DE1929528A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von thermoplastischen Werkstuecken durch Schallenergie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von thermoplastischen Werkstuecken durch Schallenergie

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DE1929528A1 DE19691929528 DE1929528A DE1929528A1 DE 1929528 A1 DE1929528 A1 DE 1929528A1 DE 19691929528 DE19691929528 DE 19691929528 DE 1929528 A DE1929528 A DE 1929528A DE 1929528 A1 DE1929528 A1 DE 1929528A1
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Description

192952a
Patentanwälte Dr, In.-* Π rkcan
Branson Instruments, Inc. Jr- ^1 3 -4^ dsir.25
76 Progress Drive
Stamford, Connecticut06902, USA 6.MaI 1969
Anwaltsakte M-699
Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von thermoplastischen Werkstücken durch Schallenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von thermoplastischen Werkstücken und Insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung sum Verschweißen sweier übereinander liegenä@rs fester s thermoplastischer Merkstücke durch Schall- oder Ült3?aschallenergiej, wobei diese Energie den Werkstücken IFQSi einer Seit© hep sugeführt wird«,
Das Verschweißen dünn®rs biegsamer oder halbstarrer thermoplastischer Werkstücke durch Schall» oder Oltrasehallenergie ist bereits bekannt· Das Verschweißen awe-ier übereinandepliegender, fester und dickwandiger thermoplastischei» Werkstücke, die sich auf einer ausgedehnten Fläche oder Ebene beröhreHs bereitet Jedoch erhebliöli© Schwieriglc©Iteno Die den einen Werkstück zugeführte UlteasehalleBeFgle wird g@rstreut s breitet sieh über eine verhältnismäßig groß® Fläche aus und verfehlt so iteea Zwecks. Merkstoff an der 6j?ensfläche9 d.h„ a,n der Fläche oder Ebene,
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an der die beiden Werkstücke sich berühren, zu erweichen. Ue diese Schwierigkeit zu vermeiden, Ist es bereits bekannt, einem der Werkstücke Vorsprünge vorzusehen» die ?on der rungsf lache des einen Werkstücks abstehen und einen Bereich naitfe verkleinertem Querschnitt bilden, an dem die Schallenergie als-. sorbiert wird, so daß die Energie in eine bevorzugte.Rieiitamg abgegeben wird. Die Vorsprünge werden schnell erweicht, der thermoplastische Werkstoff beginnt zn fließen unü erzeugt tssia Erstarren eine Verbindung. Diese Vorsprünge,. «Sarch -die der eingestrahlten Energie eine bestimmte Sichtung gegeben wird9 slssl den Vor Sprüngen ähnlich, die beim elektrisch©!! Widerstands- ■ schweißen verwendet werdess»
In vielen Fällen ist es notwendig s t&einaopl&stisefe© Werks fcteli® mit beträchtlicher Wandstärke zu88smenz<as&hn<sl&<ms wobei ¥01?= Sprünge für öle EiiergieabstrahlüBg entweder aiclit oder bei der Formgebung äer Werkstücke nicht ^op können. In anderen Fällen Ist es erwünscht9 thermoplastiselE© Werkstücke miteinander su verschweISessa die sich auf eines= aus gedehnt en Fläche-berühren, so daß es unter diesen Bedingungen schwierig ist, die Absorption der Schallenergie zu steues^ca in einer Richtung zn lenken,
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst s daß si-r= Schallschwingungen erregtes Werkzeug an die Außenseite des e Werkstücks angesetzt; und in das Werkstück hineingedrückt :r2^(ä bis die Stirnfläche des Werkzeugs in die Nähe der Grenzfläcla©
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BAD ORJG,NAL
eimgedrungen ist3 w©foei dureh Absorption der Schallenergie der Wesrfestoff im Etiiärissgtsereleli des Werkzeugs "an der Grenzfläche ziffis Fließen getoraefet wird und durch das nachfolgende Erstarren die Werkstücke la Elssdrlngbereich verbunden werden.
«äas erfiudtaagsgemäße Yerfahren können verhältnismäßig dicke
thermoplastische Werkstücke durch Schall- oder Ultraschall-
I energie miteinander· verbunden werden; die Werkstücke werden zu
j diesem Zweck flach aufeinander gelegt.
I Ein fesführungsbeisjplel der Erfindung wird nun an Hand der beii liegenden Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
FSg. 1 eine sehemafeische Darstellung der Ultraschallvorrichtung und der thermoplastischen Werkstücke vor ihrer Verbindung;
I Flg. 2 ein Ausführusigsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchfüh-
rung des erflndungsgemäßen Verfahrens, mit der zwei Merkstücke durch Ultraschallenergie dicht aneinander befestigt werden;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Schnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 2;
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19 ? 9 5 ? fl
1 an
Fig. 1I eine Draufsicht auf die Fläche, der das Ultraschallwerk zeug angreift nach der Schweißung.
