DE102020130999B4

DE102020130999B4 - Thermode

Info

Publication number: DE102020130999B4
Application number: DE102020130999.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Arnold; Rolf Efinger; Michael Gründig; Jan Kellner
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2040-11-25
Also published as: DE102020130999A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Thermode (10), bestehend aus einem länglichen Elektrodenkörper (12), der durch einen im Wesentlichen in Längsrichtung des Elektrodenkörpers (12) verlaufenden Schlitz (16) in zwei Elektrodenhälften (12a, 12b) unterteilt ist, und einer Spitze (14), welche die beiden Elektrodenhälften (12a, 12b) an einem Ende miteinander verbindet, wobei der Schlitz (16) mindestens einen profilierten Abschnitt (16b) aufweist, wobei im Bereich des profilierten Abschnitts (16b) des Schlitzes ein elektrisch isolierendes Material (18) eingebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie beispielsweise zum Heißverstemmen, Wärmekontaktnieten oder für ähnliche Verfahren verwendet werden kann.
Eine derartige Thermode zum Heißverstemmen oder Wärmekontaktnieten besteht aus Metall und umfasst einen länglichen Elektrodenkörper, der durch einen im Wesentlichen in Längsrichtung des Elektrodenkörpers verlaufenden Schlitz in zwei voneinander isolierte Elektrodenhälften unterteilt ist, und eine Spitze, welche die beiden Elektrodenhälften an einem Ende elektrisch leitend miteinander verbindet.
Beim Heißverstemmen mittels der Thermode wird ein definierter Strom durch die beiden Elektrodenhälften geleitet, die nur an der Spitze elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Um die Funktion eines Stromleiters zu erhalten, dürfen sich die beiden Elektrodenhälften entlang der geschlitzten Längsachse nicht berühren, da es sonst einen elektrischen Kurzschluss gibt.
Die Spitze bildet eine Querschnittsverengung mit einem erhöhten elektrischen Widerstand im Vergleich zu den Elektrodenhälften und wird durch den Stromfluss kurzzeitig hoch erhitzt und auf das Werkstück gepresst, wodurch ein Heißverstemmen oder Wärmekontaktnieten erfolgt.
Diese auf Abstand montierten langen halbierten Elektrodenhälften sind mechanisch sehr instabil, und die elektrische Isolation der beiden Elektrodenhälften wird lediglich durch den Schlitz realisiert.
Beim Heißverstemmen erfolgt mittels der Thermode eine mechanische Krafteinwirkung auf das Werkstück. Da die beiden Elektrodenhälften in Längsrichtung getrennt sind, wird die Kraft, mit welcher die Elektrode auf die Verbindungsstelle gepresst wird, größtenteils durch die Spitze aufgenommen, welche somit die mechanische Schwachstelle der Thermode bildet.
Eine axiale Verschiebung der beiden Elektrodenhälften gegeneinander, beispielsweise durch schräges Aufsetzen auf die Verbindungsstelle oder eine ungleichmäßige Oberflächenstruktur der Verbindungsstelle, bewirkt ein Umknicken oder Verbiegen der Spitze und eine Verringerung der Lebensdauer der Thermode.
Die bekannten Ausgestaltungen von Thermoden haben somit den Nachteil, dass diese Thermoden genau an der Spitze, welche die mechanische Kraft aufnehmen muss, eine mechanische Schwachstelle haben. Aktuelle Thermoden verschleißen relativ schnell, insbesondere durch einen mechanischen Bruch im Bereich der Spitze.
Die DE 10 2016 102 846 A1 zeigt eine andere Ausgestaltung einer Thermode mit zwei durch einen elektrischen Isolator getrennten Elektrodenhälften.
Die DE 20 2006 007 737 U1 offenbart eine Thermode bestehend aus einem Drahtbügel. Als Stand der Technik wird dort eine Thermode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 offenbart.
Die US 2004 / 0 250 939 A1 offenbart eine Thermode mit einem geschlitzten Elektrodenköper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Der Elektrodenkörper kann durch einen Luftstrahl gekühlt werden.
