitsfläche auf. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Arbeitsfläche, welche in Wirkverbindung mit den Werkstücken angeordnet ist, um die Schwingungen auf die Werkstücke zu übertragen, einem relativ hohen Verschleiß ausgesetzt ist. Bei einer einteiligen Ausbildung von Sonotrode und Arbeitsfläche bedeutet dies, dass die Sonotrode bei entsprechendem Verschleiß entweder komplett ersetzt oder zumindest die Arbeitsfläche entsprechend bearbeitet werden müsste. Daher ist es bei dem aus der genannten Schrift bekannten Werkzeugkopf vorgesehen, das die Arbeitsfläche ausbildende Element aus einem Material auszubilden, das gegenüber dem Grundmaterial der Sonotrode eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist. Weiterhin ist es in der genannten Schrift vorgesehen, dass das die Arbeitsfläche ausbildende Element mit der Sonotrode entweder durch eine Lötverbindung verbunden ist, oder aber in einer Ausnehmung der Sonotrode kraftschlüssig aufgenommen ist. Nachteilig dabei ist, dass es bei beiden Verbindungsarten nicht vorgesehen ist, das Element bei Vorliegen von Verschleiß durch ein neues Element auszutauschen. Insbesondere bei einer Lötverbindung zwischen dem Element und der Sonotrode würde dies beispielsweise das Lösen der Lötverbindung und anschließend ein erneutes Verlöten mit einem neuen Element, und somit einen beträchtlichen Zeitaufwand, bedeuten. Auch eine kraftschlüssige Aufnahme in der Sonotrode ist nicht ohne Weiteres dazu geeignet, einen Austausch des Elements an der Sonotrode zu ermöglichen, insbesondere wenn keine entsprechenden Werkzeugangriffsflächen für das Element vorgesehen sind, an denen das Element mit der erforderlichen Lösekraft mittels eines Werkzeugs aus der Ausnehmung herausgezogen werden kann. Der bekannte Werkzeugkopf hat daher gegenüber dem damals zugrundeliegenden Stand der Technik zwar den Vorteil einer erhöhten Standzeit, jedoch ist nach dem Verschleiß des die Arbeitsfläche ausbildenden Elements ein Austausch sowohl der Sonotrode als auch des Elements erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeugkopf für eine Ultraschallschweißeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass bei der Herstellung von Schweißverbindungen reduzierte Werkzeugkosten durch eine höhere Standzeit der relevanten Komponenten der Ultraschallschweißeinrichtung erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Werkzeugkopf für eine Ultraschallschweißeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das die Arbeitsfläche ausbildende Element und die Sonotrode dazu ausgebildet sind, das die Arbeitsfläche ausbildende Element austauschbar an der Sonotrode zu befestigen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Werkzeugkopfs sowie des die Arbeitsfläche ausbildenden Elements ermöglicht es daher, das Element, nachdem dieses einen entsprechenden Verschleiß aufweist, an der Sonotrode auszutauschen. Dadurch kann die Sonotrode über eine lange Zeitdauer mit verschiedenen Elementen nacheinander eingesetzt werden, so dass sich die Standzeit der Sonotrode erhöht und damit die Werkzeugkosten bezüglich der Herstellung der Schweißverbindungen herabsetzen lassen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfs für eine Ultraschallschweißeinrichtung sind in den Unteransprüchen angeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre ist es vorgesehen, dass das Element mittels wenigstens eines als separaten Bauteil ausgebildeten, mechanischen Befestigungselements mit der Sonotrode verbunden ist. Insbesondere bei einer Ausbildung des separaten Elements als Schraube oder Andrückfeder lassen sich damit relativ hohe Verbindungskräfte zwischen dem Element und der Sonotrode sowie eine relativ einfache Austauschbarkeit des Elements, insbesondere unter Verwendung eines Werkzeugs, erzielen.
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In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre kann es vorgesehen sein, dass das die Arbeitsfläche ausbildende Element mittels Haltemitteln werkzeuglos an der Sonotrode austauschbar ist. Eine derartige Ausgestaltung hat insbesondere den Vorteil einer besonders einfachen Bedienbarkeit bzw. eines besonders einfachen Austauschs des Elements, insbesondere dadurch, dass beispielsweise keine Schraubmomente (bei Verwendung einer Befestigungsschraube) oder ähnliches beachtet werden müssen. Darüber hinaus ermöglicht es eine derartige Ausbildung, das Element in der Regel besonders schnell auszutauschen.
