EP3976355A1 - System und verfahren zum verschweissen von zwei thermoplastischen werkstücken - Google Patents

System und verfahren zum verschweissen von zwei thermoplastischen werkstücken

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EP3976355A1
EP3976355A1 EP20722544.2A EP20722544A EP3976355A1 EP 3976355 A1 EP3976355 A1 EP 3976355A1 EP 20722544 A EP20722544 A EP 20722544A EP 3976355 A1 EP3976355 A1 EP 3976355A1
Authority
EP
European Patent Office
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workpieces
cooling
ultrasonic tool
support
fastening section
Prior art date
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Pending
Application number
EP20722544.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexei Vichniakov
Filipp Köhler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Operations GmbH
Original Assignee
Airbus Operations GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Operations GmbH filed Critical Airbus Operations GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for welding two thermoplastic workpieces. It is known from the prior art that two thermoplastic workpieces can be welded to one another by ultrasound. For this purpose, an ultrasonic tool is pressed onto the workpieces arranged opposite one another, so that ultrasound acts on the thermoplastic workpieces in the form of high-frequency mechanical vibrations. With sufficient duration and / or a suitable amplitude of the mechanical vibrations, the workpieces are heated by molecular and interfacial friction. This creates a joining zone between the two thermoplastic workpieces. It is often desirable that the thermoplastic workpieces are not welded to one another at a single point.
  • the ultrasonic tool Rather, it is not uncommon for the ultrasonic tool to be moved slowly along one of the two workpieces, so that the joining zone, in which the two workpieces are so strongly heated that they connect to one another, moves with the movement of the ultrasonic tool.
  • the mechanical vibrations can, however, also extend into an area that is to the side of the joining zone.
  • holding tools are known from the prior art which hold the workpieces together immediately after welding and continuously with the movement of the ultrasonic tool, so that the moving ultrasonic tool does not lead to the previously welded sections of the workpieces being severed again.
  • the invention is therefore based on the object of providing a simple way of welding two thermoplastic workpieces by means of ultrasound, so that a weld seam can be produced between the two workpieces without a section of the weld seam that has already been welded previously being destroyed or mechanically strong during ultrasonic welding is affected.
  • a system is therefore provided for welding two thermoplastic workpieces.
  • the system includes an ultrasonic tool, a support and a cooling unit.
  • the ultrasonic tool is designed to generate mechanical vibrations with a frequency between 20 kHz and 100 kHz.
  • a head of the ultrasonic tool is arranged opposite the support so that a receiving area for the workpieces is formed between the head of the ultrasonic tool and the support.
  • the system is designed to clamp the workpieces together by means of the ultrasonic tool and the support in the receiving area when at least one fastening section of the workpieces is arranged opposite one another in the receiving area.
  • the ultrasonic tool is designed to introduce the mechanical vibrations into the fastening section of the workpieces in order to weld the workpieces in a joining zone.
  • the cooling unit is designed to cool at least part of the fastening section of the workpieces and / or a cooling section of the workpieces immediately adjacent to the fastening section with cooling liquid.
  • one workpiece In order to arrange the workpieces in the receiving area, one workpiece must first be arranged opposite the other workpiece, with an additional body, in particular designed as a thermoplastic additional plate, being able to be arranged between the two workpieces. This creates a sandwich arrangement of the two workpieces and the additional body. In principle, however, it is also possible for the two workpieces to be arranged directly opposite one another and in direct physical contact. If reference is made in the following to the additional plate, the additional body should be able to be common to it in an analogous manner.
  • the workpieces arranged opposite one another are brought into the receiving area, in particular with the thermoplastic additional plate arranged in between, in order to then be clamped by the ultrasonic tool and the support.
  • the ultrasonic tool can be moved in the direction of the support or else the support can be moved in the direction of the ultrasonic tool. It is also possible that the ultrasonic tool and the support are moved towards one another. This creates the mechanical clamping connection between the ultrasonic tool, the workpieces and the support.
  • the fastening section of the workpieces each comprises a part of both workpieces and can also comprise a part of the additional plate.
  • the fastening section is arranged in the receiving area.
  • the fastening section can therefore have the same size as the receiving area. However, it is also possible that the fastening section is larger than the receiving area and thus extends laterally beyond the receiving area.
  • the joining zone is preferably at least that part of the fastening section into which the mechanical vibrations are introduced.
  • the joining zone can therefore shift if the workpieces are moved laterally relative to the ultrasonic tool and a new section of the workpieces is thus continuously pushed into the receiving area. This results in a weld seam between the workpieces that can be continuously pushed out of the joining zone.
  • the weld seam can still be in the fastening section, at least in sections, or, if it is pushed out laterally out of the fastening section of the workpieces, it can enter the cooling section of the workpieces.
  • the cooling unit of the system is designed to cool at least part of the cooling section and / or at least a part of the fastening section with cooling liquid.
  • the joining zone can form part of the fastening section.
  • the joining zone is not necessarily the entire fastening section.
  • the cooling with cooling liquid can therefore also take place in part of the fastening section of the workpieces.
  • the cooling unit offers the advantage that it can be adapted particularly easily to different workpieces in order to cool the respective part of the fastening section of the workpieces and / or the cooling section of the workpieces with cooling liquid. This is because the cooling liquid used can be adapted particularly easily to a wide variety of geometrical configurations of the workpieces. As a result, a cooling effect can be efficiently guaranteed even with geometrically very complex workpieces.
  • thermoplastic workpieces can consist exclusively of thermoplastic material. However, this is not absolutely necessary. Rather, it can be provided that a thermoplastic workpiece has a thermoplastic base material in which fibers are embedded.
  • a thermoplastic workpiece should therefore also be understood to mean a fiber-reinforced, thermoplastic workpiece.
  • the fibers for reinforcement can for example be formed from glass fibers, carbon fibers, aramid fibers and / or textile fibers.
  • the fibers are preferably so-called continuous fibers. These fibers preferably have an average length of at least 5 cm, at least 10 cm or at least 20 cm. It can also be possible for the fibers to have an average length which corresponds to between 70% and 100% of an edge length of the respective workpiece.
  • the fibers can also be formed from long fibers or short fibers.
  • the fibers can be formed from glass fibers, carbon fibers, aramid fibers and / or textile fibers.
  • Matrix material can be formed from PEKK, PEEK, LMPAEK, PEI, PPS and / or PA.
  • a volume content of the fibers can be between 1% and 70%, preferably between 40% and 60%, on the respective workpiece.
  • thermoplastic workpieces can be provided with so-called Lighting Strike Protection (LSP).
  • LSP Lighting Strike Protection
  • This is preferably a copper ECF (Expanded Copper Foil) or copper PCF (Perforated Copper Foil).
  • ECF Exanded Copper Foil
  • PCF Perforated Copper Foil
  • thermoplastic workpieces consists of a fiber-reinforced, thermoplastic material
  • the fibers can be under a bias, in particular a tensile bias.
  • This prestress is also at least partially maintained when a weld seam pushed out of the joining zone is formed.
  • This part of the weld seam can therefore be subject to mechanical prestress, in particular tensile prestress, which can lead to the weld seam being severed if the weld seam, which is already under tensile stress, is influenced by mechanical vibrations that are introduced into the joining zone in the immediate vicinity by means of the ultrasonic tool .
  • the separation of the weld seam can be effectively prevented if the strength of the weld seam is increased as quickly as possible after exiting the joining zone and / or in the immediate vicinity of the joining zone. This can be ensured by means of the cooling liquid made available by the cooling unit for cooling the fastening area and thus for cooling the weld seam. This is because the cooling unit guides the cooling liquid to at least part of the fastening section of the workpieces and / or a cooling section of the workpieces.
  • thermoplastic workpieces are each formed from fiber-reinforced, thermoplastic material.
  • the respective workpiece is only partially formed from thermoplastic material and / or only partially from fiber-reinforced, thermoplastic material.
  • thermoplastic component or fiber-reinforced thermoplastic component of the respective workpiece is used to form a fastening section with the other workpiece, which can be arranged in the receiving area in order to subsequently weld the workpieces to be carried out by ultrasound.
  • An advantageous embodiment of the system is characterized in that an additional body is arranged in the fastening area between the first workpiece and the second workpiece when the workpieces are to be clamped together in the receiving area, the two workpieces being weldable by means of the additional body in the joining zone.
  • the additional body can have any shape.
  • the additional body is preferably designed as a thermoplastic additional body.
  • the additional body can therefore be formed completely or at least partially from thermoplastic material.
  • the additional body is preferably designed as a thermoplastic additional plate. If reference is made in the following to the additional plate, the additional body, in particular in any form, can be meant in an analogous manner.
  • the thermoplastic additional plate can be arranged between the first and second workpiece. This results in a sandwich arrangement.
  • the additional plate can thus also be in the joining zone.
  • the additional plate is made entirely from a thermoplastic material or, for example, from a fiber-reinforced thermoplastic material. As a result of the introduction of the mechanical vibrations, the thermoplastic material component causes heating between each of the workpieces and the additional plate, namely through molecular and / or interface friction.
  • the additional plate is welded to each of the two workpieces so that the additional plate acts as a connecting means between the two workpieces. It can therefore also be said that the two workpieces are welded or can be welded by means of the additional plate. It has been found to be advantageous if the additional plate has a lower rigidity than each of the two workpieces. As a result, a particularly resistant and at the same time firm connection between the workpieces can be achieved due to the welding. In addition, it has proven to be advantageous if the additional plate is arranged at least essentially only along the planned weld seam between the workpieces, so that due to the shape of the additional plate it can at least be determined where the welding between the additional plate and the two workpieces takes place.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that the cooling liquid is water or at least comprises water.
  • the cooling liquid can therefore also be largely based on water.
  • the use of water as a cooling liquid has proven to be particularly advantageous in practice.
  • the heating that occurs in the joining zone due to molecular and / or interfacial friction leads to a temperature in the joining zone that is greater than 100 ° C., preferably greater than 140 ° C. Due to the mentioned temperature in the joining zone, it can be ensured that cooling liquid penetrating in the direction of the joining zone evaporates before reaching the joining zone This prevents the cooling liquid from actually penetrating into the joining zone.
  • the joining zone is therefore free of coolant.
  • the cooling unit is designed to convey the cooling liquid to the fastening section and / or cooling section so that the cooling liquid conveyed there flows over the fastening section and / or cooling section of the workpieces in order to cool the workpieces .
  • the cooling liquid flows onto the fastening section and / or cooling section of the workpieces, the workpieces are cooled in the immediate vicinity of the joining zone. It can thus be ensured that a weld seam pushed out of the joining zone is cooled quickly and / or in the immediate vicinity of the joining zone.
  • the cooling liquid is conveyed by the cooling unit, it can be ensured in a particularly simple manner that the cooling liquid has a temperature which is in a desired and / or predetermined temperature range. This is because, in particular, the cooling liquid can have been brought to a desired temperature before being conveyed so that the cooling liquid flows to the fastening section and / or cooling section of the workpieces at a previously known temperature. This makes it possible to predict how the workpiece is cooled in a particularly reliable and simple manner.
  • the cooling unit has a liquid tank, a pump and a pipeline, the cooling unit being designed to convey cooling liquid from the liquid tank by means of the pump through the pipeline to a line end of the pipeline so that the cooling liquid escaping at the end of the line reaches the fastening section and / or cooling section of the workpieces.
  • the use of the pipe line offers the possibility of the line end being placed at a desired location so that the cooling liquid reaches the fastening section and / or cooling section of the workpieces.
  • the arrangement of the line end can thus be adapted particularly easily and individually to the workpieces to be welded. This makes the system particularly adaptable to those to be welded Work pieces.
  • particularly small workpieces or particularly large workpieces can also be welded together. This is because the size of the workpieces to be welded only has a minimal influence in this configuration of the system. It is also possible for the liquid tank to be arranged at a distance from the ultrasonic tool. Because it is possible that only the pipe line extends up to the vicinity of the ultrasonic tool. Thus, the line end of the pipeline string can be arranged laterally next to the ultrasonic tool, preferably at a distance of less than 10 cm.
  • the support is formed by an anvil, a table or a frame.
  • the support can preferably be formed by a solid and / or stable body.
  • the workpieces preferably with the additional plate arranged in between, can be arranged between the support and the ultrasonic tool in the receiving area so that the workpieces can be clamped, preferably with the additional plate arranged in between.
  • forces can be exerted by the ultrasonic tool in the direction of the support, or vice versa, so that a clamping force acts on the workpieces.
  • the clamping force acting during the welding ensures that a material connection is created between the thermoplastic material of the workpieces and / or the thermoplastic material of the additional plate.
