WO2008068281A1 - Verwendung einer vorrichtung zum torsionalen ultraschallschweissen - Google Patents

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WO2008068281A1 PCT/EP2007/063350 EP2007063350W WO2008068281A1 WO 2008068281 A1 WO2008068281 A1 WO 2008068281A1 EP 2007063350 W EP2007063350 W EP 2007063350W WO 2008068281 A1 WO2008068281 A1 WO 2008068281A1
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Georg Lang
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Telsonic Holding Ag
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    • B29C66/95—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94
    • B29C66/951—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94 by measuring or controlling the vibration frequency and/or the vibration amplitude of vibrating joining tools, e.g. of ultrasonic welding tools
    • B29C66/9513—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94 by measuring or controlling the vibration frequency and/or the vibration amplitude of vibrating joining tools, e.g. of ultrasonic welding tools characterised by specific vibration frequency values or ranges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • 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
    • B29K2077/00—Use of PA, i.e. polyamides, e.g. polyesteramides or derivatives thereof, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • 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
    • B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0037—Other properties
    • B29K2995/0089—Impact strength or toughness

Definitions

  • the invention relates to the use of a device for torsional ultrasonic welding for the welding of plastic parts and parts with shock-sensitive components and a method for welding plastic parts and shock-sensitive parts and a device for torsional ultrasonic welding with the features of the independent claims.
  • EP 0962261 A1 describes a device for treating fluids with a torsion sonotrode, which can be set into oscillation by an ultrasonic vibration generator. Also known are systems for ultrasonic welding of metals with torsional excitation or torsion sonotrodes. Such a device is mentioned, for example, in the book by Wilhelm Lehfeld: Ultraschall / ISBN 3-8023-0060-2, p. 91.
  • DE 3342619 Al describes a method for ultrasonic welding of thermoplastics, in particular for welding automotive bumpers with a longitudinally vibrating sonotrode.
  • the conventional ultrasonic welding with directed in the direction of the workpiece vibrations has certain disadvantages: Sensitive structures and components can be damaged or destroyed by the vibrations. There is a great risk that adjacent already welded joints or thin connecting webs and spigots will be damaged by the ultrasonic welding. Particularly problematic proves the conventional ultrasonic welding, ie with a longitudinally vibrating sonotrode, for welding housings or parts intended to receive sensitive electronics. For example, the necessary for the dense welding of polyamide plastic housings amplitude destroys the electronics with high probability. Therefore, the ultrasonic shitting of parts with sensitive electronics and mechanics is rejected by professionals.
  • Another disadvantage is also when welding very thin-walled parts such as films or membranes.
  • the longitudinal ultrasonic waves tend to tear the sensitive membranes so that a hole is created in the middle (membrane effect).
  • Thermal processes are just as critical for thin walled parts because the high temperatures can damage the parts. It is therefore an object of the present invention to avoid the disadvantages of the known, in particular to provide a method and a device of the type mentioned, which can connect two parts, especially with a sensitive component or content in a gentle and simple manner and do not require much time. In addition, the connection should be possible as inexpensively.
  • a sonotrode with a power of up to 10 kW can be applied.
  • a device for torsional ultrasonic welding is used.
  • torsional is understood as meaning a vibration of a sonotrode about its longitudinal axis, that is to say the sonotrode performs a torsional movement about a torsion axis, which is essentially perpendicular to the plane of the weld seam to be formed.
  • the torsion axis is thus substantially parallel to the force axis with which the sonotrode is pressed onto the part.
  • a further aspect of the invention resides in the use of a device for torsional ultrasonic welding for joining parts, of which at least one part, in particular with respect to longitudinal impacts, contains a shock-sensitive part as a component or at least one part is assigned to a shock-sensitive component.
  • a longitudinal thrust here is an impulse to understand, which acts in particular in the direction of the torsion axis on the part. Such impacts occur e.g. in longitudinal / linear ultrasonic welding.
  • one of the parts to be joined may itself be at least partially shock-sensitive, or a part is associated with a shock-sensitive part, for example by enclosing it or being coupled to it.
  • the sensitive component only occurs by the connection of the two parts in interaction with the parts and thus could be damaged during connection.
  • torsional ultrasonic welding proves to be particularly advantageous for these purposes. In particular, at most insignificant linear vibrations occur.
  • Another advantage lies in the comparatively low investment of such a device over conventional devices.
  • the lack of thermal stress on the parts to be welded proves to be a further advantage.
  • the torsional ultra-welding device only simple welding movements are possible necessary, which can also be done quickly. As a result, the device can be advantageously inserted and used in an automatic production line.
  • the device is used to join parts to one of the following sensitive components: an electronic component, such as an electronic component. integrated circuits; a gas; a fluid; a fine mechanical component; a chemical compound, in particular explosives; a substrate for tracks; a treated surface, preferably lacquers, metallizations or coatings; a thin-walled plastic element, preferably a film, a membrane; thin rivets; hard and fragile materials, such as glass or silicon.
  • an electronic component such as an electronic component. integrated circuits
  • a gas such as an electronic component. integrated circuits
  • a fluid such as an electronic component.
  • a fine mechanical component such as a carbonate
  • a chemical compound in particular explosives
  • a substrate for tracks a treated surface, preferably lacquers, metallizations or coatings
  • a thin-walled plastic element preferably a film, a membrane
  • thin rivets such as glass or silicon.
  • the advantage lies in the gentle treatment of the sensitive components during welding due to the absence of longitudinal impacts. This prevents that printed conductors, solder tails or other electronic parts can be detached from a board or the electronic components such as resistors, transistors or integrated circuits, etc. themselves are damaged. Also fine mechanical components such. Springs, gears and shafts are protected against mechanical damage such as bending, tilting, slipping out of position or accidental welding (if plastic).
  • Treated surfaces may be particularly sensitive: painted, metallised or otherwise coated surfaces such as chrome plated plastic fittings are particularly prone to longitudinal impact. There is a risk that the coating or metallization dissolves from the carrier material. In this case, torsional ultrasonic welding proves to be particularly advantageous since the coating does not flake off. can be changed. Torsion ultrasound welding is also advantageous for parts with sensitive surfaces such as, for example, grained surfaces on the opposite side of the weld, ie the anvil side. Conventional ultrasonic welders leave unwanted impressions on the anvil side on such surfaces.
  • Thin parts such as films or membranes made of plastic or metal are particularly sensitive to longitudinal ultrasonic welding, since the thin layers are easily destroyed by the amplitudes or thermal stress (so-called membrane effect). Due to the torsional ultrasonic welding, the membrane / foil is stressed only under its welding zone. Another advantage is that the films can be welded with torsional ultrasound with a higher strength compared to conventional welding methods. Because only surface friction occurs, there is no undesirable notch effect when welding foils. It is also conceivable to arrange a sonotrode on an x-y table freely programmable displaceable. Thus, contours can be traced for different films, e.g. for blistering.
