WO2019145482A1

WO2019145482A1 - ULTRASCHALL-SCHWEIßVERFAHREN

Info

Publication number: WO2019145482A1
Application number: PCT/EP2019/051869
Authority: WO
Inventors: Thomas Kretschmar; Kai Hartmann; Mathias Derra; Johannes Proell; Jonas SCHMITT; Udo Taubmann; Martin Gerlach; Juergen Herold; Christoph Schlund; Thomas SCHWEIBOLD
Original assignee: Robert Bosch GmbH; GS Yuasa International Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: JP2021512800A; DE102018201293A1; JP7200999B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Folienelemente (10, 12) mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens, wobei die Folienelemente (10, 12) in einer Schweißvorrichtung zwischen einer Sonotrode (24) und einem Gegenelement derart zueinander angeordnet werden, dass Fügebereiche der Folienelemente (10, 12) benachbart zueinander positioniert sind, und dass mittels der Sonotrode (24) Ultraschallwellen zum stoffschlüssigen Verbinden der Folienelemente (140, 12) in diese eingeleitet werden, wobei während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente (10, 12) zwischen der Sonotrode (24), wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement (22) ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die summierte Dicke der zu fügenden Folienelemente (10, 12), und wobei während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente (10, 12) zwischen der Sonotrode (24), wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und einem benachbart zu der Sonotrode (24) befindlichen Folienelement (10) ein Abstand vorgesehen ist, der geringer ist, als die Amplitude der Sonotrode (24).

Description

Beschreibung

Titel

Ultraschall-Schweißverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Schweißverfahren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren, bei dem

keramikbeschichtete Polymerfolien mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens miteinander schädigungsfrei verbunden werden können.

Stand der Technik

Oftmals ist es notwendig, Bauteile, wie etwa Folienelemente, miteinander zu verbinden. Beispielhaft sei hier die Herstellung von Batterien beziehungsweise von Batteriezellen genannt. Bei deren Herstellung müssen oftmals dünne Folien, die etwa beschichtet sein können, miteinander verbunden werden, etwa als Separatorfolien. Dieser Schritt ist oftmals eine Herausforderung insbesondere mit Bezug auf die Prozessführung. Ein hierzu geeignetes Verfahren umfasst beispielsweise das Ultraschall-Schweißen.

US 2015/0303426 Al beschreibt diesbezüglich das Verbinden zweier

Separatorfolien mittels eines Ultraschallschweißens. Die Separatorfolien weisen ein Harz auf, dass mit einer hitzebeständigen Schicht versehen ist. Die Separatorfolien werden dabei von einem Vibrator verpresst, der Vorsprünge aufweist, durch welche das Material der hitzebeständigen Schicht aus der Fügezone entfernt werden soll.

WO 2015/050084 Al beschreibt gleichermaßen ein Verfahren zum Verbinden zweier mit einer hitzebeständigen Schicht versehenen Separatorlagen mittels Ultraschallschweißens. Dabei wird eine einen Vorsprung aufweisende Sonotrode in Kontakt mit einer zu verbindenden Lage gebracht und diese gegen die weitere zu verbindende Lage gepresst, wobei Ultraschall wellen eingetragen werden.

US 2014/0138012 Al beschreibt ferner ein System zum Ultraschallschweißen. Ein derartiges System umfasst eine Vielzahl von Sensoren, um den Schweißprozess zu überwachen.

Offenbarung der Erfindung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Folienelemente mittels eines Ultraschall-Schweiß Verfahrens, wobei die

Folienelemente in einer Schweißvorrichtung zwischen einer Sonotrode und einem Gegenelement derart zueinander angeordnet werden, dass Fügebereiche der

Folienelemente benachbart zueinander positioniert sind, und dass mittels der

Sonotrode Ultraschallwellen zum stoffschlüssigen Verbinden der Folienelemente in diese eingeleitet werden, wobei während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente zwischen der Sonotrode, wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die summierte Dicke der zu fügenden Folienelemente, und wobei während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente zwischen der Sonotrode, wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und einem benachbart zu der Sonotrode befindlichen Folienelement ein Abstand vorgesehen ist, der geringer ist, als die Amplitude der Sonotrode.

Insbesondere durch ein wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Verfahren lässt sich auf sichere und schonende Weise ein Verbinden zweier Folienelemente mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens realisieren.

Das vorliegend beschriebene Verfahren dient somit dem Verbinden zweier

Folienelemente mittels eines Ultraschall-Schweiß Verfahrens.

Ein Folienelement ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element beziehungsweise ein Bauteil, welches flexibel verformbar ist und dabei eine zu der Breite und Fänge geringe Dicke aufweist. Insbesondere aber nicht beschränkt hierauf weist ein Folienelement etwa eine Dicke auf, wie diese nachstehend beschrieben ist.