  • the cooling unit has a liquid container, the interior of which is at least partially filled with cooling liquid, the liquid container being arranged on the support and / or the bottom of the liquid container being at least partially formed by the support, wherein the head of the ultrasonic tool is immersed in the cooling liquid in the interior of the liquid container, so that the receiving space is within the interior of the liquid container filled with cooling liquid.
  • the workpieces must therefore be brought into the liquid in the interior of the liquid container in order to be arranged in the receiving space.
  • the workpieces arranged there can thus be submerged in liquid or welded under water in the joining zone.
  • the liquid container can be designed in the manner of a shell.
  • the shell can be arranged on the support and / or the bottom of the shell can be at least partially formed by the support.
  • the liquid container in particular in the form of a shell, is preferably made of metal.
  • the support can also be made of metal. This effectively prevents a welding between one of the workpieces and the liquid container and / or a welding between the workpiece and the support from occurring.
  • an advantageous embodiment of the system is characterized in that the ultrasonic tool is designed in such a way that the mechanical vibrations generated by the ultrasonic tool have an amplitude and / or frequency that causes the mechanical vibrations at least essentially to affect the workpieces, and here particularly preferably acts essentially on the interfaces of the workpieces.
  • the ultrasonic tool is preferably designed such that the mechanical vibrations act at least essentially only in the receiving area.
  • the joining zone is in the receiving area.
  • the system has a first handling unit to which the ultrasonic tool is attached, the system being designed to control the first handling unit in such a way as to move the ultrasonic tool along a predetermined movement path relative to the support and / or to move the workpieces.
  • the support supports the workpieces over a larger area.
  • the first Handling unit can be controlled in such a way that the ultrasonic tool is guided along the predetermined movement path over the workpieces, so that the joining zone migrates or is moved with the movement of the ultrasonic tool.
  • the cooling liquid has the effect that the weld seam caused by the movement of the joining zone is cooled in the immediate vicinity of the joining zone.
  • the first handling unit can comprise and / or be formed by a robot with a controllable robot arm.
  • the ultrasonic tool can be arranged on one arm end of the robot arm.
  • the robot can also be controlled in such a way that the robot arm moves the head of the ultrasonic tool along the predetermined path of movement over one of the workpieces, and thereby clamps the workpieces together continuously and / or continuously.
  • An advantageous embodiment of the system is characterized in that the system has a drive which is coupled to the support in such a way as to move the support along a predetermined drive path, in particular relative to the ultrasonic tool.
  • the drive can be designed as a linear drive with which the support can be moved in one plane.
  • the linear drive can be designed as a multi-axis linear drive so that the support can be moved in the plane along any desired, in particular curved, drive path.
  • the support is preferably designed to hold the workpieces, so that the workpieces are held by the support and are moved with the support along the predetermined drive path.
  • the ultrasonic tool can be arranged in a stationary manner. The movement of the support, in particular together with the workpieces, results in a relative movement between the support or the workpieces and the ultrasonic tool. This allows a weld seam to be achieved between the workpieces.
  • a further advantageous embodiment of the system is characterized in that the system has a holding unit which is designed to hold the workpieces and to arrange the workpieces, so that the workpieces are arranged opposite one another in the fastening section and the fastening section of the workpieces is arranged in the receiving area.
  • the additional plate can be arranged between the workpieces. This can also be held by the holding unit with the workpieces and be arranged.
  • the system preferably has one or the first handling unit to which the ultrasonic tool is attached.
  • the system is also preferably designed to control the first handling unit in such a way as to move the ultrasonic tool along a predetermined movement path along the workpieces.
  • the system has a second handling unit to which the support is attached, the system being designed to control the second handling unit in such a way as to move the support parallel to the ultrasonic tool.
  • the ultrasonic tool is moved parallel to the support, so that a weld seam is created along the predetermined movement path between the workpieces or between the additional plate and the workpieces. This should also be understood as welding the workpieces.
  • the workpieces are thus welded along the movement path.
  • the holding unit can hold the workpieces stationary. There is therefore no movement of the workpieces for welding the workpieces. This is particularly advantageous when the workpieces are very large.
  • a method for welding two thermoplastic workpieces comprising the following steps: a) Arranging a fastening section of the opposing workpieces in a receiving area between a head of an ultrasonic tool and a support, the ultrasonic tool for generating mechanical vibrations is formed with a frequency between 20 kHz and tookHz; b) clamping together the workpieces lying opposite one another in the fastening section by means of the ultrasonic tool and the support; c) Introducing mechanical vibrations into the fastening section of the workpieces by means of the ultrasonic tool, so that the workpieces are welded in a joining zone; and d) cooling with cooling liquid of at least a part of the fastening section of the workpieces and / or a cooling section of the workpieces directly adjoining the fastening section by means of a cooling unit.
  • thermoplastic additional plate is arranged in the fastening section between the workpieces, and in step c) the two workpieces are welded in the joining zone by means of the additional plate.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that the cooling liquid is water or at least comprises water.
  • steps b), c) and d) are carried out simultaneously.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that the workpieces are heated in a joining zone in step c) to a temperature of at least 150 ° C., which is at least 20 ° C. higher than a boiling point of the cooling liquid.
  • the cooling liquid can thus be evaporated in the immediate vicinity of the joining zone. This is especially true when the cooling liquid is water.
  • step d) is conveyed to the fastening section and / or cooling section by means of the cooling unit, so that the cooling liquid conveyed there flows over the fastening section and / or cooling section of the workpieces, around which To cool workpieces.
  • the cooling unit has a liquid tank, a pump and a pipe line
  • the cooling liquid in step d) from the liquid tank passing through by means of the pump the pipe line is conveyed to a line end of the pipe line so that the cooling liquid exiting at the line end reaches the fastening section and / or cooling section of the workpieces.
  • the cooling unit has a liquid container, the interior of which is at least partially filled with cooling liquid, the liquid container being arranged on the support and / or the bottom of the liquid container being at least partially formed by the support, wherein the head of the ultrasonic tool dips into the cooling liquid in the interior of the liquid container during step c), so that the receiving space is within the interior of the liquid container which is filled with cooling liquid.
  • Another advantageous embodiment of the method is characterized in that the ultrasonic tool and the support are moved relative to one another by means of a first handling unit and / or a drive during step c).
  • Figures 1 to 5 each show an advantageous embodiment of the system in a schematic representation.
  • Figure 6 shows a flow chart of an advantageous embodiment of the
  • FIG. 2 An advantageous embodiment of the system 2 is shown schematically in FIG.
  • the system 2 is used to weld two thermoplastic workpieces 4, 6.
  • the first workpiece 4 can therefore be welded to the second workpiece 6.
  • Each of the two workpieces 4, 6 is a thermoplastic workpiece.
  • Each of the two workpieces 4, 6 can consist of thermoplastic material or at least have thermoplastic material.
  • Each of the two workpieces 4, 6 can have reinforcing fibers which are embedded in the thermoplastic material of the respective workpiece 4, 6. If in the following from a welding of the two Workpieces 4, 6 are spoken of, this can be understood to mean a direct welding of the thermoplastic material of the first workpiece 4 to the thermoplastic material of the second workpiece 6.
  • the welding of the two workpieces 4, 6 can, however, also be understood to mean that the two workpieces 4, 6 are welded by means of further thermoplastic material that is arranged between the two workpieces 4, 6 before welding.
  • a thermoplastic additional plate 26 can be arranged between the first workpiece 4 and the second workpiece 6 before the two workpieces 4, 6 are actually welded by means of the thermoplastic material of the additional plate 26.
  • the additional, thermoplastic material arranged between the two workpieces 4, 6 can also be understood as a so-called energy steering element or a so-called “energy director”.
  • the two workpieces 4, 6 are welded together by ultrasonic welding. The welding can thus also be understood as an ultrasonic welding.
  • the welding is achieved by mechanical vibrations with a frequency between 20 kHz and 100 kHz, which between the workpieces 4, 6 or between the additional plate 26 and the workpieces 4, 6 leads to heating of the thermoplastic material by molecular and / or interface friction, which reaches a temperature at which the thermoplastic material softens and / or melts.
  • the heating is limited to a temperature at which the thermoplastic material, the two workpieces 4, 6 and preferably also the thermoplastic material of the additional plate 26 changes into plastic flow, but without the thermoplastic material melting down .
  • the flow is sufficient so that a material connection between the thermoplastic material of the additional plate 26 and the thermoplastic material of each of the two workpieces 4, 6 is created. If the welding is to take place directly between the two workpieces 4, 6, the plastic flow of the thermoplastic material of the two workpieces 4, 6 leads to a material bond between the two workpieces 4, 6.
  • the system 2 has an ultrasonic tool 8.
  • a head of the ultrasonic tool 8 presses directly on one of the two workpieces 4, 6 in order to transmit the mechanical vibrations and to produce the clamping force.
  • the ultrasonic tool 8 can have a so-called converter 48, a booster 50 and a sonotrode 52.
  • the converter 48, the booster 50 and the sonotrode 52 are preferably arranged one behind the other in a mechanical series connection mechanically coupled to each other.
  • the converter 48 can be designed to convert an electrical signal into mechanical vibrations. Mechanical vibrations can therefore be caused by the converter 48.
  • the converter 48 can have piezo elements, for example, which can be controlled by an electrical signal, which leads to mechanical vibrations, insofar as the electrical signal is an alternating signal.
  • the booster 50 is preferably designed in such a way as to change the amplitude of the mechanical vibrations generated by the converter 48 in terms of amplitude level and / or frequency.
  • the booster 50 can be designed in such a way that the booster 50 can only vibrate mechanically in the frequency range between 20 kHz and 100 kHz.
  • the sonotrode 52 is mechanically coupled to the booster 50.
  • the sonotrode 52 has a head 14 which is designed to be brought into direct contact with one of the two workpieces 4, 6 in order to achieve the welding.
  • the head 14 of the sonotrode 52 can also form the head 14 of the ultrasonic tool 8.
  • the ultrasonic tool 8 can be coupled via an electrical connecting line to a control unit 46, which is designed to generate and transmit an electrical signal via the connecting line to the ultrasonic tool 8, so that the ultrasonic tool 8 due to the electrical Signal is set into mechanical vibrations.
  • the control unit 46 does not form part of the system 2.
  • the ultrasonic tool 8 is designed to generate mechanical vibrations with a frequency between 20 kHz and 100 kHz, preferably between 20 kHz and 40 kHz.
  • the system 2 also has a support 10.
  • the support 10 is shown schematically and by way of example in FIG.
  • the support 10 can be designed in the manner of an anvil or as a table.
  • the support 10 can also be formed by a frame or some other solid body.
  • the support 10 is often significantly larger than the sonotrode 52. This is because the support 10 can also be designed to hold and / or fasten the workpieces 4, 6 in a supporting manner.
  • the support 10 can be designed to detachably hold the workpieces 4, 6, although this is not shown schematically in FIG.
  • the head 14 of the ultrasonic tool 8 is arranged opposite the support 10 in such a way that a receiving area 16 for the workpieces 4, 6 is formed between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • the workpieces 4, 6 can thus be arranged between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the support 10, so that a fastening section 18 of the two workpieces 4, 6 is arranged between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • at least part of the fastening section 18 of the two workpieces 4, 6 is arranged in the receiving area 16 between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • the system 2 is also designed to clamp the workpieces 4, 6 together in the receiving area 16 by means of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • the ultrasonic tool 8 can be fastened to a handling unit 42, as can be seen schematically in FIG.
  • the head 14 of the ultrasonic tool 8 can press on one of the two workpieces 4, 6 so that the two workpieces 4, 6 are clamped between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • the receiving area 16 is preferably determined by the contact area between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the longitudinal axial direction of the ultrasonic tool 8. This is because the ultrasonic tool 8 is preferably designed to introduce the mechanical vibrations in the longitudinal axial direction of the ultrasonic tool 8 into the workpieces 4, 6 that are clamped together.
  • the ultrasonic tool 8 is therefore designed to introduce the mechanical vibrations into the part of the fastening section 18 of the workpieces 4, 6 that overlaps with the receiving area 16 in order to weld the workpieces 4, 6 in a joining zone 20.
  • the joining zone 20 is preferably within the receiving area 16.
  • the joining zone 20 is in each case at the boundary layers between the additional plate 26 and the workpieces 4, 6 be within the receiving area 16. Because precisely at the transition areas from the additional plate 26 to the respective workpiece 4, 6, the molecular and interface friction occurs due to the mechanical vibrations, which leads to the desired heating of the thermoplastic material of the additional plate 26 or the respective workpiece 4, 6. Ultrasonic welding takes place in the joining zone 20.
