DE102015101524A1 - Force measurement and control in US based processes - Google Patents

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Guido Strotmann
Sebastian Bleikamp
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur ultraschallbasierten Fertigung beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ein Schwingsystem auf mit zumindest einem Schallwandler zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung, mit einer Sonotrode, über die im Betrieb die Ultraschallschwingung auf ein Werkstück übertragbar ist, und mit einem Booster, der den Schallwandler mit der Sonotrode mechanisch verbindet. Die Vorrichtung weist des Weiteren einen Rahmen auf, an dem das Schwingsystem derart gelagert ist, dass über den Rahmen eine Prozesskraft in das Schwingsystem eingeleitet werden kann. Zumindest ein Kraftsensor ist derart im Schwingsystem oder zwischen Rahmen und Schwingsystem angeordnet, dass die in das Schwingsystem eingeleitete Prozesskraft auf den Kraftsensor wirkt.A device for ultrasound-based production is described. According to one example of the invention, the device has a vibration system with at least one sound transducer for generating an ultrasonic vibration, with a sonotrode, via which the ultrasonic vibration can be transmitted to a workpiece during operation, and with a booster, which mechanically connects the sound transducer to the sonotrode. The device further comprises a frame on which the oscillating system is mounted such that a process force can be introduced into the oscillating system via the frame. At least one force sensor is arranged in the oscillating system or between the frame and the oscillating system such that the process force introduced into the oscillating system acts on the force sensor.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der ultraschallbasierten Fertigungsverfahren, insbesondere Ultraschallschweißen (Bonden). The invention relates to the field of ultrasound-based manufacturing processes, in particular ultrasonic welding (bonding).

Für empfindliche Bauteile, wie dies zum Beispiel für Leistungshalbleitermodule der Fall ist, werden hohe Anforderungen an die eingesetzten Verbindungsprozesse gestellt. Neben einer hohen Wirtschaftlichkeit und damit kurzen Prozesszeiten werden Verfahren eingesetzt, die einen geringen Wärmeeintrag in die Bauteile verursachen. Thermisch empfindliche Bauteile werden dadurch vor Beschädigungen geschützt. Für derart komplexe Anforderungen eignet sich das Ultraschallschweißen, da es sich durch kurze Prozesszeiten und geringen Wärmeeintrag auszeichnet. Die Prozesszeiten können dabei je nach Anwendung auch unter einer Sekunde liegen. Die an der Sonotrode anliegende hochfrequente Schwingung wird auf die Fügepartner übertragen, welche sich anschließend lokal stark erwärmen und sich dadurch verbinden. Die Prozessparameter der heute eingesetzten Ultraschall-Verbindungsprozesse werden im statischen Systemzustand eingestellt. Hierzu zählen im Wesentlichen die Anpresskraft, die normal zur Oberfläche der Fügestelle wirkt, die Amplitude der Ultraschallschwingung und die Prozessdauer. Da die Ultraschallprozesse einer hohen Dynamik unterliegen, ist die Parametereinstellung im statischen Zustand in manchen Anwendungen eine unzureichende Lösung, um reproduzierbare Ergebnisse auch bei komplexen Fügevorgängen zu gewährleisten. Zudem ist eine Anpassung der Prozessparameter, im Speziellen der Anpresskraft, während des Fügeprozesses schwierig. Eine Regelung der Anpresskraft während des Ultraschallprozesses ist nicht möglich. Die Anpresskraft wird in der Folge auch als Prozesskraft bezeichnet. For sensitive components, as is the case, for example, for power semiconductor modules, high demands are placed on the connection processes used. In addition to high efficiency and thus short process times, methods are used which cause a low heat input into the components. Thermally sensitive components are thus protected from damage. For such complex requirements, the ultrasonic welding is suitable, since it is characterized by short process times and low heat input. Depending on the application, the process times can also be under one second. The high-frequency oscillation applied to the sonotrode is transmitted to the joining partners, which then locally heat up strongly and thereby connect. The process parameters of the ultrasound connection processes used today are set in the static system state. These include essentially the contact force, which acts normal to the surface of the joint, the amplitude of the ultrasonic vibration and the duration of the process. Since the ultrasound processes are subject to high dynamics, the static parameter setting is in some applications an insufficient solution to ensure reproducible results even in complex joining processes. In addition, an adaptation of the process parameters, in particular the contact pressure, during the joining process difficult. A regulation of the contact pressure during the ultrasonic process is not possible. The contact force is referred to as process force in the sequence.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, eine Vorrichtung für einen ultraschallbasierten Fertigungsprozess so zu gestalten, dass Prozessparameter wie z.B. die Anpresskraft besser überwacht und bei Bedarf beeinflusst werden können. An object underlying the invention is to design an apparatus for an ultrasound-based manufacturing process such that process parameters such as e.g. the contact pressure can be better monitored and influenced if necessary.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 12 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a device according to claim 1 or by a method according to claim 12. Different embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Es wird eine Vorrichtung zur ultraschallbasierten Fertigung beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ein Schwingsystem auf mit zumindest einem Schallwandler zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung, mit einer Sonotrode, über die im Betrieb die Ultraschallschwingung auf ein Werkstück übertragbar ist, und mit einem Booster, der den Schallwandler mit der Sonotrode mechanisch verbindet. Die Vorrichtung weist des Weiteren einen Rahmen auf, an dem das Schwingsystem derart gelagert ist, dass über den Rahmen eine Prozesskraft in das Schwingsystem eingeleitet werden kann. Zumindest ein Kraftsensor ist derart im Schwingsystem oder zwischen Rahmen und Schwingsystem angeordnet, dass die in das Schwingsystem eingeleitete Prozesskraft auf den Kraftsensor wirkt. A device for ultrasound-based production is described. According to one example of the invention, the device has a vibration system with at least one sound transducer for generating an ultrasonic vibration, with a sonotrode, via which the ultrasonic vibration can be transmitted to a workpiece during operation, and with a booster, which mechanically connects the sound transducer to the sonotrode. The device further comprises a frame on which the oscillating system is mounted such that a process force can be introduced into the oscillating system via the frame. At least one force sensor is arranged in the oscillating system or between the frame and the oscillating system such that the process force introduced into the oscillating system acts on the force sensor.

