DE112014000973T5

DE112014000973T5 - Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode für Ultraschallschweißer

Info

Publication number: DE112014000973T5
Application number: DE112014000973.3T
Authority: DE
Inventors: Guillermo Coto
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: CN105073328A; US20140238615A1; US8925612B2; WO2014130942A2; JP2016508884A; DE112014000973B4; CH709725B1; CN105073328B; JP6212573B2; WO2014130942A3

Abstract

Eine Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode für einen Ultraschallschweißer hat einen Körper und eine Klemmhülse, über welche eine austauschbare Sonotrodenspitze aufnehmbar ist. Die Klemmhülse hat eine Vielzahl von axialen Schlitzen darin, welche die Klemmhülse in Sektionen unterteilen und eine kegelförmige sich axial erstreckende Bohrung, die sich nach außen abschrägt, während sie sich axial nach außen erstreckt. Der Körper hat eine Gewindebohrung, welche gewindemäßig mit einer mit Gewinde versehenen inneren Sektion des Klemmhülsenverschlusses in Eingriff bringbar ist. Die Sektionen der Klemmhülse werden auswärts gegen die innere Wand der Sonotrodenspitze gedrückt, wenn die Sonotrodenspitze auf der Klemmhülse aufgenommen ist, und der Sonotrodenverschluss in die Gewindebohrung festgemacht ist, um die Sonotrodenspitze auf die Klemmhülse zu sichern.

