DE4427113A1 - Verfahren zur Befestigung eines Bauteils in einem Gehäuse aus thermoplastischem Kunststoff - Google Patents
Verfahren zur Befestigung eines Bauteils in einem Gehäuse aus thermoplastischem KunststoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines in
einen Hohlraum eines aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden
Gehäuses eingesetzten, insbesondere aus Metall bestehenden Bau
teils durch plastisches Verformen, der den Hohlraum begrenzenden
Gehäusewand mittels Ultraschall.
Es ist bekannt Gewindeeinsätze, Gewindestifte oder andere Metall
teile mittels Ultraschall in Teilen aus thermoplastischem Kunst
stoff einzubetten. Hierbei werden die Metallteile mit Hilfe einer
auf diese aufgesetzten, schwingenden Sonotrode in eine Aufnahme
rohrung mit Untermaß mit geringer Geschwindigkeit hineingedrückt.
Die Mantelfläche der Metallteile ist hierbei mit Hinterschnei
dungen, Nuten oder Rändelungen versehen, in die die beim Ein
betten plastifizierte Kunststoffmasse eindringt um das Metallteil
formschlüssig im Kunststoff zu verankern. Für die Befestigung
empfindlicher Bauteile ist dieses bekannte Verfahren weniger ge
eignet. Durch die Einwirkung der Sonotrode kann es zu Abrieb an
den Metallteilen kommen und die Anbringung von Hinterschneidungen
oder Rändelungen ist aus konstruktiven Gründen vielfach nicht
möglich.
Es ist weiterhin bekannt, Formteile aus Kunststoff, ähnlich wie
in der Metallbearbeitung an den Rändern mit Hilfe einer Sonotrode
umzubörteln. Auf diese Weise lassen sich Bauteile aus Kunststoff
untereinander und in Kombination mit Bauteilen aus anderen Werk
stoffen verbinden. Für größere Beanspruchungen ist diese bekannte
Befestigungsart jedoch nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein
gangs genannten Art anzugeben, das sich zur Befestigung empfind
licher Bauteile eignet und das eine Verbindung der Bauteile er
möglicht, die hohen Beanspruchungen standhält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus einem
an das eingesetzte Bauteil angrenzenden Bereich der Wand des aus
thermoplastischem Kunststoff bestehenden Gehäuses ein den Rand
des Bauteils übergreifender Bund oder Vorsprung gebildet wird,
indem durch einen auf das Bauteil aufgesetzten Niederhalter ein
an den Rand des Bauteils angrenzender, sich längs der Innenseite
der Gehäusewand erstreckender Freiraum nach innen begrenzt wird
und mit Hilfe einer in den Freiraum hineinbewegten und diesen auf
der dem Bauteil abgekehrten Seite nach außen verschließenden,
schwingenden Sonotrode Material der Gehäusewand erweicht und in
den dem Bauteil unmittelbar benachbarten Bereich des Freiraums
gedrückt und dort verdichtet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die sich unter der
Wirkung der Ultraschallenergie bildende Schmelze aus thermo
plastischem Kunststoff von allen Seiten festgehalten und durch
eine in axialer Richtung auf die Sonotrode einwirkende Kraft
komprimiert. Auf diese Weise wird ein außerordentlich guter Ver
bund zwischen dem gebildeten Bund oder Vorsprung und dem Material
der Gehäusewand erreicht. Weiterhin wird in Verbindung mit einer
vergleichsweise langen Wirkdauer des Ultraschalls eine festig
keitserhöhende Materialverdichtung erzielt, die eine besonders
hohe Belastbarkeit der geschaffenen Verbindungsstelle gewähr
leistet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und mit
kurzen Taktzeiten durchführbar und ermöglicht dadurch geringe
Herstellkosten.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens kann die Wirkdauer des Ultraschalls eine solche Lange
haben, daß die Grenze der thermischen Belastbarkeit des Kunst
stoffs nahezu erreicht wird. Vorzugsweise beträgt die Wirkdauer
des Ultraschalls ca. 3 Sekunden.