Des Weiteren wird ein Verfahren zur ultraschallbasierten Fertigung beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Kontaktieren eines Werkstücks mit einer Sonotrode eines Schwingsystems. Das Schwingsystem weist zumindest einen Schallwandler zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung auf, sowie die Sonotrode, über die im Betrieb die Ultraschallschwingung auf das Werkstück übertragen wird, und einen Booster, der den Schallwandler mit der Sonotrode mechanisch verbindet. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Einleiten einer Prozesskraft in das Schwingsystem, welche im Betrieb auf das Werkstück übertragen wird, und das Messen der eingeleiteten Prozesskraft mit Hilfe mindestens von einem Kraftsensor, der derart im oder am Schwingsystem angeordnet ist, dass die in das Schwingsystem eingeleitete Prozesskraft auf den Kraftsensor wirkt. Furthermore, a method for ultrasound-based production is described. According to one example of the invention, the method comprises contacting a workpiece with a sonotrode of a vibration system. The oscillating system has at least one sound transducer for generating an ultrasonic vibration, as well as the sonotrode, via which the ultrasonic vibration is transmitted to the workpiece during operation, and a booster, which mechanically connects the sound transducer to the sonotrode. The method further comprises introducing a process force into the vibratory system, which is transferred to the workpiece during operation, and measuring the introduced process force with the aid of at least one force sensor arranged in or on the vibrating system such that the one introduced into the vibratory system Process force acts on the force sensor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. The invention will be explained in more detail with reference to the examples shown in the figures. The illustrations are not necessarily to scale and the invention is not limited to the aspects presented.

Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt: Rather, emphasis is placed on representing the principles underlying the invention. In the pictures shows:

1 Prinzipieller Aufbau einer Ultraschallschweißapparatur für diverse Anwendungsfälle 1 Basic structure of an ultrasonic welding apparatus for various applications

2 Darstellung eines Boosters mit Kreisringfläche 2 Illustration of a booster with circular ring surface

3 Vorrichtung für Ultraschallfügeprozesse mit angebrachten Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel 3 Device for Ultraschallfügeprozesse with attached sensors according to one embodiment

4 Draufsicht auf eine Ultraschallvorrichtung gemäß 3 mit Anordnung der Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel 4 Top view of an ultrasonic device according to 3 with arrangement of the sensors according to one embodiment

5 Vorrichtung für Ultraschallfügeprozesse mit angebrachten Sensoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel 5 Device for Ultraschallfügeprozesse with attached sensors according to another embodiment

6 Draufsicht auf eine Ultraschallvorrichtung gemäß 4 mit Position der Sensoren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel 6 Top view of an ultrasonic device according to 4 with position of the sensors according to a further embodiment

7 Vorrichtung für Ultraschallprozesse gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit entsprechenden Sensorpositionen 7 Device for ultrasonic processes according to a further embodiment with corresponding sensor positions

8 Vorrichtung für Ultraschallprozesse gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit entsprechender Sensorposition in der Krafteinleitungsachse der Sonotrode 8th Device for ultrasonic processes according to a further embodiment with corresponding sensor position in the force introduction axis of the sonotrode

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung. In the figures, the same reference numerals designate the same or similar components, each having the same or similar meaning.