  • the parts preferably form an at least partially closed housing made of plastic, for example of polyamide (PA).
  • PA polyamide
  • the sensitive electronic component is a sensor.
  • it is a sensor for installation in a vehicle such as a camshaft sensor or a knock sensor. This is exposed in operation high thermal and mechanical loads.
  • the sensor housing must be completely waterproof. The sensor is therefore advantageously welded in a plastic housing by means of a torsional ultrasound welding device.
  • the device for torsional ultrasonic welding to form a non-rotationally symmetrical connection between the two parts.
  • the parts to be welded do not have to be rotationally symmetric. Any shapes are conceivable.
  • a rectangular lid can be welded to a rectangular housing, forming a rectangular welded connection. This allows the greatest possible flexibility in relation to the part geometry.
  • the invention is also suitable for welding through interfering media, e.g. through oil.
  • the device for torsional ultrasonic welding can alternatively also be used for riveting at least two parts. At least one part has a molded part pin, which is transformed by the ultrasonic vibrations to a rivet head. This has the advantage that on the one hand very thin rivets can be used. In addition, parts sensitive to longitudinal vibrations can be riveted. Also, multiple riveting can be performed simultaneously with only one sonotrode.
  • a device for torsional ultrasonic welding comprises the punching of a film, in particular of plastic.
  • This inventive device So it is also suitable for cutting and cutting plastic parts such as bumpers. Due to the torsional vibrations, the film remains intact, the membrane effect occurring in conventional ultrasonic welding devices, which leads to the destruction of the film, remains off. Above all, when punching painted plastic parts such as bumpers can be folded with the inventive method and the paint layer so that the core material is not visible in the hole.
  • a further aspect of the invention comprises a method for connecting a first part to at least one second part, wherein at least one of the parts consists wholly or partly of plastic.
  • For connecting the first part is subjected to torsional ultrasonic vibrations.
  • This method is particularly advantageous because the mechanical and thermal stress on longitudinal, i. in a plane perpendicular to the plane of the weld, excited parts is much smaller.
  • Another aspect relates to a method of joining parts of which at least one part contains a shock-sensitive component or at least one part is associated with a shock-sensitive component.
  • a part is subjected to ultrasonic vibrations.
  • the sensitive component does not necessarily have to be connected to the part to be welded, but that part is so related to the sensitive component that the welding operation can affect the component.
  • the assignment can be, for example, that a part encloses a sensitive content, for example, only after the welding, or that a part rests on a sensitive component or is attached to it.
  • the sensitive component preferably comprises an electronic component, a gas, a fluid, a fine mechanical component, a chemical compound, in particular explosives, a substrate for printed conductors, treated surfaces, preferably paints, metallization or coatings, a thin-walled plastic element, preferably a film or a membrane , thin rivets or hard and fragile materials such as glass or silicon.
  • the invention can also be used for embedding sockets or similar parts. Particularly advantageous is the invention for welding of pourers in the packaging industry used. Internal parts such as foils but also the closure mechanism in the pourer are not affected.
  • parts are welded, which form an at least partially closed housing made of plastic after bonding.
  • the housing parts used are preferably made of polyamide (PA).
  • PA polyamide
  • a sensor for installation in a vehicle is used as a sensitive electronic component.
  • Another aspect relates to a method for riveting a first molded part comprising at least one molded part pin, in particular made of plastic, and a second molded part, in particular made of plastic.
  • the molded part pin is subjected to torsional ultrasonic vibrations in such a way that a deformation of the molded part pin is formed into a rivet head and the two molded parts are connected.
  • the part should be stored in the anvil in the known ultrasonic welding with play in the molding receiving.
  • the part or molding to be joined which is not acted upon directly by vibrations, is fixed or clamped relative to the direction of oscillation of the sonotrode in a molded part receptacle. This prevents it from getting into torsional movement.
  • the molded part holder engages directly at the weld.
  • the molded part receptacle is preferably designed in such a way that the torsional movement is not transmitted to the part which is not directly subjected to vibrations.
  • a hard casting mold for example of epoxy resin as a molded part receptacle, in which the part to be welded is partially cast.
  • a milled metal milled part is also particularly suitable.
  • the mass and strength of the molded part receptacle is so high that a swinging of the molded part receptacle and the part clamped therein is prevented. Also proves to be advantageous a roughened surface of the molded part, so that a large friction between the molding receiving and results in clamped molding.
  • Another aspect of the invention comprises a device for torsional ultrasonic welding with a generator, at least one converter and a torsional oscillator for applying a sonotrode with torsional vibrations and a molded part receptacle for receiving a molded part.
  • the molded part receptacle is designed such that a molded part relative to the directions of movement of the sonotrode torsional and longitudinally in the molded part recording almost free of play is fixed, while the other molded part, which is acted upon by vibrations that can join the vibrations. The fixation is done so that the one part is clamped so tightly that a welded connection can be generated by the torsional vibration.
  • the mass of the molded part receptacle is selected such that the molded part receptacle is not vibratable by the sonotrode due to their inertia.
  • This arrangement is particularly advantageous because a good welding between the two mold parts can be achieved.
  • the molded part receptacle preferably comprises a casting, for example of two-component epoxy resin and / or an adjustable, clamping mechanical receptacle, which may be made of metal.
  • the molded part receptacle preferably has a hard and rough surface, which increases the friction with respect to the molded part when it is clamped. Also conceivable are other less deformable materials.
  • Important for the success of the welding is the property that the molded part holder can firmly clamp the molded part, so that it can not be set into vibrations triggered by the sonotrode.
  • a casting is therefore particularly advantageous because it can form a precise fitting receiving part, in which the molded part can be inserted with zero clearance.
  • the molded part is preferably fixable in the molded part receptacle in such a way that the molded part receptacle directly adjoins a plane of a weld seam of the parts to be joined or projects at least partially beyond the plane of the weld seam.
  • the clamping or fixing of the lower part must therefore be as close as possible to the weld. Otherwise, the torsional effect disappears in the lower part and does not occur in the weld seam.
  • This attachment has the advantage that even soft and / or elastic materials, in particular all thermoplastics and sometimes also thermosets, can be clamped along the weld without torsional vibrations are transmitted to the fixed part.
  • Another aspect relates to a device for torsional ultrasonic welding for fine embossing and / or fine lapping of a molded part, in particular a high-precision injection molded part and a corresponding method.
  • a device for torsional ultrasonic welding for fine embossing and / or fine lapping of a molded part, in particular a high-precision injection molded part and a corresponding method.
  • it is a high-precision micro-injection molded part made of metal, e.g. the needle of an injection valve for internal combustion engines.