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In einer ersten konstruktiven Ausbildung des zuletzt genannten Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Haltemittel als magnetische oder elektromagnetische Haltemittel ausgebildet sind. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass das Element von einem in der Sonotrode angeordneten Magnetelement angezogen bzw. gehalten ist, oder aber, dass in der Sonotrode eine Elektrospule angeordnet ist, die bei einer Bestromung eine entsprechende Magnetkraft auf das die Arbeitsfläche ausbildende Element ausübt und es dadurch an der Sonotrode hält.
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In alternativer konstruktiver Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass die Haltemittel als pneumatische Haltemittel, insbesondere eine Unterdruckquelle aufweisend, ausgebildet sind.
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In konstruktiver Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass in der Sonotrode eine Aufnahme zur zumindest bereichsweise formschlüssigen Aufnahme des Elements ausgebildet ist, und dass wenigstens eine im Bereich der Ausnehmung ausgebildete Saugöffnung, die zumindest mittelbar in Wirkverbindung mit dem Element angeordnet ist, mit einer Unterdruckquelle verbunden ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, dass das Element einerseits in der Aufnahme formschlüssig aufgenommen ist, d.h. beim Betrieb sich relativ zur Sonotrode nicht bewegt, und andererseits in Folge der formschlüssigen Aufnahme und der Saugöffnung genügend große Haltekräfte auf das Element aufbringbar sind.
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Grundsätzlich ist es bei allen Arten von die Arbeitsfläche ausbildenden Elementen vorgesehen, dass dieses in vorteilhafter Weise als einstückiges Element ausgebildet ist und aus einem einzigen Werkstoff besteht. Eine derartige Ausbildung des Elements ermöglicht insbesondere eine relativ einfache und kostengünstige Herstellung des Elements. Jedoch sind insbesondere auch Beschichtungen an dem Element, insbesondere zur Ausbildung der Arbeitsfläche, denkbar.
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Zur Reduzierung der Masse des Elements sowie der Möglichkeit, einen relativ großen Volumenanteil des Elements während der Betriebsdauer des Elements in Wirkverbindung mit den miteinander zu verbindenden Werkstücken anzuordnen, wenn das Element bereichsweise in einer Aufnahme der Sonotrode aufgenommen ist, kann es vorgesehen sein, dass das Element eine Aussparung aufweist. Die Reduzierung der Masse des Elements ermöglicht es insbesondere in Verbindung mit magnetischen oder elektromagnetischen Haltemitteln, dass die zum sicheren Halten des Elements an der Sonotrode erforderlichen Haltekräfte relativ gering sind. Darüber hinaus kann die Massereduzierung auch zur Anpassung der Schwingungseigenschaften des Elements bzw. der Arbeitsfläche an der Sonotrode verwendet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das die Arbeitsfläche ausbildende Element in Bezug zu einer senkrecht zur Arbeitsfläche verlaufenden Achse zumindest bereichsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Dadurch lassen sich ggf., insbesondere bei Verwendung von pneumatischen Haltemitteln, zusätzliche Abdichtungen zwischen dem die Arbeitsfläche ausbildenden Element und der Aufnahme in der Sonotrode vermeiden. Dies wiederum ermöglicht eine besonders einfache Herstellbarkeit des Werkzeugkopfs bei hinreichend hoher Funktionalität. Insbesondere lassen sich durch ansonsten ggf. erforderliche elastische Dichtungen auftretende unterschiedliche Schwingungseigenschaften zwischen der Sonotrode und dem die Arbeitsfläche aufweisenden Element die Übertragungseigenschaften der Schwingungen auf das Element verbessern.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in: 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Ultraschallschweißeinrichtung,
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2 und 3 jeweils im Längsschnitt vereinfachte Darstellungen eines erfindungsgemäßen Werkzeugkopfs der Ultraschallschweißeinrichtung gemäß 1,
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4a und 4b jeweils Längsschnitte durch unterschiedlich gestaltete Elemente zur Ausbildung einer Arbeitsfläche und
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5a und 5b jeweils Längsschnitte durch unterschiedlich in den Aufnahmen der Sonotrode gehaltenen, die Arbeitsfläche ausbildende Elemente.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist der Werkzeugkopf 10 einer bereichsweise dargestellten Ultraschallschweißeinrichtung 100 gezeigt, der zum Verschweißen zweier, im Ausführungsbeispiel übereinander angeordneter, insbesondere aus Kunststoff bestehender Bauteile 1, 2 dient. Die Ultraschallschweißeinrichtung 100 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Ultraschallerzeuger 11 zum Erzeugen von in Richtung des Doppelpfeils 12 ausgerichteter Schwingungen üblicher beim Ultraschallschweißen verwendeter Frequenzen auf. Der Ultraschallerzeuger 11 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus übereinander gestapelten, nicht dargestellten Piezoelementen ausgebildet, wobei durch Anlegen einer Spannung beispielsweise ein Hub in der Größenordnung zwischen 5µm und 10µm durch den Ultraschallerzeuger 11 erzeugbar ist. In Richtung einer Längsachse 13 des Ultraschallerzeugers 11 schließt sich auf der den Bauteilen 1, 2 zugewandten Seite an den Ultraschallerzeuger 11 ein Übersetzer 14 an, der dazu ausgebildet ist, die von dem Ultraschallerzeuger 11 erzeugten Schwingungen bzw. deren Hub zu über- oder untersetzen. Typischerweise kommen dabei Übersetzungsverhältnisse zwischen 1:0,5 und 1:1,5 in Frage, d.h., dass der Hub der von dem Ultraschallerzeuger 11 erzeugten Schwingungen halbiert oder um ca. 50% erhöht wird.