Description

VERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 14/186,327, eingereicht am 21. Februar 2014 und beansprucht ebenfalls die Begünstigungen der US-Provisional-Anmeldung Nr. 61/768,719, eingereicht am 25. Februar 2013. Die gesamte Offenbarung der obigen Anmeldungen wird hiermit durch Bezugnahme miteinbezogen.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Ultraschallschweißer und genauer auf eine Klemmhülsen-Sonotrode für Ultraschallschweißer.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt bietet Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung, welche nicht zwingend Stand der Technik sind.
Ein Modell eines typischen Gerätes 100 zum Ultraschallmetallschweißen weist einen Ultraschallwandler 102, einen Verstärker 104 und eine Ultraschallsonotrode 106 auf. Wie allgemein von Fachleuten des Ultraschallschweißens verstanden wird, ist eine Ultraschallsonotrode eine Metallleiste, welche mechanische Energie von dem Ultraschallwandler zu dem Werkstück überträgt. Die Ultraschallsonotrode ist typischerweise eine halbe Wellenlänge der Resonanzfrequenz lang, mit der der Ultraschallwandler schwingt, der die Sonotrode anregt. Elektrische Energie von einer Energieversorgung 101 mit einer Frequenz von 20 bis 60 kHz wird durch den Ultraschallwandler 102 in mechanische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie, welche in dem Ultraschallwandler 102 umgewandelt wurde, wird an eine Schweißlast 108 (wie zwei Metallstücke 112, 114) über den Verstärker 107 und die Sonotrode 106 übertragen. Der Verstärker 104 und die Sonotrode 106 führen die Funktion des Übertragens der mechanischen Energie wie auch des Umwandelns von mechanischen Vibrationen vom Ultraschallwandler 102 mit einem Gewinnfaktor aus.
Die mechanische Vibration, die an der Sonotrodenspitze 110 resultiert, ist die Bewegung, welche die Tätigkeit des Metallzusammenschweißens ausführt. Die Sonotrodenspitze 110 kann aus Wolframkarbid oder anderem hochstarkem, hartem Material sein. Die Metallstücke 112, 114, welche zusammengeschweißt werden sollen, werden benachbart zu der Sonotrodenspitze 110 platziert. Die Sonotrodenspitze 110 wird in Kontakt mit dem oberen Metallstück 112, welches geschweißt werden soll, gebracht. In der Ausführungsform von 1 weist die Sonotrode 106 zwei Sonotrodenspitzen 110 auf, wovon eine in Kontakt mit dem oberen Metallstück 112 gebracht wird. Die axialen Vibrationen der Sonotrode werden nun Schervibrationen des oberen Metallstücks 112. Die Schervibrationen werden an das obere Metallstück 112 übertragen, veranlassen es sich vor und zurück bezüglich des unteren Metallstückes 114 zu bewegen, veranlassen Oberflächen der zwei Metallstücke, welche aneinander an einer Schweiß-Schnittstelle angrenzen, sich zu erhitzen und letztendlich miteinander zu verschmelzen. Ein Schmelzamboss 120 unterstützt das untere Metallstück 114. Es ist zu verstehen, dass so ein Ultraschallschweißer verwendet werden kann, um mehrere Lagen von Metallfolien zusammenzuschweißen, wie beispielsweise einige Lagen von Aluminium- oder Kupferfolie.
Ein ähnliches Gerät wird beim Zusammenschweißen von Plastikstücken mittels Ultraschall verwendet. Der wesentliche Unterschied ist, dass die Ultraschallsonotrode in einer Art und Weise schwingt, um vertikale Schwingungen in die Plastikstücke weiterzugeben. Das bedeutet, dass die Ultraschallsonotrode periodisch Kompressionen/Dekompressionen der Plastikstücke bezüglich einander veranlasst, wodurch Oberflächen der Plastikstücken, welche aneinander an einer Schweiß-Schnittstelle angrenzen, erhitzt werden und schlussendlich zusammenschmelzen.
Ultraschallschweißer sind zum Beispiel offenbart in US-Patent Nr. 5,658,408 „Method for Processing Workpieces by Ultrasonic Energy“, US-Patent Nr. 6,863,205 „Anti-Splice Welder“ und US-Patentveröffentlichung Nr. 2008/0054051 „Ultrasonic Welding Using Amplitude Profiling“. Die gesamte Offenbarung der Vorgenannten wird hiermit durch Bezugnahme miteinbezogen.
Ultraschallsonotroden sind Hauptkomponenten von Ultraschallschweißern. Beim Ultraschallschweißen von Metall- und Plastikschicht und Strukturen sind Ultraschallsonotroden Verschleißteile, bei denen die Spitze der Ultraschallsonotrode, welche das Werkstück, welches geschweißt wird, kontaktiert über die Zeit verschleißt. Dies verlangt, dass die Ultraschallsonotrode periodisch ersetzt wird, welches dem Prozess des Ultraschallschweißens Kosten hinzufügt, da Ultraschallsonotroden relativ teure Komponenten sind. Um diese Kosten zu reduzieren, weisen bestimmte Ultraschallsonotroden austauschbare Spitzen auf. Eine Art von austauschbarer Spitze hat einen äußeren Kontaktbereich und einen Gewindestift, der sich davon weg erstreckt und der in eine Gewindebohrung am Ende der Ultraschallsonotrode festgemacht ist, um die austauschbare Spitze an der Ultraschallsonotrode zu sichern. Bei einem anderen Typ hat das Ende der Ultraschallsonotrode einen Bolzen, welcher hiervon auswärts absteht über den die austauschbare Spitze passt. Der Endbereich des Bolzens ist mit einem Gewinde versehen und eine frontale Nut ist dann auf dem mit einem Gewinde versehenen Endbereich des Bolzens gegenüber der Frontfläche der austauschbaren Spitze befestigt, um die austauschbare Spitze an dem Ende der Ultraschallsonotrode zu befestigen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt bietet eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist nicht eine umfassende Offenbarung ihres