  • the ultrasonic tool can be moved along a predetermined movement path relative to the support 10 and / or the workpiece 4, 6. With the movement of the ultrasonic tool 8, the receiving area 16 and the Joining zone 20. The part of the welded workpieces 4, 6 pushed out of the receiving area 16 can, however, still have a high level of heat at the weld seam. In order to prevent this still very warm weld seam from being destroyed and / or mechanically negatively influenced due to the mechanical vibrations carried outwards, the system 2 has a cooling unit 12.
  • the cooling unit 12 is designed to cool at least part of the fastening section 18 of the workpieces 4, 6 and / or a cooling section 24 of the workpieces 4, 6 immediately adjacent to the fastening section 18 with cooling liquid 22.
  • the part of the fastening section 18 which can be cooled with cooling liquid 22 is preferably arranged on the outside around the receiving area 16, in particular in a ring shape.
  • the cooling section 24 can again be arranged on the outside of the fastening section 18, preferably also in an annular manner.
  • the cooling unit 12 can have, for example, a liquid tank 28, a pump 30 and a pipe line 32.
  • the pipe line 32 preferably extends from the liquid tank 28 to a line end 34, the pump 30 being integrated in the pipe line 32.
  • Cooling liquid 22 can thus be conveyed from the liquid container 36 to the line end 34 by means of the pump 30.
  • the line end 34 is preferably arranged in such a way that the cooling liquid 22 exiting at the line end 34 reaches the fastening section 18 and / or cooling section 24 of the workpieces 4, 6.
  • the system 2 can also have a plurality of cooling units 12. This is shown by way of example in FIG.
  • the part of the fastening section 18 which is on the outside of the receiving area 16 is cooled particularly quickly and efficiently by the cooling liquid 22.
  • the cooling section 24 of the workpieces 4, 6 is also efficiently cooled by means of the cooling liquid 22.
  • the sonotrode 52 is used to produce a weld seam, so that the sonotrode 52 is moved along the predetermined movement path relative to the support 10 and / or the workpieces 4, 6, the weld seam that is continuously pushed out of the joining zone 20 is quickly and efficiently due to the Cooling with the cooling liquid 22 is cooled.
  • Mechanical vibrations that are transmitted from the receiving area 16 to the outside into the aforementioned part of the fastening section 18 or even into the cooling section 24 cannot therefore destroy the previously lead mentioned weld seam.
  • the weld seam solidifies and thus gains greater strength. This higher strength prevents the aforementioned mechanical vibrations from leading to destruction and / or mechanical, negative influence on the weld seam.
  • FIG. 2 Another advantageous embodiment of the system 2 is shown schematically in FIG. Except for the support 10, the system 2 corresponds to the system 2 explained above in connection with FIG. 1. Reference is therefore made to the corresponding explanations in an analogous manner.
  • the support 10 for the system 2 shown in Figure 2 is designed to be smaller than the support 10 as it was used before.
  • the support 10 can have a base area with which the support 10 presses against the second workpiece 6.
  • the sonotrode 52 can press against the first workpiece 4 with the same base area.
  • the support 10 and the sonotrode 52 can be arranged opposite one another, so that the aligned section between the base areas defines the receiving area 16.
  • FIG. 2 Another advantageous embodiment of the system 2 is shown schematically in FIG. Except for the cooling unit 12, the system 2 corresponds to the system 2 explained above in connection with FIG. 1. Reference is therefore made to the corresponding explanations in an analogous manner.
  • the cooling unit 12 of the system has a liquid container 36, the interior 38 of which is at least partially filled with the cooling liquid 22.
  • the liquid container 36 is arranged on the support 10.
  • the head 14 of the ultrasonic tool 8 is immersed in the cooling liquid 22 in the interior 38 of the liquid container 36, so that the receiving area 16 is within the interior 38 of the liquid container 36, which is filled with cooling liquid 22.
  • the workpieces 4, 6 and the additional plate 26, which is preferably arranged in between, are also immersed in the cooling liquid 22, so that the fastening section 18 and the cooling sections 24 are within the interior space 38 of the liquid container 36, which is filled with cooling liquid 22.
  • the receiving area 16 as well as the fastening section 18 and the cooling section 24 are below the surface of the cooling liquid 22.
  • the bottom 40 of the liquid container 36 is arranged between the support io and the workpieces 4, 6. This is not disadvantageous, however, since the workpieces 4, 6 and preferably also the thermoplastic additional plate 26 arranged between them can be clamped between the ultrasonic tool 8 and the support 10 in the receiving area 16. In an embodiment variant not shown in FIG. 3, the bottom 40 of the liquid container 36 can be formed by the support 10.
  • the cooling liquid 22 evaporates due to the strong heating in the joining zone 20 or evaporates before it reaches the joining zone 20, so that the welding in the joining zone 20 is not negatively influenced by the cooling liquid 22.
  • the cooling liquid 22 is preferably water or at least comprises water.
  • the cooling liquid 22 can be formed based on water with additional substances. In the joining zone 20, a temperature arises due to the heating that is often greater than 150 ° C. This causes the cooling liquid 22 to evaporate, in particular if the cooling liquid 22 is water or is based on water.
  • FIG. 2 corresponds at least essentially to the system 2 explained in connection with FIG. 3.
  • the system 2 from FIG. 4 has a first handling unit 42 to which the ultrasonic tool 8 is attached.
  • the first handling unit 42 can be designed as a robot with a robot arm 54.
  • the ultrasonic tool 8 is attached to an arm end 56 of the robot arm 54.
  • the first handling unit 42 is designed to move the ultrasonic tool 8 in space.
  • the ultrasonic tool 8 can press on the workpieces 4, 6 by means of the first handling unit 42 in such a way that the workpieces 4, 6, and in particular also the additional plate 26 arranged between them, between the head 14 of the ultrasonic tool 8 and the Support io are jammed.
  • the system 2 is designed to control the first handling unit 42 in such a way as to move the ultrasonic tool 8 along a predetermined movement path relative to the support 10 and the workpieces 4, 6.
  • the first handling unit 42 can be coupled to the control unit 46 via a control line.
  • the system 2 can thus control the first handling unit 42 by means of the control unit 46 in such a way as to move the ultrasonic tool 8 along said predetermined path of movement.
  • the contact between the head 14 and the workpieces 4, 6 is maintained.
  • the workpieces 4, 6 continue to be pressed together.
  • the movement of the ultrasonic tool 8 creates a weld seam to connect the workpieces 4, 6, in particular with the aid of the additional plate 26.
  • the workpieces 4, 6 can be detachably held directly or indirectly on the support 10 to prevent the workpieces 4, 6 from slipping to prevent the movement of the ultrasonic tool 8.
  • FIG. 5 Another advantageous embodiment of the system 2 is shown in FIG.
  • the system 2 shown in FIG. 5 essentially corresponds to the system 2, as has been explained in connection with FIG. Analogous reference is made to the corresponding explanations.
  • the system 2 shown in FIG. 5, however, has a drive 44 which is coupled to the support 10 in such a way as to move the support 10 along a predetermined drive path, preferably relative to the ultrasonic tool 8.
  • the drive 44 is preferably designed as a linear drive 44.
  • the support 10 can thus be moved in one plane by means of the linear drive 44, for example.
  • the drive 44 can be controlled by the control unit 46.
  • the control unit 46 can be coupled to the drive 44 via a signal control line (not shown).
  • the ultrasonic tool 8 can be arranged and / or held in a stationary manner.
  • a holding device (not shown) can be provided by means of which the ultrasonic tool 8 is held in a stationary manner.
  • the workpieces 4, 6 are held directly or indirectly by the support 10 and / or in the liquid container 36 in order to prevent the workpieces 4, 6 from slipping during the movement of the support 10 by means of the drive 44.
  • the movement of the support 10 by means of the drive 44 therefore also leads to an analogous movement of the workpieces 4, 6, preferably relative to the ultrasonic tool 8. This enables a weld seam to be achieved between the workpieces 4, 6, in particular by means of the additional plate 26 .
  • a flow chart of an advantageous embodiment of the method is shown schematically.
  • the method is used to weld the thermoplastic workpieces 4, 6.
  • the method has the following steps a) to d): a) Arranging a fastening section 18 of the opposing workpieces 4, 6 and a receiving area 16 between a head 14 of an ultrasonic tool 8 and a support 10, wherein the ultrasonic tool 8 is designed to generate mechanical vibrations with a frequency between 20 kHz and 100 kHz. b) Clamping together the workpieces 4, 6 opposite one another in the fastening section 18 by means of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • Steps b), c) and d) are preferably carried out simultaneously.
  • the workpieces 4, 6 are welded in the joining zone 20, while the workpieces 4, 6 are clamped together in the fastening section 18 by means of the ultrasonic tool 8 and the support 10.
  • the cooling takes place at the same time by means of the cooling liquid 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (2) und ein Verfahren zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken. Das System (2) weist ein Ultraschallwerkzeug (8), eine Stütze (10) und eine Kühleinheit (12) auf. Das Ultraschallwerkzeug (8) ist zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen ausgebildet. Das System (2) ist ausgebildet, die Werkstücke mittels des Ultraschallwerkzeugs (8) und der Stütze (10) im Aufnahmebereich (16) zusammenzuklemmen, wenn zumindest ein Befestigungsabschnitt (18) der Werkstücke (4, 6) einander gegenüberliegend im Aufnahmebereich (16) angeordnet ist. Das Ultraschallwerkzeug (8) ist ausgebildet, die mechanischen Schwingungen in den Befestigungsabschnitt (18) der Werkstücke (4, 6) einzuleiten, um die Werkstücke (4, 6) in einer Fügezone (20) zu verschweißen. Die Kühleinheit (12) ist ausgebildet, zumindest einen Teil des Befestigungsabschnitts (18) der Werkstücke (4, 6) und/oder einen an den Befestigungsabschnitt (18) unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt (24) der Werkstücke (4, 6) mit Kühlflüssigkeit (22) zu kühlen.

Description

System und Verfahren zum Verschweißen von zwei thermoplastischen
Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zwei thermoplastische Werkstücke durch Ultraschall miteinander verschweißt werden können. Dazu wird ein Ultraschallwerkzeug auf die einander gegenüberliegend angeordneten Werkstücke gedrückt, sodass Ultraschall in Form von hochfrequenten, mechanischen Schwingungen auf die thermoplastischen Werkstücke einwirkt. Bei ausreichender Dauer und/oder einer geeigneten Amplitude der mechanischen Schwingungen kommt es zwischen den Werkstücken zur Erwärmung durch Molekular- und Grenzflächenreibung. Dadurch entsteht eine Fügezone zwischen den beiden thermoplastischen Werkstücken. Oftmals ist es wünschenswert, dass die thermoplastischen Werkstücke nicht allein an einer einzigen Stelle miteinander verschweißt werden. Vielmehr ist es nicht selten vorgesehen, dass das Ultraschallwerkzeug langsam auf einem der beiden Werkstücke entlang bewegt wird, sodass sich die Fügezone, in der die beiden Werkstücke derart stark erwärmt sind, dass sie sich miteinander verbinden, mit der Bewegung des Ultraschallwerkzeugs mitbewegt. Die mechanischen Schwingungen können sich jedoch auch in einen Bereich erstrecken, der seitlich zu der Fügezone ist. Um zu verhindern, dass ein bereits verschweißter aber noch sehr warmer Bereich der Werkstücke aufgrund der Auswirkungen der mechanischen Schwingungen wieder getrennt wird, sind aus dem Stand der Technik Haltewerkzeuge bekannt, die die Werkstücke unmittelbar nach dem Zusammenschweißen und fortlaufend mit der Bewegung des Ultraschallwerkzeugs Zusammenhalten, sodass das sich bewegende Ultraschallwerkzeug nicht zu einem Wiederauftrennen der zuvor verschweißten Abschnitte der Werkstücke führt.