Ultraschallschweißen ist ein thermisches Fügeverfahren. 1 zeigt anhand einer Skizze den prinzipiellen Aufbau einer Ultraschallschweißvorrichtung. Zum Fügen der beiden Werkstücke 201 und 202 werden diese lokal erhitzt. In der Folge verbinden sich die beiden Fügepartner 201 und 202 (Beispielsweise ein Kontakt-Pad auf einem Leistungselektronik-Substrat und ein Bonddraht) lokal miteinander. Der Energieeintrag in die Fügezone 1 geschieht bei den Ultraschallverfahren durch hochfrequente mechanische Schwingungen. Diese mechanischen Schwingungen werden auf die Fügepartner 201 und 202 übertragen. Die beiden Fügepartner 201 und 202 liegen zumindest teilweise übereinander und werden im Bereich der Fügestelle 1 zwischen Amboss 101 und der Sonotrode 102 durch Ausüben einer definierter Anpresskraft 900 aneinander fixiert. Die Ultraschallvorrichtung kann als eine „Serienschaltung“ von Konverter 104 (z.B. ein Piezo-Aktor), Booster 103 und Sonotrode 102 gemäß den 1 bis 8 ausgeführt sein. Der Konverter wird oft auch als Schallwandler bezeichnet. Diese Einzelkomponenten sind starr miteinander verbunden. In Abhängigkeit der zu fügenden Materialien kommen verschiedenartige Wirkprinzipien zur Anwendung. Diese unterscheiden sich durch die Wirkrichtung 105 der mechanischen Schwingung auf die Fügepartner. Es wird unterschieden in torsionale und longitudinale Wirkrichtung 105 der Sonotrodenschwingung. Die torsionale Sonotrodenschwingung bewirkt eine Torsionsschwingung um die Wirkrichtungsachse 105. Die longitudinale Sonotrodenschwingung wirkt, je nach Anwendungsfall, entweder normal oder parallel zur Oberfläche des oberen Werkstücks 201a. Für Werkstoffe, die sich durch Aufschmelzen mindestens eines Fügepartners verbinden lassen, wie zum Beispiel thermoplastische Kunststoffe, kann einerseits eine longitudinale Sonotrodenschwingung mit Wirkrichtung 105 normal zur Oberfläche des oberen Werkstückes 201a, andererseits eine torsionale Sonotrodenschwingung mit Wirkrichtung 105 parallel zur Oberfläche des oberen Werkstücks 201a verwendet werden. Durch Kompression und Dekompression des Kunststoffs bzw. Reibung zwischen den Fügepartnern erwärmen sich diese und die eingebrachte Energie der mechanischen Schwingung dissipiert zu Wärmeenergie und erwärmt anschließend die Fügezone 1. Dies geschieht unter definiertem Anpressdruck 900. Ultrasonic welding is a thermal joining process. 1 shows a sketch of the basic structure of an ultrasonic welding device. For joining the two workpieces 201 and 202 These are heated locally. As a result, the two joining partners connect 201 and 202 (For example, a contact pad on a power electronics substrate and a bonding wire) locally with each other. The energy input into the joining zone 1 happens in the ultrasonic process by high-frequency mechanical vibrations. These mechanical vibrations are applied to the joining partners 201 and 202 transfer. The two joining partners 201 and 202 lie at least partially on top of each other and are in the area of the joint 1 between anvil 101 and the sonotrode 102 by applying a defined contact pressure 900 fixed together. The ultrasound device can be considered a "series connection" of converter 104 (eg a piezo actuator), booster 103 and sonotrode 102 according to the 1 to 8th be executed. The converter is often referred to as a sound transducer. These individual components are rigidly connected. Depending on the materials to be joined, various principles of action are used. These differ by the effective direction 105 the mechanical vibration on the joining partners. It is distinguished in torsional and longitudinal direction of action 105 the sonotrode vibration. The torsional sonotrode vibration causes a torsional vibration about the direction of action axis 105 , The longitudinal sonotrode vibration acts, depending on the application, either normal or parallel to the surface of the upper workpiece 201 , For materials that can be joined by melting at least one joining partner, such as thermoplastic materials, on the one hand a longitudinal sonotrode vibration with effective direction 105 normal to the surface of the upper workpiece 201 , on the other hand, a torsional sonotrode vibration with effective direction 105 parallel to the surface of the upper workpiece 201 be used. By compression and decompression of the plastic or friction between the joining partners, these heat and the introduced energy of the mechanical vibration dissipates into heat energy and then heats the joining zone 1 , This happens under defined contact pressure 900 ,

Für metallische Fügepartner 201 und 201 wird üblicherweise hingegen eine Sonotrodenschwingung mit Wirkrichtung 105 parallel zur Werkstückoberfläche des oberen Werkstücks 201a verwendet, unabhängig von longitudinaler oder torsionaler Sonotrodenschwingung. Die eingebrachte Energie der mechanischen Schwingung wird bei diesem Anwendungsfall nicht durch innere Reibung erzeugt, wie das bei den Kunststoffen der Fall ist. Bei metallischen Fügepartnern 201 und 202 dissipiert die Energie durch Scherkräfte, die im Bereich der Fügezone 1 zwischen beiden Fügepartnern 201 und 202 entsteht. Dies erfolgt ebenfalls unter Einwirkung einer definierten Anpresskraft 900 (Prozesskraft). For metallic joining partners 201 and 201 is usually a sonotrode vibration with effective direction, however 105 parallel to the workpiece surface of the upper workpiece 201 used, regardless of longitudinal or torsional sonotrode vibration. The introduced energy of the mechanical vibration is not generated in this application by internal friction, as is the case with plastics. For metallic joining partners 201 and 202 The energy dissipates by shear forces in the area of the joining zone 1 between both joining partners 201 and 202 arises. This also takes place under the action of a defined contact pressure 900 (Process force).