In Fig. 1 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 gezeigt, der über ein Kabel 12 elektrische Energie einem Ultraschallwandler lH zuführt, der Schallschwingungen erzeugt. Der Wandler 14 ist mit einem die mechanische Amplitude transformierenden festen Horn 16 ausgerüstet,das aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Titan gefertigt ist. Der Generator 10, das Kabel 12 und der Wandler IM bilden eine im Handel erhältliche Vorrichtung (beispielsweise Modell J-32 von der Firma Branson Sonic Power Company). Der Wandler Ik weist bei einer üblichen Ausführungsform eine oder mehrere piezoelektrische Scheiben (nicht gezeigt) auf, die die von dem Generator 10 zugeführte elektrische Energie in Schallenergie umsetzen. Die Amplitude der mechanischen Schwingungen wird durch das Horn 16 verstärkt, das mechanisch mit den piezoelektrischen Scheiben gekoppelt ist. Andere ebenfalls im Handel erhältliche Vorrichtungen verwenden magnetοstrlktive Wandlereinrichtungen, um die aufgenommene elektrische Energie in Schallenergie umzusetzen. Beide Wandlerarten arbeiten bei Frequenzen in der Größenordnung von 18 bis 25 kHz. Bekanntlich ist jedoch die genaue Arbeitsfrequenz nicht kritisch. Um die Lärmbelästigung auf einem erträglichen Niveau zu halten, ist es im allgemeinen erwünscht, daß die Beschallungsvorrichtungen im Ultraschallfrequenzbereich arbeiten, d.h. bei Frequenzen von 16 kHz und mehr. Die Länge des Horns l6 ist so bemessen, daß es als Halbwellenresonator bei der Betriebsfrequenz
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schwingt, wobei die Stirnfläche 30 des Horns an einer Stelle mit maximaler Schwingungsamplitude angeordnet ist und in Längsachse des Horns schwingt, wie es durch den Pfeil angedeutet ist.
Unter dem Horn 16 ist ein erstes flaches thermoplastisches Werkstück 20 angeordnet, das auf einem zweiten thermoplastischen Werkstück 22 liegt, dessen Unterseite auf einem Träger 2k aufliegt. Die thermoplastischen Werkstücke sind gewöhnlich Bauteile aus ABS-Kunststoff (Acrylnitril-Butadien-Styrol), die sich längs einer Fläche 26 berühren.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden der beiden Werkstücke 20 und 22. Bei dem Verfahren setzt man das zu Schallschwingungen erregte Horn 16 an die Fläche 21 des Werkstücks 20 an und läßt es in das Werkstück 20 soweit eindringen, daß das Horn wenigstens die Fläche 26 erreicht. Der vordere Abschnitt 31 des Horns hat eine Stirnfläche 30 mit einem Durchmesser, der das Eindringen in die Werkstücke erleichtert. Andere mit Erfolg erprobte Stirnflächen haben die Form eines Konus oder eines Kegelstumpfes.
Wenn das Horn 16, das bei seiner Resonanzfrequenz schwingt, in die Oberfläche des thermoplastischen Werkstücks 20 hineingedrückt wird, wird auf Grund der damit verbundenen Aufnahme von Schallenergie der thermoplastische Werkstoff, der mit dem vorderen Abschnitt 31 des Horns in Berührung kommt, weich und ein Teil die-
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ses Werkstoffes fließt nach oben und wird durch eine unter einem bestimmten Radius angeordnete Ringnut 32 des Horns geformt und zurückgehalten. Wenn die durch die Stirnfläche 30 gebildete Spitze des Horns tiefer in den thermoplastischen Werkstoff eindringt und die Grenzfläche 26 erreicht, wird eine zusätzliche Reibung an der Grenzfläche 26 erzeugt, wodurch der thermoplastische Werkstoff direkt an der Grenzfläche weich wird.
Wenn die Übertragung der Schallenergie aufhört, wird der weiche Werkstoff 40, 42 schnell hart, wodurch die beiden thermoplastischen Werkstoffe 20 und 22 miteinander verschweißt werden, ähnlich wie bei einer Punktschweißung oder bei einer Nietenbefestigung. Die flache ringförmige Fläche 34 des Horns hilft bei der Erzeugung des notwendigen Anprefidrucks, um die Werkstücke 20 und 22 an der Grenzfläche 26 in Anlage zu halten, unmittelbar nachdem die Zufuhr von Ultraschallenergie aufhört. Während dieser kurzen Zeitdauer kann der erweichte Werkstoff aushärten.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Schnitt in der Ebene der Grenzfläche 26, wobei der geschmolzene thermoplastische Werkstoff an der Grenzfläche gezeigt ist.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Fläche 21, wobei der Ringwulst 44 aus dem thermoplastischen Werkstoff gezeigt ist, der durch das in der Nut 32 des Horns l6 zurückgehaltene und geformte Material gebildet wird. Ferner ist das blinde Loch 46 zu sehen, welches durch den vorderen Abschnitt 31 des Horns I6 erzeugt wird.