Ferner soll unter einem Ultraschall-Schweißverfahren insbesondere ein derartiges Verfahren verstanden werden, bei dem Ultraschallwellen in die zu verbindenden insbesondere zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material

ausgestalteten Bauteile eingebracht beziehungsweise eingeleitet werden. Dadurch schmelzen die Bauteile meist mittels innerer Reibung auf und werden so miteinander stoffschlüssig verbunden. Dadurch kann in an sich bekannter Weise eine dauerhaft stabile und einfach ausbildbare insbesondere stoffschlüssige Verbindung erzeugt werden, die sich in Form einer„glasigen“ Schweißnaht abzeichnen kann. Eine „glasige“ Schweißnaht resultiert aus dem Aufschmelzen einer etwa zuvor gereckten und damit mit pm- und nm-skaligen Poren versehenen Kunststoffmembran, wie etwa einem Separator, die weiß erscheint, wobei die Schmelze in Form eines dichten aber amorphen Gefüges erstarrt. Die Naht erscheint glasig bzw. durchsichtig. Hierzu werden die Folienelemente in eine Schweißvorrichtung eingebracht. Die Schweißvorrichtung für einen Ultraschall-Schweißprozess umfasst eine Sonotrode, mittels der Ultraschallwellen in die zu fügenden Bauteile ein geleitet werden können, und ein Gegenelement, das als Auflage für die zu fügenden Bauteile dient, so dass die Bauteile beziehungsweise in dem hier beschriebenen Verfahren die

Folienelemente zwischen der Sonotrode und dem Gegenelement angeordnet werden können. Als Gegenelement kann beispielsweise ein Amboss dienen.

Die Folienelemente werden zwischen der Sonotrode und dem Gegenelement derart zueinander angeordnet, dass Fügebereiche der Folienelemente benachbart zueinander positioniert sind. Somit werden die Folienelemente vor einem Fügen in einer definierten relativen Lage derart zueinander angeordnet, dass die Fügepositionen, an denen die Folienelemente miteinander verbunden werden sollen, aneinandergelegt werden.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es ferner vorgesehen, dass während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente zwischen der Sonotrode, wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die summierte Dicke der zu fügenden Folienelemente, wobei während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente zwischen der Sonotrode, wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und einem benachbart zu der Sonotrode befindlichen Folienelement ein Abstand vorgesehen ist, der geringer ist, als die Amplitude. In anderen Worten befindet sich zwischen den zu fügenden Folienelementen und der Sonotrode, wenn diese sich in einem

Grundzustand bezüglich ihrer Schwingung befindet ein Spalt. Weiterhin kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente zwischen der Sonotrode, wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die Amplitude der Sonotrode. Dadurch kann ein negativer Einfluss der Sonotrode auf das Gegenelement, welches grundsätzlich ein Amboss sein kann, verhindert werden, wodurch hierdurch auftretende Beschädigungen verhindert werden können.

Beispielhaft und in keiner Weise beschränkend können zwei Folienelemente miteinander verbunden werden, welche jeweils eine Dicke von 16 pm aufweisen, wobei der Abstand zwischen der Sonotrode im Grundzustand und dem

Gegenelement ein Abstand von 36pm vorliegen und kann die Amplitude der Sonotrode einstellbar sein beziehungsweise liegen bei 20pm. Weiter beispielhaft können zwei Folienelemente miteinander verbunden werden, welche jeweils eine Dicke von 20 mhi aufweisen, wobei der Abstand zwischen der Sonotrode im

Grundzustand und dem Gegenelement ein Abstand von 45mhi vorliegen und kann die Amplitude der Sonotrode einstellbar sein beziehungsweise liegen bei 24mhi.

Insbesondere eine Ausgestaltung mit den vorgenannten Abstandsangaben ermöglicht ein vorteilhaftes und insbesondere schonendes Verbinden beziehungsweise Fügen der Folienelemente.

Dem Vorstehenden Folgend ist es bei dem hier beschriebenen Verfahren somit vorgesehen, dass nicht, wie im Stand der Technik üblich, die zu fügenden Elemente bereits vor dem Fügeprozess zwischen der Sonotrode und dem Gegenelement eingepresst werden, sondern es ist vielmehr vorgesehen, dass der Abstand zwischen Sonotrode und Gegenelement derart ausgestaltet ist, dass dieser größer ist, als die Dicke der zu fügenden Folienelemente. Der Abstand bezieht sich insbesondere auf einen Zustand der Sonotrode in einem Grundzustand zwischen einer negativen und einer positiven Amplitude. Dabei soll in an sich bekannter Weise die Amplitude die Auslenkung bedeuten, die die Sonotrode in eine Richtung durch ihre Schwingungen aufweist. Die positive Amplitude verläuft dabei in Richtung der zu fügenden Bauteile, wohingegen die negative Amplitude in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Der Grundzustand ist die Mittelposition zwischen positiver und negativer Amplitude. Der Betrag der positiven Amplitude und negativen Amplitude ist gleich.

Dadurch, dass der zwischen den zu fügenden Folienelementen und der Sonotrode vorliegende Spalt geringer ist, als die Amplitude der Sonotrode, kann es durch das hier beschriebene Verfahren erreicht werden, dass der mechanische Einfluss der Sonotrode auf die zu fügenden Bauteile ausreichend ist, um ein Fügen mittels Schweißen zu ermöglichen. Gegenüber Verfahren, bei denen die zu fügenden Bauteile vor dem Schwingen der Sonotrode zwischen dieser und dem Gegenelement eingepresst werden, ist der mechanische Einfluss jedoch durch den vorgesehenen Spalt signifikant reduziert. Dadurch lässt sich die mechanische Beeinflussung bei einem Schweißvorgang auch bei sehr dünnen zu fügenden Elementen, wie insbesondere bei Folienelementen, sehr gering halten. Ein Beschädigen der

Folienelemente durch einen Schweißprozess kann somit verhindert oder zumindest signifikant reduziert werden.

