DE3342619A1 - Verfahren und maschine zum ultraschallschweissen von thermoplastischen kunststoffteilen - Google Patents

Verfahren und maschine zum ultraschallschweissen von thermoplastischen kunststoffteilen

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Description

  • Verfahren und Maschine zum Ultraschall-
  • schweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen Das Verschweißen von Kunststoffteilen unter Anwendung von Ultraschallenergie ist bekannt. Die zu verschweißenden Teile werden hierbei zusammengepreßt,und an der eigentlichen Schweißstelle wird eine sogenannte Sonotrode aufgesetzt, die unter Anregung durch einen Ultraschallwandler im Bereich von beispielsweise 20 KHz oder auch 50 KHz schwingt. Die von der Sonotrode übertragene Schallenergie bewirkt eine Plastifizierung des Kunststoffs durch innere Reibung und ein anschließendes Verschweißen.
  • Ultraschall-Schweißverfahren dieser Art haben sich zum Zusammenfügen von Kunststoffteilen der verschiedensten Art bewährt, weil sich auf diese Weise saubere und feste Verbindungen in kurzer Zeit erzielen lassen.
  • Es ist bisher jedoch nicht möglich gewesen, größere Kunststoff teile mit langen, durchlaufenden Schweißnähten sicher zu verbinden. Solche Kunststoffteile sind beispielsweise Stoßstangen und Spoiler von Kraftfahrzeugen, bei denen eine Außenschale durch innen aufgesetzte Hohlkammerprofile oder andere Profile, die gleichzeitig die Befestigungspunkte bilden, versteift ist. Es besteht zwar die Möglichkeit, in solchen Fällen einzelne Schweißpunkte aneinander zu reihen, aber eine solche Verbindung ist nicht homogen genug und hat auch nicht die erforderliche Festigkeit.
  • In bekannter Weise werden daher Kunststoffteile dieser Art durch Vibrationsschweißen verbunden. Dabei werden die Teile an den Verbindungsstellen aufeinander gepreßt und im Frequenzbereich von etwa 100 bis 200 Hz mechanisch mit Amplituden von mehreren Millimetern gegeneinander gerieben.
  • Es erfolgt schließlich eine Plastifizierung und Verschweissung. Es sind hierzu jedoch große und teure Maschinen erforderlich, die außerdem Schwierigkeiten bezüglich der Schalldämmung verursachen, weil die angewendeten Frequenzen im Hörbereich liegen. Die zur Erzielung der Vibration erforderliche elektrische Energie ist verhältnismäßig hoch, weil nur ein kleiner Teil der aufgewendeten Energie für den eigentlichen Schweißvorgang ausgenutzt wird. Schließlich sind die erzielten Verbindungen nicht immer fest genug und machen zusätzliche Kontrollen erforderlich, die weiteren Aufwand bedeuten. Wenn eine solche Kontrolle durch eine Belastung der Verbindungsstellen erfolgt, muß man mit Beschädigungen oder auch einer Zerstörung von Teilen rechnen. Eine Überprüfung mit Hilfe von Ultraschallmessungen ist aufwendig und häufig unzuverlässig.
  • Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Maschine zum Ultraschallschweißen von Teilen aus thermoplastischen Kunststoffen und insbesondere größeren Teilen dieser Art zur Verfügung zu stellen, mit dem schnell und sicher Verbindungen hoher Festigkeit herstellbar sind und insbesondere lange, kontinuierliche, homogene Schweißnähte erzeugt werden können.
  • Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Es kommt dabei insbesondere darauf an, daß das jeweilige Unterteil auf der Amboßaufnahme tatsächlich so festgelegt wird, daß es nicht nachgeben und keine Bewegungen ausführen kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik soll die Amboßaufnahme daher nicht nachgiebig sein, also keine Beschichtung aus Gummi oder elastomeren Kunststoffen besitzen. Eine kurze Anstiegszeit des zugeführten Ultraschallimpulses ist ebenfalls notwendig, weil im anderen Fall wegen der Dämpfung im plastischen Material keine sichere Verbindung zustande kommt. Die Einhaltung der elektrischen Leistung und der Impulsdauer muß sehr genau erfolgen, weil die Differenz zwischen der Plastifizierungstmeperatur und der Temperatur, bei der Schädigungen des Kunststoffes beginnen, häufig nur sehr klein ist, beispielsweise im Bereich von 200C liegt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr feste Verbindungen erzeugt werden, wobei die Festigkeit beispielsweise bei 80 % der Werkstoffestigkeit liegt.
