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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten von thermoplastischen Kunststoffbauteilen mit einer in einer Fertigungsrichtung verfahrbaren Transporteinrichtung und einer ersten in Bezug auf die Fertigungsrichtung ortsfest angeordneten Fügestation mit Ultraschallwerkzeugen, wobei die Transporteinrichtung eine Bauteilaufnahme aufweist und die erste Fügestation oberhalb der Bauteilaufnahme angeordnet ist.
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Komplexe Kunststoffbauteile, wie beispielsweise Stoßfänger eines Kraftfahrzeuges oder die Seiteninnenverkleidung einer Autotür, werden heutzutage mittels Ultraschallfügens durch Verschweißen und Nieten von Kunststoffeinzelteilen gefertigt. Dabei werden in einem längs verschiebbaren Transporttisch in einem entsprechenden Aufnahmewerkzeug thermoplastische Kunststoffeinzelteile eingelegt und unterhalb vertikal bewegbarer Fügestationen verfahren. Anschließend senkt sich die Fügestation so weit ab, dass unterhalb der Fügestation angeordnete Ultraschallwerkzeuge die verschiedensten Punkte vernieten oder entsprechend verschweißen. Anschließend wird die Fügestation wieder angehoben und gegebenenfalls wird der Tisch weiter zu einer nächsten Fügestation verfahren, an der analog ein gleicher Fügevorgang erfolgt.
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Nachdem sämtliche Fügestationen abgefahren wurden, fährt der Tisch wieder zurück zu seiner Ausgangsposition und das fertige Bauteil, wie beispielsweise ein Stoßfänger oder eine Türinnenverkleidung, wird von einem Bediener entsprechend aus dem Aufnahmewerkzeug herausgenommen.
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Moderne Türinnenverkleidungen aber auch Stoßfänger von Automobilen können durchaus 200 bis 300 Nieten und Schweißpunkte/Schweißnähte aufweisen. Aufgrund dessen, dass die Ultraschallwerkzeuge gewisse Ausdehnungen haben, ist die Packungsdichte begrenzt. Zudem sei angemerkt, dass ein Ultraschallwerkzeug, wie beispielsweise ein Ultraschallnietwerkzeug oder ein Ultraschallschweißwerkzeug, ein Gewicht von über 10 kg aufweist.
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Dies führt dazu, dass im Allgemeinen mehrere Fügestationen vorgesehen sein müssen und die Fügestationen mit sämtlichen Bauteilen durchaus ein Gewicht von über einer Tonne erreichen können. Insbesondere für den Fall, dass mehrere Fügestationen vorgesehen sind, muss für jede einzelne Fügestation eine Hubvorrichtung vorgesehen werden. Zudem muss eine derartige Hubvorrichtung für die entsprechende Masse der Fügeeinheit ausgelegt sein. Insbesondere bei Kolbenantrieben oder Spindelantrieben führt dies zu gewissen Bauhöhen, sodass eine Fertigung nicht in jeder Werkshalle durchführbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten von thermoplastischen Kunststoffbauteilen mit einer in einer Fertigungsrichtung (103) verfahrbaren Transporteinrichtung und einer ersten in Bezug auf die Fertigungsrichtung ortsfest angeordneten Fügestation mit Kunststoffbearbeitungswerkzeugen, insbesondere Ultraschallwerkzeugen, wobei die Transporteinrichtung eine Bauteilaufnahme aufweist und die erste Fügestation oberhalb der Bauteilaufnahme angeordnet ist, wobei die Bauteilaufnahme mittels einer Anhebeeinrichtung vertikal linearverschiebbar ausgestaltet ist, sodass an einer Fügeposition bei einem vertikalen Verschieben der Bauteilaufnahme in der Bauteilaufnahme angeordnete Kunststoffbauteile definiert die Kunststoffbearbeitungswerkzeuge kontaktieren und ein Bearbeiten mittels der Kunststoffbearbeitungswerkzeuge erfolgt.
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Somit können derartige Vorrichtungen kompakter gebaut werden, da entsprechende Aufbauten für die Hubeinrichtungen der Fügestationen nicht mehr benötigt werden. Zudem muss nicht jede einzelne Fügestation mit einem entsprechenden Hubantrieb ausgestattet werden. Aufgrund dessen, dass die Transporteinrichtung deutlich weniger wiegt als eine Fügeeinrichtung, kann die entsprechende Anhebeeinrichtung geringer dimensioniert und ausgelegt werden. Zudem können höhere Taktraten erzielt werden, da aufgrund der niedrigeren Masse der Anhebeeinrichtung höhere Beschleunigungen beim Verfahren der Transporteinrichtung erreichbar sind.