Die EP 3 345 748 A1 offenbart eine Thermode mit einer becherförmigen, geschlitzten Spitze, die über einen damit verbundenen und induktiv aufheizbaren Heizstab oder direkten Stromdurchfluss erhitzt wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die mechanische Stabilität einer Thermode mit geschlitztem Elektrodenköper deutlich zu erhöhen und damit die Standzeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, insbesondere dadurch, dass der Schlitz, der die beiden Elektrodenhälften unterteilt, mindestens einen profilierten Abschnitt aufweist, wobei im Bereich des profilierten Abschnitts des Schlitzes ein elektrisch isolierendes Material eingebracht ist.
Der profilierte Abschnitt des Schlitzes und das dort eingebrachte elektrisch isolierende Material verhindern erfindungsgemäß eine gegenseitige axiale Bewegung der Elektrodenhälften und erhöhen die mechanische Stabilität der gesamten Thermode. Dadurch wird ein Verbiegen und vorzeitiges Verschleißen der Spitze der Thermode vermieden.
Das elektrisch isolierende Material muss temperaturbeständig sein, um den beim Heißverstemmen auftretenden Temperaturen im Bereich zwischen 150 °C bis 250 °C standzuhalten.
Als geeignete, elektrisch isolierende und temperaturbeständige Materialien kommen beispielsweise temperaturbeständige Kunststoffe in Betracht, z. B. PEEK (Polyetheretherketon) oder Glaswerkstoffe, Keramiken oder auch Glimmer oder andere geeignete Werkstoffe.
Die Erfindung beschreibt eine mechanische Verschiebesicherung der beiden Elektrodenhälften durch Einbringen eines elektrisch isolierenden und thermisch hitzebeständigen Bauteils in den Schlitz, der die beiden Elektrodenhälften trennt.
Vorzugsweise wird in den Bereich des profilierten Abschnitts des Schlitzes ein elektrischer Feststoffisolator eingebracht. Der Isolator kann jedoch auch ein flüssiger Werkstoff sein, der nach dem Einbringen in den Schlitz ausgehärtet wird.
Der Schlitz, der die beiden Elektrodenhälften voneinander trennt, ist nicht nur als einfacher Längsschlitz ausgebildet, der in Längsrichtung der Thermode bzw. des Elektrodenkörpers verläuft, sondern weist erfindungsgemäß mindestens einen profilierten Abschnitt auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der profilierte Abschnitt mehrere sich in einem Winkel in Bezug auf die Längsrichtung des Elektrodenkörpers erstreckende Schlitzabschnitte.
Diese Schlitzabschnitte können beispielsweise in Längsrichtung des Elektrodenkörpers gesehen Z-förmig verlaufen, also in ihrer Ausdehnung nicht nur eine axiale Komponente, sondern auch eine radiale Komponente umfassen.
In den Bereich der profilierten Schlitzabschnitte kann der Feststoffisolator in Form einer elektrisch isolierenden Scheibe oder eines elektrisch isolierenden Plättchens eingebracht werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der profilierte Abschnitt des Schlitzes als eine Aufweitung des Schlitzes in Form einer runden, ovalen oder mehreckigen Öffnung bzw. Verbreiterung ausgebildet sein.
Im Bereich des profilierten Abschnitts des Schlitzes, der als den Schlitz aufweitende Bohrung oder Durchbrechung ausgebildet ist, kann als Isoliermaterial ein elektrisch isolierender Stift oder Bolzen oder eine elektrisch isolierende Schraube eingebracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Thermode.
2 zeigt ein mit der Thermode in 1 zu bearbeitendes Werkstück.
3 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Thermode.
4 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Thermode.

In 1 ist eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Thermode 10 dargestellt. Die Thermode 10 besteht aus einem gut elektrisch leitenden Metall, beispielsweise aus Stahl.
Die Thermode 10 umfasst einen langgestreckten Elektrodenkörper 12, der durch einen Schlitz bzw. Spalt 16 geteilt ist, der im Wesentlichen in Längsrichtung der Thermode 10, also im Wesentlichen entlang dessen Längsmittelachse 26, verläuft.