Somit kann es durch das hier beschriebene Verfahren auf der einen Seite ermöglicht werden, dass eine stabile stoffschlüssige Verbindung der Folienelemente erzeugt wird, dass jedoch auf der anderen Seite eine mechanische Beschädigung, wie etwa ein Durchstoßen der Sonotrode durch die Folienelemente, im Wesentlichen verhindert werden kann.

Es kann bevorzugt sein, dass während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente zwischen der Sonotrode, wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die summierte Dicke der zu fügenden Folienelemente um einen Betrag in einem Bereich von größer oder gleich lpm bis kleiner oder gleich 7pm, beispielsweise von größer oder gleich 3pm bis kleiner oder gleich 5pm. Insbesondere derartige Größen können es erlauben, dass bei dem hier beschriebenen Verfahren eine gleichermaßen stabile wie auch schonende

Verbindung der Folienelemente erzeugt werden kann, wobei die Folienelemente insbesondere die vorbeschriebenen Dicken aufweisen können. Die Amplitude der Sonotrode wird dann entsprechend derart gewählt, dass die Folienelemente wie gewünscht gefügt und während des Betriebs der Sonotrode durch die Amplitude der Sonotrode komprimiert werden.

Insbesondere lassen sich durch einen hier beschriebenen Schweißprozess derartige Folienelemente miteinander verbinden, die eine Hauptlage aus einem

thermoplastischen Kunststoff aufweisen, wobei die Hauptlage mit einer

Keramikschicht beschichtet ist, wobei die Keramikschichten bei einem Fügen beziehungsweise bei dem Durchführen des hier beschriebenen Schweißprozesses zueinander benachbart angeordnet werden. Denn diesbezüglich ist es problemlos möglich, dass bei dem Durchführen des Verfahrens die Keramikschicht aus der Fügezone verdrängt wird und somit die Kunststoffe schädigungsfrei miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Derartige Folienelemente lassen sich gemäß dem Stand der Technik nicht oder nur schwierig schädigungsfrei fügen.

Beispielsweise folgende Elemente lassen sich durch das hier beschriebene Verfahren verschweißen: einseitig keramikbeschichtete Folien, wobei die Keramikschichten vis-ä-vis angeordnet sind oder beidseitig keramikbeschichtete Folien, wobei die Keramikschichten hierbei vis-ä-vis angeordnet sind wobei beidseitig beschichtete Folien etwa als Batterieseparatoren vorteilhaft sein können, da sie erhöhte elektrochemische Stabilität aufweisen.

Beispiele für thermoplastische Kunststoffe der Folienelemente beziehungsweise der Hauptlage umfassen etwa Polyolefine, beispielsweise Polyethylen oder

Polypropylen, wobei entsprechende Modifikationen, wie etwa geeignete

Kettenverzweigungen, enthalten sein sollen und/oder wobei diese teilkristallin sein können. Auch können keramikbeschichtete Faservliese, welche auch als„nonvoven Separators“ bezeichnet werden können, etwa aus Polyamid oder Polypropylen, geeignet sein.

Ferner können entsprechende beschichtete Glasfaservliese für einen Schweißvorgang geeignet sein.

Als Polymere können etwa für die genannten Beispiele HD-PE (high density polyethylen) und LD-PE (low density polyethylen) genannt werden, wobei das Polyethylen beispielsweise einen Kristallisationsgrad in einem Bereich von größer oder gleich 40% bis kleiner oder gleich 80% aufweisen kann und/oder einen

Schmelzpunkt in einem Bereich von größer oder gleich 50°C bis kleiner oder gleich l50°C. Der Kristallisationsgrad kann in an sich bekannter Weise bestimmbar sein mittels IR-Spektroskopie.

Bezüglich Polypropylen können ebenfalls diverse Kristallstrukturen, wie etwa isotaktisches oder syndiotaktisches Polypropylen, wie auch deren Modifikationen (a- PP, ß-PP oder g-RR) geeignet sein. Ferner kann das Polypropylen beispielsweise einen Kristallisationsgrad in einem Bereich von größer oder gleich 30% bis kleiner oder gleich 60% aufweisen und/oder kann es einen Schmelzpunkt in einem Bereich von größer oder gleich l60°C bis kleiner oder gleich 220°C aufweisen. Der

Kristallisationsgrad kann wiederum in an sich bekannter Weise bestimmbar sein mittels IR-Spektroskopie.

Grundsätzlich kann der Kunststoff der Folienelemente eine axial oder biaxial gereckte Folie aus Polyethylen oder Polypropylen ausbilden, die einen Porositätsgrad in einem Bereich von größer oder gleich 30% bis kleiner oder gleich 60% aufweist und/oder isotrope oder anisotrope mechanische und gegebenenfalls thermische Eigenschaften aufweist, wobei die Poren grundsätzlich eine offene Porosität, eine geschlossene Porosität oder eine Mischung ausbilden können. Das

Hohlraumvolumen und damit der Porositätsgrad sind in an sich bekannter Weise durch Porosimetrie gemäß ASTM D-2873 zu bestimmen.

Bezüglich der Keramikbeschichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass diese porös ist und/oder eine insbesondere chemisch inerte Oxidkeramik aufweist. Beispielhafte Keramiken umfassen etwa Aluminiumoxid (Al₂0₃) oder Zirkonoxid (Zr0₂) oder auch deren Modifikationen, wie beispielsweise Böhmit (AlO(OH)).