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Mithin liegt ein Kern der Erfindung darin, dass nicht mehr die Fügestationen vertikale verschiebbar sind, sondern lediglich ein Heben und Absenken der leichteren Transporteinrichtung mittels einer Hubeinrichtung und somit der Anhebeeinrichtung erfolgt.
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Zudem können auch Hinterschneidungen bei den Kunststoffbauteilen bei der Kunststoffbearbeitung stofffügend bearbeitet werden. Beispielsweise ist ein horizontal angeordnetes Kunststoffbearbeitungswerkzeug, wie eine horizontal eingebaute Schweiß-Sonotrode, in der Fügestation vorgesehen. Nun kann die Transporteinrichtung über die eigentliche Schweißposition unterhalb der Fügestation hinaus verfahren, die Bauteilaufnahme vertikal angehoben und die Transporteinrichtung mit angehobene Bauteilaufnahme etwas zurückgefahren werden, sodass die Hinterschneidung des Kunststoffbauteils in der Bauteilaufnahme durch die horizontal angeordnete Schweiß-Sonotrode bearbeitbar ist.
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Ein positiver Nebeneffekt dabei ist, dass ein Bediener einer entsprechenden Vorrichtung, welcher sowohl die einzelnen Kunststoffbauteile vor dem Ultraschallbearbeiten einlegt als auch das final vorliegende Bauteil wieder heraushebt, durch die Höhenverstellbarkeit der Transporteinrichtung diese Vorgänge auf seine Körpergröße optimiert durchführen kann.
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Dies dient insbesondere der Arbeitsergonomie und somit der Gesundheit der einzelnen Bediener.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
- Ein „Bearbeiten“ umfasst insbesondere ein „Ultraschallbearbeiten“ umfasst somit sämtliche Materialbearbeitungsvorgänge, welche ultraschallunterstützt durchführbar sind. So kann beispielsweise ein Ultraschallprägen, ein Ultraschallstanzen, ein Ultraschallnieten, ein Ultraschallschweißen sowie ein Ultraschallrollnahtschweißen erfolgen. Auch thermische Fügevorgänge, wie beispielsweise mittels Heißluft, oder auch da sogenannte IR-Nieten von Kunststoff ist mit dem Begriff „bearbeiten“ umfasst.
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Diese Fertigungsschritte werden insbesondere mittels entsprechender „Ultraschallwerkzeuge“ oder ergänzend mit diesen realisiert. Derartige Ultraschallwerkzeuge umfassen beispielsweise Sonotroden, welche die Ultraschallschwingungen in das entsprechende Werkstück einleiten. Zudem sind häufig Amboss- und Aufnahmewerkzeuge vorgesehen, welche als Gegenlager zur Sonotrode wirken. Auch können Konverter vorgesehen sein, welche von einem Ultraschallgenerator erzeugte elektrische Schwingungen in mechanische Schallwellen umwandeln. Zudem werden häufig Vorschubeinheiten eingesetzt, sodass insbesondere Nietvorgänge realisierbar sind. Wesentlich dabei ist, dass insbesondere der mechanische Ultraschall zu einem Verflüssigen des thermoplastischen Kunststoffs führt und somit eine sowohl mechanisch als auch optisch optimale Verbindung realisiert wird.
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„Thermoplastische Kunststoffe“ (auch „thermoplastische Elastomere“ genannt) sind insbesondere Kunststoffe, welche sich bei Raumtemperatur vergleichbar denen der klassischen Elastomere verhalten, sich jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformen lassen und somit ein thermoplastisches Verhalten zeigen. Sowohl Copolymere als Elastomerlegierungen sind von dem Begriff umfasst. Die typischer Weise eingesetzten Materialien und Materialformen sind insbesondere PP, PVC, PE, PET, ABS, Verbundstoffe, Gewebe, Vliese und Folien.
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Um das fertige Endprodukt zu erhalten, werden „Kunststoffbauteile“ miteinander gefügt, sodass die zuvor losen Kunststoffbauteile nach dem Fügeprozess ein einzelnes Bauteil bilden.
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Die „Fertigungsrichtung“ ist eine bidirektionale Richtung, in welche die Transporteinrichtung verschiebbar ist. So kann die Transporteinrichtung in einer Richtung der Fertigungsrichtung mehrere Fügestationen anfahren und dort jeweils den Fügeprozess realisieren, um nach der letzten Fügestation entgegengesetzt zurückzufahren.