  • the precision of the injection molding is not sufficient, so that in particular the seat and the seal of the nozzle needle for an injection valve must be reworked consuming by fine embossing and / or fine lapping.
  • the surface of the part to be machined is subjected to torsional vibrations, whereby a deformation of the surface occurs.
  • the use or the method have the advantage that this allows a precise and cost-effective processing
  • FIG. 1 shows a perspective view of a part of a sootrode and a molded part receptacle with a clamped shaped part
  • FIG. 2 shows a perspective view of a first exemplary embodiment of a device for torsional ultrasonic welding
  • FIG. 3 shows a perspective view of a second embodiment of a device for torsional ultrasonic welding
  • FIG. 4 shows a perspective detailed view of a first exemplary embodiment of a sonotrode
  • FIG. 5 is a plan view of a second embodiment of a sonotrode
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a sonotrode and a molded part receptacle with two molded parts to be riveted.
  • FIG. 1 shows a sonotrode 1 which is arranged above a molded part receptacle 2.
  • the sonotrode 1 belongs to an apparatus, for example, shown in FIG. 2 for torsional ultrasonic welding.
  • the sonotrode 1 is movable in a Z direction up and down by means of a lifting and lowering device, not shown here.
  • Such lifting and lowering devices are known in the art and serve to apply a contact force in the Z direction on a molded part 3.
  • the sonotrode is 1 subjected to torsional ultrasonic vibrations, so that the sonotrode 1 performs a torsional vibration R about the torsion axis A.
  • the molded part 3 here comprises a rectangular cover 4, which is to be welded to a housing 5 of a sensor. Both parts 4,5 are made of polyamide. Laterally, the housing has 5 connection contacts 6 of a sensor electronics.
  • the molded part receptacle 2 comprises a plurality of metal blocks 7 which firmly clamp the housing 5.
  • the housing is clamped free of play, in particular in the Z direction and in an X-Y plane, and in particular the housing 5 can not perform any torsional movements about the axis A.
  • the sonotrode is lowered onto the lid 4, a local frictional engagement occurs along the line between the surface of the sonotrode 1 and the surface of the lid 4, indicated by the dashed line, so that the torsional vibrations of the sonotrode 1 on the lid 4 transmitted.
  • the vibrations can not be transferred to the housing 5, the metal blocks are solid and stably connected to each other or with a workbench, for example screwed.
  • the clamping of the housing 5 is improved by the rough surface of the metal blocks 7 on their inner side facing the molding.
  • the cover 4 is more or less loosely on the housing 5 and can join the torsional vibrations and transmit the vibrations of the sonotrode in the Z direction to the housing 5.
  • the upper edges of the metal blocks 7 in FIG. 1 lie partially flush against the weld seam between the cover 4 and the housing 5. Partially protrude the metal blocks 7 also beyond the plane of the weld. This ensures that the housing 5 is fixed in the molded part receiving the torsional vibrations can absorb and even a welded joints between the cover and the housing may arise.
  • FIG. 2 shows a typical device for torsional ultrasound welding, wherein the molded part receptacle is not shown.
  • the device has two parallel converter 8, which are connected to a common torsional oscillator 9.
  • the torsional oscillator 9 is connected to the Sontrode 1.
  • the two converters 8 are controlled such that the oscillations of the converters are transmitted to the torsional oscillator 9 in alternating cycles.
  • FIG. 3 shows another form of torsional ultrasound welding device for the use according to the invention.
  • the device instead of two converters 8 as in FIG. 2, the device has four converters 8, which excite the torsional oscillator 9. As a result, the device has an increased power compared with the device shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a single sonotrode 1.
  • the surface 10 that can be placed on the part to be welded has an annular disk shape with a serration.
  • the diameter of the sonotrode here is about 35 mm. With these depressions, the friction between the molded part and the sonotrode increases.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the surface 10 of a sonotrode 1.
  • the surface 10 is crossed at 90 ° and has a flank angle of 45 °.
  • the depth of the corrugation can vary from 0.6 to 0.25 mm. But there are also other flank and Riffelwinkel conceivable.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a molded part receptacle 2 and a sonotrode 1 for the riveting of two molded parts 3, 3 .lambda .
  • the molded part receptacle 2 is shown here as a hardened epoxy resin casting compound, which forms a cast of the lower part of the molded part 3.
  • the molded part 3 lies with zero clearance in the epoxy resin mold and has a non-rotationally symmetrical shape. As a result, the molded part 3 is secured against rotation about the torsion axis A in the molded part receptacle 2.
  • the molded part 3 has two molded part pins 12 which protrude through two openings in the upper molded part 3 'in the direction of the sonotrode 1.
  • the sonotrode For riveting the sonotrode is lowered in the Z direction on the molded part pin 12 and the molded part pin 12 is subjected to torsional ultrasonic vibrations.
  • the sonotrode is first for about 4.5 sec. With a force of 300 Newton in the Z direction on the mold part pin 12 pressed so that they are plasticized. Then the power of the sonotrode 1 is about 1 sec. Increased to 3000 Newton. As a result, deform the molded part pin and are pressed into the width and there is a play-free connection between the two mold parts 3,3 '.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen zum Verbinden von Teilen (3,3'), von denen mindestens ein Teil ganz oder Teilweise aus Kunststoff besteht. Die Vorrichtung wird auch dazu verwendet, um Teile zu verbinden, von denen mindestens ein Teil einen stossempfindlichen Bestandteil enthält oder wenigstens ein Teil einem stossempfindlichen Bestandteil zugeordnet ist.

Description

Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweis- sen
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen zum Verschweissen von Kunststoffteilen und Teilen mit stossempfindlichen Bestandteilen sowie ein Verfahren zum Verschweissen von Kunststoffteilen und stossemp- findlichen Teilen sowie eine Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Es ist bekannt, dass Ultraschall eine Reihe von mechanischen, chemischen und biologischen Wirkungen auslöst. Die EP 0962261 Al beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zum Behandeln von Fluiden mit einer Torsionssonotrode, welche durch einen Ultraschallschwingungserzeuger in Schwingungen versetzbar ist. Auch sind Anlagen zum Ultraschall-Schweissen von Metallen mit torsio- naler Anregung oder Torsionssonotroden bekannt. Eines solche Vorrichtung wird beispielsweise im Buch von Wilhelm Lehfeld: Ultraschall / ISBN 3-8023-0060-2, S. 91 erwähnt.
Die DE 3342619 Al beschreibt ein Verfahren zum Ultraschallschweissen von thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere zum Schweissen von Automobil-Stossstangen mit einer longitudinal schwingenden Sonotrode.
