DE2004750A1 - Werkzeug zum Verbinden thermoplastischer Teile durch Schall- oder Ultraschallenergie - Google Patents

Werkzeug zum Verbinden thermoplastischer Teile durch Schall- oder Ultraschallenergie

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DE2004750A1
DE2004750A1 DE19702004750 DE2004750A DE2004750A1 DE 2004750 A1 DE2004750 A1 DE 2004750A1 DE 19702004750 DE19702004750 DE 19702004750 DE 2004750 A DE2004750 A DE 2004750A DE 2004750 A1 DE2004750 A1 DE 2004750A1
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Branson Ultrasonics Corp
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Description

Patentanwälte Dr. Ing. H. Nagendank
Dipl. Ing. H. Hauck
Dipl. Phys. W. Schmitz
t tf ündrtri 13, MozarMr.23
TtI. 5 3· 05 86
Branson Instruments, Inc.
Progress Drive
Stamford, Conn, o69o2/USA 3. Dezember 1969
Anwaltsakte M-926
Werkzeug zum Verbinden thermoplastischer Teile durch Schall«· oder^Ultraschallenergie
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Verbinden thermoplastischer Teile und dergleichen unter der Einwirkung von Schall- oder Ultraschallenergie.
Es ist bereits bekannt (US-PS 2.653.894 und 3.224.916), thermoplastische Teile durch Ultraschallenergie miteinander zu verschweißen. Eine neuartige Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Teile erheblicher Dicke ist in der deutschen Patentanmeldung P 19 29 528.4 beschrieben. Dabei werden zwei Teile, die miteinander verbunden werden sollen, übereinandergelegt, und ein bei ResonanzjBchwingendes Horn, das im Schall- oder Ultraschallfrequenzbereich arbeitet, wird an die Oberfläche eines der Teile angesetzt und in dieses Teil eingedrückt, so daß die Stirnfläche des Homes durch die Oberfläche des beaufschlagten Teiles eindringt, bis aufgrund der aufgenommenen Schallenergie erweichtes thermoplastisches Material an der
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Grenzfläche zwischen den beiden übereinanderliegenden Teilen erzeugt wird. Die Schall- oder Ultraschallenergie wird dann abgeschaltet, so daß das erweichte Material aushärten kann und eine Bindung zwischen den beiden Teilen erzeugt wird. Danach wird das Horn aus der Lage abgezogen, in die es eingedrungen war. Während bei diesem. Verfahren blinde ' · . Löcher in wenigstens einem der übereinanderliegenden Teile l· ' erzeugt werden ,bleiben beide Teile an ihrer Grenzlinie in
'V < der Nähe der Beaufschlagung durch die Schallenergie fest miteinander verbunden oder miteinander verschmolzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Werkzeug zur Schall- oder Ultraschallenergie-Dearbeitung zu schaffen, damit das oben beschriebene Verfahren leichter durchgeführt und die Qualität der Bearbeitungestellen verbessert werden kann. Ein solides Horn, das bei Aufnahme von Schallenergie an einer Eingangsfl^che zu Resonanzschwingungen erregbar ist und das diese Energie auf ein Werkstück an einer gegenüberliegenden Ausgangsfläche W übertragen kann, wobei die Ausgangsfläche zum Eindringen in das Werkstück geformt ist, ist daher gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine auf dem Horn schwingungsisoliert angeordnete Einrichtung, die ebenfalls an dem Werkstück angreift und die Eindringtiefe der Ausgangsfläche in das Werkstück begrenzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft demnach ein Werkzeug, dai in einer Kombination ein akustisches solides Horn und eine Hülseneinriohtung aufweist, die speziell zur Erleich-
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terung des oben beschriebenen Verfahrens entworfen ist, wobei die Hülsenexnrichtung so angeordnet ist, daß sie die Übertragung akustischer Energie zwischen dem Horn und dem Werkstück nicht behindert, sondern lediglich das Eindringen des Homes in das Werkstück begrenzt. Dieses Werkzeug verbessert daher die Qualität und das Aussehen der zusammengesetzten thermoplastischen Teile und erleichtert das oben beschriebene Verfahren wesentlich, besonders wenn es von ungelerntem oder angelerntem Personal durchgeführt wird, wenn die Arbeit am Fließband durchgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Werkzeuges,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Werkstück mit einer Verbindung ( nach dem oben beschriebenen Verfahren, und
Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch das Werkzeug, das eine Sonotrode und eine Einrichtung zum Bewegen der Eindringtiefe aufweist.