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Die „Transporteinrichtung“ dient dem Verfahren der einzelnen Kunststoffbauteile zu den Fügestationen. Meist weist die Transporteinrichtung dabei einen entsprechenden Tisch auf, auf welchem beispielsweise ein entsprechendes Werkzeug zum Einlegen der einzelnen Kunststoffbauteile vorgesehen ist.
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Die „Fügestation“ ist im Wesentlichen in der Vorrichtung fixiert. Die Fügestation kann dabei auswechselbare Kassetten aufweisen, wobei jeweils im unteren Bereich die entsprechenden Ultraschallwerkzeuge entsprechend der Vorgaben des zu fügenden und herzustellenden Bauteils angeordnet sind. Während des Fertigungsprozesses ist die Fügestation fixiert und wird weder vertikal noch orthogonal zur Fertigungsrichtung bewegt. Lediglich für den Fall, dass die Ultraschallwerkzeuge Vorschubeinheiten und dergleichen aufweisen, findet eine Bewegung an der jeweiligen Fügestation statt, jedoch unterbleibt ein Bewegen der Fügestation als solche.
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Um die Kunststoffteile auf der Transporteinrichtung in definierten Positionen anzuordnen und eventuell fixieren zu können, kann die Transporteinrichtung eine „Bauteilaufnahme“ aufweisen. Mittels dieser Bauteilaufnahme werden die einzelnen Kunststoffbauteile entsprechend ihrer späteren räumlichen Struktur angeordnet, sodass das Endprodukt gefertigt werden kann. Die Bauteilaufnahme kann auch durch Klemmen oder Schraubzwingen gebildet werden. Zudem können entsprechende Bauteilaufnahmen für andere Fertigungslinien vorgesehen werden, sodass die Bauteilaufnahme selbst austauschbar ausgestaltet sein kann.
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Dass die erste Fügestation, sowie gegebenenfalls auch weitere Fügestationen, „oberhalb“ der Bauteilaufnahme angeordnet ist oder sind, ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass in einer Position, in der sich die Bauteilaufnahme in ihrer bodentiefsten Position befindet, beim Verfahren entlang der Fertigungsrichtung ein mechanisches Kontaktieren der Bauteilaufnahme mit den Ultraschallwerkzeugen ausgeschlossen ist.
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Durch die „Anhebeeinrichtung“ ist die Bauteilaufnahme vertikal verschiebbar. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass entlang von Führungsschienen ein Anheben oder Absenken der Bauteilaufnahme erfolgt.
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Eine „Fügeposition“ ist insbesondere eine Position innerhalb der Vorrichtung, bei der durch ein Anheben der Bauteilaufnahme ein gewünschtes Kontaktieren der Ultraschallwerkzeuge erfolgt. Beim „Kontaktieren“ kann, falls eine Vorschubeinrichtung bei den Ultraschallwerkzeugen eingesetzt wird, sich der eigentliche Kontakt erst dann ergeben, wenn sich die Vorschubeinrichtung in einer Maximalmalposition befindet.
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Insbesondere ergeben sich dann oben genannte Vorteile, wenn die Vorrichtung eine zweite Fügestation, eine dritte Fügestation, eine vierte Fügestation und/oder weitere Fügestationen aufweist, da zum einen die gesamt anzuhebende Masse der Fügestationen bezüglich eines Anhebens nicht beachtet werden muss, und zum anderen das Durchlaufen der Transporteinrichtung und das Ultraschallbearbeiten an den einzelnen Stationen deutlich schneller erfolgt. Vorliegend sind insbesondere beim Verwenden mehrerer Fügestationen diese hintereinander in einer Richtung der Fertigungsrichtung angeordnet.
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Um komplexe Geometrien, wie beispielsweise Radien, oder verdeckt angeordnete Bearbeitungspunkte der zu bearbeitenden Kunststoffbauteile zu erreichen, kann die Transporteinrichtung eine Schwenkeinheit aufweisen, sodass die Bauteilaufnahme um eine Schwenkachse definiert rotierbar ist. Zudem kann dadurch erreicht werden, dass ein vollständiges Absenken der Bauteilaufnahme gegebenenfalls durch ein Kippen nicht notwendig ist und somit die Fertigungszeiten sich noch einmal deutlich reduzieren.
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Durch eine Schwenkeinheit lässt sich auch das Entnehmen des finalen Bauteils für einen Bediener deutlich vereinfachen.