Das herkömmliche Ultraschall-Schweissen mit in Richtung gegen das Werkstück gerichtete Schwingungen hat aber gewisse Nachteile: Empfindliche Strukturen und Bauteile können durch die Schwingungen geschädigt oder zerstört werden. Es besteht ein grosses Risiko, dass benachbarte bereits geschweisste Verbindungsstellen oder dünne Verbindungsstege und Zapfen durch das Ultraschallschweissen Schaden nehmen. Besonders problematisch erweist sich das herkömmliche Ultraschallschweissen, d.h. mit einer in longitudinaler Richtung schwingenden Sonotrode, für das Verschweissen von Gehäusen oder Teilen, welche empfindliche Elektronik aufnehmen sollen. Beispielsweise zerstört die für das dichte Verschweissen von Polyamidkunststoffgehäusen notwendige Amplitude mit hoher Wahrscheinlichkeit die Elektronik. Deshalb wird das Ultraschallscheissen von Teilen mit empfindlicher Elektronik und Mechanik von Fachleuten abgelehnt. Da eine Nachkontrolle der empfindlichen Elektronik im verschweissten Gehäuse in der Regel nicht möglich ist und gewisse Sekundärbeschädigungen an der Elektronik sich erst nach Jahren bemerkbar machen können, wird beim Verbinden von Teilen mit empfindlichem Inhalt wie beispielsweise Sensoren für die Automobiltechnik auf alternative Schweiss- oder Klebeverfahren zurückgegriffen. Beispielsweise werden empfindliche Teil mittels Laser- oder Reibschweis- sen verbunden. Diese Verfahren haben aber den Nachteil, dass der Schweissvorgang lange dauert und/oder die zu verbindenden Teile grossen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Laser- schweissen ist zudem für glasfaserverstärkte Kunststoffe wegen des auftretenden Streulichts ungeeignet. Laserschweissen von zwei Kunststoffteilen ist ausserdem beschränkt auf Teile, von denen eines lasertransparent und das andere laserabsorbierend ist. Es hat sich gezeigt, dass Klebeverbindungen bei Kunststoffgehäusen von Sensoren den Belastungen von Klimawechseltests nicht gewachsen sind und die Gehäuse mit der empfindlichen Elektronik undicht werden.
Ein weiterer Nachteil besteht auch beim Schweissen von sehr dünnwandigen Teilen wie Folien oder Membranen. Die longitudina- len Ultraschallwellen haben die Tendenz, die empfindlichen Membranen zu zerreissen so dass in der Mitte ein Loch entsteht (Membraneffekt) . Thermische Verfahren sind für dünnwandige Teile ebenso kritisch, weil die hohen Temperaturen die Teile beschädigen können. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche insbesondere auf schonende und einfache Art und Weise zwei Teile, insbesondere mit einem empfindlichen Bestandteil oder Inhalt verbinden können und keinen grossen zeitlichen Aufwand benötigen. Zudem soll das Verbinden möglichst kostengünstig erfolgen können.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit der Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall-Schweissen, einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäss den Merkmalen unabhängigen Ansprüche gelöst.
Als vorteilhaft für die Erfindung hat sich Ultraschall im Frequenzbereich von ungefähr 15 kHz bis 100 kHz, besonders bevorzugt 20 kHz bis 30 kHz erwiesen. Typischerweise kann eine So- notrode mit einer Leistung von bis zu 10 kW beaufschlagt werden.
Zum Verbinden von Teilen, von denen mindestens ein Teil ganz oder teilweise aus Kunststoff besteht, wird erfindungsgemäss eine Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen verwendet. Unter torsional wird hier eine Schwingung einer Sonotrode um ihre Längsachse verstanden, das heisst die Sonotrode führt eine torsionale Bewegung um eine Torsionachse aus, welche im wesentlichen senkrecht auf der Ebene der zu bildenden Schweissnaht steht. Die Torsionsachse liegt somit im wesentlichen parallel zu Kraftachse, mit welcher die Sonotrode auf das Teil gedrückt wird.
Der Vorteil liegt darin, dass mit dieser Anordnung dank des Einsatzes von Ultraschallschwingungen eine thermische Belastung der Teile verhindert wird und die Schweisszeit gegenüber herkömmli- chen Verfahren kurz ist. Völlig überraschend für den Fachmann hat sich gezeigt, dass das torsionale Ultraschallschweissen für die Verbindung von Kunststoffteilen gut geeignet ist und die Nachteile der bisher verwendeten Vorrichtungen beseitigt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen zum Verbinden von Teilen, von denen wenigstens ein Teil, insbesondere gegenüber Longitudinalstössen, stossempfindliches Teil als Bestandteil enthält oder wenigstens ein Teil einem stossempfind- lichen Bestandteil zugeordnet ist. Als Longitudinalstoss ist hier ein Impuls zu verstehen, welcher insbesondere in Richtung der Torsionsachse auf das Teil wirkt. Solche Stösse treten z.B. beim longitudinalen/linearen Ultraschallschweissen auf.
Eines der zu verbindenden Teile kann also selbst mindestens teilweise stossempfindlich sein oder ein Teil ist einem stossempfindlichen Teil zugeordnet, indem es dieses beispielsweise umschliesst oder an dieses gekoppelt ist. Denkbar ist auch, dass der empfindliche Bestandteil erst durch das Verbinden der beiden Teile in Wechselwirkung mit den Teilen tritt und dadurch beim Verbinden beschädigt werden könnte. Entgegen der herrschenden Meinung unter Fachleuten, dass Ultraschallschweissen unter keinen Umständen für das Schweissen von empfindlichen Teilen, insbesondere Elektronikbauteilen, verwendet werden darf, erweist sich das torsionale Ultraschallschweissen für diese Zwecke als besonders vorteilhaft. Insbesondere treten dabei höchstens unbedeutende linearen Schwingungen auf. Ein weiterer Vorteil liegt in den vergleichsweise geringen Investitionen einer solchen Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen. Die fehlende thermische Belastung der zu verschweissenden Teile erweist sich als weiterer Vorteil. Mit der Verwendung der torsionalen Ultra- schweissvorrichtung sind zudem nur einfache Schweissbewegungen notwendig, welche zudem schnell ausgeführt werden können. Dadurch kann die Vorrichtung vorteilhaft in eine automatische Produktionslinie eingefügt und verwendet werden.
Bevorzugt wird die Vorrichtung zum Verbinden von Teilen mit einem der folgenden empfindlichen Bestandteile verwendet: ein elektronisches Bauteil wie z.B. integrierte Schaltkreise; ein Gas; ein Fluid; eine feinmechanische Komponente; eine chemische Verbindung, insbesondere Explosionsstoffe; ein Substrat für Leiterbahnen; eine behandelte Oberfläche, bevorzugt Lacke, Metallisierungen oder Beschichtungen; ein dünnwandiges Kunststoffele- ment, bevorzugt eine Folie, eine Membran; dünne Nietungen; harte und zerbrechliche Stoffe, wie beispielsweise Glas oder Silizium.
