DE102018010143A1 - Sonotrode - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Ultraschallverschweißen eines ersten Elements mit einem zweiten Element, mit einem Grundkörper und zumindest einer Kontaktfläche mit darauf angeordneten und von der Kontaktfläche vorstehenden Kontaktpins, wobei zumindest drei oder mehr Kontaktpins vorgesehen sind und die Kontaktpins in Draufsicht auf die Kontaktfläche gesehen über die Kontaktfläche verteilt unsymmetrisch angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Ultraschallschweißanlage und ein entsprechendes Ultraschallschweißverfahren jeweils unter Verwendung zumindest einer solchen Sonotrode.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Ultraschallverschweißen eines ersten Elements mit einem zweiten Element, mit einem Grundkörper und zumindest einer Kontaktfläche mit darauf angeordneten und von der Kontaktfläche vorstehenden Kontaktpins.
  • Eine solche Sonotrode ist beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 223 166 A1 bekannt, mit zwei als Erhebungen von der Kontaktfläche ausgebildeten Kontaktpins, wobei die Erhebungen mit einem gleichen Abstand zu einer Mittellängsachse der Kontaktfläche angeordnet sind.
  • Die Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 210 376 A1 beschreibt eine Sonotrode zum Ultraschallschweißen mit einer Hauptkontaktfläche und zumindest einer weiteren Kontaktfläche.
  • Generell lassen sich Elemente beispielsweise aus thermoplastischen Kunststoffen mit Ultraschall verschweißen. Ein Generator erzeugt dabei eine Ultraschallfrequenz von beispielsweise 25 mHz, welche ein Schwingsystem betreibt. Das Schwingsystem kann beispielsweise aus einem Konverter, einem Amplitudentransformator und einer Sonotrode bestehen. Die Sonotrode steht dabei über eine Kontaktfläche bzw. entsprechende Kontaktelemente, wie beispielsweise Kontakterhebungen oder -pins mit dem zu verschweißenden Material der entsprechenden Elemente in Verbindung. Über die Ultraschallschwingung wird das Material im Bereich der zu verschweißenden Fläche erwärmt und so stoff- und formschlüssig verschweißt.
  • Insbesondere bei relativ steifen Materialien von zu verschweißenden Elementen kann es dazu kommen, dass sich die ultraschallverschweißten Kontaktpunkte zwischen den Elementen an der Oberfläche der verbundenen Elemente optisch abzeichnen. Speziell bei durch Ultraschallschweißen verbundenen Kunststoffpaneelen im Außenbereich von Fahrzeugen, beispielsweise eingesetzt im Bereich der Stoßfänger, ist diese optische Sichtbarkeit der Verbindungsstellen höchst unerwünscht.
  • Bei Verwendung bestehender Sonotrodengeometrien kann es dabei zu unerwünschten optischen Verschlechterungen des Materials im Bereich der verschweißten Elemente kommen.
  • Die Anmelderin hat herausgefunden, dass entsprechende optische Beeinträchtigungen insbesondere für das menschliche Auge dann als störend wahrgenommen werden, wenn regelmäßige Strukturen der Elektrodengeometrie sich entsprechend an der Oberfläche der verschweißten Elemente abzeichnen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode vorzusehen, bei welcher auf konstruktiv einfache Weise einen Verzug beim Ultraschallverschweißen von Elementen verhindert und eine optische Sichtbarkeit von Ultraschallschweißpunkten an der Oberfläche von verschweißten Elementen vermeidet.
  • Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst mit einer Sonotrode mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1, eine Ultraschallschweißanlage gemäß Anspruch 10 und ein Ultraschallschweißverfahren gemäß Anspruch 11. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Die erfindungsgemäße Sonotrode dient zum Ultraschallverschweißen eines ersten Elements mit einem zweiten Element, und weist einen Grundkörper und zumindest einer Kontaktfläche mit darauf angeordneten und von der Kontaktfläche vorstehenden Kontaktpins auf, wobei zumindest drei oder mehr Kontaktpins vorgesehen sind und die Kontaktpins in Draufsicht auf die Kontaktfläche gesehen über die Kontaktfläche verteilt unsymmetrisch angeordnet sind. Das heißt, dass die Kontaktpins jeder für sich und einzeln zueinander so angeordnet sind, dass keine Symmetrieachse und kein Symmetriepunkt hinsichtlich der Anordnung zwischen den Kontaktpins in der Ebene der Kontaktfläche besteht.
