DE3907783A1 - Vorrichtung zum verbinden von formteilen durch ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Verbinden (Fügen) von Formteilen mittels Ultraschall wird ein genau definiertes Quantum an thermischer Energie zum Aufschmelzen des Werk­ stoffes in der Fügeebene benötigt. Diese Energiemenge ist abhängig u.a. von Form und Abmessung der zu verbindenden Teile, von der chemischen Be­ schaffenheit der Werkstoffe und von der Art des Fügevorganges selbst. Sie wird dadurch erzeugt, daß mittels einer schwingungserregten Sonotrode eine Ultraschallschwingung von vorgegebener Frequenz für eine bestimmte Zeitdauer in die zu verbindenden Teile eingekoppelt wird. Hierzu wird die schwingende Sonotrode hydraulisch oder pneumatisch mit einem vorgegebenen Druck auf die Formteile aufgepreßt, die ihrerseits in einer Gegendruck­ platte (Amboß) und gegenseitig durch entsprechende Konturen oder Einrich­ tungen fixiert sind. Die eingekoppelte Schwingung durchläuft das Formteil und führt an den Kontaktflächen zu einer spontanen lokalen Erwärmung, so daß konstruktiv vorgegebene Bereiche der Fügefläche (Energierichtungs­ geber) plastifiziert werden und die Teile sich so miteinander verbinden.

Auf diese Weise können jedoch nur dann zufriedenstellende Schweißver­ bindungen erzielt werden, wenn die Positionierung der Formteile vor ihrer Verschweißung erfolgt. Eine nachträgliche Korrekturmöglichkeit besteht nicht. Für das Verbinden von Formteilen mit genauester Positionierung der Teile, beispielsweise für die Herstellung von optischen Speicherplatten, sind die bekannten Vorrichtungen nicht geeignet.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Verbinden von Formteilen durch Ultraschall zu schaffen, die von den geschilderten Mängeln frei ist und auch Ungenauigkeiten im Bereich der Fügeflächen auszugleichen vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Merkmale nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß werden die zu verschweißenden Formteile in eine Ausnehmung einer Sonotrode eingelegt, in ihrer Lage zueinander fixiert und im allge­ meinen unter leichtem Andrücken gegen eine Gegendruckplatte, wobei meist ein spez. Druck von 3 bis 30 bar ausreicht, der Einwirkung von Ultraschall ausgesetzt. Dadurch, daß die vertikalen Begrenzungsflächen die Formteile weitgehend überdecken, d.h. die Ausnehmung ist so bemessen, daß die Füge­ flächen der Formteile innerhalb der Sonotrode liegen, wird der Formteil­ werkstoff nicht nur im Bereich der Fügeflächen bzw. Energierichtungsgeber aufgeschmolzen, sondern auch im inneren und/oder äußeren Randbereich der Teile formgebend beeinflußt. Dies wird erreicht durch Reibung zwischen der Sonotrode bzw. der Einrichtung zum Positionieren der Formteile und den Kantenflächen der Formteile, d.s. im Falle der Herstellung von optischen Speicherplatten deren innere und äußere Mantelflächen. Gleichzeitig mit dem Verschweißen der Fügeflächen entstehen eine innere und äußere, fast geschlossene Schweißnaht, wodurch zum einen der Innenbereich einer solchen Speicherplatte vor Staub geschützt ist, zum anderen aber ein Druckausgleich möglich bleibt, so daß Verformungen der Plattenoberflächen infolge Luftdruckschwankungen nicht auftreten.

Während des Schweißvorgangs können die Formteile im Sinne einer optimalen Ausrichtung gegeneinander bewegt werden. Dies geschieht mit Hilfe der Positioniereinrichtung und gegebenenfalls weiterer Hilfswerkzeuge. Dabei dient die Ausnehmung der Sonotrode neben der Schallenergieeinleitung auch zur Führung bzw. Positionierung der Formteile.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung können übliche Sonotroden, die beispielsweise aus Titan oder Titanlegierungen hergestellt sein können, verwendet werden. Der Frequenzbereich liegt im allgemeinen zwischen 10 und 30, vorzugsweise zwischen 18 und 25 kHz. Auch der Amplitudenbereich des Ultraschalls liegt meist im üblichen Bereich und soll mindestens 5, zweck­ mäßigerweise 20 bis 60 µm betragen.

Weiterhin kann das Verbinden der Formteile mit Hilfe von zwei unabhängig voneinander erregbaren Sonotroden erfolgen. Die zweite Sonotrode tritt dabei an die Stelle der Gegendruckplatte. Für die Herstellung von opti­ schen Speicherplatten kann die Energieeinleitung in den äußeren Randbe­ reich der Formteile über die eine Sonotrode und die Energieeinleitung in den inneren Randbereich der Formteile über die andere Sonotrode vorge­ nommen werden. Frequenz und Amplitude beider Sonotroden müssen in diesem Fall aufeinander abgestimmt werden. Es läßt sich auf diese Weise eine gegebenenfalls vorhandene Exzentrizität des Innenlochs der Speicherplatte zum Außenrand bzw. zur Rillenstruktur besonders gut korrigieren.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnung anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Die Beispiele beziehen sich auf die Herstellung optischer Speicherplatten.

Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung im wesentlichen aus einer Sonotro­ de (1), einer Gegendruckplatte (2) mit einer kreisringförmigen Ausnehmung und einem Konverter (in der Zeichnung nicht dargestellt). Die Sonotrode besitzt ebenfalls eine kreisringförmige Ausnehmung (3), deren vertikale Begrenzungsflächen (4) und (5) abgesetzt sind, so daß eine kaskadenähnliche Vertiefung entsteht. Auf den Absätzen (6) und (7) zwischen den Kaskadenabschnitten werden die miteinander zu verbindenden Formteile (8, 9) positioniert. Die Formteile sind an ihrem äußeren und inneren Rand mit sog. Energierichtungsgebern (10) versehen. Ihre Ausrich­ tung zueinander erfolgt mit Hilfe der zentralen Einrichtung (11). Die Ausnehmung (3) ist so bemessen, daß die Begrenzungsflächen (4, 5) den äußeren Rand der Formteile weitgehend, zumindest aber die Fügeflächen bzw. Energierichtungsgeber überdecken.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Sonotroden (12, 13) vorgesehen, von denen die Sonotrode (12) parallel zur Sonotrode (13) verschiebbar ist. Hierdurch sowie mit Hilfe der an der Sonotrode (12) angeformten zentralen Positioniereinrichtung (14) lassen sich die Formteile exakt zueinander ausrichten.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Verbinden von Formteilen durch Ultraschall, insbe­ sondere zur Herstellung von optischen Speicherplatten, mit einer Sonotrode, über die Ultraschallschwingungen auf einzelne Bereiche der Formteile übertragbar sind, mit einer Gegendruckplatte, gegen die die zu verschweißenden Teile angedrückt werden sowie mit einer Einrichtung zum gegenseitigen Positionieren der Formteile, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendruckplatte (2, 12) und/oder die Sonotrode (1, 13) für die Aufnahme der Formteile (8, 9) eine Ausnehmung (3, 15) mit wenigstens einer abgesetzten vertikalen Begrenzungsfläche (4) auf­ weist, welche den äußeren Rand der Formteile weitgehend überdeckt, und daß die Einrichtung (11, 14) zum Positionieren der Formteile deren inneren Rand überdeckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendruckplatte (12) als Sonotrode ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1, 13) parallel zur Gegendruckplatte (2) bzw. Sonotrode (12) verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11, 14) zum Positionieren der Formteile (8, 9) mit der Sonotrode (1, 12) eine Baueinheit bildet.