Damit die prozessrelevanten Parameter überwacht und, je nach Anwendung, in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes angepasst werden können, bedarf es einer Erfassung der relevanten Größen (z.B. Kräfte), sowie gegebenenfalls zusätzliche Aktoren, um bei Bedarf eventuelle Störungen oder Abweichungen von einem Sollzustand ausregeln können. Die Aktoren können als eine Einheit mit den Sensoren 301 ausgeführt sein und somit direkt an der Messposition regelnd eingreifen, an der auch die Messwerte erfasst werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Manipulator 150 oder ein ähnliches Gerät diese Regelung von Prozessparametern ausführt und somit als Aktor agiert. Der Manipulator 150 als Aktor stellt eine Alternative zu den genannten Sensor-Aktor-Kombinationen 301 dar. Die weiteren 3, 5, 7 und 8 dienen zur Darstellung einiger Ausführungsformen einer solchen Anordnung. Des Weiteren ist es möglich mit ähnlichen Vorrichtungen weitere Fertigungsverfahren zu realisieren. Dazu zählen beispielhaft das ultraschallbasierte Trennverfahren (z.B. Bohren oder Läppen, insbesondere Ultraschallschwingläppen), sowie Reibschweißen. In order for the process-relevant parameters to be monitored and, depending on the application, to be adapted depending on the respective operating state, it is necessary to record the relevant variables (eg forces) and possibly additional actuators in order to be able to compensate for any disturbances or deviations from a desired state if required. The actuators can act as a unit with the sensors 301 be carried out and thus directly intervene directly at the measuring position at which the measured values are recorded. Alternatively, it is also possible that a manipulator 150 or a similar device executes this control of process parameters and thus acts as an actuator. The manipulator 150 Actuator provides an alternative to the aforementioned sensor-actuator combinations 301 dar. The others 3 . 5 . 7 and 8th serve to illustrate some embodiments of such an arrangement. Furthermore, it is possible to realize with similar devices further manufacturing processes. These include, for example, the ultrasound-based separation process (eg drilling or lapping, in particular ultrasonic lapping), as well as friction welding.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ultraschallschweißvorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 wandelt elektrischen Wechselstrom in eine hochfrequente mechanische Schwingung um und wirkt mit dieser Schwingung auf die Werkstücke 201 und 202 ein. Je nachdem welche Materialien miteinander gefügt werden sollen, muss eine entsprechende Wirkrichtung 105 der Schwingung in Bezug auf die Werkstückoberfläche 201a gewählt werden. Diese unterschiedlichen Wirkrichtungen 105 werden in den weiteren Abbildungen erläutert. Die Erzeugung der Schwingung geschieht im Konverter 104 (Ultraschall-Aktor). Dieser umfasst zum Beispiel ein Piezoelement, welches durch eine an dem Piezoelement anliegende Wechselspannung zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird. Diese mechanische Schwingung des Ultraschall-Konverters 104 wird durch starre mechanische Koppelung auf den Booster 103 übertragen, der den Konverter 104 mit einer Sonotrode 102 verbindet und optional eine Verstärkung der Amplitude bewirkt. Der Booster 103 ist als Rotationskörper ausgeführt, um dessen zylindrisch oder kegelförmig ausgeführten Innenkörper 103a ein geschlossener Kreisring 103b angeordnet ist. Der Kreisring 103b ist starr mit dem zylindrischen oder kegeligen ausgeführten Innenkörper 103a verbunden. Aufgabe des Boosters 103 ist es, die kleine Amplitude des Piezoelementes (d.h. des Konverters 104) zu verstärken und auf die Sonotrode 102 zu übertragen, die mit dem Booster 103 ebenfalls mechanisch starr gekoppelt ist. Die Sonotrode 102 ist das Kontaktstück, welches die Schwingung durch definierte Anpresskraft 900 auf die Fügepartner 201 und 202 überträgt. Je nach Ausführung der Vorrichtung 100 kann die Sonotrode 102 zusätzlich dazu verwendet werden, die bereits durch den Booster 103 verstärkte Amplitude abermals zu verstärken. Die Auslegung eines schwingenden Systems, wie es in 1 dargestellt ist kann nur unter Betrachtung des Gesamtsystems 100 erfolgen. Daher ist es zwingend notwendig, dass alle Komponenten entsprechend aufeinander und auf den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt sind, damit die erwünschte Schwingung (in Frequenz und Amplitude) durch die Sonotrode 102 an die Fügestelle 1 abgegeben werden kann. 1 shows the basic structure of an ultrasonic welding device 100 , The device 100 converts alternating electrical current into a high-frequency mechanical vibration and acts with this vibration on the workpieces 201 and 202 one. Depending on which materials are to be joined together, a corresponding effective direction must 105 the vibration with respect to the workpiece surface 201 to get voted. These different directions of action 105 will be explained in the further figures. The generation of the oscillation happens in the converter 104 (Ultrasonic actuator). This includes, for example, a piezoelectric element, which is excited by a voltage applied to the piezoelectric element AC voltage to a mechanical vibration. This mechanical vibration of the ultrasonic converter 104 is due to rigid mechanical coupling to the booster 103 transfer that the converter 104 with a sonotrode 102 connects and optionally causes an amplification of the amplitude. The booster 103 is designed as a rotating body to its cylindrical or conical running inner body 103a a closed circular ring 103b is arranged. The circular ring 103b is rigid with the cylindrical or conical running inner body 103a connected. Task of the booster 103 it is the small amplitude of the piezo element (ie the converter 104 ) and on the sonotrode 102 to transfer that with the booster 103 also mechanically rigidly coupled. The sonotrode 102 is the contact piece, which determines the vibration by defined contact pressure 900 on the joining partners 201 and 202 transfers. Depending on the design of the device 100 can the sonotrode 102 In addition to that already used by the booster 103 amplify amplified amplitude again. The design of a vibrating system, as in 1 can be shown only under consideration of the overall system 100 respectively. Therefore, it is imperative that all components are matched to each other and to the intended use, so that the desired oscillation (in frequency and amplitude) through the sonotrode 102 to the joint 1 can be delivered.