  • Durch die asymmetrische, d.h. entsprechend unregelmäßige Anordnung der erfindungsgemäßen Kontaktpins ist es möglich, dass entsprechende optische Beeinträchtigungen an den Verschweißungspunkten für das menschliche Auge weniger bis gar nicht sichtbar sind. Dennoch wird die Qualität der Verschweißung dadurch nicht negativ beeinträchtigt.
  • Besonders bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Sonotrode die einzelnen Kontaktpins nach dem Zufallsprinzip auf der Kontaktfläche verteilt angeordnet, so dass damit keinerlei wiederkehrende, für das Auge besonders leicht erkennbare, Strukturen vorliegen.
  • Bevorzugt ist insbesondere, dass die Abstände und/oder die Lage einzelner Kontaktpins zueinander für jeden Kontaktpin zu weiteren Kontaktpins, welche benachbart sind, voneinander abweichen. Dies ergibt eine entsprechend asymmetrische, d.h. unregelmäßige Verteilung auf der Kontaktfläche für die so angeordneten erfindungsgemäßen Kontaktpins.
  • Um eine gute Verschweißleistung sicherzustellen, sind die Kontaktpins mit einer durchschnittlichen Flächendichte im Bereich von 10 bis 20 Kontaktpins pro 10 cm2 Kontaktfläche verteilt angeordnet. D.h., dass es keine größeren Gebiete der Sonotrode ohne dort auf der Kontaktfläche angeordnete Kontaktpins geben wird. Die Verschweißleistung ist somit besonders zuverlässig gewährleistet.
  • Bevorzugt kann die Kontaktfläche im Bereich von 5 bis 20 cm2 groß sein.
  • Die Kontaktfläche ist bevorzugt als ebene Fläche ausgebildet.
  • Die Kontaktpins sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie jeweils eine abgeflachte Spitze aufweisen.
  • Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Sonotrode zum Verschweißen von Kunststoffelementen verwendet. Insbesondere bevorzugt ist es, wenn die erfindungsgemäße Sonotrode zum Verschweißen von Fahrzeugelementen verwendet wird. Grade beim Einsatz von Fahrzeugelementen, wie beispielsweise von Bodypanels im von außen sichtbaren Bereich eines Fahrzeugs ist die erfindungsgemäß zuverlässige Verschweißung bei gleichzeitiger Vermeidung einer möglichen Sichtbarkeit der Verschweißungsstelle besonders wünschenswert.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Ultraschallschweißanlage mit zumindest einem Generator und zumindest einem Schwingsystem mit zumindest einer Sonotrode gemäß den obigen Ausführungen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ultraschallschweißen, bei welchem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zumindest einem ersten Element und zumindest einem zweiten Element hergestellt wird unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonotrode, wie oben erläutert.
  • Die Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft und nicht auf die gezeigten Ausführungsform beschränkend näher erläutert werden. In den Figuren zeigt:
    • 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Sonotrode gemäß der Erfindung; und
    • 2 eine schematische Ansicht der Sonotrode der 1 in Draufsicht.
  • In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Sonotrode gemäß der Erfindung.
  • Die Sonotrode 1 dient zum Ultraschallverschweißen eines ersten Elements mit einem zweiten Element, wobei die Elemente bevorzugt Bodypanels eines Fahrzeugs sein können. Die Sonotrode 1 weist einen Grundkörper 2 auf, welcher beim Einsatz in einer Ultraschallschweißanlage an einen Amplitudentransformator bzw. einen Generator ankoppelbar ist. Der Grundkörper 2 schließt mit einer ebenen Kontaktfläche 3 ab, auf welcher drei oder mehrere Kontaktpins 4 so vorgesehen sind, dass diese Kontaktpins 4 in Draufsicht auf die Kontaktfläche 3 gesehen über die Kontaktfläche 3 verteilt erfindungsgemäß unsymmetrisch angeordnet sind. Die Kontaktpins 4 sind dazu gemäß der Darstellung der 1 nach dem Zufallsprinzip auf der Kontaktfläche 3 verteilt angeordnet. Die Abstände und/oder die Lage einzelner Kontaktpins 4 zueinander ist für jeden Kontaktpin 4 zu weiteren benachbarten Kontaktpins 4 abweichend. Erfindungsgemäß ergibt sich somit ein ungleichmäßiges Kontaktpin-Bild, so dass sich optisch entsprechende Verschweißungspunkte für das Auge nicht wahrnehmbar erfindungsgemäß ergeben.