  • Die Schweißzeiten sind insbesondere im Vergleich zum Vibrationsschweißen sehr klein. Dabei ist die eigentliche Schweißzeit kurz gegen die Taktzeit und liegt bei weniger als 1 sec im Vergleich zu etwa 15 sec beim Vibrationsschweißen. Die Gesamtaufwendungen für eine Ultraschall-Schweißmaschine nach der Erfindung sind wesentlich geringer als für eine Maschine zum Vibrationsschweißen ähnlicher Teile. Darüberhinaus treten bei dem Verfahren nach der Erfindung keine Sichtmarkierungen auf. Das ist besonders wichtig bei Teilen, beispielsweise Stoßstangen, die später lackiert werden. Solche Sichtmarkierungen lassen sich häufig beim Vibrationsschweißen nicht vermeiden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich praktisch alle thermoplastischen Werkstoffe schweißen.
  • Insbesondere kommen folgende Kunststoffe in Frage: Polycarbonat (PC), modifiziertes Polycarbonat, insbesondere PC/PBTB, Polyamid (PA), elastomer-modifiziertes Polypropylen (Pp/EPDM) , Acryl, Butadien-Styrol (ABS) und viele andere Kunststoffe. Es können Füllstoffe in Form beispielsweise von Glasfasern und Talcum vorhanden sein.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann zur Qualitätsüberwachung der Schweißung die Form des Ultraschallimpulses überwacht, mit Bezugswerten verglichen und bei Überschreiten vorgebbarer Toleranzen eine Störanzeige gegeben werden. Diese unmittelbare Qualitätskontrolle bei jedem einzelnen Kunststoffteil ist ein besonderer Vorteil gegenüber dem Vibrationsschweißen, weil jeder Fehler sofort entdeckt wird und nur einwandfreie Teile zur Auslieferung gelangen.
  • Für eine Maschien zur Durchführung des Verfahrens sieht die Erfindung vor, daß statt der üblichen Ä/2-Sonotroden solche mit nx Ä/2-Sonotroden eingesetzt werden, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist. Ein besonders wichtiges Merkmal zur Erzielung einer einwandfreien Schweißnaht besteht darin, daß die Kontaktfläche der Sonotrode strukturiert ist, wobei die Strukturtiefe im Millimeterbereich liegt. Nur so läßt sich häufig eine einwandfreie Schweißverbindung auch dann erzielen, wenn mit einer glatten Sonotrode nur eine schlechte oder keine Schweißverbindung zustande kommt.
  • Die Amboßaufnahme weist in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil eine glatte, harte Oberfläche auf und kann insbesondere aus poliertem Stahl bestehen. Auf diese Weise wird das Unterteil des zu verschweißenden Kunststoffteils sicher und bewegungsfrei gehalten.
  • Zur Erzielung kontinuierlicher, homogener Schweißnähte größerer Länge, für die das Verfahren bzw.
  • eine Maschine nach der Erfindung besonders geeignet sind, sieht eine Weiterbildung vor, daß mehrere Sonotroden in Linie angeordnet sind, derart, daß ihre Kontaktflächen aneinander grenzen. Zur gleichzeitigen Erzeugung von doppelreihigen Schweißnähten können dabei auch zwei Reihen von Sonotroden in Linie angeordnet sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer Maschine nach der Erfindung; Fig. 2 einen Teilquerschnitt der Maschine nach Fig. 1.
  • Bei der dargestellten Maschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind an einem Bodenrahmen 1 zwei Säulen 2 angeordnet, die höhenverstellbar eine Brücke 3 tragen. Im unteren Bereich der Säulen 2 ist eine Werkstückaufnahme 4 mit Hilfe von zwei Gleitmuffen 5 verschiebbar auf den Säulen 2 gelagert. Die Werkstückaufnahme 4 trägt eine sogenannte Amboßaufnahme 6 zur Einlagerung des zu verschweißenden Unterteils 7, im vorliegenden Fall eine Kraftfahrzeug-Stoßstange, wobei das Oberteil 8 ein versteifendes Hohlkammerprofil ist.