Grundsätzlich kann die Keramikbeschichtung eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 0,5pm bis kleiner oder gleich 5pm aufweisen, etwa in einem Bereich von größer oder gleich lpm bis kleiner oder gleich 3pm. Ferner kann die Keramikbeschichtung aus Partikeln ausgestaltet sein, die eine Primärpartikelgröße aufweisen in einem Bereich von größer oder gleich 20nm bis kleiner oder gleich 2pm, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 200nm bis kleiner oder gleich lpm.

Anwendungsgebiete für das Fügen derartiger Folienelemente umfassen beispielsweise die Herstellung von Verpackungen, wie etwa von Verpackungsbeuteln, die Herstellung von Bauteilen aus der Elektronik- oder Halbleiterindustrie oder die Herstellung von Bauteilen der Batterietechnik, wie etwa Separatorfolien, Umhüllungen von Elektrodenstapeln etwa in Pouch-Zellen, zur Reduzierung der Partikelkontamination durch das Schweißverfahren und zur Sicherheitssteigerung, wie auch zur Erhöhung der Stapelbarkeit.

Es kann ferner bevorzugt sein, dass wenigstens eines von der Sonotrode und dem Gegenelement eine Struktur mit eine Strukturtiefe in einem Bereich von größer oder gleich 0,5pm bis kleiner oder gleich 5pm aufweisen und/oder Strukturabstände in einem Bereich von größer oder gleich lOpm bis kleiner oder gleich lmm, etwa in einem Bereich von größer oder gleich lOOpm bis kleiner oder gleich 800pm, aufweisen. Dreidimensionale Strukturen mit Strukturtiefen und -abständen auch in Bereichen von weniger als 50pm sind problemlos erzielbar etwa durch den Einsatz von Ultrakurzpuls-Lasern für die Strukturierung. Es kann diesbezüglich eine direkte Strukturierung für Strukturen >lpm erfolgen. Ferner kann etwa durch

selbstorganisierende Strukturen mittels sogenanntem Laser-indcuded periodic surface structures (LIPSS) auch für Strukturabstände von <lpm eine gute

Strukturierung erfolgen. ). Dadurch wird es möglich, dass ein flexibles

Aspektverhältnis, also ein„Tiefe-zu-Breite“-Verhältnis der Struktur eingestellt werden kann. Dies ist im Gegensatz zu dünnen Folien in Sonotroden- und Amboss- Vollmaterialien aus Metall möglich. Insbesondere durch eine Struktur in einer derartig geringen Höhe oder Tiefe kann ein besonders schädigungsfreies Fügen der Folienelemente verbunden werden mit einem gezielten Eintrag der durch die

Schallwellen erzeugten Energie im Sinne eines Energierichtungsgebers durch die Mikrostrukur. Dabei können sowohl Erhöhungen wie auch Vertiefungen mit der vorbeschriebenen Höhe beziehungsweise Tiefe vorliegen in einer grundsätzlich wählbaren Struktur, beispielsweise in der Form eines Schachbrettmusters oder in ähnlichen Strukturen.

Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Keramikbeschichtung eine Struktur mit einer Strukturtiefe in einem Bereich von größer oder gleich 0,5pm bis kleiner oder gleich 5pm aufweist und/oder Strukturabstände in einem Bereich von größer oder gleich lOpm bis kleiner oder gleich lmm, etwa in einem Bereich von größer oder gleich 50mih bis kleiner oder gleich 800mih, aufweist. Dabei ist die Strukturtiefe nicht größer, als die Dicke der Beschichtung. In dieser Ausgestaltung kann die Konzentrierung der eingetragenen Energie im Sinne eines

Energierichtung sgebers durch eine Struktur in der Keramikbeschichtung ermöglicht werden. Dadurch kann eine besonders effektive Konzentrierung der Energie ermöglicht werden, was die erzeugten Verbindungen besonders stabil gestalten kann und ferner Schädigungen der Folienelemente besonders effektiv verhindern kann.

Bezüglich des hier beschriebenen Verfahrens kann es besonders bevorzugt sein, dass die Folienelemente eine Dicke aufweisen in einem Bereich von größer oder gleich 5mih bis kleiner oder gleich 5000mih, etwa in einem Bereich von größer oder gleich 5mih bis kleiner oder gleich 50mih, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 9mih bis kleiner oder gleich 16mih. Insbesondere für derartige Folienelemente kann das Ultraschall-Schweißverfahren von Vorteil sein, da insbesondere

Folienelemente mit derart geringen Dicken oftmals gemäß dem Stand der Technik nur schwer beschädigungsfrei zu fügen sind, so dass die Vorteile des Verfahrens insbesondere in dieser Ausgestaltung besonders effektiv sind.

Beispielsweise bei den hier beschriebenen Dicken kann es von Vorteil sein, dass die Dicke der Keramikbeschichtung in einem Bereich liegt von größer oder gleich 0,5pm bis kleiner oder gleich 5pm, etwa in einem Bereich von größer oder gleich lpm bis kleiner oder gleich 4pm, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 2pm bis kleiner oder gleich 3pm.