gesamten Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Eine Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode für eine Ultraschallschweißer weist eine Klemmhülse auf, welche axial auswärts an einem Ende des Körpers der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode hervorsteht. In einem Aspekt steht die Klemmhülse auswärts von einer Schulter der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode hervor. Die Klemmhülse hat eine Vielzahl von axialen Schlitzen darin, welche sie in Sektionen unterteilen und eine abgeschrägte sich axial erstreckende Bohrung, die sich auswärts abschrägt, während sie sich axial auswärts von der Schulter der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode erstreckt. Die Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode weist eine Gewindebohrung auf, die sich axial einwärts von dem Ende des Körpers erstreckt, von dem die Klemmhülse hervorsteht. In einem Aspekt erstreckt sich die Gewindebohrung axial einwärts von der Schulter der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode. Die Klemmhülse der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode nimmt eine austauschbare Sonotrodenspitze auf, welche über die Klemmhülse und gegen die Schulter der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode platziert wird. Ein Klemmhülsenverschluss, welcher einen mit Gewinde versehenen inneren Bereich und einen kegelförmigen äußeren Bereich aufweist, ist gewindemäßig in der Gewindebohrung der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode festgemacht. Wenn der Klemmhülsenverschluss in der Gewindebohrung der Ultraschallsonotrode festgemacht ist, drückt der kegelförmige äußere Bereich des Klemmhülsenverschlusses die Sektionen der Klemmhülse auswärts gegen die innere Wand der austauschbaren Sonotrodenspitze, welche eine Bohrung der austauschbaren Sonotrodenspitze umgibt, wobei die austauschbare Sonotrodenspitze auf der Klemmhülse und an der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode gesichert ist.
Weiter Gebiete der Anwendbarkeit werden anhand der vorliegenden Beschreibung erkennbar. Die Beschreibung und bestimmte Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Verdeutlichungszwecke gedacht und nicht zur Begrenzung des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
FIGUREN
Die hierin beschriebenen Figuren sind nur zu Verdeutlichungszwecken von ausgewählten Ausführungsformen und nicht aller möglichen Ausführungen und sie sind nicht dafür vorgesehen, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
1 ist eine schematische Ansicht eines Ultraschallschweißers des Standes der Technik;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung mit einer austauschbaren Sonotrodenspitze, welche an eine Klemmhülse der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode gesichert ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode von 2 ohne dass die austauschbare Sonotrodenspitze an der Klemmhülse gesichert ist;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Endbereiches der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode, welcher in 3 durch Bereich 4 gekennzeichnet ist;
5 ist eine Schnittansicht des Endbereiches der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode von 3, welcher in 4 gezeigt ist, entlang der Linien 5-5 in 4;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer austauschbaren Sonotrodenspitze; und
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Klemmhülsenverschlusses nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
Korrespondierende Bezugszeichen bezeichnen korrespondierende Bauteile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun detaillierter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
2 zeigt eine Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 und eine austauschbare Sonotrodenspitze 201, welche an einer Klemmhülse 202 (3) der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 gesichert ist. 3 zeigt die Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 ohne dass die austauschbare Sonotrodenspitze 201 an der Klemmhülse 202 gesichert ist. Die Klemmhülse 202 steht axial auswärts an einem Ende 205 eines Körpers 203 der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 ab, wie beispielsweise von einer Schulter 204 (4) der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 an einem Übergang vom Ende 205 des Körpers 203 und einem axialen inneren Ende 207 der Klemmhülse 202. Wie am besten in 4 gezeigt, hat die Klemmhülse 202 eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Schlitzen 206, welche die Klemmhülse 202 in eine Vielzahl von Sektionen 208 unterteilen. Veranschaulicht hat die Klemmhülse 202 vier axiale Schlitze 206, welche äquidistant um die Klemmhülse 202 angeordnet sind, und welche die Klemmhülse 202 in vier Sektionen 208 aufteilen. Wie am besten in 5 gezeigt, hat die Klemmhülse 202 eine sich kegelförmig axial erstreckende Bohrung 210 darin, die sich radial auswärts abschrägt, während sich die Bohrung 210 axial auswärts erstreckt. Dies bedeutet, dass sich ein Durchmesser der Bohrung 210 sukzessive erhöht, während sich die Bohrung 210 axial auswärts erstreckt. Der Körper 203 der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 weist eine Gewindebohrung 212 auf, welche sich axial einwärts von einem axialen inneren Ende 211 der Bohrung 210 erstreckt. Nach einem Aspekt erstreckt sich die Gewindebohrung 212 auch teilweise in die Klemmhülse 202. Es soll verstanden sein, dass die Gesamtheit der Gewindebohrung 212 nicht mit einem Gewinde versehen sein muss. Die Klemmhülse 202 kann veranschaulicht einen im Wesentlichen quadratischen äußeren Querschnitt mit abgeschrägten Kanten unterteilt durch axiale Schlitze 206 aufweisen. Es ist zu verstehen, dass die Klemmhülse 202 einen äußeren Querschnitt aufweisen kann, der anders ist als quadratisch mit abgeschrägten Kanten. Beispielsweise kann die Klemmhülse 202 einen polygonalen Querschnitt mit abgeschrägten Kanten aufweisen, wobei das Polygon unterschiedlich zu einem Quadrat ist. Die Klemmhülse 202 könnte auch einen runden Querschnitt haben.