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Die Schwenkeinheit kann derart ausgestaltet sein, dass eine Rotation um 180° oder sogar 360° möglich ist. Dadurch können zwei Kunststoffbauteile - eines oben, und nach einer Rotation um 180° das andere oben, eingelegt werden. Durch die Rotation kann somit das jeweilige Kunststoffbauteil der entsprechenden Materialbearbeitung, insbesondere durch vertikales Verfahren, zugeführt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Transporteinrichtung einen Servoantrieb zum Verfahren der Transporteinrichtung entlang der Fertigungsrichtung auf.
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Ein „Servoantrieb“ ist dabei insbesondere ein Antrieb mit elektronischer Lage-, Geschwindigkeits- und/oder Momenteregelung. Mit derartigen Servoantrieben können sehr hohe Anforderungen an die Dynamik, die Stellbereiche und/oder die Genauigkeit der Bewegung realisiert werden. Derartige Servoantriebe können zudem sowohl für die Anhebeeinrichtung als auch für die Schwenkeinheit eingesetzt werden. Insbesondere vor dem Hintergrund, wenn die drei zuvor genannten Servoantriebe eingesetzt werden, können räumlich komplexe zweidimensionale Fertigungsbahnen realisiert werden. Mithin kann somit weiteres Optimierungspotential genutzt werden.
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In sämtlichen Ausführungsformen können die Ultraschallwerkzeuge ein Ultraschallnietwerkzeug, ein Ultraschallschneidwerkzeug, ein Ultraschallstanzwerkzeug, ein Ultraschallprägewerkzeug und/oder ein Ultraschallschweißwerkzeug umfassen. Somit ist ein Ultraschallbearbeiten und insbesondere ein Ultraschallfügen von thermoplastischen Kunststoffbauteilen realisierbar.
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Um ein optimales Positionieren der Kunststoffbauteile zu realisieren, kann die Bauteilaufnahme ein Bauteilwerkzeug zum Positionieren der Kunststoffbauteile aufweisen. Beispielsweise können in diesem Bauteilwerkzeug Klemmeinrichtungen vorgesehen sein, in welche die Kunststoffbauteile durch den Bediener eingeklemmt und somit definiert positioniert werden. Insbesondere dadurch, dass das Bauteilwerkzeug durch andere ersetzt werden kann und auch die Fügestationen austauschbar ausgestaltet sind, können unterschiedliche Produkte mit der Vorrichtung gefertigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung und/oder eine Reglereinrichtung auf, welche derart eingerichtet ist oder sind, dass eine Einlegehöhe der Bauteilaufnahme für einen Bediener und/oder eine Fertigungskurve der Bauteilaufnahme entlang der Fertigungsrichtung einstellbar ist. Somit kann ein Bediener der Vorrichtung, beispielsweise mittels eines Knopfdruckes oder eines Einstellknopfes, die Einlegehöhe und selbstverständlich auch die Höhe beim Ausnehmen der Bauteilaufnahme einstellen. Somit kann ein ergonomisch optimiertes Arbeiten auch für unterschiedlich große Personen realisiert werden.
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Die „Fertigungskurve“ beschreibt dabei insbesondere den Verlauf der Bauteilaufnahme.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige
- 1 eine stark schematische Seitenansicht einer Ultraschallfügeanlage mit einem verfahrbaren Transporttisch in drei verschiedenen Positionen.
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Eine Ultraschallfügeanlage 101 weist einen Transporttisch 105 und eine erste Ultraschallfertigungskassette 107 und eine zweite Ultraschallfertigungskassette 109 auf. Sowohl die erste Fertigungskassette 107 als auch die zweite Fertigungskassette 109 sind an einem Rahmen der Ultraschallfügeanlage 101 hängend angeordnet.
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Unterhalb der ersten Ultraschallfertigungskassette 107 und der zweiten Ultraschallfertigungskassette 109 ist der Transporttisch 105 vorgesehen. Die Ultraschallfertigungskassetten 107 und 109 weisen im unteren Bereich Ultraschallnietwerkzeuge 111 und Ultraschallschweißwerkzeuge 111 mit zugehörigen Vorschubeinheiten auf.
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Der Transporttisch 105 weist in den vier äußeren Ecken jeweils Fügestangen 116 auf. An den Fügestangen 116 sind die servoelektrischen Hubeinheiten 115 angeordnet. Mittels dieser servoelektrischen Hubeinheiten 115 ist der Hubtisch 113 vertikal verfahrbar.
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Zudem umfasst der Transporttisch 105 einen Kippantrieb 117 mit zugehörigem Servoantrieb 121. Mittels dieses Kippantriebs 117 ist der Hubtisch 113 entlang der Rotationsachse 118 schwenkbar.
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Auf dem Hubtisch 113 ist ein Komponentenaufnahmewerkzeug 123 angeordnet.