  • Die Brücke 3 trägt fünf in einer Line ange- ordnete Sonotroden 9 mit nicht im einzelnen dargestellten Schallwandlern und Befestigungen 10, die eine an das jeweilige Werkstück angepaßte Justierung erlauben. Die Werkstückaufnahme 4 läßt sich mit einer Hebevorrichtung, im dargestellten Fall einer Kniehebelpresse mit Kniehebeln 11 und einem Druckluftzylinder 12 in der Höhe verschieben.
  • Die Einstellung der Brücke 3 mit den Sonotroden 9 erfolgt in Anpassung an das jeweilige Werkstück so, daß mittels der Hebevorrichtung das Oberteil 8 des Werkstücks im Bereich der herzustellenden Schweißnaht in Kontakt mit den Sonotroden 9 kommt und ein wählbarer Anpreßdruck erzeugt werden kann. Diese Schweißstellung ist in Fig. 2 gestrichelt gezeigt.
  • Wie Fig. 2 zeigt, sind zwei parallele Reihen von je fünf Sonotroden 9 mit Befestigungen 10 an der Brücke 3 vorgesehen. Die Sonotroden 9 haben eine wirksame Länge A, wobei Ä die Wellenlänge des Schalls im Material der Sonotroden ist.
  • Die Kontaktfläche der Sonotroden 9, also die etwa rechteckige Fläche auf der Unterseite, die mit dem Werkstück in Berührung gebracht wird, besitzt eine Struktur (nicht gezeigt) in Form beispielsweise von Quernuten mit einem 90°-Keilprofil. Die Strukturtiefe liegt dabei im Millimeterbereich, ist also verhältnismäßig grob. Im übrigen entspricht die Ausbildung der Sonotroden 9 dem üblichen Stand der Technik.
  • Zur Zuführung der Ultraschallimpulse zu den Ultraschallwandlern am oberen Ende der Sonotroden 9 sind Generatoren bekannter Art vorgesehen, die beispielsweise in einem Schaltschrank (nicht dargestellt) zusammengefaßt sind. Die zugeführten Impulse haben eine Energie im Bereich von mehreren 100 bis mehreren 1000 W und eine Zeitdauer im Bereich von einigen 100 ms. Wichtig ist, daß die Anstiegsflanke des Ultraschallimpulses sehr steil ist und der Impuls in wenigen Millisekunden die volle Leistung erlangt.
  • Die Ultraschallfrequenz beträgt beispielsweise etwa 20 KHz und die Sonotroden schwingen in Resonanz. Die Impulsform, die für das jeweilige Werkstück ermittelt wurde, muß und kann sehr genau eingehalten werden.
  • - Leerseite -

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen, insbesondere Teilen mit langen Schweißnähten, mit einem Oberteil (8) und einem Unterteil (7), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verfahrensschritte: a) Festlegen des Unterteils (7) auf einer Amboßaufnahme (6), derart, daß das Unterteil (7) keine Bewegungen ausführen kann; b) Anpressen des Oberteils (8) an das Unterteil (7) mittels wenigstens einer Sonotrode (9) im Bereich der Schweißstelle; c) Zuführen eines Ultraschallimpulses mit kurzer Anstiegszeit im Bereich weniger Millisekunden; d) genaue Regelung des zugeführten Ultraschallimpulses hinsichtlich der elektrischen Leistung und der Impulsdauer.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Qualitätsüberwachung der Schweißung die Form des Ultraschallimpulses überwacht und mit Bezugswerten verglichen wird, und daß beim Überschreiten vorgebbarer Toleranzen eine Störungsanzeige gegeben wird.
  3. 3. Maschine zur Durchführung des Verfahrens nach A nspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode eine nx A /2-Sonotrode (9) mit n > 2 ist.
  4. 4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche der Sonotrode (9) strukturiert ist.
  5. 5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturtiefe im Millimeterbereich liegt.
  6. 6. Maschine nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amboßaufnahme (6) eine glatte, harte Oberfläche besitzt, insbesondere aus poliertem Stahl besteht.
  7. 7. Maschine nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung kontinuierlicher, homogener Schweißnähte mehrere Sonotroden (9) in Linie angeordnet sind, derart, daß ihre Kontaktflächen aneinandergrenzen.
  8. 8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Erzeugung von doppelreihigen Schweißnähten zwei Reihen von Sonotroden (9) in Linie angeordnet sind.
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