Der Schlitz 16 unterteilt den Elektrodenkörper 12 in zwei Elektrodenhälften 12a und 12b. Der Schlitz 16 kann vorzugsweise mittels Drahterosion in den Elektrodenkörper 12 eingebracht werden.
Die beiden Elektrodenhälften 12a und 12b sind durch den Schlitz 16 voneinander getrennt und lediglich im Bereich einer Spitze 14 der Thermode 10 elektrisch leitend miteinander verbunden.
Die beiden Elektrodenhälften 12a und 12b werden mit einer elektrischen Stromquelle verbunden, wobei der Strom beispielsweise durch die eine Elektrodenhälfte 12a in Richtung der Spitze 14 fließt und über die Spitze 14 und durch die zweite Elektrodenhälfte 12b wieder zurück zur Stromquelle fließt.
Im Bereich der Spitze 14 kommt es zu einer Querschnittsverengung der Elektrode. Dort hat die Elektrode den größten elektrischen Widerstand, sodass sich bei Stromfluss insbesondere die Spitze 14 stark erhitzt und ein Heißverstemmvorgang bzw. Wärmekontaktnieten durchgeführt werden kann.
Der Aufbau der Thermode 10 hat den Nachteil, dass die Thermode 10 genau an ihrer Spitze, welche die mechanische Kraft aufnehmen muss, eine mechanische Schwachstelle hat, da dort eine Querschnittsschwächung besteht und dort der Bereich des höchsten elektrischen Widerstandes ist.
2 zeigt hierzu beispielhaft ein Werkstück 20, das aus einem ersten Fügepartner 22 und einem zweiten Fügepartner 24 besteht.
Unter Einwirkung einer axialen Kraft auf die Thermode 10 wird die erhitzte Spitze 14 der Thermode 10 auf den zweiten Fügepartner 24 gepresst, wobei dieser zweite Fügepartner 24' aufschmilzt und sich mit dem ersten Fügepartner 22 formschlüssig verbindet.
Durch eine entsprechende Formgebung der Unterseite der Spitze 14 kann die Formgebung des zweiten Fügepartners 24' beeinflusst werden.
Beim Stand der Technik war es bekannt, dass der Elektrodenkörper 12 durch einen lediglich in Längsrichtung der Thermode 10 verlaufenden Schlitz in zwei Elektrodenhälften 12a und 12b unterteilt ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Schlitz 16 nicht ausschließlich in Längsrichtung der Thermode 10 verläuft, sondern neben mehreren in Längsrichtung verlaufenden geraden Abschnitten 16a, zumindest einen jedoch vorzugsweise zwei oder mehrere profilierte Abschnitte 16b aufweist.
In der ersten Ausgestaltung der Erfindung gemäß 1 sind die profilierten Abschnitte 16b des Schlitzes 16 als unterschiedlich lange, gerade Abschnitte ausgebildet, die in einem Winkel quer zur Längsmittelachse 26 der Thermode 10 verlaufen. Der Schlitz 16 hat demnach eine Ausdehnung in Richtung der Längsmittelachse 26 der Thermode 10 und außerdem quer zur Längsmittelachse 26.
Beispielsweise haben diese profilierten Abschnitte 16b im Wesentlichen einen Z-förmigen Verlauf.
Der obere profilierte Abschnitt 16b weist einen mittleren, längeren Schenkel auf, der eine Schräge bildet, die von links nach rechts ansteigt, während der untere profilierte Abschnitt 16b einen mittleren Schenkel aufweist, dessen Schräge von rechts nach links ansteigt, also entgegengesetzt zu der Schräge des oberen profilierten Abschnitts 16b.
Erfindungsgemäß ist zumindest im Bereich jedes längeren, schrägen Schenkels der beiden profilierten Abschnitte 16b ein elektrisch isolierendes Material 18 eingebracht.
Das elektrisch isolierende Material 18 kann beispielsweise ein Feststoffisolator sein und in Form eines Kunststoffplättchens, Glitterplättchens oder Glasplättchens ausgebildet sein.