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In Fig. 1 ist ein elektrischer Hochfrequenzgenerator 1o gezeigt, der über ein Kabel 12 elektrische Energie an einen Schallenergiewandler 14 zur Erzeugung von Schallschwingungen abgibt. Der Wandler H ist an ein solides Horn 16 zur Transformation der mechanischen Amplitude angepaßt. Das Horn besteht aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Titan. Der Generator 1o, das Kabel 12 und der Wandler H bilden eine im Handel erhältliche Einheit (Branson Sonic Power Company, Model J-32). Der Wandler H weist in dieser bekannten Ausführungeform W eine oder mehrere piezoelektrische Scheiben (nicht gezeigt) auf, die die von dem Generator 1o zugeführte elektrische Energie in Schallenergie umsetzen. Die Amplitude der mechanischen Schwingungen wird durch die Form des Homes verstärkt, das mechanisch an die piezoelektrischen Scheiben gekoppelt ist, wie beispielsweise in der US-PS 3·328.61ο dargestellt ist.
Ahnliche V/andlereinrichtungen, die ebenfalls im Handel erfc hältlich sind, verwenden magnetostriktive Wandlereinrichtungen, um die aufgenommene elektrische Energie in Schallenergie umzusetzen. Beide Wandlertypen arbeiten gewöhnlich bei einer Frequenz in der Größenordnung von 18 bis 25 kHe. Es ist jedoch zu beachten, daß die genaue Frequenz nicht entscheidend ist. Um die Geräuschbelästigung auf einem leicht erträglichen Niveau zu halten, ist es im allgemeinen erwünscht, daß die Schallenergie-vorrichtungen im Ultrafrequenzbereich arbeiten, d.h. bei einer Frequenz von
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16 kHz oder mehr. Die Vorrichtungen können Jedoch auch so ausgeführt sein, daß sie bei einem niederen Frequenz« bereich, beispielsweise bei 1o kHz, arbeiten. Sie Länge des Homes 16 ist so bemessen, daß es als Halbwellenresonator bei der Betriebsfrequenz schwingt. Die Stirnfläche 2o des Homes liegt dann an einem "Schwingungsbauch" und schwingt mit einer maximalen Amplitude entlang der Längsachse des Homes, wie durch den Pfeil angedeutet ist.
In Pig· 2 ist ein erster thermoplastischer Teil 22 gezeigt, der auf einem zweiten thermoplastischen Teil 24 liegt, dessen Unterseite auf einer feststehenden Unterlage 26 aufliegt. Die thermoplastischen Teile, gewöhnlich Bauteile aus ABS-Plaetikwerkstoff, liegen entlang der Grenzfläche 3o aufeinander. Wenn das Horn 16 durch Erregung des Generators 1o in Resonanzschwingungen versetzt wird und die Spitze 2o des Homes 16 in die Fläche des Teiles 22 in Richtung auf die Grenzfläche 3o hineingedrückt wird, wie in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben ist, wird das thermoplastische Material erweicht und fließt entlang der Grenzfläche 3o, wie durch die Bezugszahl 32 angedeutet ist. Bei Beendigung der Schallenergie härtet dieses aufgeweichte Material aus und verbindet sich mit dem umgsbenien Material, so daß eine Verbindung zwischen den beiden Teilen 22 und 24 geschaffen wird.