Ein Rahmen 110 dient dazu, die Schwingungsvorrichtung 100 an einen Manipulator 150 oder an eine ähnliche Vorrichtung anzubinden. Im vorliegenden Beispiel ist der Booster 103 an dem Rahmen 110 gelagert. Außerdem überträgt der Rahmen 110, die vom Manipulator 150 oder einem entsprechendem Gerät eingesteuerte Anpresskraft 900 auf die Schwingungsvorrichtung 100 und somit auf die Fügezone 1. Der Amboss 101 ist das Gegenlager zum Rahmen 110. Auf ihm liegen die zu fügenden Werkstücke 201, 202 auf. Aufgabe des Gegenlagers ist es die Schwingungsenergie sowie die Anpresskraft 900, je nach Anwendungsfall in Teilen zu absorbieren oder dieser durch eine steife Konstruktion entgegen zu wirken. Durch Dissipation der mechanischen Schwingungen in den Werkstücken 201, 202 und, je nach Ausführung, auch im Amboss 101 kommt es zu einer Erwärmung der Fügezone 1. In der Folge verschmelzen die beiden Werkstücke 201 und 202 lokal miteinander. Die 1 stellt eine Vorrichtung 100 für einen ungeregelten Schweißvorgang vor. Die Anpresskraft 900 sowie die weiteren Parameter werden vor dem Prozessablauf vordefiniert und anschließend nicht mehr an die sich ändernden Umstände während des Prozesses angepasst. Die Anpresskraft 900 wird insbesondere mit Hilfe des Manipulators 150 erzeugt. A frame 110 serves to the vibrating device 100 to a manipulator 150 or to connect to a similar device. In this example, the booster 103 on the frame 110 stored. In addition, the frame transmits 110 that from the manipulator 150 or a corresponding device controlled contact force 900 on the vibration device 100 and thus on the joining zone 1 , The anvil 101 is the counter bearing to the frame 110 , On it lie the workpieces to be joined 201 . 202 on. The task of the counter bearing is the vibration energy and the contact pressure 900 depending on the application in parts to absorb or counteract this by a rigid construction. By dissipation of mechanical vibrations in the workpieces 201 . 202 and, depending on the design, also in the anvil 101 it comes to a warming of the joining zone 1 , As a result, the two workpieces merge 201 and 202 locally with each other. The 1 represents a device 100 for an unregulated welding process. The contact pressure 900 as well as the other parameters are pre-defined before the process and then no longer adapted to the changing circumstances during the process. The contact pressure 900 in particular with the help of the manipulator 150 generated.

Die 2 zeigt einen Booster 103 zu seiner genauen Bezeichnung. Der Booster 103 ist ein Rotationsbauteil, welches aus einem inneren zylindrischen oder kegelig ausgeführten Körper 103a besteht. Dieser ist von einem geschlossenen Kreisring 103b umgeben. Der Booster ist ein Integralbauteil, in der Regel aus Metall, welches meist durch Drehen aus einem Stück hergestellt wird. The 2 shows a booster 103 to its exact name. The booster 103 is a rotary member, which consists of an inner cylindrical or conical body 103a consists. This is from a closed circular ring 103b surround. The booster is an integral component, usually made of metal, which is usually made by turning in one piece.

3 zeigt eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 3 gezeigte Vorrichtung weist im Wesentlichen alle Merkmale des Beispiels aus 1 auf. Zusätzlich zu den Merkmalen der Vorrichtung aus 1 ist die Vorrichtung 100 in 3 mit Sensoren 301 und Aktoren 301 versehen. Die Sensoren 301 sind so angeordnet, dass sie die in der Fügezone 1 auf die Fügepartner 201, 202 wirkenden Kräfte (insbesondere die Normalkraft senkrecht zur Oberfläche 201a des Werkstücks 201) in einer Weise erfassen können, dass Rückschlüsse auf die tatsächlich wirkenden Kräfte in der Fügezone 1 getroffen werden können. Die Sensoren 301 können beispielsweise zwischen dem Booster 103 und dem Rahmen 110 angeordnet sein. Aufgrund der mechanischen Koppelung von Rahmen 110 und den Sensoren 301 sowie der Sonotrode 102 sind die gemessenen Kräfte repräsentativ für die in der Fügezone 1 wirkenden Kräfte. Um Kraftkomponenten in mehr als eine Raumrichtung sowie Biegemomente erfassen zu können, können mehrere Kraftsensoren vorgesehen sein. Hierzu zählen die Biegekraft, die Querkraft und, je nach Ausführungsform, die Torsionskraft. 3 shows an apparatus for ultrasonic welding according to an embodiment of the invention. In the 3 The device shown essentially has all the features of the example 1 on. In addition to the features of the device 1 is the device 100 in 3 with sensors 301 and actuators 301 Mistake. The sensors 301 are arranged so that they are in the joining zone 1 on the joining partners 201 . 202 acting forces (in particular the normal force perpendicular to the surface 201 of the workpiece 201 ) in a way that conclusions on the actual forces acting in the joint zone 1 can be taken. The sensors 301 For example, between the booster 103 and the frame 110 be arranged. Due to the mechanical coupling of frame 110 and the sensors 301 as well as the sonotrode 102 the measured forces are representative of those in the joining zone 1 acting forces. In order to detect force components in more than one spatial direction and bending moments, several force sensors can be provided. These include the bending force, the lateral force and, depending on the embodiment, the torsional force.

Gemäß dem in 3 dargestellten Beispiel sind ein oder mehrere Sensoren 301 zwischen Booster 103 und Rahmen 110 angeordnet (siehe auch 7). Alternativ können die Sensoren auch zwischen Sonotrode 102 und Booster 103 oder zwischen zwei Teilen einer Sonotrode angeordnet sein (vgl. 5 und 8). In diesem Fall werden die Messergebnisse nicht durch Ungenauigkeiten aufgrund von Elastizitäten oder durch die Einwirkung von Trägheitskräften negativ beeinflusst. Wie bereits erwähnt, können die gemessenen Kräfte dazu verwendet werden, die in der Fügezone 1 wirkende Kraft zu überwachen und ggf. mit Hilfe von Aktoren zu beeinflussen. Beispielsweise können Biege- oder Querkräfte mit Hilfe von Aktoren, die z.B. zwischen Rahmen 110 und Booster 103 wirken durch geeignete Ansteuerung der Aktoren (in Abhängigkeit der gemessenen Kräfte) eliminiert oder zumindest reduziert werden. According to the in 3 example shown are one or more sensors 301 between boosters 103 and frame 110 arranged (see also 7 ). Alternatively, the sensors can also be used between the sonotrode 102 and boosters 103 or between two parts of a sonotrode be arranged (see. 5 and 8th ). In this case, the measurement results are not adversely affected by inaccuracies due to elasticities or by the action of inertial forces. As already mentioned, the measured forces can be used in the joining zone 1 To monitor acting force and possibly influence with the help of actuators. For example, bending or transverse forces with the help of actuators, for example between frame 110 and boosters 103 act eliminated by suitable control of the actuators (depending on the measured forces) or at least reduced.