Nach einem weiteren Vorschlag des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der äußere Rand der Wirkfläche der Sonotrode durch eine
Kegelfläche gebildet. Durch diese Formgebung der Sonotrode wird
die Materialverdichtung begünstigt und eine zur Übertragung hoher
Abstützkräfte geeignete Anbindung des Bunds oder Vorsprungs an
die Gehäusewand erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
naher erläutert. In der Zeichnung ist im Längsschnitt ein aus
einem thermoplastischen Kunststoff bestehendes Gehäuse einer
Kolbenpumpe in Verbindung mit den Werkzeugen zur Befestigung
einer in das Gehäuse eingesetzten Kolbenlaufbuchse dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1 den Anfangszustand vor der Verformung des Gehäuses und
Fig. 2 den Endzustand nach Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Das in der Zeichnung dargestellte Gehäuse 1 ist für Hochdruck
pumpen für elektrische Haushaltsgeräte, z. B. Espressomaschinen,
vorgesehen. Es besteht aus einem thermoplastischen Kunststoff und
weist eine Zylinderbohrung 2 auf, in die eine Kolbenlaufbuchse 3
mit Preßsitz eingesetzt ist. Die Kolbenlaufbuchse 3 besteht aus
Metall und hat eine formgenau und mit geringer Rauhtiefe gefer
tigte Kolbenbohrung 4, in der der Pumpenkolben axial beweglich
geführt und gedichtet wird. Die Position der Kolbenlaufbuchse 3
wird in axialer Richtung durch Rippen 5 bestimmt, die sich in der
Arbeitskammer 6 des Gehäuses 1 befinden und einen Anschlag für
die Kolbenlaufbuchse 3 bilden. Von der Arbeitskammer 6 zweigen
ein Saugstutzen 7 und ein Druckstutzen 8 ab.
Die Beanspruchungen beim Betrieb der Pumpe, beispielsweise beim
Pumpen von heißem Wasser machen eine besonders stabile Befesti
gung der Kolbenlaufbuchse entgegen der Einpressrichtung erforder
lich, da der Preßsitz zum festhalten der Kolbenlaufbuchse 3
keineswegs ausreicht. Es hat sich gezeigt, daß nur mit dem erfin
dungsgemäßen Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise eine
ausreichend stabile Abstützung der Kolbenlaufbuchse 3 erreicht
werden kann. Nach diesem Verfahren wird der an die Kolbenlauf
buchse 3 angrenzende Bereich 9 auf der Innenseite der Gehäusewand
10 durch die Einwirkung von Ultraschall plastisch verformt und
ein den Rand der Kolbenlaufbuchse 3 umgreifender Bund 11 ge
bildet. Die Umformung geschieht mit einer glockenförmigen Sono
trode 12. Das dem Werkstück zugewandte Ende der Sonotrode 12 hat
die form einer zylindrischen Hülse, deren Stirnseite die Über
tragungsfläche 13 zur Übertragung der Schwingungsenergie bildet.
Die Übertragungsfläche 13 wird durch einen inneren Kreisscheiben
ring und eine diesen umgebende Kegelfläche 16 gebildet, die sich
zum Ende der Sonotrode 12 hin verjüngt.
In der zentralen Bohrung der Sonotrode 12 ist axial beweglich ein
Niederhalter 14 angeordnet, der aus der Sonotrode 12 herausragt
und der Sonotrode 12 vorauseilend gemeinsam mit dieser in das
Gehäuse 1 hineinbewegt wird.
Bevor die von einem Ultraschallwandler in Schwingungen versetzte
Sonotrode 12 den Bereich 9 erreicht, setzt sich der Niederhalter
14 mit seiner Stirnfläche auf die Kolbenlaufbuchse 3 auf und wird
in dieser Lage beispielsweise mit Hilfe einer Feder gehalten. Der
Niederhalter 14 verschließt dadurch die Kolbenbohrung 4 und be
grenzt mit seiner zylindrischen Mantelfläche radial nach innen
einen ringförmigen Freiraum 15 innerhalb der Zylinderbohrung 2.