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An den Übersetzer 14 schließt sich auf der dem Ultraschallerzeuger 11 abgewandten Seite eine Sonotrode 15 an, die im Wesentlichen zylindrisch bzw. stiftförmig, ggf. mit unterschiedlichen Durchmesserbereichen, ausgebildet ist. Die Sonotrode 15 trägt auf der den beiden Bauteilen 1, 2 zugewandten Seite ein Element 16, das auf der den Bauteilen 1, 2 zugewandten Seite eine Arbeitsfläche 17 ausbildet. Die Arbeitsfläche 17 liegt beim Ausbilden einer Ultraschallschweißverbindung an wenigstens einem der Bauteile 1, 2 berührend an, um die Energie von dem Ultraschallerzeuger 11 in die Bauteile 1, 2 einzuleiten. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Element 16 aus einem gegenüber der Sonotrode 15 verschleißfesteren Material besteht, oder aus einem Material, der dem Werkstoff des wenigstens einen Bauteils 1, 2 angepasst ist.
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So ist es beispielsweise denkbar, die Sonotrode 15 aus Stahl zu fertigen, während das Element 16 aus Keramik, Titan oder einer speziellen Stahllegierung besteht. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Sonotrode 15 zur Erzielung guter schwingungstechnischer Eigenschaften aus Titan auszubilden, während das Element 16 aus Stahl oder Keramik besteht. Darüber hinaus besteht das Element 16 insbesondere, wie erläutert, aus einem verschleißfesten Material, wie z.B. HS-Stahl, Keramik, metallischem Glas oder ähnlichen Werkstoffen. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das Element 16 auf der den Bauteilen 1, 2 zugewandten Seite mit einer verschleißfesten Oberfläche (z.B. einer Kohlenstoffschicht, einer nitrierten oder kolsterisierten Schicht usw.) versehen ist.
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Das Element 16 unterliegt während des Ausbildens der Schweißverbindungen an den Bauteilen 1, 2 durch die Anlage an den Bauteilen 1, 2 einem Verschleiß. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, das Element 16 austauschbar an der Sonotrode 15 anzuordnen bzw. auszubilden.
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Hierzu kann es in einer ersten Ausführungsform, die lediglich in der 1 dargestellt ist, vorgesehen sein, dass die Sonotrode 15 auf der dem Element 16 zugewandten Seite mit Haltemitteln 18 ausgestattet ist, die als magnetische oder elektromagnetische Haltemittel 18 ausgebildet sind. So ist es denkbar, dass die Haltemittel 18 beispielhaft einen (Permanent-)Magneten oder aber eine Elektrospule aufweisen, welche jeweils in Wirkverbindung mit dem Element 16 angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist zur Anordnung des Elements 16a, 16b im Bereich der Sonotrode 15 entsprechend der Darstellung der 2 und 3 eine Aufnahme 20a, 20b vorgesehen, die beispielhaft als sacklochförmige Aufnahme 20a, 20b in der Sonotrode 15 auf der den Bauteilen 1, 2 zugewandten Seite ausgebildet ist, wobei das Element 16a, 16b im Bereich der Aufnahme 20a, 20b zumindest im Wesentlichen formschlüssig aufgenommen ist. Die Aufnahme 20a, 20b ist vorzugsweise mit der Längsachse 13 ausgerichtet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist die Aufnahme 20a als zylindrische Ausnehmung ausgebildet, während bei der Ausführungsform gemäß der 3 die Aufnahme 20b einen kegelstumpfförmigen Querschnitt aufweist.