In der Praxis wurde jedoch festgestellt, dass die Haltewerkzeuge kontinuierlich mit einem geringen Abstand zu dem Ultraschallwerkzeug mitgeführt werden müssen, um jeweils in einem unmittelbar benachbarten Abschnitt zu der Fügezone an den Werkstücken anzugreifen. Dieses Nachführen der Haltewerkzeuge ist technisch sehr aufwändig und bedarf oftmals einer individuellen Anpassung an die zu verschweißenden Werkstücke. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken mittels Ultraschall bereitzustellen, sodass eine Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken herstellbar ist, ohne dass beim Ultraschallverschweißen von einem Abschnitt der Schweißnaht ein bereits zuvor verschweißter Abschnitt zerstört wird oder mechanisch stark beeinträchtigt wird. Insbesondere sollte verhindert werden, dass das Einbringen von Ultraschall an einer Fügezone zwischen den beiden Werkstücken dazu führt, dass eine benachbarte kurz zuvor erstellte Schweißstelle aufgehoben und/oder zerstört wird, was ein Auftrennen der beiden Werkstücke nach sich ziehen könnte.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs l. Vorgesehen ist also ein System zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken. Das System weist ein Ultraschallwerkzeug, eine Stütze und eine Kühleinheit auf. Das Ultraschallwerkzeug ist zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz ausgebildet. Ein Kopf des Ultraschallwerkzeugs ist derart gegenüber der Stütze angeordnet, sodass ein Aufnahmebereich für die Werkstücke zwischen dem Kopf des Ultraschallwerkzeugs und der Stütze gebildet ist. Das System ist ausgebildet, die Werkstücke mittels des Ultraschallwerkzeugs und der Stütze im Aufnahmebereich zusammenzuklemmen, wenn zumindest ein Befestigungsabschnitt der Werkstücke einander gegenüberliegend im Aufnahmebereich angeordnet ist. Das Ultraschallwerkzeug ist ausgebildet, die mechanischen Schwingungen in den Befestigungsabschnitt der Werkstücke einzuleiten, um die Werkstücke in einer Fügezone zu verschweißen. Die Kühleinheit ist ausgebildet, zumindest einen Teil des Befestigungsabschnitts der Werkstücke und/oder einen an den Befestigungsabschnitt unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt der Werkstücke mit Kühlflüssigkeit zu kühlen.
Um die Werkstücke im Aufnahmebereich anzuordnen, ist zunächst das eine Werkstück gegenüberliegend zu dem anderen Werkstück anzuordnen, wobei zwischen den beiden Werkstücken ein Zusatzkörper, insbesondere ausgestaltet als eine thermoplastische Zusatzplatte, angeordnet sein kann. Daraus entsteht eine Sandwich-Anordnung der beiden Werkstücke und dem Zusatzkörper. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass die beiden Werkstücke unmittelbar und in direktem Berührungskontakt gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Wenn im Folgenden auf die Zusatzplatte Bezug genommen wird, soll damit in analoger Weise der Zusatzkörper gemein sein können. Die gegenüberliegend angeordneten Werkstücke werden, insbesondere mit der dazwischen angeordneten, thermoplastischen Zusatzplatte, in den Aufnahmebereich gebracht, um anschließend von dem Ultraschallwerkzeug und der Stütze eingeklemmt zu werden. Dazu kann das Ultraschallwerkzeug in Richtung der Stütze oder aber die Stütze in Richtung des Ultraschallwerkzeugs bewegt werden. Es ist auch möglich, dass das Ultraschallwerkzeug und die Stütze aufeinander zubewegt werden. Dadurch entsteht die mechanische Klemmverbindung zwischen dem Ultraschallwerkzeug, den Werkstücken und der Stütze. Der Befestigungsabschnitt der Werkstücke umfasst jeweils einen Teil von beiden Werkstücken und kann außerdem einen Teil der Zusatzplatte umfassen. Der Befestigungsabschnitt wird in dem Aufnahmebereich angeordnet. Der Befestigungsabschnitt kann also die gleiche Größe wie der Aufnahmebereich aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Befestigungsabschnitt größer als der Aufnahmebereich ist und sich somit seitlich über den Aufnahmebereich hinaus erstreckt. Die Fügezone ist vorzugsweise zumindest der Teil des Befestigungsabschnitts, in den die mechanischen Schwingungen eingeleitet werden. Dies ist vorzugsweise der Bereich des Befestigungsabschnitts, der unmittelbar zwischen dem Ultraschallwerkzeug und der Stütze ist. In Bezug auf die Werkstücke kann sich also die Fügezone verschieben, wenn die Werkstücke relativ zum Ultraschallwerkzeug seitlich bewegt werden und somit fortlaufend ein neuer Abschnitt der Werkstücke in den Aufnahmebereich geschoben wird. Daraus resultiert, dass eine Schweißnaht zwischen den Werkstücken entsteht, die fortlaufend aus der Fügezone herausgeschoben werden kann. Die Schweißnaht kann dabei zumindest abschnittsweise noch im Befestigungsabschnitt sein oder wenn sie seitlich aus dem Befestigungsabschnitt der Werkstücke herausgeschoben wird in den Kühlabschnitt der Werkstücke gelangen.
Die Kühleinheit des Systems ist dazu ausgebildet, zumindest einen Teil des Kühlabschnitts und/oder zumindest einen Teil des Befestigungsabschnitts mit Kühlflüssigkeit zu kühlen. Wie zuvor erwähnt, kann die Fügezone einen Teil des Befestigungsabschnitts bilden. Die Fügezone ist jedoch nicht notwendigerweise der gesamte Befestigungsabschnitt. Die Kühlung mit Kühlflüssigkeit kann deshalb auch in einem Teil des Befestigungsabschnitts der Werkstücke stattünden. Durch die Kühlung zumindest eines Teils des Befestigungsabschnitts und/oder des Kühlabschnitts der Werkstücke mit Kühlflüssigkeit kann besonders einfach und effizient gewährleistet werden, dass die aus der Fügezone herausgeschobene Schweißnaht schnell und sicher abgekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Festigkeit der Schweißnaht und der daraus resultierenden stoffflüssigen Verbindung zwischen den Werkstücken. Die über die Fügezone hinaus auftretenden, mechanischen Schwingungen führen deshalb nicht dazu, dass die aus der Fügezone herausgeschobene Schweißnaht aufgetrennt wird und/oder mechanisch derart geschwächt wird, dass nur eine schlechte Verbindung zwischen den Werkstücken erreicht wird. Darüber hinaus bietet die Kühleinheit den Vorteil, dass diese besonders einfach an unterschiedliche Werkstücke angepasst werden kann, um den jeweiligen Teil des Befestigungsabschnitts der Werkstücke und/oder den Kühlabschnitt der Werkstücke mit Kühlflüssigkeit zu kühlen. Denn die verwendete Kühlflüssigkeit kann sich besonders einfach an unterschiedlichste geometrische Ausgestaltungen der Werkstücke anpassen. Dadurch kann ein Kühleffekt auch bei geometrisch sehr komplexen Werkstücken effizient gewährleistet werden.
Jedes oder eines der beiden thermoplastischen Werkstücke kann ausschließlich aus thermoplastischem Material bestehen. Dies ist jedoch nicht zwingen notwendig. Vielmehr kann es vorgesehen sein, dass ein thermoplastisches Werkstück ein thermoplastisches Grundmaterial aufweist, in das Fasern eingebettet sind. Unter einem thermoplastischen Werkstück soll deshalb auch ein faserverstärktes, thermoplastisches Werkstück verstanden werden können. Die Fasern zur Verstärkung können beispielsweise aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und/oder Textilfasern gebildet sein. Die Fasern sind vorzugsweise sogenannte Endlosfasern. Diese Fasern weisen vorzugsweise eine mittlere Länge von mindestens 5 cm, mindestens 10 cm oder mindestens 20 cm auf. Es kann auch möglich sein, dass die Fasern eine mittlere Länge aufweisen, die zwischen 70 % und 100 % einer Kantenlänge des jeweiligen Werkstücks entspricht. Die Fasern können aber auch von Langfasern oder Kurzfasern gebildet sein. Die Fasern können aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und/oder Textilfasern gebildet sein. Matrixwerkstoff kann von PEKK, PEEK, LMPAEK, PEI, PPS und/oder PA gebildet sein. Ein Volumengehalt der Fasern kann zwischen 1% und 70%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, am jeweiligen Werkstück sein.
Außerdem kann es vorgesehen sein, mindestens eins der thermoplastischen Werkstücke mit sogenanntem Lighting Strike Protection (LSP) versehen sein kann. Dabei handelt sich es vorzugsweise um ein Kupfer ECF (Expanded Copper Foil) oder Kupfer PCF (Perforated Copper Foil). Das LSP kann auf der Oberfläche des jeweiligen Werkstücks während der Herstellung des jeweiligen Werkstücks aufgebracht werden oder aufgebracht worden sein..
Insbesondere wenn mindestens eins der thermoplastischen Werkstücke aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Material besteht, wurde festgestellt, dass die Fasern unter einer Vorspannung, insbesondere einer Zugvorspannung, stehen können. Diese Vorspannung auch zumindest teilweise aufrechterhalten bleiben, wenn eine aus der Fügezone herausgeschobene Schweißnaht gebildet ist. Dieser Teil der Schweißnaht kann deshalb unter einer mechanischen Vorspannung, insbesondere Zugvorspannung, stehen, was zu einem Auftrennen der Schweißnaht führen kann, wenn die ohnehin unter Zugspannung stehende Schweißnaht von mechanischen Schwingungen beeinflusst ist, die in unmittelbarer Nähe in die Fügezone mittels des Ultraschallwerkzeugs eingeleitet werden. Das Auftrennen der Schweißnaht kann effektiv verhindert werden, wenn die Festigkeit der Schweißnaht nach dem Austritt aus der Fügezone möglichst schnell und/oder in unmittelbarer Nähe zu der Fügezone erhöht wird. Dies kann mittels der von der Kühleinheit zur Verfügung gestellten Kühlflüssigkeit zum Abkühlen des Befestigungsbereichs und somit zum Abkühlen der Schweißnaht gewährleistet werden. Denn die Kühleinheit leitet die Kühlflüssigkeit zu zumindest einem Teil des Befestigungsabschnitts der Werkstücke und/oder einem Kühlabschnitt der Werkstücke.