In 4 ist eine Draufsicht der 3 zu sehen. Dort ist die radiale Anordnung der einzelnen Sensoren 301 im Kreisring 103b des Boosters 103 zu erkennen. Diese sind entlang des Umfangs des Boosters 103 so verteilt, dass die einzelnen Kraftkomponenten mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden können. Für die Erfassung aller genannten Kräfte ergibt sich eine minimale Anzahl von drei Sensoren 301, die idealerweise in einem Winkel von 120° gleichmäßig entlang des Umfangs des Boosters 103 verteilt sind. Dieser Winkel richtet sich jedoch nach der Anzahl der eingesetzten Sensoren 301 und wird je nach Anwendungsfall angepasst. In 4 is a top view of the 3 to see. There is the radial arrangement of the individual sensors 301 in the circle 103b the booster 103 to recognize. These are along the circumference of the booster 103 distributed so that the individual force components can be detected with sufficient accuracy. For the detection of all mentioned forces results in a minimum number of three sensors 301 ideally at an angle of 120 ° evenly along the circumference of the booster 103 are distributed. However, this angle depends on the number of sensors used 301 and will be adjusted according to the application.

5 zeigt eine weitere Anordnungsmöglichkeit der Kraftsensoren 301. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kraftsensoren 301 zwischen Booster 103 und Sonotrode 102 so angeordnet, dass sie direkt in der Wirkungslinie 105 der Schwingung liegen. Prinzipiell ist es möglich nur einen einzelnen Kraftsensor 301 zu integrieren. Dann kann nur eine Kraftkomponente (normal zur Oberfläche 201a) erfasst werden. Für die Ermittlung weiterer Kraftkomponenten in der Fügezone 1 werden wie bereits erwähnt mehrere Sensoren 301 zwischen Booster 103 und Sonotrode 102 angeordnet. 5 shows a further arrangement possibility of the force sensors 301 , In this embodiment, the force sensors 301 between boosters 103 and sonotrode 102 arranged so that they are directly in the line of action 105 the vibration are. In principle, it is possible only a single force sensor 301 to integrate. Then only one force component (normal to the surface 201 ). For the determination of further force components in the joining zone 1 As already mentioned, several sensors will be used 301 between boosters 103 and sonotrode 102 arranged.

In 6 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 5 dargestellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die entsprechenden Sensoren 301 zwischen dem Booster 103 und der Sonotrode 102 angeordnet so dass Kräfte entlang der Linie 105 (siehe 5) gemessen werden können. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall können auf der Querschnittsfläche der Sonotrode 102 auch mehrere Sensoren 301 angeordnet werden. Ein einzelner Sensor 301 kann dabei lediglich die Kraftkomponente entlang der Linie 105 (normal zur Oberfläche 201a des Werkstücks) erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das die Normalkraft auf die Werkstückoberfläche 201a. Durch den Einsatz von mehreren Sensoren 301, die ebenfalls auf der Querschnittsfläche der Sonotrode 102 angeordnet sind, ergibt sich die Möglichkeit weitere Kraftkomponenten zu bestimmen. Alle relevanten Kraftkomponenten können mit Hilfe von drei oder mehr Sensoren (bei geeigneter Anordnung) gemessen werden. Für das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel sind das die die Biegekräfte, Scherkräfte und die Normalkraft. Einen Rückschluss auf die resultierende, in der Fügezone 1 wirkende Kraft kann durch die unterschiedlichen Messwerte der einzelnen Kraftsensoren 301 gewonnen werden. Auf Basis der einzelnen Messwerte kann auf den genauen Belastungszustand an der Sonotrodenspitze (d.h. in der Fügezone 1) geschlossen werden. In 6 is a plan view of the device according to 5 shown. According to one embodiment, the corresponding sensors 301 between the booster 103 and the sonotrode 102 arranged so that forces along the line 105 (please refer 5 ) can be measured. Depending on the particular application, the cross-sectional area of the sonotrode can be used 102 also several sensors 301 to be ordered. A single sensor 301 can only be the force component along the line 105 (normal to the surface 201 of the workpiece). In this embodiment, this is the normal force on the workpiece surface 201 , Through the use of multiple sensors 301 , which is also on the cross-sectional area of the sonotrode 102 are arranged, there is the possibility to determine other force components. All relevant force components can be measured with the aid of three or more sensors (with a suitable arrangement). For the in 5 illustrated embodiment are the the bending forces, shear forces and the normal force. A conclusion on the resulting, in the joining zone 1 acting force can be due to the different measured values of the individual force sensors 301 be won. Based on the individual measured values, it is possible to determine the exact load condition at the tip of the sonotrode (ie in the joining zone 1 ) getting closed.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 7 dargestellt. In dieser Anordnung verläuft die Wirkrichtung 105 der Schwingung parallel zur Oberfläche des oberen Werkstücks 201a. Diese Ausführung eignet sich vorwiegend zum Fügen von metallischen Fügepartnern 201 und 202. Die Wärme in der Fügezone 1 entsteht durch die Wirkung von Scherkräften in der Fügezone 1. Die definierte Anpresskraft wird mit Hilfe des Manipulators 150 senkrecht zur Wirkrichtung 105 der Schwingungsvorrichtung 100 aufgebracht. Die Sensoren 301 sind dabei an den Außenseiten des Boosters 103 angeordnet. An der außenliegenden Seite der Sensoren 301 schließt der Rahmen 110 an. Diese Anordnung mit zumindest drei Sensoren 301 erlaubt eine Kraftmessung der Biege- und Normalkräfte. Die Sensoren 301 können gleichzeitig als Aktoren 301 ausgebildet sein und regeln die Soll-Position auch während des Fügeprozesses ein. Another embodiment is in 7 shown. In this arrangement, the effective direction runs 105 the vibration parallel to the surface of the upper workpiece 201 , This version is mainly suitable for joining metallic joining partners 201 and 202 , The heat in the joining zone 1 is caused by the effect of shear forces in the joint zone 1 , The defined contact force is achieved with the help of the manipulator 150 perpendicular to the direction of action 105 the vibration device 100 applied. The sensors 301 are on the outside of the booster 103 arranged. On the outside of the sensors 301 closes the frame 110 at. This arrangement with at least three sensors 301 allows a force measurement of the bending and normal forces. The sensors 301 can simultaneously act as actors 301 be formed and regulate the desired position during the joining process.