Selbstverständlich sind auch andere empfindliche Stoffe denkbar. Der Vorteil liegt in der schonenden Behandlung der empfindlichen Bestandteile beim Verschweissen durch das fehlen von Longitudi- nalstössen. Dadurch wird verhindert, dass Leiterbahnen, Lötfahnen oder andere elektronische Teile sich von einer Platine lösen können oder die elektronischen Bauteile wie Widerstände, Transistoren oder integriere Schaltungen etc. selbst beschädigt werden. Auch feinmechanische Komponenten wie z.B. Federn, Zahnräder und Wellen werden vor mechanischen Beschädigungen wie Verbiegen, Verkanten , Verrutschen aus ihrer Solllage oder vor unbeabsichtigtem Verschweissen (wenn sie aus Kunststoff sind) geschützt.
Behandelte Oberflächen können besonders empfindlich sein: lackierte, metallisierte oder anders beschichtete Oberflächen wie z.B. verchromte Kunststoffarmaturen sind besonders anfällig gegenüber longitudinalen Stössen. Es besteht die Gefahr, dass die Beschichtung bzw. Metallisierung sich vom Trägermaterial löst. Das torsionale Ultraschallschweissen erweist sich hier als besonders vorteilhaft, da ein Abblättern der Beschichtung verhin- dert werden kann. Vorteilhaft ist das Torsionsultraschall- schweissen auch für Teile mit empfindlichen Oberflächen wie beispielsweise genarbte Oberflächen auf der gegenüberliegenden Seite der Schweissung, d.h. der Ambossseite. Herkömmliche Ultra- schallschweissvorrichtungen hinterlassen auf solchen Oberflächen unerwünschte Abdrücke auf der Ambossseite.
Dünne Teile wie Folien oder Membranen aus Kunststoff oder Metall sind besonders empfindlich gegenüber longitudinalem Ultraschall- schweissen, da die dünnen Schichten durch die Amplituden oder thermische Belastung leicht zerstört werden (so genannter Membraneffekt) . Durch das torsionale Ultraschallschweissen wird die Membrane/Folie nur unter ihrer Schweisszone beansprucht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Folien mit torsionalem Ultraschall mit einer höheren Festigkeit verschweisst werden können gegenüber herkömmlichen Schweissverfahren . Weil nur Grenzflächenreibung auftritt, entsteht beim Schweissen von Folien kein unerwünschter Kerbeffekt. Es ist auch denkbar, eine Sonotrode auf einem x-y Tisch frei programmierbar verschiebbar anzuordnen. Damit können für verschiedene Folien Konturen abgefahren werden, z.B. zur Blisterherstellung.
Bevorzugt bilden die Teile nach dem Verschweissen ein wenigstens teilweise geschlossenes Gehäuse aus Kunststoff, z.B. aus Polyamid (PA) . Der Vorteil der erfindungsgemässen Verwendung liegt darin, dass infolge geschlossener Oberfläche eine optische Kontrolle des Inhalts nicht möglich ist. Der Anwender hat jedoch Gewissheit, dass keine Beschädigungen durch eine mechanische oder thermische Belastung der empfindlichen Teile auftreten können. Gleichzeitig ergibt sich jedoch eine dauerhafte und dichte SchweissVerbindung . Bevorzugt ist der empfindliche elektronische Bauteil ein Sensor. Beispielsweise handelt es sich um einen Sensor für den Einbau in einem Fahrzeug wie beispielsweise einen Nockenwellensensor oder einen Klopfsensor. Dieser ist in Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Zudem müssen die Sensorgehäuse absolut wasserdicht sein. Der Sensor wird deshalb vorteilhaft in einem Kunststoffgehäuse mittels einer torsionalen Ultra- schall-Schweissvorrichtung verschweisst .
Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung der Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen zur Bildung einer nicht rotationssymmetrischen Verbindung zwischen den beiden Teilen. Die zu verschweissenden Teile müssen also nicht rotationssymmetrisch sein. Es sind beliebige Formen denkbar. Beispielsweise kann ein rechteckiger Deckel auf ein rechteckiges Gehäuse geschweisst werden, wobei eine rechteckige Schweissverbindung entsteht. Dies ermöglicht eine grösstmögliche Flexibilität gegenüber der Teile-Geometrie. Die Erfindung eignet sich ausserdem auch zum Schweissen durch Störmedien hindurch, z.B. durch Öl.
Die Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen kann alternativ auch zum Vernieten von wenigstens zwei Teilen verwendet werden. Mindestens ein Teil weist einen Formteilzapfen auf, welcher durch die Ultraschallschwingungen zu einem Nietkopf umgeformt wird. Dies hat den Vorteil, dass einerseits sehr dünne Nietstege verwendet werden können. Zudem können auch gegenüber longitudinalen Schwingungen empfindliche Teile vernietet werden. Auch können mehrere Nietungen mit nur einer Sonotrode gleichzeitig ausgeführt werden.
Ein weiterer Aspekt der Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen umfasst das Ausstanzen einer Folie, insbesondere aus Kunststoff. Diese erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich also auch zum Trennen und Schneiden von Kunststoffteilen wie z.B. Stossfängern . Durch die torsionale Schwingungen bleibt die Folie unversehrt, der bei herkömmlichen Ultraschall- schweissvorrichtungen auftretende Membraneffekt, welcher zur Zerstörung der Folie führt, bleibt aus. Vor allem beim Stanzen von lackierten Kunststoffteilen wie z.B. Stossfängern kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren auch die Lackschicht umgelegt werden, damit das Kernmaterial nicht im Loch sichtbar wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Teils mit wenigstens einem zweiten Teil, wobei wenigstens eines der Teile ganz oder teilweise aus Kunststoff besteht. Zum Verbinden wird das erste Teil mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da die mechanische und thermische Belastung gegenüber longitudinal, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Schweissnaht, angeregten Teilen viel kleiner ist.
Ein anderer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Teilen, von denen wenigstens ein Teil einen stossempfindlichen Bestandteil enthält oder wenigstens ein Teil einem stossempfindlichen Bestandteil zugeordnet ist. Dazu wird ein Teil mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt. Zugeordnet bedeutet, dass der empfindliche Bestandteil nicht unbedingt mit dem zu verschweis- senden Teil verbunden sein muss, sondern das ein Teil derart mit dem empfindlichen Bestandteil in Beziehung steht, dass der Schweissvorgang sich auf den Bestandteil auswirken kann. Die Zuordnung kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Teil einen empfindlichen Inhalt umschliesst, beispielsweise auch erst nach dem Verschweissen, oder dass ein Teil auf einem empfindlichen Bestandteil aufliegt oder daran befestigt ist. Das empfindliche Bestandteil umfasst bevorzugt ein elektronisches Bauteil, ein Gas, ein Fluid, eine feinmechanische Komponente, eine chemische Verbindung, insbesondere Explosionsstoffe, ein Substrat für Leiterbahnen, behandelte Oberflächen, bevorzugt Lacke, Metallisierung oder Beschichtungen ein dünnwandiges Kunststoffelement, bevorzugt eine Folie oder eine Membran, dünne Nietungen oder harte und zerbrechliche Stoffe wie Glas oder Silizium. Die Erfindung kann auch zum Einbetten von Buchsen oder ähnlichen Teilen eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung zum Einschweissen von Ausgiessern in der Verpackungsindustrie einsetzbar. Innenliegende Teile wie Folien aber auch die Verschlussmechanik im Ausgiesser werden nicht beeinträchtigt .