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• ■■''■ Sm Werkzeug mit dem in Resonanz schwingenden Horn und ei- , *ner darum angeordneten Buchseneinrichtung ist im einzelnen
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ORIGINAL INSPECTED
in Fig. 3 gezeigt. Das Horn 16 hat einen Gewindezapfen 4o zur Ankopplung an den Wandler 14. Die Radialfläche 42 bildet ia wesentlichen die Eingangsfläche des Homes 16, an der die Schwingungen im Schall·» oder Ultraschallfrequenzbereich von dem Wandler 14 abgenommen werdet'', |jgee Fläche liegt an einem Schwingungsbauch des Hornea. Das Horn weist ferner •inen Ausgangsabschnitt 44 auf, der einen reduzierten Durchmesser hat, um die an der Stirnfläche 2ο erzielte Schwingungsamplitude zu erhöhen. Die Stirnfläche ist darauf abgestimmt, daß sie an einem Werkstück zur Übertragung der Schallenergie auf dasselbe angreifen kann. Da das Horn als Halbwellenresonator schwingt, liegt die Ausgangsfläche ebenfalls im wesentlichen bei einem "Schwingungsbauch".
In der Mitte zwischen den beiden Bereichen maximaler Schwingungsamplitude (Schwingungsbauch) liegt ein Schwingungsknoten, an den die Amplitude der Längsbewegung im wesentlichen gleich Null ist. In diesem Bereich liegt ein Satz axial mit Abständen angeordneter Ringnuten 46 und 48, in denen O-Ringe 5o bzw. 52 angeordnet sind, um eine Schwingungeisolation gegenüber einer ersten, stationären, ringförmigen Hülse 54 zu bilden. Die O-Ringe 5o und 52 sitzen in entsprechenden Hingnuten 56 und 58 der Hülse 54. In der Hülse 54 ist eine zweite ringförmige Hülse 6o angeordnet, die teleskopierbar in Axialrichtung gegenüber der ersten Hülse 54 bewegbar ist. Diese teleskopierbar Einrichtung wird durch die aneinander angreifenden Gleitflächen 62 und 64 erreicht. Die zweite, unterhalb liegende Hülse 6o wird nach
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ORIGINAL INSPECTED
unten -und in'die ausgezogene Stellung gegenüber der ersten Hülse durcih eine Schraubenfeder 66 gedrückt, deren oberes Ende sich auf einer ringförmigen Beilagscheibe 68 und einem ortsfesten Springring 7o abstützt, der in einer Innennut der oberen Hülse 54 angeordnet ist.
.Das untere Ende der Fed^r 66 drückt gegen das obere Ende der Hülse 6o, wobei die Hülse 6o in ihre ausgezogene Stellung gedrückt wird. i;iese Bewegung wird durch die komplementären Radialflächen 72 der Hülse 54 und der Hülse 6o begrenzt. In die Hülse 6o ist ein Außengewinde 74 eingearbeitet, auf die ein Ring 76 mit Innengewinde aufgeschraubt ist. Die Bewegung der Hülse 6o gegen die von der Schraubenfeder 66 ausgeübte Kraft wird durch die Einstellung des Ringes 76 begrenzt, d.h. die Hülse 6o kann sich nur in die ortsfeste Hülse 54 zurückbewegen, bis die obere Radialfläche 77 des Ringes gegen axe untere Fläche 78 der Hülse 54 anschlägt. Beim Absenken des Ringes 76 auf die Spitze des Homes zu, kann sich daher die Hülse 6o weiter in die Hülse 54 zurückziehen.
nie Stirnfläche 2o des Homes 16 ist ein Teil einer erneuerbaren oder austauschbaren Werkzeugspitze 21, die in den vorderen Abschnitt 44 des Hornes 16 mit Hilfe eines Zapfens 21A eingeschraubt wird (Fig. 3).
Offenbar ist aie Hülseneinriohtung, die im wesentlichen π den Hülsen 54 und 6o besteht, von dem in Resonanz
Π Π f) != - 7 / ■ λ 9 '·.