6 zeigt die austauschbare Sonotrodenspitze 201 detaillierter. Die austauschbare Sonotrodenspitze 201 hat eine innere Bohrung 214 definiert durch eine innere Wand 215 der austauschbaren Sonotrodenspitze 201, welche die innere Bohrung 207 umgibt. Die innere Bohrung 214 hat einen Querschnitt, der dem äußeren Querschnitt der Klemmhülse 202 entspricht. Veranschaulicht hat die austauschbare Sonotrodenspitze 201 einen quadratischen äußeren Querschnitt, wie in 6 gezeigt. Es ist jedoch zu verstehen, dass die äußere Geometrie der austauschbaren Sonotrodenspitze 201 anders als die eines Quadrates sein kann und dass die Geometrie, die geeignet für die Anwendung für die die austauschbare Sonotrodenspitze 201 verwendet wird, benutzt wird. Die austauschbare Sonotrodenspitze 201 kann eine oder mehrere Kontaktoberflächen 216 aufweisen, welche wie in dem Beispiel von 6 gezeigt, an Außenseiten 218 der austauschbaren Sonotrodenspitze 201 angeordnet sind. Die Kontaktoberflächen 216 können zum Beispiel eine gerändelte Oberfläche sein. Es ist zu verstehen, dass die Kontaktoberfläche oder Kontaktoberflächen an anderen Positionen der austauschbaren Sonotrodenspitzen 201 angeordnet werden können, wie z.B. an der Frontfläche der austauschbaren Sonotrodenspitze 201.
7 zeigt einen Klemmhülsenverschluss 220, welcher verwendet wird, um die austauschbare Sonotrodenspitze 201 an der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 zu sichern. Der Klemmhülsenverschluss 220 kann als geformter Bolzen betrachtet werden, welcher eine innere Sektion 222 mit Außengewinde und eine kegelförmige äußere Sektion 224 hat, welche sich nach radial auswärts von der mit Gewinde versehenen inneren Sektion 220 abschrägt. Die kegelförmige äußere Sektion 224 kann ein Werkzeugaufnahmemerkmal 226 (2) an einem äußeren Ende 228 (7) haben, in welches ein Befestigungswerkzeug (nicht gezeigt) eingesetzt werden kann, um das Befestigen des Klemmhülsenverschlusses 220, wie weiter unten beschrieben, zu vereinfachen. Werkzeugaufnahmemerkmal 226 kann veranschaulicht ein Innensechskant zur Aufnahme eines Imbusschlüssels sein, aber es ist zu verstehen, dass es unterschiedlich zu einem Innensechskant sein kann.
Zum Montieren der austauschbaren Sonotrodenspitze 201 an die Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 wird die austauschbare Sonotrodenspitze 201 auf die Klemmhülse 202 und gegen die Schulter 204 der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 platziert. Der Klemmhülsenverschluss 220 wird dann in die Bohrung 210 der Klemmhülse 202 eingesetzt und die mit Gewinde versehene innere Sektion 222 in die Gewindebohrung 212 der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 eingedreht und festgemacht. Die mit Gewinde versehene innere Sektion 222 ist veranschaulicht ein Gewindeschaft. Wenn der Klemmhülsenverschluss 220 festgemacht wird, drückt die kegelförmige äußere Sektion 224 des Klemmhülsenverschlusses 220 die Sektionen 208 der Klemmhülse 202 radial auswärts gegen die innere Wand 215 der austauschbaren Sonotrodenspitze 201, wodurch die austauschbare Sonotrodenspitze 201 an der Klemmhülse 202 und mit der Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode 200 gesichert wird.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zur Erläuterung und Veranschaulichung bereitgestellt. Sie ist nicht dazu gedacht, abschließend zu sein oder um die Offenbarung zu beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale von bestimmten Ausführungen sind grundsätzlich nicht auf diese bestimmte Ausführung beschränkt, sondern, wenn anwendbar, sind sie austauschbar und können in ausgewählten Ausführungen verwendet werden, sogar wenn nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dasselbe kann ebenso auf viele Arten variiert werden. Derartige Abweichungen sollen nicht als Abweichen von der Offenbarung angesehen werden und es ist beabsichtigt, dass alle solche Modifikationen sich innerhalb des Umfangs der Offenbarung befinden.
Räumlich relative Begriffe wie „innen“, „außen“, „unter“, „darunter“, „tiefer“, „über“, „überhalb“ und so ähnlich werden hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Elemente oder Merkmal, wie sie in den Figuren gezeigt sind, zu beschreiben. Es kann beabsichtigt sein, dass räumlich relative Begriffe unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung bei Verwendung oder Betrieb zusätzlich zu der Orientierung, welche in den Figuren gezeigt ist, beinhalten. Beispielsweise, wenn eine Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, welche als „unter“ oder „unterhalb“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen sein. Daher kann der exemplarische Begriff „unter“ beide Orientierungen „über“ und „unter“ beinhalten. Die Vorrichtung kann in anderer Weise orientiert werden (um 90° gedreht oder in anderen Orientierungen) und dann sollen die räumlich relativen Beschreibungen hierin entsprechend interpretiert werden.