Besonders bevorzugt werden Teile verschweisst, die nach dem Verbinden ein wenigstens teilweise geschlossenes Gehäuse aus Kunststoff bilden. Bevorzugt sind die verwendeten Gehäuseteile aus Polyamid (PA) . Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass empfindliche Bestandteile in einem Gehäuse hermetisch verschlossen werden können. Die Erfindung erlaubt ausserdem die Ver- schweissung von unterschiedlichen Werkstoffen, unter anderem auch von Werkstoffen, die eine hohe Amplitude benötigen.
In vorteilhafter Weise wird als empfindliches elektronisches Bauteil ein Sensor für den Einbau in einem Fahrzeug verwendet.
Es können bevorzugt auch nicht rotationssymmetrische Teile miteinander verbunden werden. Somit sind grundsätzlich beliebige Formen miteinander verschweissbar .
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Vernietung eines ersten Formteils umfassend mindestens einen Formteilzapfen, insbesondere aus Kunststoff, und eines zweiten Formteils, insbeson- dere aus Kunststoff. Dazu wird der Formteilzapfen derart mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagt, dass eine Verformung des Formteilzapfens zu einem Nietkopf entsteht und die beiden Formteile verbunden werden. Der Vorteil liegt darin, dass dadurch auch Teile mit empfindlichen Oberflächen und/oder besonders filigrane Formteilzapfen vernietet werden können.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass anders als beim herkömmlichen longitudinalen Ultraschallschweissen von Kunststoff, bei welchem beide zu verschweissende Kunststoffteile mitschwingen müssen, um eine Schweissnaht zu bilden, beim torsionalen Ultraschallschweissen das zu verschweissende Teil mit möglichst geringem Spiel in einer Formteilaufnahme gehalten werden soll. Im Gegensatz dazu sollte das Teil im Amboss beim bekannten Ultraschallschweissen mit Spiel in der Formteilaufnahme gelagert sein. Bevorzugt wird das zu verbindende Teil bzw. Formteil, welches nicht direkt mit Schwingungen beaufschlagt wird, relativ gegenüber der Schwingungsrichtung der Sonotrode in einer Formteilaufnahme fixiert oder festgeklemmt. Dadurch wird verhindert, dass es in torsionale Bewegungen gerät. Bevorzugt greift die Formteilaufnahme unmittelbar bei der Schweissnaht an. Die Formteilaufnahme ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die torsionale Bewegung nicht auf das nicht direkt mit Schwingungen beaufschlagte Teil übertragen wird. Beispielsweise wird bei nicht rotationssymmetrischen Teilen bevorzugt eine harte Gussform, beispielsweise aus Epoxidharz als Formteilaufnahme erstellt, in der das zu verschweissende Teil teilweise eingegossen wird. Besonders geeignet ist auch eine in Metall gefräste Formteilaufnahme. Bevorzugt ist die Masse und Festigkeit der Formteilaufnahme derart hoch, dass ein Mitschwingen der Formteilaufnahme und des darin eingespannten Teils verhindert wird. Als vorteilhaft erweist sich auch eine aufgeraute Oberfläche der Formteilaufnahme, so dass sich eine grosse Reibung zwischen Formteilaufnahme und eingespanntem Formteil ergibt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen mit einem Generator, wenigstens einem Konverter und einen Torsionsschwinger zum Beaufschlagen einer Sonotrode mit Torsionsschwingungen und einer Formteilaufnahme zur Aufnahme eines Formteils. Die Formteilaufnahme ist derart ausgebildet, dass ein Formteil relativ zu den Bewegungsrichtungen der Sonotrode torsional und longitudinal in der Formteilaufnahme nahezu spielfrei fixierbar ist, während das andere Formteil, welches mit Schwingungen beaufschlagt wird, die Schwingungen mitmachen kann. Die Fixierung erfolgt so, dass das eine Teil so fest eingespannt ist, dass durch die torsionale Schwingung eine Schweissverbindung erzeugbar ist. Bevorzugt wird die Masse der Formteilaufnahme derart gewählt, dass die Formteilaufnahme aufgrund ihrer Massenträgheit nicht durch die Sonotrode in Schwingungen versetzbar ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil dadurch eine gute Verschweissung zwischen den beiden Formteilen erreicht werden kann.
Bevorzugt umfasst die Formteilaufnahme einen Abguss, beispielsweise aus Zweikomponenten Epoxidharz und/oder eine einstellbare, festklemmende mechanische Aufnahme, die aus Metall gefertigt sein kann. Die Formteilaufnahme hat vorzugsweise eine harte und raue Oberfläche, was die Reibung gegenüber dem Formteil erhöht, wenn dieses eingespannt ist. Denkbar sind auch andere wenig verformbare Materialien. Wichtig für den Erfolg der Schweissung ist die Eigenschaft, dass die Formteilaufnahme das Formteil fest einspannen kann, so dass es nicht in Schwingungen, ausgelöst durch die Sonotrode, versetzt werden kann. Ein Abguss ist deshalb besonders vorteilhaft, weil dadurch eine passgenaue Formteilaufnahme gebildet werden kann, in welcher das Formteil mit Nullspiel einlegbar ist. Bevorzugt ist das Formteil derart in der Formteilaufnahme fixierbar, dass die Formteilaufnahme unmittelbar an eine Ebene einer Schweissnaht der zu verbindenden Teile grenzt oder zumindest teilweise über die Ebene der Schweissnaht ragt. Die Klemmung bzw. Fixierung des unteren Teils muss also möglichst nahe der Schweissnaht erfolgen. Sonst verliert sich der torsionale Effekt im unteren Teil und tritt nicht in der Schweissnaht auf. Diese Befestigung hat den Vorteil, dass auch weiche und/oder elastische Materialien , insbesondere alle Thermoplaste und teilweise auch Duroplaste, entlang der Schweissnaht festgeklemmt werden können, ohne dass torsionale Schwingungen auf das fixierte Teil übertragen werden.