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Sowohl für den Querschnitt der Aufnahme 20a, 20b als auch des Elements 16a, 16b können grundsätzlich verschiedenste Querschnitte verwendet werden. Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Querschnitt des Elements 16a beispielsweise zylindrisch mit N-eckigem Querschnitt, rundem oder ovalem Querschnitt ausgebildet sein. Der Querschnitt des Elements 16b im Bereich der Aufnahme 20b bei der 3 kann ebenfalls im Wesentlichen beliebige Formen annehmen, wobei lediglich vorgesehen ist, dass dieser im Bereich der Aufnahme 20b kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 schließt sich auf der den Bauteilen 1, 2 zugewandten Seite an den kegelstumpfförmigen Abschnitt im Bereich der Aufnahme 20b beispielhaft ein zylindrischer Abschnitt 21 an, der auch die Arbeitsfläche 17 ausbildet.
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Weiterhin kann es entsprechend der 4a und 4b vorgesehen sein, dass das Element 16c, 16d beispielhaft eine sacklochförmige Aussparung 22, 23 aufweist, um insbesondere die Masse des Elements 16c, 16d zu verringern.
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Sowohl bei der 2 als auch bei der 3 sind die jeweiligen Elemente 16a, 16b mittels pneumatischer Haltemittel 25, die insbesondere eine Unterdruckquelle 16 umfassen, in der Aufnahme 20a, 20b gehalten. Hierzu mündet bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 am Grund 27 der Aufnahme 20a im Bereich der Längsachse 13 eine mit der Unterdruckquelle 26 verbundene Saugbohrung. Weiterhin sind zwischen dem Element 16a und der Aufnahme 20a Dichtmittel, beispielsweise in Form von Dichtringen 28, 29 vorgesehen, die beim Anlegen eines Unterdrucks Leckagen zwischen der Außenfläche des Elements 16a und der Aufnahme 20a verhindern bzw. minimieren, derart dass im Idealfall der gesamte Unterdruck zum Halten des Elements 16a in der Aufnahme 20a zur Verfügung steht.
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Das Auswechseln des Elements 16a, 16b aus der Aufnahme 20a, 20b erfolgt werkzeuglos dadurch, dass die Unterdruckquelle 26 ausgeschaltet wird, so dass das Element 16a, 16b entweder alleine durch sein Eigengewicht, oder aber vorzugsweise allein durch manuelles Herausziehen (ohne Werkzeug) aus der Aufnahme 20a, 20b entnommen und durch ein neues Element 16a, 16b ersetzt werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 mit dem Element 16b ist zusätzlich an einer Mantelfläche der Aufnahme 20b ein Vakuumanschluss 31 vorgesehen, der ebenfalls mit der Unterdruckquelle 26 verbindbar ist. Beispielhaft wirkt somit der Unterdruck sowohl an der dem Grund 27 zugewandten Seite des Elements 16b als auch an einer Seitenfläche des Elements 16b.
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Insbesondere wenn entsprechend der Darstellung der 4a und 4b in dem Element 16c, 16d Aussparungen 22, 23 vorgesehen sind, kann die über den Grund 27 der Aufnahme 20a, 20b auf das Element 16c, 16d pneumatisch wirkende Fläche vergrößert werden, so dass ggf. höhere Haltekräfte in der Sonotrode 15 an dem Element 16c, 16d erzielbar sind.
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Bei den beiden Elementen 16e und 16f gemäß den 5a und 5b ist es vorgesehen, die Haltemittel 32 jeweils als separate Bauteile bzw. Befestigungselemente 33, 34 auszubilden. So sind die Befestigungselemente 33 in der 5a als Befestigungsschrauben und die Befestigungselemente 34 in der 5b als Halte- bzw. Andrückfeder ausgebildet, wobei die Befestigungselemente 33, 34 jeweils ein Herausfallen des Elements 16 bzw. 16f aus der Aufnahme 20 verhindern.
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Die soweit beschriebene Ultraschweißeinrichtung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere denkbar, dass die Schwingungen des Ultraschallerzeugers 11 nicht in der durch den Doppelpfeil 12 gezeigten Richtung, sondern als torsionale Schwingungen in die Sonotrode 15 eingebracht werden. Darüber hinaus können auch beispielsweise aus Metall bestehende Bauteile 1, 2 miteinander verbunden werden. Grundsätzlich sollen unter „Ultraschallschweißen“ darüber hinaus sämtliche Verbindungsverfahren unter Verwendung von Ultraschallschwingungen verstanden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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