Die 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 100. In Anlehnung an die Ausführung in 7 wird zumindest ein Sensor zwischen Booster 103 und Sonotrode 102 eingefügt. Abhängig von der Anzahl und der Anordnung der Sensoren 301 ist es möglich, drei wesentliche Kraftkomponenten zu erfassen. Dazu zählen die Biegekraft, die Scherkraft und die Normalkraft. Wie bereits in der Beschreibung zu 5 beschrieben, kann der Sensor 301 geteilt ausgeführt sein. Die Querschnittsfläche der Sonotrode 102 teilt sich dann in einzelne Bereiche, die je einen Sensor 301 umfassen. The 8th shows a further embodiment of the device 100 , Based on the execution in 7 will at least be a sensor between boosters 103 and sonotrode 102 inserted. Depending on the number and the arrangement of the sensors 301 it is possible to detect three essential force components. These include the bending force, the shear force and the normal force. As already in the description too 5 described, the sensor can 301 be executed divided. The cross-sectional area of the sonotrode 102 then divides into individual areas, each with a sensor 301 include.

Die angesprochene Regelung des Schwingungsprozesses erfolgt durch ein Zusammenspiel der Kraftsensoren 301 und der Aktoren 301. Sensoren 301 und Aktoren 301 können im gleichen Bauteil vereint sein oder es kann alternativ eine Regelung durch den Manipulator 150 erfolgen. Die Erfassung des aktuellen Kraftzustandes erfolgt zum einen über die absoluten Messwerte, die von den Sensoren 301 ausgegeben werden. Diese Werte geben Aufschluss über das Niveau der anliegenden Maximalkraft. Andererseits werden die Messwerte der einzelnen Sensoren 301 relativ zueinander verglichen. Im Falle einer Abweichungen von verschiedenen Sensoren kann auf eine Biegebelastung geschlossen. Bei gleichen Messwerten in allen Sensoren 301 kann eine biegefreie Anpressung der Sonotrode 102 angenommen werden. Die Bestimmung von Quer- oder Torsionskraft erfolgt nach dem gleichen Prinzip. Die Messwerte werden nach deren Erfassung ausgewertet und es werden äquivalente Signale an die Aktoren 301 gesendet, die diese Abweichungen vom Soll-Zustand in der Folge ausregeln. The mentioned regulation of the oscillation process takes place through an interaction of the force sensors 301 and the actors 301 , sensors 301 and actuators 301 can be united in the same component or alternatively it can be regulated by the manipulator 150 respectively. The detection of the current force state takes place on the one hand via the absolute measured values, that of the sensors 301 be issued. These values provide information about the level of the applied maximum force. On the other hand, the measured values of the individual sensors 301 compared relative to each other. In case of deviations from different sensors can be concluded on a bending load. With the same measured values in all sensors 301 can be a bending-free contact pressure of the sonotrode 102 be accepted. The determination of transverse or torsional force is based on the same principle. The measured values are evaluated after their acquisition and equivalent signals are sent to the actuators 301 sent, which compensate for these deviations from the desired state in the sequence.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die explizit genannten Ausführungsbeispiele. Diese können vielmehr nur als eine kleine Auswahl von möglichen Ausprägungsformen verstanden werden. Technische Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, können, sofern technisch möglich, auch bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden. The invention is not limited to the explicitly mentioned embodiments. Rather, these can only be understood as a small selection of possible forms of expression. Technical features that have been described in connection with a specific embodiment may, if technically possible, also be used in other embodiments.