Einem weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweissen zum Feinprägen und/oder Feinläppen eines Formteils, insbesondere eines hochpräzisen Spritzgussteils und ein entsprechendes Verfahren. Vorzugsweise handelt es sich um ein hochpräzises Mikro-Spritzgussteil aus Metall wie z.B. die Nadel eines Einspritzventils für Verbrennungsmotoren. Die Präzision des Spritzgusses reicht nicht aus, so dass insbesondere der Sitz und die Abdichtung der Düsennadel für ein Einspritzventil aufwändig durch Feinprägen und/oder Feinläppen nachbearbeitet werden müssen. Dazu wird die Oberfläche des zu bearbeitenden Teils mit torsionalen Schwingungen beaufschlagt, wodurch ein Umformung der Oberfläche eintritt. Die Verwendung bzw. das Verfahren haben den Vorteil, dass sich dadurch eine präzise und kostengünstige Bearbeitung der Oberfläche des empfindlichen Spritzgussteils erzielen lässt, ohne das filigrane Spritzgussteil zu beschädigen .
Weitere Einzelmerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Teils einer So- notrode und einer Formteilaufnahme mit einem eingespannten Formteil,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum torsionalen UltraschalIschweissen,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum torsionalen UltraschalIschweissen,
Figur 4 eine perspektivische Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sonotrode,
Figur 5 eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sonotrode,
Figur 6 einen schematischen Querschnitt durch eine Sonotrode und eine Formteilaufnahme mit zwei zu vernietenden Formteilen .
Figur 1 zeigt eine Sonotrode 1 welche über einer Formteilaufnahme 2 angeordent ist. Die Sonotrode 1 gehört zu einer beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung zum torsionalen Ultra- schallschweissen . Die Sonotrode 1 ist in einer Z-Richtung auf und ab bewegbar mittels einer hier nicht dargestellten Hub- und Senkvorrichtung. Solche Hub- und Senkvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt und dienen dazu, eine Anpresskraft in Z- Richtung auf ein Formteil 3 aufzubringen. Die Sonotrode 1 ist mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagbar, so dass die Sonotrode 1 eine torsionale Schwingung R um die Torsionsachse A ausführt.
Das Formteil 3 umfasst hier einen rechteckigen Deckel 4, welcher mit einem Gehäuse 5 eines Sensors verschweisst werden soll. Beide Teile 4,5 sind aus Polyamid. Seitlich weist das Gehäuse 5 Anschlusskontakte 6 einer Sensorelektronik auf.
Die Formteilaufnahme 2 umfasst mehrere Metallblöcke 7 welche das Gehäuse 5 fest einspannen. Dadurch ist das Gehäuse insbesondere in Z Richtung und in einer X-Y Ebene spielfrei eingespannt und das Gehäuse 5 kann insbesondere keine torsionalen Bewegungen um die Achse A ausführen. Wenn nun die Sonotrode auf den Deckel 4 abgesenkt wird, entsteht zwischen der Oberfläche der Sonotrode 1 und der Oberfläche des Deckels 4, ein lokaler Reibschluss entlang einer Linie, angedeutet durch die gestrichelte Linie, so dass sich die torsionalen Schwingungen der Sonotrode 1 auf den Deckel 4 übertragen. Damit sich die Schwingungen nicht auf das Gehäuse 5 übertragen können, sind die Metallblöcke massiv ausgebildet und untereinander bzw. mit einer Werkbank stabil verbunden, beispielsweise verschraubt. Bedingt durch die Trägheit der massigen Metallblöcke 7 wird eine Übertragung der torsionalen Schwingungen auf die Formteilaufnahme 2 bzw. auf das eingespannte Gehäuse verhindert. Das Einspannen des Gehäuses 5 wird verbessert durch die raue Oberfläche der Metallblöcke 7 auf deren dem Formteil zugewandten Innenseite. Der Deckel 4 liegt mehr oder weniger lose auf dem Gehäuse 5 auf und kann die torsionalen Schwingungen mitmachen und die Schwingungen der Sonotrode in Z Richtung auf das Gehäuse 5 übertragen.
Die in Figur 1 oberen Kanten der Metallblöcke 7 liegen teilweise bündig an der Schweissnaht zwischen Deckel 4 und Gehäuse 5. Teilweise ragen die Metallblöcke 7 auch über die Ebene der Schweissnaht hinaus. Dadurch wird gewährleistet, dass das Gehäuse 5 in der Formteilaufnahme festliegt die torsionalen Schwingungen absorbieren kann und überhaupt eine Schweissverbindungen zwischen Deckel und Gehäuse entstehen kann.
Figur 2 zeigt eine typische Vorrichtung zum torsionalen Ultra- schallschweissen, wobei die Formteilaufnahme nicht dargestellt ist. Die Vorrichtung weist zwei parallel angeordnete Konverter 8 auf welche mit einem gemeinsamen Torsionsschwinger 9 verbunden sind. Alternativ kann anstelle von zwei auch nur ein einzelner Konverter 8 vorgesehen sein. Der Torsionsschwinger 9 ist mit der Sontrode 1 verbunden. Die beiden Konverter 8 werden so gesteuert, dass die Schwingungen der Konverter in wechselseitigem Takt auf den Torsionsschwinger 9 übertragen werden.
Die Figur 3 stellt eine weitere Form einer torsionalen Ultra- schallschweissvorrichtung dar für die erfindungsgemässe Verwendung. Anstelle von zwei Konvertern 8 wie in Figur 2 weist die Vorrichtung vier Konverter 8 auf, welche den Torsionsschwinger 9 anregen. Dadurch weist die Vorrichtung eine erhöhte Leistung gegenüber der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung auf.
Figur 4 zeigt eine einzelne Sonotrode 1. Die auf das zu ver- schweissende Teil aufsetzbare Oberfläche 10 weist eine Ringscheibenform mit einer Hirthverzahnung auf. Der Durchmesser der Sonotrode beträgt hier rund 35 mm. Mit diesen Vertiefungen erhöht sich die Reibung zwischen dem Formteil und der Sonotrode.
Figur 5 zeigt eine andere Ausführung der Oberfläche 10 einer Sonotrode 1. Die Oberfläche 10 ist um 90°gekreuzt geriffelt und hat einen Flankenwinkel von 45°. Die Tiefe der Riffelung kann variieren 0.6 bis 0.25 mm. Es sind aber auch andere Flanken- und Riffelwinkel denkbar.