Diesbezüglich kann es bevorzugt sein, dass die Sonotrode mit einer longitudinalen Amplitude in einem Bereich von größer oder gleich l6pm bis kleiner oder gleich 32pm, vorzugsweise in einem Bereich von größer oder gleich l8pm bis kleiner oder gleich 22pm, arbeitet, also jeweils als positive und negative Amplitude. Insbesondere derartige Amplituden der Sonotrode können es gewährleisten, dass bei dem hier beschriebenen Verfahren eine gleichermaßen stabile wie auch schonende

Verbindung der Folienelemente erzeugt werden kann. Beispielhaft kann diese Ausgestaltung gewählt werden bei einer Dicke der Folienelemente von insgesamt 32pm, also etwa l6pm pro Folienelement, wobei diese eine thermoplastische Fage in einer Dicke von l3pm und eine Keramikbeschichtung von 3pm aufweisen können.

Bezüglich der vorgenannten Parameter für ein Ultraschallschweißen von

Folienelementen, um eine stabile Verbindung zu kombinieren mit einem schonenden Fügeprozess kann es insbesondere bevorzugt sein, dass das Verhältnis der

Amplitude der Sonotrode zu dem Abstand zwischen Sonotrode und Gegenelement zu der addierten Dicke der Folienelemente in einem Bereich liegt von 0,6 (Amplitude der Sonotrode) : 1,13 (Abstand zwischen Sonotrode und Gegenelement) : 1,0 (addierte Dicke der Folienelemente) wobei jeder der Parameter abweichen kann in einem Bereich von kleiner oder gleich 50%, bevorzugt kleiner oder gleich 20%, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 5%, also in einer Ungenauigkeit von 50% für jeden der genannten Parameter, bevorzugt in einer Ungenauigkeit von 20 % für jeden der genannten Parameter, besonders bevorzugt in einer Ungenauigkeit von 5% für jeden der genannten Parameter. In anderen Worten kann über dieses Verhältnis bei gegebenen Dicken der Folienelemente die Amplitude und der Abstand zwischen Sonotrode und Gegenelement einstallbar sein.

Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Sonotrode zumindest an einer

Sonotrodenspitze temperiert wird auf einen Bereich von größer oder gleich 30°C bis kleiner oder gleich 120 °C. In dieser Ausgestaltung kann der Fügeprozess thermisch unterstützt werden. Dies kann insbesondere dadurch realisierbar sein, dass die Sonotrode beziehungsweise die Spitze derselben sich durch Temperaturanstieg ausdehnt, was den Abstand zwischen Sonotrode und Gegenelement weiter verringert. Optimale Temperaturen liegen etwa in einem Bereich von größer oder gleich 30°C bis kleiner oder gleich l20°C, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 40°C bis kleiner oder gleich 80°C, vorzugsweise in einem Bereich von größer oder gleich 50°C bis kleiner oder gleich 60°C. Eine Temperaturmessung kann beispielsweise erfolgen durch einen IR-Detektor. Die Temperatur kann ferner eingestellt beziehungsweise geregelt werden durch aktive Temperiermittel oder auch durch entsprechendes„Einfahren“ des Prozesses durch Kontakt der Sonotrode mit den Folienelementen etwa im Rahmen von Testschweißungen. Weiterhin kann die optimale Sonotrodentemperatur über ein Freischwingen der Sonotrode bei 35kHz, etwa ohne Kontakt mit dem Folienelement, gehalten werden.

Es kann ferner bevorzugt sein, dass die Folienelemente mit einem definierten Vorschub relativ zu wenigstens einem von der Sonotrode und dem Amboss miteinander verschweißt werden. Geeignete Vorschub geschwindigkeiten liegen grundsätzlich in einem Bereich von größer oder gleich 10 mm/s bis kleiner oder gleich 500mm/s, insbesondere von größer oder gleich 50 mm/s bis kleiner oder gleich l00mm/s. In Abhängigkeit der Schweißfrequenz und der

Vorschub geschwindigkeit sowie gegebenenfalls der Sonotrodenform, also

Durchmesser der Spitze, der Struktur und gegebenenfalls der Ambossform, also Durchmesser, Geometrie, der Struktur, können kontinuierliche Schweißnähte oder aneinander gereihte Punktschweißungen als Schweißnaht erzeugt werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen

Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Ansicht zweier zu fügender Folienelemente;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Schweißvorrichtung mit positionierten zu fügenden Folienelementen;

Fig. 3 eine schematische Ansicht darstellend ein Schweißverfahren;

Fig. 4 eine schematische Ansicht zeigend Energierichtungsgeber an einer

Sonotrode;

Fig. 5 eine schematische Ansicht zeigend Energierichtungsgeber an einem

Amboss;

Fig. 6 eine schematische Ansicht zeigend Energierichtungsgeber an einer

Keramikbeschichtung;

Fig. 7 eine schematische Ansicht zeigend eine Schweißnaht in einer ersten

Ausgestaltung; und

Fig. 8 eine schematische Ansicht zeigend eine Schweißnaht in einer zweiten

Ausgestaltung.

Die Figuren zeigen ein Verfahren, das insbesondere anwendbar ist zur Herstellung von Ultraschall-Schweißverbindungen zwischen Folienelementen 10, 12, wie etwa zwischen keramikbeschichteten teilkristallinen Thermoplasten unter Einsatz beispielsweise temperierter etwa als Stabsonotroden ausgestalteter Sonotroden 24 mit Schallwellenkonzentration im Sinne von Energierichtungsgebern (ERG) im Submilimeterbereich. Dabei sind sämtliche Merkmale und insbesondere

Wertebereiche als grundsätzliche Merkmale zu sehen, welche unabhängig der spezifischen Ausgestaltung einen Teil der Erfindung ausbilden können.