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In der Einlegeposition a.) ist der Hubtisch 113 bis zu einer Minimalstellung abgesenkt. In das Komponentenaufnahmewerkzeug 123 legt ein Bediener (nicht dargestellt) einzelne thermoplastische Kunststoffbauteile ein.
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Nach dem Einlegen dieser Kunststoffbauteile verfährt der Transporttisch 105 entlang der bidirektionalen Produktionsrichtung 103 zur ersten Produktionsstation b.). Dort hebt die servoelektrische Hubeinheit 115 den Hubtisch 113 und somit das Komponentenaufnahmewerkzeug 123 an. Somit greifen von oben die Ultraschallniet- und -schweißwerkzeuge 111 inklusive zugehöriger Vorschubeinheiten in das Komponentenaufnahmewerkzeug 123 und kontaktieren und bearbeiten die entsprechenden Punkte auf den Kunststoffbauteilen, sodass ein entsprechendes Verschweißen und Vernieten erfolgt.
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Anschließend wird der Hubtisch 113 etwas abgesenkt und der Transporttisch 105 zur zweiten Ultraschallfertigungskassette 109 und somit zur zweiten Fertigungsposition c.) verfahren. Dabei wird der Hubtisch 113 mittels des Kippantriebes 117 gedreht und in einer definierten Position wird nun wiederum der Hubtisch 113 mittels der servoelektrischen Hubeinheit 115 so lange angehoben, bis ein Kontaktieren mit dem Ultraschallniet- und -schweißwerkzeugen 111 erfolgt. Anschließend erfolgt die entsprechende Materialbearbeitung mittels Ultraschall.
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Nachdem dieser Prozess abgeschlossen ist, wird mittels der Kippantriebe 117 der Hubtisch 113 abgesenkt, in entgegengesetzte Richtung gedreht und zu der Einlegeposition a.) verfahren. Dort entnimmt der Bediener das entsprechende Bauteil.
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In einer Alternativen (nicht dargestellt) ist oberhalb und unterhalb des Hubtischs 113 jeweils ein Komponentenaufnahmewerkzeug 123 vorgesehen.
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Ein Bediener legt in das obere Komponentenaufnahmewerkzeug 123 ein erstes zu fügendes Kunststoffbauteil ein und arretiert dieses. Anschließend wird der Hubtisch 113 um 180° um die Rotationsachse 118 gedreht und der Bediener legt ein zweits Kunststoffbauteil in das nun oben befindliche Komponentenaufnahmewerkzeug ein und arretiert dieses ebenfalls.
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Der Transporttisch 105 wird unter die erste Ultraschallfertigungskassette 107 verfahren und der Hubtisch 113 vertikal nach oben verfahren, bis die entsprechenden Ultraschallniet- und Schweißwerkzeuge 111 mit ihren Vorschubeinheiten das oben liegende zweite Kunststoffbauteil bearbeiten. Anschließend wird der Hubtisch 113 nach unten verfahren und um 180° um die Rotationsachse 118 gedreht, sodass sich das erste zu bearbeitendes Kunststoffbauteil oben und das zweite Kunststoffteil unterhalb befindet. Dabei wird der Transporttisch unterhalb der zweiten Ultraschallfertigungskassette 109 positioniert und der Hubtisch 113 vertikal nach oben verfahren.
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Es erfolgt wiederum eine Bearbeitung durch die Ultraschallniet- und -schweißwerkzeuge 111.
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Abschließen verfährt der Transporttisch 105 zur Ausgangsposition und der Bediener entnimmt zuerst das erste Kunststoffbauteil und legt ein weiteres Kunststoffbauteil ein und arretiert dieses. Anschließend wird der Hubtisch 113 wiederum um 180° um die Rotationsachs 118 gedreht und der Bediener entnimmt das zweite Kunststoffbauteil und legt wiederum ein neues Kunststoffbauteil ein.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Ultraschallfügeanlage
- 103
- bidirektionale Produktionsrichtung
- 105
- Transporttisch
- 107
- erste Ultraschallfertigungskassette
- 109
- zweite Ultraschallfertigungskassette
- 111
- Ultraschallniet- und -schweißwerkzeuge mit Vorschubeinheiten
- 113
- Hubtisch
- 115
- servoelektrische Hubeinheit
- 116
- Führungsstangen
- 117
- Kippantrieb
- 118
- Rotationsachse
- 119
- Servoantrieb
- 121
- Servoantrieb des Kippantriebs
- 123
- Komponentenaufnahmewerkzeug
- a.)
- Einlegeposition
- b.)
- erste Fertigungsposition
- c.)
- zweite Fertigungsposition