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Wenn große Abschnitte miteinander verbunden werden, wird das oben beschriebene Verfahren in regelmäßigen Abständen wiederholt, beispielsweise in Abständen von 3 cm, um eine genügende Anzahl solcher "Punktschweißungen" zu schaffen.
Es ist zu beachten, daß die Länge des vorderen Abschnitts 31 des Horns 16 von der StirnfBche 30 bis zu der Fläche 34 gleich der ! gewünschten Eindringtiefe des Horns eingestellt wird. In dem ge-
! zeigten Ausführungsbeispiel ist diese Länge geringfügig größer j als die Dicke des thermoplastischen Werkstücks 20.
j Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens hat es sich ge- ! zeigt, daß der vordere Abschnitt 30 des Horns nicht bis zur Grenzfläche 26 vordringen oder diese überschreiten muß. Auch wenn die Stirnfläche des Horns in dem Werkstück 20 kurz vor der Grenzfläche 26 angehalten wird, wird noch genügend Wärme durch die von der Stirnfläche des Horns abgegebene Schallenergie erzeugt, um das thermoplastische Material an der Grenzfläche 26 zu schmelzen. Daraus ergibt sich, daß das Horn nicht unbedingt durch die Grenzfläche in das darunter liegende Werkstück eindringen muß. Wenn es genügend Schallenergie abgibt, kann das Horn demnach in das eine Werkstück hineingedrückt werden, bis die Stirnfläche des Horns in die Nähe der Grenzfläche kommt, an der die beiden thermoplastischen Werkstücke aneinander angrenzen.
Während es in einigen Fällen erwünscht ist, mit der Stirnfläche des Horns über die Grenzfläche 26 hinaus einzudringen, kann es
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BAD
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In anderen Fällen vorteilhaft sein, das Werkstück 20 nur soweit zu durchdringen, bis die Stirnfläche 30 genau an der Grenzfläche 26 oder kurz vor der Grenzfläche 26 liegt. Die Abmessungen des Horns 16 werden so gewählt, daß die ringförmige Fläche J>k einen entsprechenden Anschlag für das Horn beim Eindringen in das Werkstück 20 oder in die Werkstücke 20 und 22 bildet.
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Claims (14)

  1. Patentanwalt·
    Dr. Iw]. H Mc-q
    Dip!, !η K M-i'ck Dijji. i-V./v V*. S;!i.:.itz
    8Münc!i in '.5. i'icxcrtih.23
    Branson Instruments, Inc. r«i. 53805 86 Progress Drive
    Stamford, Connecticut, 06902, USA 6. Mai 1969
    Anwaltsakte M-699
    Patentansprüche
    l.JVerfahren zum Verbinden zweier thermoplastischer längs einer Grenzfläche aufeinanderliegender Werkstücke mit wenigstens einer frei zugänglichen Außenseite,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Schallschwingungen erregtes Werkzeug an die Außenseite des einen Werkstücks angesetzt und in das Werkstück hineingedrückt wird, bis die Stirnfläche des Werkzeugs in die Nähe der Grenzfläche eingedrungen ist, wobei durch Absorption der Schallenergie der Werkstoff im Eindringbereich des Werkzeugs an der Grenzfläche zum Fließen gebracht wird und durch das nachfolgende Erstarren die Werkstücke im Eindringbereich verbunden werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug in das Werkstück soweit hineingedrückt wird, bis die Stirnfläche des Werkzeugs wenigstens an der Grenzfläche zu liegen kommt.
    -1-
    9 0 9 8 8 6/1311
    JlO
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug soweit In das Werkstück hineingedrückt wird, bis die Stirnfläche des Werkzeugs in der Nähe, jedoch kurz vor der Grenzfläche zu liegen kommt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug in das Werkstück soweit hineingedrückt wird, bis die Stirnfläche des Werkzeugs in dem anderen Werkstück zu liegen kommt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des anderen Werkstücks abgestützt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen der Endlage des Werkzeugs die Schwingungen abgeschaltet werden und das Werkzeug in dieser Lage kurzzeitig gehalten wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug einen Stabschwinger (16) zum Erzeugen von Schallschwingungen und an diesem einen Anschlag aufweist, der die Eindringtiefe des Stabschwingers (16) bestimmt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabschwinger (16) ein longitudinal schwingendes Horn ist.
    -2-
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    1973529
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Horm mit mindestens 16 kHz schwingt.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag von einer in einer Querschnittsebene liegenden Ringfläche (31O des Horns (16) gebildet ist, deren Abstand von der Stirnfläche (30) des Horns (16) die Eindringtiefe des Horns bestimmt.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge-
    kennzeichnet, daß das Horn (16) an seinem vorderen Ende einen zylindrischen Abschnitt (3D mit geringerem Durchmesser aufweist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (16) an seinem Vorderende einen konischen Abschnitt aufweist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekenn-/ zeichnet, daß das Horn an seinem Vorderende einen kegelstumpf förmigen Abschnitt aufweist.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ringfläche (31I) eine flache Nut (32) vorgesehen ist, die den vorderen Abschnitt (31) des Horns (16) umgreift.
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