Claims (12)

Vorrichtung (100) zur ultraschallbasierten Fertigung, umfassend ein Schwingsystem mit zumindest einem Schallwandler (104) zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung, einer Sonotrode (102), über die im Betrieb die Ultraschallschwingung auf ein Werkstück übertragbar ist, und einem Booster (103), der den Schallwandler (104) mit der Sonotrode (102) mechanisch verbindet; einen Rahmen (110), an dem das Schwingsystem derart gelagert ist, dass über den Rahmen (110) eine Prozesskraft in das Schwingsystem eingeleitet werden kann; zumindest einen Kraftsensor (301), der derart im Schwingsystem oder zwischen Rahmen und Schwingsystem angeordnet ist, dass die in das Schwingsystem eingeleitete Prozesskraft auf den Kraftsensor (301) wirkt. Contraption ( 100 ) for ultrasound-based production, comprising a vibration system with at least one sound transducer ( 104 ) for generating an ultrasonic vibration, a sonotrode ( 102 ), on which the ultrasonic vibration is transferable to a workpiece during operation, and a booster ( 103 ), who the Sound transducer ( 104 ) with the sonotrode ( 102 mechanically connecting; a frame ( 110 ), on which the oscillating system is mounted in such a way that over the frame ( 110 ) a process force can be introduced into the vibration system; at least one force sensor ( 301 ), which is arranged in the oscillating system or between the frame and the oscillating system in such a way that the process force introduced into the oscillating system acts on the force sensor ( 301 ) acts. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Kraftsensor (301) in einem Bereich zwischen Rahmen (110) und Werkstück am oder im Schwingsystem angeordnet ist. Device according to claim 1, in which the force sensor ( 301 ) in an area between frames ( 110 ) and workpiece is arranged on or in the oscillating system. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Kraftsensor (301) zwischen Booster (103) und Sonotrode (102) oder zwischen zwei Teilen der Sonotrode (102) angeordnet ist. Device according to claim 1 or 2, wherein the force sensor ( 301 ) between boosters ( 103 ) and sonotrode ( 102 ) or between two parts of the sonotrode ( 102 ) is arranged. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Kraftsensor (301) zwischen Rahmen (110) und Booster (102) angeordnet ist. Device according to claim 1 or 2, wherein the force sensor ( 301 ) between frames ( 110 ) and booster ( 102 ) is arranged. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ein, zwei oder mehrere weitere Kraftsensoren aufweist, die derart im Schwingsystem oder zwischen Rahmen und Schwingsystem angeordnet sind, dass die in das Schwingsystem eingeleitete Prozesskraft auf die Kraftsensoren wirkt.  Device according to one of claims 1 to 4, comprising one, two or more further force sensors, which are arranged in the oscillating system or between the frame and the oscillating system such that the process force introduced into the oscillating system acts on the force sensors. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der/die Kraftsensor/en auch als Linearaktor/en betreibbar sind.  Device according to one of claims 1 to 5, in which the force sensor (s) can also be operated as a linear actuator (s). Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem neben dem/den Kraftsensor/en ein oder mehrere Linearaktoren so angeordnet sind, dass auf den/die Linearaktor/en die eingeleitete Prozesskraft wirkt.  Device according to one of claims 1 to 5, in which one or more linear actuators are arranged in addition to the force sensor (s) such that the process force introduced acts on the linear actuator (s). Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Schallwandler ein piezoelektrischer Aktor oder ein magnetostriktiver Aktor ist.  Device according to one of claims 1 to 7, wherein the sound transducer is a piezoelectric actuator or a magnetostrictive actuator. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der Sensorssignale der Kraftsensoren einer Auswerteeinheit zugeführt sind, die dazu ausgebildet ist, abhängig von den Sensorsignalen die Aktoren anzusteuern.  Apparatus according to claim 8, wherein the sensor signals of the force sensors are fed to an evaluation unit, which is designed to control the actuators depending on the sensor signals. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Aktoren so angesteuert werden, dass keine Querkräfte quer zur Längsachse der Sonotrode wirken.  Apparatus according to claim 9, wherein the actuators are driven so that no transverse forces act transversely to the longitudinal axis of the sonotrode. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der Sensorsignale der Kraftsensoren einer Auswerteeinheit zugeführt sind, die dazu ausgebildet ist, abhängig von den Sensorsignalen eine entlang einer Längsachse der Sonotrode wirkende Kraft sowie eine Kraft quer zur Längsachse zu berechnen.  Apparatus according to claim 5, wherein sensor signals of the force sensors are fed to an evaluation unit which is designed to calculate a force acting along a longitudinal axis of the sonotrode as well as a force transversely to the longitudinal axis depending on the sensor signals. Verfahren zur ultraschallbasierten Fertigung, kontaktieren eines Werkstücks mit einer Sonotrode (102) eines Schwingsystems, das zumindest einen Schallwandler (104) zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung, die Sonotrode (102), über die im Betrieb die Ultraschallschwingung auf das Werkstück übertragen wird, und einen Booster (103) aufweist, der den Schallwandler (104) mit der Sonotrode (102) mechanisch verbindet; einleiten einer Prozesskraft in das Schwingsystem, welche im Betrieb auf das Werkstück übertragen wird; Messen der eingeleiteten Prozesskraft mit Hilfe mindestens von einem Kraftsensor (301), der derart im oder am Schwingsystem angeordnet ist, dass die in das Schwingsystem eingeleitete Prozesskraft auf den Kraftsensor (301) wirkt. Method for ultrasound-based production, contacting a workpiece with a sonotrode ( 102 ) of a vibration system, the at least one sound transducer ( 104 ) for generating an ultrasonic vibration, the sonotrode ( 102 ), on which the ultrasonic vibration is transmitted to the workpiece during operation, and a booster ( 103 ), which the sound transducer ( 104 ) with the sonotrode ( 102 mechanically connecting; introducing a process force into the vibration system which is transferred to the workpiece during operation; Measuring the introduced process force with the aid of at least one force sensor ( 301 ), which is arranged in or on the oscillating system in such a way that the process force introduced into the oscillating system acts on the force sensor ( 301 ) acts.
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