  • Die Kontaktfläche hat gemäß der Darstellung der 1 eine Größe von etwa 2,5 auf 5 cm und ist eben ausgebildet. Die erfindungsgemäßen Kontaktpins 4 sind mit einer durchschnittlichen Flächendichte von etwa 15 Kontaktpins pro 10 cm2 Kontaktfläche verteilt auf der Kontaktfläche 3 angeordnet. Zur Verbesserung der Verschweißleistung sind die Kontaktpins 4 jeweils mit einer abgeflachten Spitze 5 versehen.
  • Die 2 zeigt schematisch die Sonotrode gemäß 1 in Draufsicht auf die Kontaktfläche 3. Dabei ist insbesondere gut die unsymmetrische Anordnung der Kontaktpins 4 mit den jeweils abgeflachten Spitzen 5 auf der ebenen Kontaktfläche 3 zu erkennen.
  • Die obige Ausführungsform wurde zur Veranschaulichung möglicher Ausführungsformen beschrieben, wobei dem Fachmann verständlich ist, dass verschiedene Alternativen zu den hier beschriebenen Formen bei Ausführung der Ansprüche verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Es wird erwartet und ist auch beabsichtigt, dass Weiterentwicklungen der hier erörterten Technik auftreten können, zumal die offenbarten Vorrichtungen beispielhaft und nicht begrenzend sind, so dass insgesamt der Schutzumfang nur durch den Gegenstand der anhängenden Ansprüche begrenzt wird.
  • 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 102013223166 A1 [0002]
    • DE 102014210376 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Sonotrode (1) zum Ultraschallverschweißen eines ersten Elements mit einem zweiten Element, mit einem Grundkörper (2) und zumindest einer Kontaktfläche (3) mit darauf angeordneten und von der Kontaktfläche vorstehenden Kontaktpins (4), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei oder mehr Kontaktpins (4) vorgesehen sind und die Kontaktpins (4) in Draufsicht auf die Kontaktfläche (3) gesehen über die Kontaktfläche (3) verteilt unsymmetrisch angeordnet sind.
  2. Sonotrode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpins (4) nach dem Zufallsprinzip auf der Kontaktfläche (3) verteilt angeordnet sind.
  3. Sonotrode (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände und/oder die Lage einzelner Kontaktpins (4) zueinander für jeden Kontaktpin (4) zu weiteren Kontaktpins (4) voneinander abweicht.
  4. Sonotrode (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpins (4) mit einer durchschnittlichen Flächendichte im Bereich von 10 bis 20 Kontaktpins pro 10 cm2 Kontaktfläche (3) verteilt angeordnet sind.
  5. Sonotrode (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (3) im Bereich 5 bis 20 cm2 groß ist.
  6. Sonotrode (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (3) als ebene Fläche ausgebildet ist.
  7. Sonotrode (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpins (4) jeweils eine abgeflachte Spitze (5) aufweisen.
  8. Sonotrode (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) zum Verschweißen von Kunststoffelementen verwendet wird.
  9. Sonotrode (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) zum Verschweißen von Fahrzeugelementen verwendet wird.
  10. Ultraschallschweißanlage mit zumindest einem Generator und zumindest einem Schwingsystem mit zumindest einer Sonotrode (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Verfahren zum Ultraschallschweißen, bei welchem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zumindest einem ersten Element und zumindest einem zweiten Element hergestellt wird unter Verwendung einer Sonotrode gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
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