Die vorangegangenen Erläuterungen gelten in analogerweise, wenn beide thermoplastischen Werkstücke jeweils von faserverstärktem, thermoplastischen Werkstoffmaterial gebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass das jeweilige Werkstück nur teilweise von thermoplastischem Material und/oder nur teilweise von faserverstärktem, thermoplastischem Material gebildet ist. Denn in diesem Fall ist es relevant, dass der thermoplastische Anteil bzw. faserverstärkte, thermoplastische Anteil des jeweiligen Werkstücks dazu verwendet wird, um mit dem jeweils anderen Werkstück einen Befestigungsabschnitt zu bilden, der in dem Aufnahmebereich angeordnet werden kann, um anschließend das Verschweißen der Werkstücke durch Ultraschall auszuführen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass ein Zusatzkörper im Befestigungsbereich zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück angeordnet ist, wenn die Werkstücke im Aufnahmebereich zusammenzuklemmen sind, wobei die beiden Werkstücke mittels des Zusatzkörpers in der Fügezone verschweißbar sind. Der Zusatzkörper kann eine beliebige Form aufweisen. Der Zusatzkörper ist vorzugsweise als ein thermoplastischer Zusatzkörper ausgebildet. Der Zusatzkörper kann also vollständig oder zumindest teilweise aus thermoplastischem Material gebildet sein. Bevorzugt ist der Zusatzkörper als eine thermoplastische Zusatzplatte ausgebildet. Wenn im Folgenden auf die Zusatzplatte Bezug genommen wird, kann damit in analoger Weise der Zusatzkörper, insbesondere in einer beliebigen Form, gemeint sein. Zumindest im Befestigungsabschnitt kann die thermoplastische Zusatzplatte zwischen dem ersten und zweiten Werkstück angeordnet sein. Daraus ergibt sich eine Sandwich-Anordnung. Diese kann in dem Aufnahmebereich angeordnet werden, sodass die beiden Werkstücke und die dazwischen angeordnete Zusatzplatte im Aufnahmebereich mittels des Ultraschallwerkzeugs und der Stütze zusammengeklemmt werden können, um mechanische Schwingungen in den Befestigungsabschnitt der Werkstücke mittels des Ultraschallwerkzeugs einzuleiten und die Werkstücke zumindest teilweise mittels der Zusatzplatte in der Fügezone zu verschweißen. Denn die Zusatzplatte kann dadurch ebenfalls in der Fügezone sein. Die Zusatzplatte ist vollständig aus einem thermoplastischen Material oder beispielsweise aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Material hergestellt. Durch den thermoplastischen Materialanteil findet aufgrund des Einleitens der mechanischen Schwingungen eine Erwärmung zwischen jedem der Werkstücke und der Zusatzplatte statt, und zwar durch Molekular- und/oder Grenzflächenreibung. Dadurch kommt es zum Verschweißen der Zusatzplatte mit jedem der beiden Werkstücke, sodass die Zusatzplatte als Verbindungsmittel zwischen den beiden Werkstücken wirkt. Es kann deshalb auch davon gesprochen werden, dass die beiden Werkstücke mittels der Zusatzplatte verschweißt sind oder verschweißt werden können. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Zusatzplatte eine geringere Steifigkeit als jede der beiden Werkstücke aufweist. Dadurch kann eine besonders widerstandsfähige und zugleich feste Verbindung zwischen den Werkstücken aufgrund des Verschweißens erreicht werden. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zusatzplatte zumindest im Wesentlichen nur entlang der geplanten Schweißnaht zwischen den Werkstücken angeordnet ist, sodass aufgrund der Form der Zusatzplatte zumindest mitbestimmt werden kann, wo das Verschweißen zwischen der Zusatzplatte und den beiden Werkstücken stattfindet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlflüssigkeit Wasser ist oder zumindest Wasser aufweist. So kann die Kühlflüssigkeit beispielsweise zu mindestens 70 % von Wasser gebildet sein. Die Kühlflüssigkeit kann somit auch zu einem Großteil auf Wasser basieren. Die Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die in der Fügezone auftretende Erwärmung durch Molekular- und/oder Grenzflächenreibung führt zu einer Temperatur in der Fügezone, die größer als ioo°C, vorzugsweise größer als 140°C ist. Aufgrund der genannten Temperatur in der Fügezone kann gewährleistet werden, dass in Richtung der Fügezone vordringende Kühlflüssigkeit vor Erreichen der Fügezone verdampft und damit verhindert wird, dass die Kühlflüssigkeit tatsächlich bis in die Fügezone vordringt. Die Fügezone ist somit frei von Kühlflüssigkeit.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinheit ausgebildet ist, die Kühlflüssigkeit zu dem Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt zu fördern, sodass die dorthin geförderte Kühlflüssigkeit über den Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke fließt, um die Werkstücke zu kühlen. Indem die Kühlflüssigkeit auf den Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke fließt, findet eine Abkühlung der Werkstücke in unmittelbarer Nähe zur Fügezone statt. Damit kann gewährleistet werden, dass eine aus der Fügezone herausgeschobene Schweißnaht schnell und/oder in unmittelbarer Nähe zu der Fügezone abgekühlt wird. Damit wird gewährleistet, dass die aus der Fügezone herausgeschobene Schweißnaht die entsprechende Festigkeit aufweist, um bei mechanischen Schwingungen zerstörungsfrei und/oder ohne wesentliche nachteilige Beeinflussung bestehen zu bleiben, selbst wenn derartige mechanische Schwingungen aus der Fügezone heraus über das Material der Werkstücke weitergeleitet sein können. Indem die Kühlflüssigkeit von der Kühleinheit gefördert wird, kann besonders einfach gewährleistet werden, dass die Kühlflüssigkeit eine Temperatur aufweist, die in einem gewünschten und/oder vorbestimmten Temperaturbereich ist. Denn insbesondere kann die Kühlflüssigkeit vor dem Fördern auf eine gewünschte Temperatur gebracht worden sein, sodass die Kühlflüssigkeit mit einer vorbekannten Temperatur zu dem Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke fließt. Dadurch kann besonders sicher und einfach vorhersagbar sein, wie die Kühlung des Werkstücks erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinheit einen Flüssigkeitstank, eine Pumpe und einen Rohrleitungsstrang aufweist, wobei die Kühleinheit ausgebildet ist, Kühlflüssigkeit aus dem Flüssigkeitstank mittels der Pumpe durch den Rohrleitungsstrang zu einem Leitungsende des Rohrleitungsstrangs zu fördern, sodass die am Leitungsende austretende Kühlflüssigkeit auf den Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke gelangt. Insbesondere die Verwendung des Rohrleitungsstrangs bietet die Möglichkeit, dass das Leitungsende an einer gewünschten Stelle platziert ist, sodass die Kühlflüssigkeit auf den Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke gelangt. Die Anordnung des Leitungsendes kann somit besonders einfach und individuell an die jeweils zu verschweißenden Werkstücke angepasst werden. Dadurch ist das System besonders anpassbar an die zu verschweißenden Werkstücke. Insbesondere können auch besonders kleine Werkstücke oder besonders große Werkstücke miteinander verschweißt werden. Denn die Größe der zu verschweißenden Werkstücke hat bei dieser Ausgestaltung des Systems nur einen allenfalls geringen Einfluss. Außerdem ist es möglich, dass der Flüssigkeitstank von dem Ultraschallwerkzeug entfernt angeordnet ist. Denn ist es möglich, dass sich nur der Rohrleitungsstrang bis in die Nähe zum Ultraschallwerkzeug erstreckt. So kann das Leitungsende des Rohrleitungsstrangs seitlich neben dem Ultraschallwerkzeug, vorzugsweise in einem Abstand von weniger als io cm, angeordnet sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Stütze durch einen Amboss, einen Tisch oder ein Gestell gebildet ist. Die Stütze kann vorzugsweise von einem festen und/oder stabilen Körper gebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Werkstücke, vorzugsweise mit der dazwischen angeordneten Zusatzplatte, zwischen der Stütze und dem Ultraschallwerkzeug im Aufnahmebereich angeordnet werden können, sodass die Werkstücke, vorzugsweise mit der dazwischen angeordneten Zusatzplatte, eingeklemmt werden können. Dazu können Kräfte von dem Ultraschallwerkzeug in Richtung der Stütze, oder umgekehrt, ausgeübt werden, sodass eine Klemmkraft auf die Werkstücke wirkt. Durch die während des Verschweißens wirkende Klemmkraft wird gewährleistet, dass eine stoffflüssige Verbindung zwischen dem thermoplastischen Material der Werkstücke untereinander und/oder dem thermoplastischen Material der Zusatzplatte entsteht. Aufgrund der vorangegangenen Erläuterung wird jedoch auch ersichtlich, dass es zwar von Vorteil ist, wenn zumindest eines der Werkstücke unmittelbar auf der Stütze angeordnet ist, um das Zusammenklemmen der Werkstücke zu erreichen. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass eines der beiden Werkstücke unmittelbar und direkt auf der Stütze angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinheit einen Flüssigkeitsbehälter aufweist, dessen Innenraum zumindest teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist, wobei der Flüssigkeitsbehälter auf der Stütze angeordnet ist und/oder der Boden des Flüssigkeitsbehälters zumindest teilweise von der Stütze gebildet ist, wobei der Kopf des Ultraschallwerkzeugs in die Kühlflüssigkeit im Innenraum des Flüssigkeitsbehälters eintaucht, sodass der Aufnahmeraum innerhalb des mit Kühlflüssigkeit gefüllten Innenraums des Flüssigkeitsbehälters ist. Die Werkstücke müssen also in die Flüssigkeit im Innenraum des Flüssigkeitsbehälters gebracht werden, um im Aufnahmeraum angeordnet zu werden. Die dort angeordneten Werkstücke können somit unter Flüssigkeit bzw. unter Wasser in der Fügezone verschweißt werden. Genau genommen findet das Verschweißen als Solches jedoch nicht in der Kühlflüssigkeit statt, da die Kühlflüssigkeit nicht bis in der Fügezone vordringt sondern kurz vor der Fügezone aufgrund der Erwärmung der Werkstücke verdampft. Jedoch wird der Bereich um die Fügezone herum mit Kühlflüssigkeit, insbesondere mit Wasser, gut und schnell gekühlt. Dadurch kann eine besonders einfache und effiziente Kühlung zumindest eines Teils des Befestigungsbereichs und/oder des Kühlbereichs der Werkstücke gewährleistet werden. Der Flüssigkeitsbehälter kann nach Art einer Schale ausgebildet sein. Die Schale kann auf der Stütze angeordnet sein und/oder der Boden der Schale kann von der Stütze zumindest teilweise gebildet sein. Aber selbst wenn die Schale auf der Stütze angeordnet ist, kann ein Zusammenklemmen der Werkstücke, insbesondere mit der dazwischen angeordneten Zwischenplatte, gewährleistet werden, indem eine Klemmkraft zwischen dem Ultraschallwerkzeug und der Stütze hervorgerufen wird, die aufgrund der Anordnung auch auf die zuvor genannten Werkstücke wirkt. Zwar wirkt in diesem Fall auch die Klemmkraft auf die Schale, jedoch hat dies keinen negativen Einfluss. Vorzugsweise ist der Flüssigkeitsbehälter, insbesondere in Form einer Schale, aus Metall. Die Stütze kann ebenfalls aus Metall sein. Dadurch wird effektiv verhindert, dass es zu einem Verschweißen zwischen einem der Werkstücke und dem Flüssigkeitsbehälter und/oder einem Verschweißen zwischen dem Werkstück und der Stütze kommt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass das Ultraschallwerkzeug derart ausgebildet ist, sodass die von dem Ultraschallwerkzeug erzeugten, mechanischen Schwingungen eine Amplitude und/oder Frequenz aufweisen, die bewirkt, dass die mechanischen Schwingungen zumindest im Wesentlichen auf die Werkstücke, und hier besonders bevorzugt im Wesentlichen auf die Grenzflächen der Werkstücke, wirkt. Außerdem ist das Ultraschallwerkzeug vorzugsweise derart ausgebildet, dass die mechanischen Schwingungen zumindest im Wesentlichen nur im Aufnahmebereich wirken. Die Fügezone ist im Aufnahmebereich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass das System eine erste Handhabungseinheit aufweist, an der das Ultraschallwerkzeug befestigt ist, wobei das System ausgebildet ist, die erste Handhabungseinheit derart zu steuern, um das Ultraschallwerkzeug entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads relativ zu der Stütze und/oder der Werkstücke zu bewegen. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Stütze die Werkstücke über eine größere Fläche abstützt. In diesem Fall kann die erste Handhabungseinheit derart gesteuert werden, dass das Ultraschallwerkzeug entlang des vorbestimmten Bewegungspfads über die Werkstücke geführt wird, sodass die Fügezone mit der Bewegung des Ultraschallwerkzeugs wandert bzw. mitbewegt wird. Die Kühlflüssigkeit bewirkt, dass die durch die Bewegung der Fügezone hervorgerufene Schweißnaht in unmittelbarer Nähe zu der Fügezone abgekühlt wird. Dadurch kann effektiv verhindert werden, dass die von dem bewegten Ultraschallwerkzeug verursachten mechanischen Schwingungen auf eine aus der Fügezone herausbewegten Schweißnaht derart Einfluss nehmen, dass die Schweißnaht davon zerstört und/oder mechanisch negativ beeinflusst wird. Die erste Handhabungseinheit kann einen Roboter mit einem steuerbaren Roboterarm umfassen und/oder davon gebildet sein. So kann das Ultraschallwerkzeug beispielsweise an einem Armende des Roboterarms angeordnet sein. Der Roboter kann außerdem derart gesteuert sein, dass der Roboterarm den Kopf des Ultraschallwerkzeugs entlang des vorbestimmten Bewegungspfads über eines der Werkstücke bewegt, und dabei die Werkstücke ununterbrochen und/ oder unaufhörlich zusammenklemmt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass das System einen Antrieb aufweist, der derart mit der Stütze gekoppelt ist, um die Stütze entlang eines vorbestimmten Antriebspfads, insbesondere relativ zu dem Ultraschallwerkzeug, zu bewegen. Der Antrieb kann als ein Linearantrieb ausgebildet sein, mit dem die Stütze in einer Ebene bewegt werden kann. Der Linearantrieb kann als ein mehrachsiger Linearantrieb ausgebildet sein, sodass die Stütze in der Ebene entlang eines beliebigen, insbesondere kurvenförmigen, Antriebspfads bewegt werden kann. Vorzugsweise ist die Stütze zum Halten der Werkstücke ausgebildet, sodass die Werkstücke gehalten von der Stütze und mit der Stütze entlang des vorbestimmten Antriebspfads bewegt werden. Das Ultraschallwerkzeug kann ortsfest angeordnet sein. Durch die Bewegung der Stütze, insbesondere zusammen mit den Werkstücken, erfolgt eine Relativbewegung zwischen der Stütze bzw. den Werkstücken und dem Ultraschallwerkzeug. Dadurch kann eine Schweißnaht zwischen den Werkstücken erreicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass das System eine Halteeinheit aufweist, die zum Halten der Werkstücke und zum Anordnen der Werkstücke ausgebildet ist, sodass die Werkstücke im Befestigungsabschnitt einander gegenüberliegend angeordnet sind und der Befestigungsabschnitt der Werkstücke im Aufnahmebereich angeordnet ist. Zwischen den Werkstücken kann die Zusatzplatte angeordnet sein. Diese kann ebenfalls von der Halteeinheit mit den Werkstücken gehalten und angeordnet sein. Außerdem weist das System vorzugsweise eine oder die erste Handhabungseinheit auf, an der das Ultraschallwerkzeug befestigt ist. Das System ist außerdem vorzugsweise ausgebildet, die erste Handhabungseinheit derart zu steuern, um das Ultraschallwerkzeug entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads entlang der Werkstücke zu bewegen. Außerdem ist es bevorzugt vorgesehen, dass das System eine zweite Handhabungseinheit aufweist, an der die Stütze befestigt ist, wobei das System ausgebildet ist, die zweite Handhabungseinheit derart zu steuern, um die Stütze parallel zu dem Ultraschallwerkzeug zu bewegen. Während der Bewegung des Ultraschallwerkzeugs und der Stütze mittels der ersten bzw. zweiten Handhabungseinheit werden die Werkstücke zwischen dem Ultraschallwerkzeug und der Stütze kontinuierlich eingeklemmt. Das Ultraschallwerkzeug wird parallel zur Stütze bewegt, sodass eine Schweißnaht entlang des vorbestimmten Bewegungspfads zwischen den Werkstücken bzw. zwischen der Zusatzplatte und den Werkstücken entsteht. Auch dies soll als eine Verschweißung der Werkstücke aufgefasst sein. Die Werkstücke werden also entlang des Bewegungspfads verschweißt. Die Halteeinheit kann die Werkstücke ortsfest halten. Es findet somit zum Verschweißen der Werkstücke keine Bewegung der Werkstücke statt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Werkstücke sehr groß sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs io. Vorgesehen ist also ein Verfahren zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Anordnen von einem Befestigungsabschnitt der einander gegenüberliegenden Werkstücke in einem Aufnahmebereich zwischen einem Kopf eines Ultraschallwerkezugs und einer Stütze, wobei das Ultraschallwerkzeug zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und tookHz ausgebildet ist; b) Zusammenklemmen der im Befestigungsabschnitt einander gegenüberliegenden Werkstücke mittels des Ultraschallwerkzeugs und der Stütze; c) Einleiten von mechanischen Schwingungen in den Befestigungsabschnitt der Werkstücke mittels des Ultraschallwerkzeugs, so dass die Werkstücke in einer Fügezone verschweißt werden; und d) Kühlen mit Kühlflüssigkeit von zumindest einem Teil des Befestigungsabschnitts der Werkstücke und/oder einem an den Befestigungsabschnitt unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt der Werkstücke mittels einer Kühleinheit.