In der Figur 1 sind zwei zu fügende Folienelemente 10, 12 gezeigt, welche durch ein Verfahren gemäß der Erfindung mittels eines Ultrasch weiß- Verfahrens miteinander verbunden werden sollen.

Die Folienelemente 10, 12 weisen jeweils eine etwa aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie etwa Polyethylen oder Polypropylen, gefertigte Hauptlage 14, 16 auf, die jeweils mit einer Keramikbeschichtung 18, 20 beschichtet sind. Die jeweiligen Folienelemente 10, 12 können beispielsweise als Separatorlagen für eine

Batteriezelle ausgestaltet sein. Für einen Fügeprozess sind die Folienelemente 10, 12 derart an geordnet, dass die Keramikbeschichtungen 18, 20 zueinander benachbart angeordnet sind.

In der Figur 2 ist eine Anordnung gezeigt, mit welcher die Folienelemente 10, 12 mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens gefügt werden können. Die Anordnung umfasst einen Amboss 22, der als Auflage für die Folienelemente 10, 12 dient. Der Amboss 22 ist vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, etwa schallhartem Stahl, ausgebildet und/oder kann feststehend sein oder in horizontaler Ebene beweglich sein. Ferner kann der Amboss 22 unstrukturiert sein oder mit einer Struktur versehen, welche als Energierichtungsgeber dienen kann. Die Struktur kann insbesondere eine Strukturtiefe in einem Bereich von größer oder gleich 0,5mih bis kleiner oder gleich 5mih aufweisen und/oder Strukturabstände in einem Bereich von größer oder gleich IOmih bis kleiner oder gleich lmm aufweisen.

Gegenüberliegend von dem Amboss 22 ist eine Sonotrode 24 angeordnet, die als Stabsonotrode ausgestaltet ist und Ultraschallschwingungen in die Folienelemente 10, 12 einbringen kann. Die Sonotrode 24 kann beispielsweise aus Aluminium, Titan oder gehärtetem Stahl, wie etwa l.4l25-Stahl oder l.25lO-Stahl ausgestaltet sein und/oder einen Durchmesser in einem Bereich von größer oder gleich lmm bis kleiner oder gleich l2mm, beispielsweise größer oder gleich 2mm bis kleiner oder gleich l6mm, etwa von 4mm, aufweisen.

Ferner kann zwischen der Sonotrode 24 in ihrer Grundstellung bezüglich der

Amplitude und dem Amboss 22 ein Spalt ausgebildet sein, der eine Dicke von größer oder gleich 20pm bis kleiner oder gleich 40pm, bevorzugt von größer oder gleich 35pm bis kleiner oder gleich 38pm aufweist. Der Spalt kann insbesondere an die gewählte Amplitude der Sonotrode 24 und die Dicken der Folienelemente 10, 12 angepasst sein. Grundsätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Eindringtiefe der Sonotrode 24 in zwei Fagen Material beziehungsweise in zwei Folienelemente 10,

12 in einem Bereich liegt von größer oder gleich l2pm bis kleiner oder gleich l9pm.

Grundsätzlich können die Parameterbereiche eingestellt werden, so dass das

Verhältnis der Amplitude der Sonotrode zu dem Abstand zwischen Sonotrode und Gegenelement zu der addierten Dicke der Folienelemente in einem Bereich liegt von 0,6 : 1,13 : 1,0, wobei jeder der Parameter abweichen kann in einem Bereich von kleiner oder gleich 50%, bevorzugt kleiner oder gleich 20%, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 5%. Beispiele umfassen etwa 20pm : 36pm : 32pm oder 24pm : 45pm : 40pm. In beiden Fällen ist es erkennbar, dass sich der Abstand von

Sonotrode 24 zu Amboss 22 bei einem Sonotrodenhub, also einer Amplitude, auf 16 beziehungsweise 2lpm verringert, die Folienelemente 10, 12 dadurch auf die Hälfte der Ursprungsdicke komprimiert werden. Zusätzlich wird der Abstand zwischen Sonotrode 24 in ihrem Grundzustand zu dem Amboss 22 gegebenenfalls durch Schwingungen des Ambosses 22 reduziert, die während des Ultraschall- Schweißverfahrens induziert werden. Entsprechend können schallharte Materialien für den Amboss 22 vorteilhaft sein, die die Aufnahme von Schwingungsenergie verhindem und durch Reflektion eine stehende Welle ausbilden beziehungsweise induzieren.

Die Sonotrode 24 ist Teil eines Schwingungsgebildes 26, das neben der Sonotrode 24 einen Konverter 28 und einen Booster 30 aufweist. Das Schwingungsgebilde 26 schwingt dabei in Resonanz. Der Konverter 28, der ein elektrisches Signal in ein mechanisches Signal umwandeln kann, kann von einem Generator 31 angesteuert werden, etwa mit einer Frequenz von größer oder gleich 20KHz bis kleiner oder gleich 40KHz, etwa von 35 KHz. Der Booster 30 kann eine Amplitudenerhöhung oder Amplitudenreduzierung in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:2, beispielsweise von 1:1, 1:1,5 der 1:2 ermöglichen, wobei die vorstehenden Werte nicht beschränkend sind.

Ferner ist eine Vorschubeinheit 32 vorgesehen, welche bezüglich der Sonotrode 24 longitudinal, also in Amplitudenrichtung, wirken kann. Somit ist durch die

Vorschubeinheit 32 die Schweißkraft ausbildbar, etwa servo-getrieben oder über Pneumatikzylinder.