Claims

Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode für einen Ultraschallschweißer aufweisend: einen Körper; eine Klemmhülse über welche eine austauschbare Sonotrodenspitze aufnehmbar ist, wobei die Klemmhülse auswärts an einem Ende des Körpers der Ultraschal-Klemmhülsen-Sonotrode hervorsteht, wobei die Klemmhülse eine Vielzahl von axialen Schlitzen darin, welche die Klemmhülse in Sektionen unterteilen und eine kegelförmige sich axial erstreckende Bohrung aufweist, die nach außen abgeschrägt ist, während sie sich nach axial außen erstreckt; und wobei der Körper eine Gewindebohrung hat, die gewindemäßig in eine mit Gewinde versehenen inneren Sektion eines Klemmhülsenverschlusses eingreift, wobei sich die Gewindebohrung axial einwärts von einem axial inneren Ende der kegelförmigen sich axial erstreckenden Bohrung erstreckt; wobei die Sektionen der Klemmhülse nach außen gegen eine innere Wand der Sonotrodenspitze gedrückt werden, wenn die Sonotrodenspitze auf der Klemmhülse aufgenommen wird und der Klemmhülsenverschluss in der Gewindebohrung festgemacht wird, um die Sonotrodenspitze auf der Klemmhülse zu sichern.
Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode nach Anspruch 1, wobei die Klemmhülse einen polygonalen Querschnitt mit abgeschrägten Kanten, unterteilt durch axiale Schlitze, aufweist.
Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode nach Anspruch 1, wobei die Klemmhülse einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt mit abgeschrägten Kanten, unterteilt durch axiale Schlitze, aufweist.
Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode nach Anspruch 1, weiter aufweisend den Klemmhülsenverschluss, wobei der Klemmhülsenverschluss eine kegelförmige äußere Sektion hat, welcher die Sektionen der Klemmhülse gegen die Sonotrodenspitze drückt, wenn die mit Gewinde versehene innere Sektion des Klemmhülsenverschlusses in die Gewindebohrung geschraubt ist.
Ultraschall-Klemmhülsen-Sonotrode nach Anspruch 4, wobei die mit Gewinde versehene innere Sektion des Klemmhülsenverschlusses ein Gewindestift ist.