BAP OR)GiNAL
schwingenden Horn durch die nacngiebige Befestigung abgekoppelt, die in einem Knotenbereich des Hornes liegt. Auf diese Weise empfängt die Hülseneinrichtung im wesentlichen Keine Schallenergie, ermöglicht jedoch, daß das Horn übereinstimmend mit der aufgenommenen Energie in der Resonanz schwingt.
Betriebsweise:
Der Wandler 14 (Fig. 2) wird durch Einschalten des Generators 1o erregt und bewirkt, daß das Horn 16 bei der Frequenz in Resonanz schwingt, auf die es ausgelegt ist. Die Spitze 2o des Hornes wird dann in Kontakt mit der zugänglichen Fläche des Werkstückes 22 gebracht. Durch die Aufnahme der Schallenergie wird das thermoplastische Material weich, und das Horn wird vorgedruckt, damit es durch
die Fläche des Werkstückes 22 in das Material zur Grenzzulaufende fläche 3o eindringt. Wenn die/Spitze 2o in das V/erkstück eindringt, kommt die radiale und mit einem Abstand angeordnete Fläche 8o der Hülse 6o in Anlage mit der zugänglichen Fläche des Werkstückes 22. Während das Horn tiefer
in das Werkstück eindringt, zieht sich die Hülse 6o in die ortsfeste Hülse 54 gegen den Druck der Feder 66 zurück. Wenn die obere Ringfläche 77 an der unteren Fläche 78 der Hülse 54 anstößt, wird ein Anschlag erreicht und das Horn wird daran gehindert, weiter in das Werkstück einzudringen. Die Energiezufuhr wird nun abgeschaltet und nach einer Verweilzeit, wahrend der das thermoplastische Material aushärten kann, wird die Hornspitze von dem Werkstück abgezogen.
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Offenbar kann durch die akustisch abgekoppelte Hülseneinrichtung, die das Horn umgibt, das Eindringen des im Schallbereich schwingenden Hornes in das Werkstück genau eingestellt und gesteuert werden, um eine Gleichmäßigkeit und einfache Handhabung zu erreichen.
Während die Endfläche 80 in der Darstellung etwas hinter der Stirnfläche 2o des Hornes liegt, so daß die Stirn fläche 2o des Hornes 16 an dem Werkstück angreift, bevor die Hülse 60 in Anlage mit dem Werkstück kommt, kann die Fläche 80 ferner so angeordnet sein, daß sie sich über die Stirnfläche des Hornes hinaus erstreckt, wobei in diesem Pail die Hülseneinrichtung an der Werkstückoberfläche angreift und einen Druck auf das darunterliegende Werkstück ausübt, bevor ein Kontakt zwischen dem bei Resonanz schwingenden Horn und dem Werkstück vorhanden ist. In beiden Fällen ist die Hülseneinrichtung, die das Horn umgibt, jedoch dazu geeignet und nützlich, um die Bewegung des Hornes gegenüber dem Werkstück und insbesondere die ^indringtiefe des Hornes in das Verkstück, zu begrenzen.
Zusätzlich ist es möglich, einen Luftstrom in den Spalt zwischen der Hülse 60 und dem Hornabschnitt 44 einzuführen, um das Horn zu kühlen und das Aushärten des erweichten thermoplastischen. Materiales zu beschleunigen.
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Claims (7)

  1. Patentanwälte Dr. Ing. H. Negendank
    Dipl. Ing. H. Haudc
    Dfpl. Phys. W. Schmitz
    i MUndMn 15r MozarWr.23
    TtI. 53805 86
    Branson Instruments, Inc.
    Progress Drive
    Stamford, Conn. o69o2/USA 3. Dezember 196
    Anwaltsakte M-926
    Patentansprüche
    Werkzeug, das bei Aufnahme von Schallenergie an einer Eingangsfläche zu Resonanzschwingungen erregbar ist und von dem diese Energie an einer gegenüberliegenden Ausgangsfläche übertragbar ist, wobei die Ausgangsfläche zum Eindringen in das Werkstück ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine auf dem Werkzeug (16) schwingungsisoliert befestigte Einrichtung (54, 6o) zum Aufsetzen auf das Werkstück und zum Begrenzen der Eindringtiefe der Ausgangsfläche (2o) in das Werkstück.