Figur 6 stellt eine schematischen Querschnitt durch eine Formteilaufnahme 2 und eine Sonotrode 1 für die Vernietung zweier Formteile 3,3λ dar. Die Formteilaufnahme 2 ist hier als ausgehärtete Epoxidharz Gussmasse dargestellt, welche einen Abguss des unteren Teils des Formteils 3 bildet. Das Formteil 3 liegt mit Nullspiel in der Epoxidharzform und weist eine nicht rotationssymmetrische Form auf. Dadurch liegt das Formteil 3 um die Torsionsachse A verdrehgesichert in der Formteilaufnahme 2. Das Formteil 3 hat zwei Formteilzapfen 12 welche durch zwei Öffnungen im oberen Formteil 3' in Richtung der Sonotrode 1 ragen. Zum Vernieten wird die Sonotrode in Z-Richtung auf die Formteilzapfen 12 abgesenkt und die Formteilzapfen 12 mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagt. Dabei wird die Sonotrode zuerst während rund 4,5 sek. mit einer Kraft von 300 Newton in Z- Richtung auf die Formteilzapfen 12 gedrückt, so dass diese plastifiziert werden. Dann wird die Kraft der Sonotrode 1 während rund 1 sek. Auf 3000 Newton erhöht. Dadurch verformen sich die Formteilzapfen und werden in die Breite gedrückt und es entsteht eine spielfreie Verbindung zwischen den beiden Formteilen 3,3' .

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall- schweissen zum Verbinden von Teilen (3, 3', 4, 5), von denen mindestens ein Teil (3; 3' ; 4 ; 5) ganz oder teilweise aus Kunststoff besteht.
2. Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall- schweissen zum Verbinden von Teilen (3, 3', 4, 5), insbesondere nach Anspruch 1, von denen wenigstens ein Teil
(3; 3' ; 4 ; 5) einen, insbesondere gegenüber Longitudinalstös- sen, stossempfindlichen Teil (3; 3' ; 4 ; 5) als Bestandteil enthält oder wenigstens ein Teil (3; 3' ; 4 ; 5) einem stossemp- findlichen Bestandteil zugeordnet ist.
3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der empfindliche Bestandteil aus der Gruppe der Bauteile elektronisches Bauteil; Gas; Fluid; feinmechanische Komponente; chemische Verbindung, insbesondere Explosionsstoffe; Substrat für Leiterbahnen; behandelte Oberfläche, bevorzugt Lacke, Metallisierung oder Beschichtung; dünnwandiges Kunststoffelement, bevorzugt eine Folie, eine Membran; Nietungen; harte und zerbrechliche Stoffe, insbesondere Glas oder Silizium ausgewählt ist.
4. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Teile (3, 3', 4, 5) nach dem Zusammenfügen ein wenigstens teilweise geschlossenes Gehäuse (5) aus Kunststoff, bevorzugt aus Polyamid bilden.
5. Verwendung einer Vorrichtung nach Ansprüche 3, wobei das elektronische Bauteil ein Sensor ist.
6. Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall- schweissen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine nicht rotationssymmetrische Verbindung zwischen den beiden Teilen gebildet wird.
7. Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall- schweissen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Vernieten von wenigstens zwei Teilen (3,3'), wobei mindestens ein Teil (3;3') einen Formteilzapfen (12) aufweist, welcher durch die Ultraschallschwingungen zu einem Nietkopf umgeformt wird.
8. Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall- schweissen zum Ausstanzen einer Folie, insbesondere aus Kunststoff .
9. Verfahren zum Verbinden eines ersten Teils (3,4) mit wenigstens einem zweiten Teil (3', 5), wobei wenigstens eines der Teile (3, 3', 4, 5) ganz oder teilweise aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (3,4) mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird.
10. Verfahren zum Verbinden von Teilen (3, 3', 4, 5), insbesondere nach Anspruch 9, von denen wenigstens ein Teil (3; 3' ; 4 ; 5) einen stossempfindliches Bestandteil enthält oder wenigstens ein Teil (3; 3' ; 4 ; 5) einem stossempfindlichen Bestandteil zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (3; 3' ; 4 ; 5) mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestandteil ein Element der Gruppe elektronisches Bauteil; Gas; Fluid; feinmechanische Komponente; chemische Verbindung, insbesondere Explosionsstoffe; Substrat für Leiterbahnen; behandelte Oberfläche, bevorzugt Lacke, Metallisierung oder Beschichtung; dünnwandiges Kunststoffele- ment, bevorzugt eine Folie, eine Membran; Nietungen; harte und zerbrechliche Stoffe, insbesondere Glas oder Silizium ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (4; 5) nach dem Verbinden ein wenigstens teilweise geschlossenes Gehäuse (5) aus Kunststoff, insbesondere aus Polyamid bilden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil ein Sensor ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (3, 3', 4, 5) entlang einer nicht rotationssymmetrischen Kontur miteinander verbunden werden.
15. Verfahren zur Vernietung eines ersten Formteils (3) umfassend mindestens einen Formteilzapfen (12), insbesondere aus Kunststoff, und eines zweiten Formteils (3'), insbesondere aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Formteilzapfen (12) derart mit torsionalen Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, dass eine Verformung des Formteilzapfens
(12) zu einem Nietkopf entsteht und die beiden Formteile (3,3') verbunden werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verbindende Teil bzw. Formteil (3;3';4;5), welches nicht direkt mit Schwingungen beaufschlagt wird, relativ gegenüber der Bewegungsrichtung (Z) und Schwingungsrichtung (R) der Sonotrode in einer Form- teilaufnähme (2) fixiert wird.
17. Vorrichtung zum Torsionsultraschallschweissen mit einem Generator, wenigstens einem Konverter (8) und einem Torsionsschwinger (9) zum Beaufschlagen einer Sonotrode mit Torsionsschwingungen und mit einer Formteilaufnahme (2) zum Einspannen eines Formteils (3, 3', 4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass die Formteilaufnahme (2) derart ausgebildet ist, dass ein Formteil (3; 3' ; 4 ; 5) relativ zu torsionalen und longitudinalen Bewegungsrichtungen der Sonotrode (R, Z) in der Formteilaufnahme (2) derart spielfrei fixierbar ist, dass eine Schweissverbindung erzielbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteilaufnahme (2) einen Abguss eines Formteils
(3,5), insbesondere aus Epoxidharz und/oder eine klemmende Aufnahme, bevorzugt aus Metall, umfasst.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (3,5) derart in der Formteilaufnahme
(2) fixierbar ist, dass die Formteilaufnahme unmittelbar an eine Ebene einer zu bildenden Schweissnaht grenzt oder mindestens teilweise über die Ebene der Schweissnaht ragt.
20. Verwendung einer Vorrichtung zum torsionalen Ultraschall- schweissen zum Feinprägen und/oder Feinläppen eines Formteils (3; 3' ; 4 ; 5) , insbesondere eines hochpräzisen Spritzgussteils .
21. Verfahren zum Feinprägen und/oder Feinläppen eines Formteils
(3; 3' ; 4 ; 5) , insbesondere eines hochpräzisen Spritzgussteils, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu bearbeitende Oberfläche des Formteils (3; 3' ; 4 ; 5) mit torsionalen Schwingungen beaufschlagt wird.
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