Durch das elektrisch isolierende Material 18 werden die beiden Elektrodenhälften 12a und 12b zum einen elektrisch voneinander getrennt gehalten und zum anderen wird verhindert, dass sich die Elektrodenhälften axial gegeneinander verschieben können. Der Isolator 18 im oberen profilierten Abschnitt 16b hemmt eine axiale Verschiebung der Elektrodenhälfte 12b in die eine Verschieberichtung nach oben, während der Isolator 18 im unteren profilierten Abschnitt 16b eine Verschiebung der Elektrodenhälfte 12a in die Verschieberichtung nach oben hemmt.
Eine axiale Verschiebung der beiden Elektrodenhälften 12a ,12b konnte bei bisher bekannten Thermoden beispielsweise durch eine ungleiche Krafteinwirkung auf die Elektrodenhälften 12a, 12b bzw. eine ungleichmäßige Formgebung des Werkstücks und damit ungleiche Krafteinwirkung auf die Spitze 14 erfolgen. Durch eine gegenseitige axiale Verschiebung der beiden Elektrodenhälften 12a und 12b bestand die Gefahr, dass sich die Spitze 14 verbiegt und verformt und bei erneuter Belastung abbricht.
Die profilierten Abschnitte 16b des Schlitzes 16 sind zumindest teilweise mit dem elektrisch isolierenden Material 18 gefüllt, sie können aber auch vollständig mit einem elektrisch isolierenden Material 18 gefüllt sein.
Als elektrisch isolierendes Material kommt beispielsweise Kunststoff in Frage, der bis zu einem gewissen Grad hitzebeständig sein muss, da die Thermode im Betriebszustand bis zu 200 °C heiß wird und im Reinigungszustand bis auf 250 °C erhitzt wird. Als geeigneter Kunststoff kann beispielsweise PEEK verwendet werden. Ferner kann als isolierender und hitzebeständiger Werkstoff Glas oder Glaslot oder auch Glimmer eingesetzt werden.
Jede Z-Profilierung 16b des Schlitzes 16 stützt die Elektrodenhälften 12a, 12b in eine bestimmte Verschiebrichtung, sodass zwei Z-Profilierungen 16b eine Verschiebung in beide Verschieberichtungen verhindern.
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Thermode 110, die wiederum aus einem lang gestreckten Elektrodenkörper 112 mit zwei durch einen Schlitz 116 getrennten Elektrodenhälften 112a und 112b besteht.
Entlang des Schlitzes 116, der im Wesentlichen aus mehreren in Längsrichtung entlang der Längsmittelachse 26 verlaufenden geraden Abschnitten 116a besteht, sind profilierte Abschnitte 116b angeordnet.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die profilierten Abschnitte 116b als im Querschnitt runde Aufweitungen des Schlitzes ausgebildet, also beispielsweise als Bohrungen in Richtung des Schlitzes 116.
Die profilierten Abschnitte 116b können alternativ einen vom runden Querschnitt abweichenden Querschnitt, beispielsweise einen ovalen Querschnitt oder mehreckigen Querschnitt, aufweisen.
Die profilierten Abschnitte 116b sind demnach als radiale, quer zur Längsmittelachse 26 verlaufende Aufweitungen des Schlitzes 116 ausgebildet, wobei sich die Aufweitung sowohl in eine Elektrodenhälfte 112a als auch in die andere Elektrodenhälfte 112b erstreckt und insbesondere in radialer Richtung in Bezug auf die Längsmittelachse 26 erstreckt.
In die Aufweitungen bzw. Bohrungen der profilierten Abschnitte 116b ist ein im Querschnitt passender elektrisch isolierender Werkstoff 118 eingebracht.
Die gegenseitige axiale Verschiebung der beiden Elektrodenhälften 112a, 112b wird dadurch verhindert, dass in den profilierten Schlitzabschnitten 116b elektrische Isolatoren 118 in Form von Stiften, Dübeln oder Schrauben angeordnet sind.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung in Form einer Thermode 210 mit zwei Spitzen 214a und 214b.
Die Thermode 210 weist einen länglichen Elektrodenkörper 212 auf, der durch einen durchgehenden Schlitz 216 in zwei Elektrodenhälften 212a und 212b unterteilt ist. Am unteren Ende des Elektrodenkörpers 212 spaltet sich der Schlitz 216 in zwei Schlitze 217 auf, welche die Elektrodenhälften 212a, 212b wiederum halbieren. Die nochmals halbierten Elektrodenhälften sind jeweils durch eine einzelne Spitze 214a und 214b elektrisch leitend miteinander verbunden.
