DE3342619C2 - Verfahren und Maschine zum Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen - Google Patents

Verfahren und Maschine zum Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen

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Abstract

Es wird ein Ultraschall-Schweißverfahren sowie eine Maschine zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, mit dem thermoplastische Kunststoffe schnell, sicher und homogen verschweißt werden können. Insbesondere lassen sich kontinuierliche und homogene Schweißnähte größerer Länge erzeugen, beispielsweise zum Schweißen von Stoßstangen und Spoilern bei Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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 Kunststoffes durch innere Reibung und ein anschließendes Verschweißen.
Es ist auch bereits ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen der eingangs genannten Art bekannt (Kunststoffberater, 21. Jahrgang, Nr. 3 (1967), Seiten 88-94), bei dem das jeweilige Unterteil auf einer Amboßaufnahme festgelegt und das zugehörige Oberteil mittels einer Sonotrode an das Unterteil angepreßt wird. Die Sonotrode hat eine Länge, die der halben Wellenlänge der Ultraschallenergie oder einem Mehrfachen hiervon entspricht. Zum Verschweißen von Ober· und Unterteil führt man der Sonotrode einen geregelten Ultraschallimpuls zu.
Zum Ultraschallverschweißen von Magnetbändern mit Kunststoffträger und jeweils einem Vorspannband aus Kunststoff ist es bekannt (AT-PS 3 07 074), eine Sonotrode mit sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen auf der Anpreßfläche zu verwenden, wobei die Höhe der Rippen vorzugsweise in der Größenordnung der Banddicke liegt.
Für die Zuführung der elektrischen Leistung an den Ultraschailwandler beim Fügen, beispielsweise Schweißen von Teilen aus thermoplastischem Kunststoff, ist es bekannt (DE-OS 33 13 918), die umgesetzte elektrische Leistung fortlaufend zu messen und in ihrem zeitlichen Verlauf mit einer vorgegebenen, empirisch ermittelten Masterfunktion zu vergleichen. Die sich dabei ergebenden Abweichungen werden benutzt, um den Bewegungsvorgang der verwendeten Sonotrode so zu beeinflüssen, daß Differenzen zwischen der vorgegebenen Masterfunktion und der ermittelten Leistungskurve möglichst klein werden.
Ultraschall-Schweißverfahren der vorstehend beschriebenen 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 Kunststoffteile 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, versteigt ist. Es besteht zwar die Mög- lichkeit, 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 außerhalb 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 unzulässig.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren der vorstehend erläuterten Art nach »Kunststoffberater« 3/1976, so weiterzubilden, daß auch größere Teile mit langer Schweißnaht schnell, sicher und mit hoher Festigkeit verbunden werden können.
Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 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, Die Amboßaufnahme soll 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 Strukturierung der Sonotroden-Kontaktfläche trägt wesentlich zu einer einwandfreien Schweißnaht bei.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr feste Verbindungen erzeugt werden, wobei die Fertigkeit 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 see im Vergleich zu etwa 15 see beim Vibrationsschweißen Die Gesamtaufwendungen für eine Ultraschall-Schweißmaschine nach der Erfindung sind wesentlich geringer als für eine Maschine zum Vibrations- ίο schweißen 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 POPBTB, Polyamid (PA), e!astom-;r-moJifiziertes 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 Maschine zur Durchführung des Verfahrens sieht die Erfindung vor. daß die Strukturtiefe der Kontaktfläche der Sonotrode zweckmäßig im Millimeterbereich liegt. Vur so läßt sich häufig eine einwandfreie Schweißverbindung auch dann erzielen, wenn mit einer glatten Sonotrode nur eine schlechte oder keine Schweißverbindung zustande kommt.
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 Schv/^ißnähten 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 zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht der Maschine;
Fig. 2 einen Teiiquerschnitt der Maschine na>jh F i g. I.
Bei der dargestellten Maschine 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 wi Glcitmuffen 5 verschiebbar auf den Säueln 2 gelagert. Die Werkstückaufnahme 4 trägt eine sogenannte Amboßuufnahme 6 zur Einlagerung des zu verschweißenden Unterteils 7. im vorliegenden Fall eine Kraftfahrzeug-Stoßstange. woDei das Oberteil 8 ein versteifendes h5 Hohlkammerprofil ist.
Die Brücke 3 irä^i fünf in einer Linie angeordnete Sonotroclcn 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 Heoevorrichtung 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 F i g. 2 gestrichelt gezeigt.
Wie F i g. 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 A die Wellenlänge des Schalls im Material der Sonotrode ist.
Die Koiitaktfläche der Sonotrode 9. also die etwa rechteckige Fläche auf der Unteiwiite, die mit dem Werkstück in Berührung gebracht vvi; d, besitzt eine Struktur (nicht gezeigt) in Form beispielsweise von Quernuten mit einem 90c-Keilprofil. Die Struktvrtiefe liegt dabei im Millimeterbereich, ist also verhältnismäßig groL.·. 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 voiie Leistung erlangt. Die Uitraschallfrequenz 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Ultraschallschweißen von aus einem Oberteil (8) und einem Unterteil (7) bestehenden thermoplastischen Kunststoffteilen, bei dem das Unterteil auf einer Amboßaufnahme (6) festgelegt, das Oberteil an das Unterteil mittels wenigstens einer η ■ /ί/2-Sonotrode (9) mit /) > 2 angepreßt, der Sonotrode ein geregelter Ultraschallimpuls zugeführt und das Oberteil mit dem Unterteil verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schweißen langer Schweißnähte der Ultraschallimpuls mit kurzer Anstiegszeit im Bereich weniger Millisekunden zugeführt wird, daß das Unterteil (7) so festgelegt wird, daß es keine Bewegungen ausführen kann, und daß eine Sonotrode (9) mit strukturierter Kontaktfläche verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daSzur Qualitätsüberwachung der Schweißung die Form des Ultraschallimpulses überwacht und mit Bezugswerten verglichen wird und daß beim Überschreiten vorgebbarer Toleranzen eine Störungsanzeige gegeben wird.
3. Maschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Amboßaufnahme (6) und einer Sonotrode (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturtiefe der Kontaktfläche der Sonotrode (9) im Millimeterbereich liegt
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dab mehrere Sonotroden (9) in Linie so angeordnet sind, daß ihre Kontaktflächen aneinander grenzen.
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