Bezüglich des Verfahrens wird auf die vorangegangenen Erläuterungen, bevorzugten Merkmale, Effekte und/oder Vorteile Bezug genommen, wie sie in analoger Weise für das System gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder einer der zugehörigen Ausgestaltungen erläutert worden sind. Entsprechendes gilt für jede der im Folgenden angegebenen, vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens. Auf Wiederholungen wird deshalb verzichtet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in Schritt a) eine thermoplastische Zusatzplatte im Befestigungsabschnitt zwischen den Werkstücken angeordnet ist, und wobei in Schritt c) die beiden Werkstücke in der Fügezone mittels der Zusatzplatte verschweißt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlflüssigkeit Wasser ist oder zumindest Wasser aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Schritte b), c) und d) gleichzeitig ausgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Werkstücke in einer Fügezone in Schritt c) auf eine Temperatur von mindestens 150 °C erwärmt werden, die um mindestens 20°C höher als eine Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit ist. Die Kühlflüssigkeit kann somit in unmittelbarer Nähe zur Fügezone verdampft werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kühlflüssigkeit Wasser ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlflüssigkeit in Schritt d) zu dem Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt mittels der Kühleinheit gefördert wird, so dass die dorthin geförderte Kühlflüssigkeit über den Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke fließt, um die Werkstücke zu kühlen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinheit einen Flüssigkeitstank, eine Pumpe und einen Rohrleitungsstrang aufweist, wobei die Kühlflüssigkeit in Schritt d) aus dem Flüssigkeitstank mittels der Pumpe durch den Rohrleitungsstrang zu einem Leitungsende des Rohrleitungsstrangs gefördert wird, so dass die am Leitungsende austretende Kühlflüssigkeit auf den Befestigungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt der Werkstücke gelangt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinheit einen Flüssigkeitsbehälter aufweist, dessen Innenraum zumindest teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist, wobei der Flüssigkeitsbehälter auf der Stütze angeordnet ist und/oder der Boden des Flüssigkeitsbehälter zumindest teilweise von der Stütze gebildet ist, wobei der Kopf des Ultraschallwerkzeugs während Schritt c) in die Kühlflüssigkeit im Innenraum des Flüssigkeitsbehälters eintaucht, so dass der Aufnahmeraum innerhalb des mit Kühlflüssigkeit gefüllten Innenraums des Flüssigkeitsbehälters ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Ultraschallwerkzeug und die Stütze während Schritt c) relative zueinander mittels einer ersten Handhabungseinheit und/oder eines Antriebs bewegt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
Figuren l bis 5 zeigen jeweils eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems in einer schematischen Darstellung.
Figur 6 zeigt einen Ablaufplan einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
In der Figur l ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems 2 schematisch dargestellt. Das System 2 dient zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken 4, 6. Mit dem System 2 kann also das erste Werkstück 4 mit dem zweiten Werkstück 6 verschweißt werden. Jedes der beiden Werkstücke 4, 6 ist ein thermoplastisches Werkstück. Dabei kann jedes der beiden Werkstücke 4, 6 aus thermoplastischem Material bestehen oder zumindest thermoplastisches Material aufweisen. Jedes der beiden Werkstücke 4, 6 kann Verstärkungsfasern aufweisen, die in das thermoplastische Material des jeweiligen Werkstücks 4, 6 eingebettet sind. Wenn im Folgenden von einem Verschweißen der beiden Werkstücke 4, 6 gesprochen wird, kann darunter ein direktes Verschweißen des thermoplastischen Materials des ersten Werkstücks 4 mit dem thermoplastischen Material des zweiten Werkstücks 6 verstanden werden. Unter dem Verschweißen der beiden Werkstücke 4, 6 kann jedoch auch verstanden werden, dass die beiden Werkstücke 4, 6 mittels weiterem thermoplastischen Material verschweißt werden, das vor dem Verschweißen zwischen den beiden Werkstücken 4, 6 angeordnet wird. So kann beispielsweise eine thermoplastische Zusatzplatte 26 zwischen dem ersten Werkstück 4 und dem zweiten Werkstück 6 angeordnet werden, bevor das tatsächliche Verschweißen der beiden Werkstücke 4, 6 mittels des thermoplastischen Materials der Zusatzplatte 26 erfolgt. Das zwischen den beiden Werkstücken 4, 6 angeordnete, zusätzliche, thermoplastische Material kann auch als sogenanntes Energielenkelement oder als sogenannter„Energy Director“ verstanden werden. Das Verschweißen der beiden Werkstücke 4, 6 erfolgt durch Ultraschallschweißen. Das Verschweißen kann somit auch als ein Ultraschallverschweißen verstanden werden. Das Verschweißen wird durch mechanische Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz erreicht, welche zwischen den Werkstücken 4, 6 oder zwischen der Zusatzplatte 26 und den Werkstücken 4, 6 zu einer Erwärmung des thermoplastischen Materials durch Molekular- und/oder Grenzflächenreibung führt, die eine Temperatur erreicht, bei der das thermoplastische Material erweicht und/ oder schmilzt. Es ist jedoch bevorzugt vorgesehen, dass die Erwärmung auf eine Temperatur begrenzt ist, bei der das thermoplastische Material die beiden Werkstücke 4, 6 und vorzugsweise auch das thermoplastische Material der Zusatzplatte 26 in ein plastisches Fließen übergeht, ohne dass jedoch das Einschmelzen des thermoplastischen Materials erfolgt. Das Fließen ist ausreichend, sodass eine stoffflüssige Verbindung zwischen dem thermoplastischen Material der Zusatzplatte 26 und dem thermoplastischen Material jeder der beiden Werkstücke 4, 6 entsteht. Sofern das Verschweißen direkt zwischen den beiden Werkstücken 4, 6 erfolgen soll, führt das plastische Fließen des thermoplastischen Materials der beiden Werkstücke 4, 6 zu einer stoffflüssigen Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 4, 6.
Um die mechanischen Schwingungen zum Verschweißen der beiden thermoplastischen Werkstücke 4, 6 hervorzurufen, weist das System 2 ein Ultraschallwerkzeug 8 auf. Ein Kopf des Ultraschallwerkzeugs 8 drückt direkt auf eines der beiden Werkstücke 4, 6, um die mechanischen Schwingungen zu übertragen und um die Klemmkraft hervorzurufen. Das Ultraschallwerkzeug 8 kann einen sogenannten Konverter 48, einen Booster 50 und eine Sonotrode 52 aufweisen. Der Konverter 48, der Booster 50 und die Sonotrode 52 sind vorzugsweise in einer mechanischen Reihenschaltung hintereinander angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt. Der Konverter 48 kann dazu ausgebildet sein, um ein elektrisches Signal in mechanische Schwingungen umzusetzen. Von dem Konverter 48 können also mechanische Schwingungen verursacht sein. Der Konverter 48 kann dazu beispielsweise Piezoelemente aufweisen, die durch ein elektrisches Signal angesteuert werden können, was zu mechanischen Schwingungen führt, insofern das elektrische Signal ein Wechselsignal ist. Der Booster 50 ist vorzugsweise derart ausgebildet, um die Amplitude der mechanischen Schwingungen, die vom Konverter 48 erzeugt werden, in der Amplitudenhöhe und/ oder -frequenz zu verändern. So kann der Booster 50 beispielsweise derart ausgebildet sein, sodass der Booster 50 in mechanische Schwingung nur im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz gebracht werden kann. Die Sonotrode 52 ist mechanisch mit dem Booster 50 gekoppelt. Die Sonotrode 52 weist einen Kopf 14 auf, der dazu ausgebildet ist, um in unmittelbarem Kontakt mit einem der beiden Werkstücke 4, 6 gebracht zu werden, um das Verschweißen zu erreichen. Der Kopf 14 der Sonotrode 52 kann auch den Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 bilden. Um das Ultraschallwerkzeug 8 in mechanische Schwingungen zu versetzen, kann das Ultraschallwerkzeug 8 über eine elektrische Verbindungsleitung mit einer Steuereinheit 46 gekoppelt sein, die zum Erzeugen und Übertragen eines elektrischen Signals über die Verbindungsleitung an das Ultraschallwerkzeug 8 ausgebildet ist, sodass das Ultraschallwerkzeug 8 aufgrund des elektrischen Signals in mechanische Schwingungen versetzt wird. Die Steuereinheit 46 kein einen Teil des Systems 2 bilden. Das Ultraschallwerkzeug 8 ist zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 20 kHz und 40 kHz, ausgebildet.
Das System 2 weist außerdem eine Stütze 10 auf. Die Stütze 10 ist in der Figur 1 beispielhaft und schematisch dargestellt. Die Stütze 10 kann nach Art eines Ambosses oder als ein Tisch ausgebildet sein. Die Stütze 10 kann aber auch durch ein Gestell oder einen anderen festen Körper gebildet sein. Die Stütze 10 ist oftmals deutlich größer als die Sonotrode 52. Denn die Stütze 10 kann auch zum stützenden Halten und/oder Befestigen der Werkstücke 4, 6 ausgebildet sein. Insbesondere kann die Stütze 10 zum lösbaren Halten der Werkstücke 4, 6 ausgebildet sein, was jedoch in der Figur 1 nicht schematisch dargestellt ist.