In der Figur 3 ist ein Ultraschall-Schweißprozess im Detail gezeigt. Dabei zeigt Figur 3a den Ausgangszustand mit dem Amboss 22, auf dem die Folienelemente 10, 12 angeordnet sind und der Sonotrode 24, die in einem Grundzustand zu dem Folienelement 10 beabstandet ist. die Sonotrode 24 ist als Stabsonotrode ausgestaltet und weist eine Spitze mit einem Durchmesser von 4mm auf, wohingegen der Amboss 22 einen Durchmesser von 6mm aufweist. Die Sonotrode 24 arbeitet mit einer Amplitude von 20pm für jede Hubrichtung, also einem Gesamtverfahrweg von 40pm. Die addierte Dicke beider Folienelemente 10, 12 liegt bei 32pm als Dicke dl, wohingegen der Abstand von Amboss 22 zu Sonotrode 24 als Abstand ai bei 36pm liegt. Somit liegt der Abstand a₂ zwischen Folienelement 10 und Sonotrode 24 bei 4pm. Der Amboss 22 beziehungsweise das Gegenelement kann auch erhöht angeordnet sein, etwa in einem Bereich von 0,05-0, 3mm, wobei der Abstand zwischen Amboss 22 und Sonotrode 24 gleich bleibt. Dadurch kann der Amboss 22, etwa im Falle eines unbewegten Ambosses 22, etwas angehoben werden, damit das obere und das untere zu fügenden Folienelement 10, 12 jeweils„verjüngt“ in den Spalt einlaufen und bspw. nicht nur das obere Folienelement 10 gegen das untere Folienelement 12 gedrückt wird. Erfahrungsgemäß reduziert dies die Fehlerbildung in Form von Rissen an der Schweißnahtkante.

In der Figur 3b ist ein Zustand während des Schweißprozesses gezeigt. Dabei wird über einen IR-Detektor 34, etwa unter Zuhilfenahme einer Linse 36, die Temperatur der Sonotrode 24 an ihrer Spitze gemessen und diese entsprechend auf 50-60°C geregelt. Dadurch kann der Fügeprozess thermisch unterstützt werden. Dies dadurch, dass die Sonotrode 24 beziehungsweise die Spitze derselben sich durch

Temperaturanstieg ausdehnt, was den Abstand zwischen Sonotrode 24 und Amboss 22 weiter verringert. Optimale Temperaturen liegen etwa in einem Bereich von größer oder gleich 30°C bis kleiner oder gleich l20°C, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 40°C bis kleiner oder gleich 80°C, vorzugsweise in einem Bereich von größer oder gleich 50°C bis kleiner oder gleich 60°C.

Hierzu kann zunächst die Sonotrode 24 sozusagen Warmlaufen und zu einer

Temperatur im vorbeschriebenen Bereich aufgeheizt werden. Es ist ferner gezeigt, dass durch die Amplitude der Sonotrode von 20 pm bei einer Frequenz von 35 Hz die Folienelemente 10, 12 durch eine Kraft zusammengepresst werden, so dass am Endhub der Sonotrode 24 der Abstand zwischen Amboss 22 und Sonotrode 24 noch bei l6pm liegt.

Die Sonotrode 24 kann entlang den Folienelemente 10, 12 bewegt werden etwa mit einer Haltekraft beziehungsweise Schweißkraft von 20-400N, beispielsweise 100N spaltkontrolliert auf Festanschlag. Dabei kann, Um die Spaltkontrolle zu erzielen, das Schwinggebilde beispielsweise pneumatisch gegen einen Festanschlag gedrückt werden, wobei eine stehende Welle erzeugt werden kann. Es erfolgt eine

Komprimierung beziehungsweise Verformung der Folienelemente 10, 12 durch die Spitze der Sonotrode 24 und ein erstes Aufbrechen der Keramikbeschichtung 18, 20 und damit ein erstes Austreiben des Materials der Keramikbeschichtung 18, 20 aus der Schweißzone durch die statische Schweißkraft. Ein vollständiges Austreiben des Materials der Keramikbeschichtung 18, 20 aus der Fügezone erfolgt durch die Vibrationen der Ultraschallwellen.

Figur 3c zeigt ferner einen Zustand, bei dem die Folienelemente 10, 12 gefügt sind. Dabei ist eine Schweißnaht 38 gezeigt, aus der das Material der

Keramikbeschichtung 18, 20 verdrängt wurde und das thermoplastische Material der Hauptlagen 14, 16 der Folienelemente 10, 12 stoffschlüssig verbunden ist.

Bezüglich der thermoplastischen Materialien wird zur stoffschlüssigen Verbindung eine Schmelze erzeugt durch das Einträgen von Ultraschallwellen und dabei insbesondere durch elastische Hysterese, Grenzflächengleiten und plastische

Verformung gegebenenfalls in Kombination mit Abschmelzen des Materials unterhalb des Energierichtungsgebers (ERG), also etwa eines Teils des

Folienelements unterhalb der Keramikschicht. Das geschmolzene Material wirkt dabei als Schallabsorber und wandelt Schallenergie kontinuierlich in Wärme um. Dadurch erfolgt ein Temperaturanstieg und die Ausbreitung der Schweißnaht 38 über die gesamte Fügezone. Die restliche Keramik der Keramikbeschichtungen 18, 20 wird durch die durch die Schmelzdynamik gemeinsam mit dem geschmolzenen Material aus der Fügezone ausgepresst.