  2. 2. Werkzeug mit einer Sonotrode, die bei Beaufschlagen einer Eingangsfläche mit Schallenergie bei Schallfrequenz schwingt und eine gegenüberliegende Ausgangsfläche aufweist, die im wesentlichen in einem Bereich maximaler Schwingungsamplitude liegt und auf ein Werkstück zur Übertragung der Schallenergie ansetzbar ist, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste ringförmige Hülse (54), die an der Sonotrode (16) im wesentlichen schwingungsisoliert befestigt ist, durch
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    eine zweite ringförmige Hülse (60), die axial gegenüber der ersten Hülse (54) bewegbar ist und wenigstens einen Abschnitt (ifU) der Sonotrode (16) in der Nähe deren Ausgangsfläche (2o) umgibt, wobei die zweite Hülse (60) eine an dem Werkstück angreifende Fläche (80) aufweist, die an einer zugänglichen Fläche des Werkstückes aufsetzbar ist, auf die die Ausgangsfläche (2o) des Homes (16) Energie überträgt und durch eine Begrenzungseinrichtung (76), die die Axialbewegung der zweiten Hülse (60) gegenüber der ersten Hülse (54) begrenzt, wobei die Eindringtiefe der Ausgangsfläche (2o) in das Werkstück begrenzt wird.
  3. 3. Werkzeug mit einer Sonotrode nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei die Sonotrode (16) umgebende teleskopierbare Hülsen (54, 60), eine elastische Einrichtung (66) zwischen der ersten und der zweiten HuIs^ (54, 60), die die zweite Hülse (60) in axialer Richtung der Sonotrode (16) in Anlage mit dem Werkstück drückt, wobei beim Eindringen der Ausgangsfläche (2o) der Sonotrode (16) in das Werkstück die zweite Hülse (60) in Axialrichtung gegenüber der ersten Hülse (54) entgegen der von der elastischen Einrichtung (66) ausgeübten Kraft gedrückt wird, Mittel zum Befestigen einer der Hülsen (54) mit einem Ende an einem Knotenbereich des Hornes (16) und durch eine elastische Einrichtung zwischen den Hülsen (54, 60), die die zweite Hülse (60) in eine ausgezogene Lage drückt, wobei das Außenende (80) der zweiten Hülse (60) so angeordnet ist, daß es an dem Werkstück angreift, während die Ausgangsfläche (2o) Energie auf das Werkstück überträgt u ' in das Werkstück hineingedrückt wird, und durch eine Einrichtung zur Π09837/1893
    BAD
    einstellbaren Begrenzung des Betrages, um den die zweite Hülse (60) zurückziehbar ist, wenn die zweite Hülse (60) entgegen der von der elastischen Einrichtung (66) ausgeübten Kraft beaufschlagt ist, wobei das Eindringen der Ausgangsfläche (2o) in das Werkstück begrenzt wird, wenn die Ausgangsfläche (2o) in Anlage an das Werkstück gedrückt wird.
  4. 4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung eine einstellbare Vorrichtung (78) auf-
    * weist, die zwischen der ersten und der zweiten Hülse (54,60) zum Einstellen des Abstandes wirksam ist, um den die zweite Hülse ,(60) in die erste Hülse (54) entgegen der von der elastischen Einrichtung (66) ausgeübten Kraft zurückziehbar ist.
  5. 5. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung elastische Mittel (5o, 52) aufweist.
  6. 6. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ™ elastische Einrichtung eine Schraubenfeder (66) aufweist.
  7. 7. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfläche (2o) der Sonotrode (16) mit einer Spitze versehen ist, um das Eindringen in das Werkstück zu erleichtern.
    009837/1893 BAOORtGlNAi.
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