Der Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 ist derart gegenüber der Stütze 10 angeordnet, sodass ein Aufnahmebereich 16 für die Werkstücke 4, 6 zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 gebildet ist. Die Werkstücke 4, 6 können also zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 angeordnet werden, sodass ein Befestigungsabschnitt 18 der beiden Werkstücke 4, 6 zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 angeordnet ist. Zumindest einen Teil des Befestigungsabschnitts 18 der beiden Werkstücke 4, 6 ist in diesem Fall in dem Aufnahmebereich 16 zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 angeordnet. Das System 2 ist außerdem dazu ausgebildet, die Werkstücke 4, 6 mittels des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 im Aufnahmebereich 16 zusammenzuklemmen. Dazu kann das Ultraschallwerkzeug 8 an einer Handhabungseinheit 42 befestigt sein, wie es schematisch aus der Figur 4 zu entnehmen ist. Mittels der Handhabungseinheit 42 kann der Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 auf eines der beiden Werkstücke 4, 6 drücken, sodass die beiden Werkstücke 4, 6 zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 eingeklemmt sind. Der Aufnahmebereich 16 ist vorzugsweise durch die Kontaktfläche zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und die Längsaxialrichtung des Ultraschallwerkzeugs 8 bestimmt. Denn das Ultraschallwerkzeug 8 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, um die mechanischen Schwingungen in Längsaxialrichtung des Ultraschallwerkzeugs 8 in die zusammengeklemmten Werkstücke 4, 6 einzuleiten. Dies erfolgt vorzugsweise über die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Kopf 14 und dem einen der beiden Werkstücke 4, 6. Außerhalb des Aufnahmebereichs 16 werden die mechanischen Schwingungen nur zu einem geringeren Maß auftreten, sodass ein Verschweißen der Werkstücke 4, 6 gezielt im Aufnahmebereich 16 erfolgen kann. Das Ultraschallwerkzeug 8 ist deshalb dazu ausgebildet, die mechanischen Schwingungen in den mit dem Aufnahmebereich 16 überlappenden Teil des Befestigungsabschnitts 18 der Werkstücke 4, 6 einzuleiten, um die Werkstücke 4, 6 in einer Fügezone 20 zu verschweißen. Die Fügezone 20 ist vorzugsweise innerhalb des Aufnahmebereichs 16. Werden die beiden Werkstücke 4, 6 mittels der Zusatzplatte 26 verschweißt, die zwischen den beiden Werkstücken 4, 6 angeordnet ist, so wird die Fügezone 20 jeweils an den Grenzschichten zwischen der Zusatzplatte 26 und den Werkstücken 4, 6 innerhalb des Aufnahmebereichs 16 sein. Denn gerade an den Übergangsbereichen von der Zusatzplatte 26 zu dem jeweiligen Werkstück 4, 6 tritt die Molekular- und Grenzflächenreibung aufgrund der mechanischen Schwingungen auf, was zu der gewünschten Erwärmung des thermoplastischen Materials der Zusatzplatte 26 bzw. des jeweiligen Werkstücks 4, 6 führt. In der Fügezone 20 findet also das Ultraschallschweißen statt.
Das Ultraschallwerkzeug kann entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads relativ zu der Stütze 10 und/oder dem Werkstück 4, 6 bewegt werden. Mit dem Bewegen des Ultraschallwerkzeugs 8 verschieben sich synchron der Aufnahmebereich 16 und die Fügezone 20. Der aus dem Aufnahmebereich 16 herausgeschobene Teil der verschweißten Werkstücke 4, 6 kann an der Schweißnaht jedoch noch eine hohe Wärme aufweisen. Um zu verhindern, dass diese noch sehr warme Schweißnaht aufgrund der nach außen getragenen mechanischen Schwingungen zerstört und/ oder mechanisch negativ beeinflusst wird, weist das System 2 eine Kühleinheit 12 auf. Die Kühleinheit 12 ist ausbildet, zumindest einen Teil des Befestigungsabschnitts 18 der Werkstücke 4, 6 und/oder einen an den Befestigungsabschnitt 18 unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt 24 der Werkstücke 4, 6 mit Kühlflüssigkeit 22 zu kühlen. Der Teil des Befestigungsabschnitts 18, der mit Kühlflüssigkeit 22 gekühlt werden kann, ist vorzugsweise außenseitig um den Aufnahmebereich 16, insbesondere ringförmig, angeordnet. Wiederum außenseitig zu dem Befestigungsabschnitt 18, und zwar vorzugsweise auch ringförmig, kann der Kühlabschnitt 24 angeordnet sein.
In der Figur 1 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Kühleinheit 12 dargestellt. Die Kühleinheit 12 kann dazu beispielsweise einen Flüssigkeitstank 28, eine Pumpe 30 und einen Rohrleitungsstrang 32 aufweisen. Der Rohrleitungsstrang 32 erstreckt sich vorzugsweise von dem Flüssigkeitstank 28 bis zu einem Leitungsende 34, wobei in dem Rohrleitungsstrang 32 die Pumpe 30 integriert ist. Mittels der Pumpe 30 kann somit Kühlflüssigkeit 22 aus dem Flüssigkeitsbehälter 36 zu dem Leitungsende 34 gefördert werden. Das Leitungsende 34 ist vorzugsweise derart angeordnet, sodass die am Leitungsende 34 austretende Kühlflüssigkeit 22 auf den Befestigungsabschnitt 18 und/ oder Kühlabschnitt 24 der Werkstücke 4, 6 gelangt. Das System 2 kann auch mehrere Kühleinheiten 12 aufweisen. Dies ist beispielhaft in der Figur 1 dargestellt. Durch die Kühlflüssigkeit 22 wird der Teil des Befestigungsabschnitts 18, der außenseitig zu dem Aufnahmebereich 16 ist, besonders schnell und effizient abgekühlt. Darüber hinaus wird auch der Kühlabschnitt 24 der Werkstücke 4, 6 mittels der Kühlflüssigkeit 22 effizient abgekühlt.
Wird die Sonotrode 52 verwendet, um eine Schweißnaht herzustellen, sodass die Sonotrode 52 entlang des vorbestimmten Bewegungspfads relativ zu der Stütze 10 und/oder der Werkstücke 4, 6 bewegt wird, wird die dabei aus der Fügezone 20 kontinuierlich herausgeschobene Schweißnaht schnell und effizient aufgrund der Kühlung mit der Kühlflüssigkeit 22 abgekühlt. Mechanische Schwingungen, die aus dem Aufnahmebereich 16 nach außen in den zuvor genannten Teil des Befestigungsabschnitts 18 oder sogar in den Kühlabschnitt 24 übertragen werden, können deshalb nicht zu einer Zerstörung der zuvor genannten Schweißnaht führen. Denn durch das Abkühlen der Schweißnaht erstarrt diese und erhält dadurch eine höhere Festigkeit. Diese höhere Festigkeit verhindert, dass die zuvor genannten mechanischen Schwingungen nicht zu einer Zerstörung und/oder mechanischen, negativen Beeinflussung der Schweißnaht führen.
In der Figur 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems 2 schematisch dargestellt. Bis auf die Stütze 10 entspricht das System 2 dem zuvor im Zusammenhang mit Figur 1 erläuterten System 2. Auf die entsprechenden Erläuterungen wird deshalb in analogerweise Bezug genommen.
Die Stütze 10 für das in Figur 2 dargestellte System 2 ist kleiner ausgestaltet, das die Stütze 10, wie sie zuvor verwendet wurde. Insbesondere kann die Stütze 10 eine Grundfläche aufweisen, mit der die Stütze 10 gegen das zweite Werkstück 6 drückt. Die Sonotrode 52 kann mit einer gleichen Grundfläche gegen das erste Werkstück 4 drücken. Die Stütze 10 und die Sonotrode 52 können gegenüberliegend zueinander angeordnet sein, so dass der fluchtende Abschnitt zwischen den Grundflächen den Aufnahmebereich 16 bestimmt.
In der Figur 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems 2 schematisch dargestellt. Bis auf die Kühleinheit 12 entspricht das System 2 dem zuvor im Zusammenhang mit Figur 1 erläuterten System 2. Auf die entsprechenden Erläuterungen wird deshalb in analogerweise Bezug genommen.
Die Kühleinheit 12 des Systems 2, wie es in Figur 3 schematisch dargestellt ist, weist einen Flüssigkeitsbehälter 36 auf, dessen Innenraum 38 zumindest teilweise mit der Kühlflüssigkeit 22 gefüllt ist. Der Flüssigkeitsbehälter 36 ist auf der Stütze 10 angeordnet. Außerdem ist der Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 in die Kühlflüssigkeit 22 im Innenraum 38 des Flüssigkeitsbehälters 36 eingetaucht, sodass der Aufnahmebereich 16 innerhalb des mit Kühlflüssigkeit 22 gefüllten Innenraums 38 des Flüssigkeitsbehälters 36 ist. Die Werkstücke 4, 6 sowie die vorzugsweise dazwischen angeordnete Zusatzplatte 26 sind ebenfalls in die Kühlflüssigkeit 22 eingetaucht, sodass der Befestigungsabschnitt 18 sowie die Kühlabschnitte 24 innerhalb des mit Kühlflüssigkeit 22 gefüllten Innenraums 38 des Flüssigkeitsbehälters 36 sind. Mit anderen Worten ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Aufnahmebereich 16 sowie der Befestigungsabschnitt 18 und der Kühlabschnitt 24 unterhalb der Oberfläche der Kühlflüssigkeit 22 ist. Der Boden 40 des Flüssigkeitsbehälters 36 ist zwischen der Stütze io und den Werkstücken 4, 6 angeordnet. Dies ist jedoch nicht nachteilig, da die Werkstücke 4, 6 und vorzugsweise auch die dazwischen angeordnete, thermoplastische Zusatzplatte 26 zwischen dem Ultraschallwerkzeug 8 und der Stütze 10 im Aufnahmebereich 16 eingeklemmt werden können. In einer nicht in Figur 3 dargestellten Ausgestaltungsvariante kann der Boden 40 des Flüssigkeitsbehälters 36 von der Stütze 10 gebildet sein.
Werden mittels des Ultraschallwerkzeugs 8 mechanische Schwingungen in den Aufnahmebereich 16 eingeleitet, so entsteht die Fügezone 20 zwischen den eingeklemmten Werkstücken 4,6. Die Kühlflüssigkeit 22 verdampft aufgrund der starken Erhitzung in der Fügezone 20 oder verdampft vor dem Erreichen der Fügezone 20, sodass das Schweißen in der Fügezone 20 von der Kühlflüssigkeit 22 nicht negativ beeinflusst ist. Die Kühlflüssigkeit 22 ist vorzugsweise Wasser oder weist zumindest Wasser auf. So kann die Kühlflüssigkeit 22 beispielsweise basierend auf Wasser mit zusätzlichen Stoffen gebildet sein. In der Fügezone 20 entsteht aufgrund der Erwärmung eine Temperatur, die oftmals größer als 150°C ist. Dies verursacht die Verdampfung der Kühlflüssigkeit 22, insbesondere wenn die Kühlflüssigkeit 22 Wasser ist oder auf Wasser basiert.
Indem der um die Fügezone 20 herum angeordnete Teil des Befestigungsabschnitts 18 und der Kühlabschnitt 24 in der Kühlflüssigkeit 22 angeordnet sind, wird hier auch eine besonders schnelle und effiziente Abkühlung erfolgen. Dies wiederum hat zur Folge, dass eine aus der Fügezone 20 herausgeschobene Schweißnaht besonders effizient und schnell abkühlt, sodass die Schweißnaht vor mechanischen Beeinflussungen oder einer mechanischen Zerstörung durch mechanische Schwingungen geschützt ist.
In der Figur 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems 2 dargestellt. Das System 2 entspricht zumindest im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 3 erläuterten System 2. Jedoch weist das System 2 aus Figur 4 eine erste Handhabungseinheit 42 auf, an der das Ultraschallwerkzeug 8 befestigt ist. Die erste Handhabungseinheit 42 kann als ein Roboter mit einem Roboterarm 54 ausgebildet sein. An einem Armende 56 des Roboterarms 54 ist das Ultraschallwerkzeug 8 befestigt. Die erste Handhabungseinheit 42 ist zum Bewegen des Ultraschallwerkzeugs 8 im Raum ausgebildet. Außerdem kann das Ultraschallwerkzeug 8 mittels der ersten Handhabungseinheit 42 derart auf die Werkstücke 4, 6 drücken, sodass die Werkstücke 4, 6, und insbesondere auch die dazwischen angeordnete Zusatzplatte 26, zwischen dem Kopf 14 des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze io eingeklemmt sind. Darüber hinaus ist das System 2 ausgebildet, die erste Handhabungseinheit 42 derart zu steuern, um das Ultraschallwerkzeug 8 entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads relativ zu der Stütze 10 und den Werkstücken 4, 6 zu bewegen. Die erste Handhabungseinheit 42 kann dazu über eine Steuerleitung mit der Steuereinheit 46 gekoppelt sein. Somit kann das System 2 die erste Handhabungseinheit 42mittels der Steuereinheit 46 derart steuern, um das Ultraschallwerkzeug 8 entlang des genannten, vorbestimmten Bewegungspfads zu bewegen. Dabei bleibt der Kontakt zwischen dem Kopf 14 und den Werkstücken 4, 6 aufrechterhalten. Während der Bewegung des Ultraschallwerkzeugs 8 werden die Werkstücke 4, 6 also weiterhin zusammengepresst. Durch die Bewegung des Ultraschallwerkzeugs 8 entsteht eine Schweißnaht zur Verbindung der Werkstücke 4, 6, insbesondere mithilfe der Zusatzplatte 26. Dabei können die Werkstücke 4, 6 direkt oder indirekt an der Stütze 10 lösbar gehalten sein, um ein Verrutschen der Werkstücke 4, 6 bei der Bewegung des Ultraschallwerkzeugs 8 zu verhindern.