Dieser Freiraum 15 wird nach oben verschlossen, sobald die Sono
trode 12 mit ihrer Fläche 16 auf der Stufenfläche 17 im Gehäuse 1
aufsetzt. Nun beginnt der eigentliche Umformvorgang, bei dem das
Kunststoffmaterial im Bereich 9 durch die Einwirkung von Ultra
schallschwingungen geschmolzen und durch die in den Freiraum 15
weiter eindringende Sonotrode nach unten verdrängt und in die in
Fig. 2 gezeigte Form gebracht wird. Da der ringförmige Freiraum
15 nach allen Seiten geschlossen ist, kann das geschmolzene
Material beim Verformungsvorgang nicht ausweichen und wird, nach
dem es den Freiraum 15 ausgefüllt hat, durch eine auf die Sono
trode 12 in axialer Richtung einwirkende Kraft komprimiert. Hier
durch erhält der geformte Bund 11 eine hohe Festigkeit. Um
weiterhin einen guten Verbund des Bunds 11 mit dem Material der
Gehäusewand zu erhalten und die die Festigkeit erhöhende
Materialverdichtung zu begünstigen, wird eine ungewöhnlich lange
Wirkdauer des Ultraschalls gewählt. Als zweckmäßig hat sich eine
Wirkdauer von ca. 3 Sekunden erwiesen. Bei dem beschriebenen An
wendungsbeispiel wird hierbei eine Materialerwarmung erreicht,
die kurz vor der beginnenden Materialverbrennung liegt.
Zu der hohen Festigkeit des angeformten Bunds 11 trägt auch die
Form der Fläche 16 der Sonotrode 12 bei. Diese ist im Gegensatz
zu herkömmlichen Sonotrodenformen, wie sie zum Bördeln verwendet
werden, im wesentlichen schräg, wie in Fig. 2 dargestellt oder
konkav (nicht dargestellt), ausgebildet, wodurch ein breiter
Übergangsquerschnitt zwischen der Gehäusewand 10 und dem Bund 11
erreicht wird, der zu einem noch sicheren bzw. stabileren Halt
der Kolbenlaufbuchse 3 führt.
Claims (5)
1. Verfahren zur Befestigung eines in einen Hohlraum eines aus
thermoplastischem Kunststoff bestehenden Gehäuses einge
setzten, insbesondere aus Metall bestehenden Bauteils durch
plastisches Verformen, dem den Hohlraum begrenzenden Ge
häusewand mittels Ultraschall,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus einem an das eingesetzte Bauteil (3) angrenzenden
Bereich der Gehäusewand (10) ein den Rand des Bauteils (3)
übergreifender Bund (11) oder Vorsprung gebildet wird, indem
durch einen auf das Bauteil (3) aufgesetzten Niederhalter
(14) ein an den Rand des Bauteils (3) angrenzender, sich
längs der Innenseite der Gehäusewand (10) erstreckender
Freiraum (15) nach innen begrenzt wird und mit Hilfe einer
in den Freiraum (15) hineinbewegten und diesen auf der dem
Bauteil (3) abgekehrten Seite nach außen verschließenden,
schwingenden Sonotrode (12) Material der Gehäusewand (10)
erweicht und in den dem Bauteil (3) unmittelbar benachbarten
Bereich des Freiraums (15) gedrückt und dort verdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wirkdauer des Ultraschalls eine solche Länge hat,
daß die Grenze der thermischen Belastbarkeit des Kunststoffs
nahezu erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß Wirkdauer des Ultraschalls ca. 3 Sekunden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonotrode (12) eine im wesentlichen konkav geformte
Fläche (16) hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der äußere Rand der Wirkfläche der Sonotrode (12) durch
eine kegelige Fläche (16) gebildet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4427113A DE4427113A1 (de) | 1994-07-30 | 1994-07-30 | Verfahren zur Befestigung eines Bauteils in einem Gehäuse aus thermoplastischem Kunststoff |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4427113A DE4427113A1 (de) | 1994-07-30 | 1994-07-30 | Verfahren zur Befestigung eines Bauteils in einem Gehäuse aus thermoplastischem Kunststoff |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4427113A1 true DE4427113A1 (de) | 1996-02-01 |
Family
ID=6524588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4427113A Withdrawn DE4427113A1 (de) | 1994-07-30 | 1994-07-30 | Verfahren zur Befestigung eines Bauteils in einem Gehäuse aus thermoplastischem Kunststoff |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4427113A1 (de) |
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- 1994-07-30 DE DE4427113A patent/DE4427113A1/de not_active Withdrawn
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