Der Elektrodenkörper 212 weist sowohl in Längsrichtung verlaufende Abschnitte 216a des Schlitzes 216 auf als auch profilierte Schlitzabschnitte 216b, die ähnlich wie in 1 aus Z-förmig verlaufenden Schlitzabschnitten bestehen.
In den mittleren schräg verlaufenden Schlitzen der profilierten Z-Abschnitte 116b sind elektrische Isolatoren 218 in Form von Kunststoffplättchen, Glimmerplättchen, Glasplättchen oder dergleichen eingebracht, welche eine gegenseitige axiale Verschiebung der beiden Elektrodenhälften 212a und 212b verhindern.
Alternativ können die Elektrodenhälften 212a, 212b anstelle der Z-förmig profilierten Abschnitte 216b des Schlitzes 216 eine Querbohrung oder einen Durchbruch aufweisen, in welchem ein dem Querschnitt der Durchbrechung angepasster Isolator angeordnet ist. Die Querbohrungen sind in diesem Ausführungsbeispiel sowohl senkrecht zur Längsmittelachse 26 als auch senkrecht zum Schlitz 216 angeordnet.
Die Isolatoren in den Querbohrungen verhindern einerseits, dass sich die Elektrodenhälften 212a und 212b berühren, d. h. sie sichern den Schlitzabstand zwischen den beiden Elektrodenhälften 112a, 112b, und sie verhindern andererseits, dass die Elektrodenhälften 212a und 212b sich in axialer Richtung gegeneinander verschieben können.
Bezugszeichenliste

10,110,210: Thermode
12, 112, 212: Elektrodenkörper
12a, 112a, 212a: Elektrodenhälfte
12b, 112b, 212b: Elektrodenhälfte
14, 114: Spitze
214a, 214b: Spitze
16, 116, 216: Schlitz
16a, 116a, 216a: gerader Abschnitt
16b, 116b, 216b: profilierter Abschnitt
217: Schlitzabschnitt
18, 118, 218: elektrischer Isolator
20: Werkstück
22: Fügepartner
24, 24': Fügepartner
26: Längsmittelachse

Claims

Thermode (10, 110, 210), bestehend aus einem länglichen Elektrodenkörper (12, 112, 212), der durch einen im Wesentlichen in Längsrichtung des Elektrodenkörpers (12, 112, 212) verlaufenden Schlitz (16, 116, 216) in zwei Elektrodenhälften (12a, 12b, 112a, 112b, 212a, 212b) unterteilt ist, und einer Spitze (14, 114, 214), welche die beiden Elektrodenhälften (12a, 12b, 112a, 112b, 212a, 212b) an einem Ende miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (16, 116, 216) mindestens einen profilierten Abschnitt (16b, 116b, 216b) aufweist, wobei zumindest im Bereich des profilierten Abschnitts (16b, 116b, 216b) des Schlitzes ein elektrisch isolierendes Material (18, 118, 218, 229) eingebracht ist.
Thermode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Abschnitt (16b, 116b, 216b) des Schlitzes mehrere sich quer zu einer Längsmittelachse (26) des Elektrodenkörpers erstreckende Schlitzabschnitte umfasst.
Thermode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (18, 218) in Form von Scheiben oder Plättchen zumindest in einen Teilabschnitt des sich quer zur Längsmittelachse (26) des Elektrodenkörpers (12, 212) erstreckenden profilierten Schlitzabschnitts (16b, 216b) eingebracht ist.
Thermode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Abschnitt (116b) eine im Querschnitt runde, ovale oder mehreckige Aufweitung des Schlitzes (116) oder eine Bohrung quer zum Schlitz (216) umfasst.
Thermode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (118) in Form von Stiften, Bolzen oder Schrauben in die profilierte Aufweitung (116b) des Schlitzes (116) eingebracht ist.
Thermode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (18, 118, 218) hitzebeständig ist.