In der Figur 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Systems 2 dargestellt. Das in Figur 5 dargestellte System 2 entspricht im Wesentlichen dem System 2, wie es im Zusammenhang mit Figur 3 erläutert worden ist. Auf die entsprechenden Erläuterungen wird in analogerweise Bezug genommen. Das in Figur 5 dargestellte System 2 weist jedoch einen Antrieb 44 auf, der derart mit der Stütze 10 gekoppelt ist, um die Stütze 10 entlang eines vorbestimmten Antriebspfads, vorzugsweise relativ zu dem Ultraschallwerkzeug 8, zu bewegen. Der Antrieb 44 ist vorzugsweise als ein Linearantrieb 44 ausgebildet. Somit kann die Stütze 10 beispielsweise in einer Ebene mittels des Linearantriebs 44 bewegt werden. Der Antrieb 44 kann von der Steuereinheit 46 gesteuert sein. Dazu kann die Steuereinheit 46 über eine (nicht dargestellte) Signalsteuerleitung mit dem Antrieb 44 gekoppelt sein. Während die Stütze 10 mittels des Antriebs 44 bewegt wird, kann das Ultraschallwerkzeug 8 ortsfest angeordnet und/oder gehalten sein. Dazu kann eine Haltevorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mittels der das Ultraschallwerkzeug 8 ortsfest gehalten wird. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die Werkstücke 4, 6 direkt oder indirekt von der Stütze 10 und/oder im Flüssigkeitsbehälter 36 gehalten sind, um ein Verrutschen der Werkstücke 4, 6 während der Bewegung der Stütze 10 mittels des Antriebs 44 zu verhindern. Die Bewegung der Stütze 10 mittels des Antriebs 44 führt deshalb auch zu einer analogen Bewegung der Werkstücke 4, 6, und zwar vorzugsweise relativ zu dem Ultraschallwerkzeug 8. Dadurch kann eine Schweißnaht zwischen den Werkstücken 4, 6, insbesondere mittels der Zusatzplatte 26, erreicht werden. In der Figur 6 ist ein Ablaufplan einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens schematisch dargestellt. Das Verfahren dient zum Verschweißen der thermoplastischen Werkstücke 4, 6. Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte a) bis d) auf: a) Anordnen von einem Befestigungsabschnitt 18 der einander gegenüberliegenden Werkstücke 4, 6 und einem Aufnahmebereich 16 zwischen einem Kopf 14 eines Ultraschallwerkzeugs 8 und einer Stütze 10, wobei das Ultraschallwerkzeug 8 zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz ausgebildet ist. b) Zusammenklemmen der im Befestigungsabschnitt 18 einander gegenüberliegenden Werkstücke 4, 6 mittels des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10. c) Einleiten von mechanischen Schwingungen in den Befestigungsabschnitt 18 der Werkstücke 4, 6 mittels des Ultraschallwerkzeugs 8, sodass die Werkstücke 4, 6 in einer Fügezone 20 verschweißt werden. d) Kühlen mit einer Kühlflüssigkeit 22 von zumindest einem Teil des Befestigungsabschnitts 18 der Werkstücke 4, 6 und/oder einem an den Befestigungsabschnitt 18 unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt 24 der Werkstücke 4, 6 mit einer Kühleinheit 12.
Mit dem erläuterten Verfahren werden die analogen Vorteile und/oder Effekte erreicht, wie sie im Zusammenhang mit dem System 2 bereits erläutert worden sind. Auch die vorteilhaften Erläuterungen, bevorzugten Merkmale, Effekte und/oder Vorteile, wie sie in Zusammenhang mit dem System 2 erläutert worden sind, wird für das Verfahren in analogerweise Bezug genommen.
Die Schritte b), c) und d) werden vorzugsweise gleichzeitig ausgeführt. Dadurch erfolgt das Verschweißen der Werkstücke 4, 6 in der Fügezone 20, während die Werkstücke 4, 6 in dem Befestigungsabschnitt 18 mittels des Ultraschallwerkzeugs 8 und der Stütze 10 zusammengeklemmt werden. Außerdem erfolgt gleichzeitig das Abkühlen mittels der Kühlflüssigkeit 22.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass„aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„ein“,„eine“,„erste“ und„zweite“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1. System (2) zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken (4, 6), wobei das System (2) aufweist:
ein Ultraschallwerkzeug (8),
eine Stütze (10), und
eine Kühleinheit (12),
wobei das Ultraschallwerkzeug (8) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz ausgebildet ist, wobei ein Kopf (14) des Ultraschallwerkzeugs (8) derart gegenüber der Stütze (10) angeordnet ist, so dass ein Aufnahmebereich (16) für die Werkstücke (4, 6) zwischen dem Kopf (14) des Ultraschallwerkzeugs (8) und der Stütze (10) gebildet ist, wobei das System (2) ausgebildet ist, die Werkstücke (4, 6) mittels des Ultraschallwerkzeugs (8) und der Stütze (10) im Aufnahmebereich (16) zusammenzuklemmen, wenn zumindest ein Befestigungsabschnitt (18) der Werkstücke (4, 6) einander gegenüberliegend im Aufnahmebereich (16) angeordnet ist,
wobei das Ultraschallwerkzeug (8) ausgebildet ist, mechanische Schwingungen in den Befestigungsabschnitt (18) der Werkstücke (4, 6) einzuleiten, um die Werkstücke (4, 6) in einer Fügezone (20) zu verschweißen, und
wobei die Kühleinheit (12) ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Befestigungsabschnitts (18) der Werkstücke (4, 6) und/oder einen an den Befestigungsabschnitt (18) unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt (24) der Werkstücke (4, 6) mit Kühlflüssigkeit (22) zu kühlen.
2. System (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzkörper (26) im Befestigungsabschnitt (18) zwischen den Werkstücken (4, 6) angeordnet ist, wenn die Werkstücke (4, 6) im Aufnahmebereich (16) zusammenzuklemmen sind, wobei die beiden Werkstücke (4, 6) mittels des Zusatzkörpers (26) in der Fügezone (20) verschweißbar sind.
3. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (22) Wasser ist oder zumindest Wasser aufweist.
4. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (12) einen Flüssigkeitsbehälter (36) aufweist, dessen Innenraum (38) zumindest teilweise mit Kühlflüssigkeit (22) gefüllt ist, wobei der Flüssigkeitsbehälter (36) auf der Stütze (10) angeordnet ist und/oder der Boden (40) des Flüssigkeitsbehälters (36) zumindest teilweise von der Stütze (10) gebildet ist, wobei der Kopf (14) des Ultraschallwerkzeugs (8) in die Kühlflüssigkeit (22) im Innenraum (38) des Flüssigkeitsbehälters (36) eintaucht, so dass der Aufnahmeraum (16) innerhalb des mit Kühlflüssigkeit (22) gefüllten Innenraums (38) des Flüssigkeitsbehälters (36) ist.
5. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kühleinheit (12) ausgebildet ist, die Kühlflüssigkeit (22) zu dem Befestigungsabschnitt (18) und/oder Kühlabschnitt (24) zu fördern, so dass die dorthin geförderte Kühlflüssigkeit (22) über den Befestigungsabschnitt (18) und/ oder Kühlabschnitt (24) der Werkstücke (4, 6) fließt, um die Werkstücke (4, 6) zu kühlen.
6. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (12) einen Flüssigkeitstank (28), eine Pumpe (30) und einen Rohrleitungsstrang (32) aufweist, wobei die Kühleinheit (12) ausgebildet ist, Kühlflüssigkeit (22) aus dem Flüssigkeitstank (28) mittels der Pumpe (30) durch den Rohrleitungsstrang (32) zu einem Leitungsende (34) des Rohrleitungsstrangs (32) zu fördern, so dass die am Leitungsende (34) austretende Kühlflüssigkeit (22) auf den Befestigungsabschnitt (18) und/oder Kühlabschnitt (24) der Werkstücke (4, 6) gelangt.
7. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (2) eine erste Handhabungseinheit (42) aufweist, an der das Ultraschallwerkzeug (8) befestigt ist, wobei das System (2) ausgebildet ist, die erste Handhabungseinheit (42) derart zu steuern, um das Ultraschallwerkzeug (8) entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads relativ zu der Stütze (10) und/oder den Werkstücken (4, 6) zu bewegen.
8. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (2) einen Antrieb (44) aufweist, der derart mit der Stütze (10) gekoppelt ist, um die Stütze (io) entlang eines vorbestimmten Antriebspfads, insbesondere relativ zu dem Ultraschallwerkzeug (8), zu bewegen.
9. System (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass System (2) eine Halteeinheit aufweist, die zum Halten der Werkstücke (4, 6) und zum Anordnen der Werkstücke (4, 6) ausgebildet ist, so dass die Werkstücke (4, 6) im Befestigungsabschnitt (18) einander gegenüberliegend angeordnet sind und der Befestigungsabschnitt (18) der Werkstücke (4, 6) im Aufnahmebereich (16) angeordnet ist, wobei das System (2) eine erste Handhabungseinheit (42) aufweist, an der das Ultraschallwerkzeug (8) befestigt ist, wobei das System (2) ausgebildet ist, die erste Handhabungseinheit (42) derart zu steuern, um das Ultraschallwerkzeug (8) entlang eines vorbestimmten Bewegungspfads entlang der Werkstücke (4, 6) zu bewegen, und wobei das System (2) eine zweite Handhabungseinheit aufweist, an der die Stütze (10) befestigt ist, wobei das System (2) ausgebildet ist, die zweite Handhabungseinheit derart zu steuern, um die Stütze (10) parallel zu dem Ultraschallwerkzeug (8) zu bewegen.
10. Verfahren zum Verschweißen von zwei thermoplastischen Werkstücken (4, 6), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Anordnen von einem Befestigungsabschnitt (18) der einander gegenüberliegenden Werkstücke (4, 6) in einem Aufnahmebereich (16) zwischen einem Kopf (14) eines Ultraschallwerkezugs (8) und einer Stütze (10), wobei das Ultraschallwerkzeug (8) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz ausgebildet ist;
b) Zusammenklemmen der im Befestigungsabschnitt (18) einander gegenüberliegenden Werkstücke (4, 6) mittels des
Ultraschallwerkzeugs (8) und der Stütze (10);
c) Einleiten von mechanischen Schwingungen in den Befestigungsabschnitt (18) der Werkstücke (4, 6) mittels des Ultraschallwerkzeugs (8), so dass die Werkstücke (4, 6) in einer Fügezone (20) verschweißt werden; und
d) Kühlen mit Kühlflüssigkeit (22) von zumindest einem Teil des Befestigungsabschnitts (18) der Werkstücke (4, 6) und/oder einem an den Befestigungsabschnitt (18) unmittelbar angrenzenden Kühlabschnitt (24) der Werkstücke (4, 6) mittels einer Kühleinheit (12).
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine thermoplastische Zusatzplatte (26) im Befestigungsabschnitt (18) zwischen den Werkstücken (4, 6) angeordnet ist, und wobei in Schritt c) die beiden Werkstücke (4, 6) in der Fügezone (20) mittels der Zusatzplatte (26) verschweißt werden.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (22) Wasser ist oder zumindest Wasser aufweist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritte b), c) und d) gleichzeitig ausgeführt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (4, 6) in einer Fügezone (20) in Schritt c) auf eine Temperatur von mindestens 150°C erwärmt werden, die um mindestens 20°C höher als eine Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit (22) ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (12) einen Flüssigkeitsbehälter (36) aufweist, dessen Innenraum (38) zumindest teilweise mit Kühlflüssigkeit (22) gefüllt ist, wobei der Flüssigkeitsbehälter (36) auf der Stütze (10) angeordnet ist und/oder der Boden (40) des Flüssigkeitsbehälters (36) zumindest teilweise von der Stütze (10) gebildet ist, wobei der Kopf (14) des Ultraschallwerkzeugs (8) während Schritt c) in die Kühlflüssigkeit (22) im Innenraum (38) des Flüssigkeitsbehälters (36) eintaucht, so dass der Aufnahmeraum (16) innerhalb des mit Kühlflüssigkeit (22) gefüllten Innenraums (38) des Flüssigkeitsbehälters (36) ist.
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