Die Verweilzeit der Sonotrode 24 pro Position der Folienelemente 10, 12 durch eine horizontale Bewegung der Sonotrode 24 beziehungsweise des Ambosses 22 ist wählbar in Abhängigkeit der Verfahrgeschwindigkeit und ist gemeinsam mit der Schweißkraft dafür verantwortlich, dass und wie die Schmelze der thermoplastischen Materialien erstarrt.

In der Figur 4 ist eine erste Ausgestaltung gezeigt, um die Energie der

Ultraschallwellen gezielt in die Folienelemente 10, 12 einzubringen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist eine profilierte Spitze der Sonotrode 24 vorgesehen, um so eine Struktur 40 zu schaffen, die als Energierichtungsgeber dient. Eine derartige Struktur kann mittels eines Lasers eingebracht werden, wie etwa mittels eines

Pikosekundenlasers (ps-Laser) oder eines Femtosekundenlaser (fs-Laser) und hat eine Höhe oder Tiefe beziehungsweise Strukturtiefe im Submilimeterbereich, etwa wie vorstehend beschrieben. Grundsätzlich ist es bei einem Energierichtungsgeber vorgesehen, dass die maximale Amplitude dort auftritt und eine Konzentrierung des Eintrags der Schallwellen beziehungsweise der entsprechenden Energie erfolgen kann.

In Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltung eines Energierichtungsgebers gezeigt. Im Detail ist in Figur 5 zu sehen, dass der Amboss 22 eine entsprechende Struktur 42 aufweist. Wie vorstehend beschrieben für die Sonotrode 24, weist auch die Struktur 42 des Amboss 22 eine entsprechende Strukturtiefe beziehungsweise einen entsprechenden Strukturabstand auf. Die Struktur 42 des Energierichtungsgebers kann beispielsweise Rändelformen, wie etwa Quadrate, Spitzen, Pyramidenstümpfe, oder Rauten umfassen. Die Strukturen können wiederum beispielsweise mittels eines Lasers eingebracht werden, etwa mittels eines Pikosekundenlasers (ps-Laser) oder eines Femtosekundenlaser (fs-Laser).

Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Energierichtungsgebers. Diese Ausgestaltung umfasst eine Struktur 44, 46 in der Keramikschicht 18, 20, die ebenfalls in der vorgenannten Tiefe im Submilimeterbereich vorliegen kann. Diese kann etwa erzeugt werden durch Strukturieren der Kunststofffolien vor dem

Aufbringen der Keramik, etwa mittels Rändeln, Lasern oder Nadeln. Ferner kann die Struktur in die Keramikschicht 18, 20 selbst eingebracht werden. Dies kann wiederum ermöglicht werden durch das Einwirken eines Lasers, etwa mittels eines Pikosekundenlasers (ps-Laser) oder eines Femtosekundenlasers (fs-Laser). Die Figuren 7 und 8 zeigen Ausgestaltungen jeweils einer Kontur einer Schweißnaht 38, die mit einem Verfahren der Erfindung erzeugt werden können. Grundsätzlich können etwa mittels pneumatischem oder elektrisch gesteuertem Vorschub die Folienelemente 10, 12 über einem stehenden Amboss 22 mit beweglicher Sonotrode

24 oder auf einem bewegten Amboss 22 fixiert bei stehender Sonotrode 24 bewegt werden. Grundsätzlich sind verschiedene Konturen der Schweißnähte 38 möglich, wie etwa in einer Linienform, L-Form, M-Form, U-Form, geschlossener Kontur. In Abhängigkeit der Schweißfrequenz und der Vorschubgeschwindigkeit sowie der

Sonotrodenform, also Durchmesser der Spitze, der Struktur usw. und der

Ambossform, also Durchmesser, Geometrie, der Struktur usw. können

kontinuierliche Schweißnähte 38 oder aneinander gereihte Punktschweißungen als Schweißnaht 38 erzeugt werden.

Geeignete Vorschubgeschwindigkeiten des Amboss 22 oder der Sonotrode 24 liegen grundsätzlich in einem Bereich von größer oder gleich 10 mm/s bis kleiner oder gleich 500mm/s, insbesondere von größer oder gleich 50 mm/s bis kleiner oder gleich l00mm/s.

Figur 7 zeigt dabei eine Draufsicht auf eine U-förmige Schweißnaht, welche erzeugt werden kann mittels geringem Vorschub und hoher Verweilzeit.

Figur 8 zeigt eine gepunktete Schweißnaht, welche erzeugbar ist durch einen vergleichsweise schnellen Vorschub und einer geringen Verweilzeit.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Verbinden zweier Folienelemente (10, 12) mittels eines

Ultraschall-Schweißverfahrens, wobei die Folienelemente (10, 12) in einer Schweißvorrichtung zwischen einer Sonotrode (24) und einem Gegenelement (22) derart zueinander angeordnet werden, dass Fügebereiche der

Folienelemente (10, 12) benachbart zueinander positioniert sind, und dass mittels der Sonotrode (24) Ultraschallwellen zum stoffschlüssigen Verbinden der Folienelemente (140, 12) in diese eingeleitet werden, dadurch

gekennzeichnet, dass während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente (10, 12) zwischen der Sonotrode (24), wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement (22) ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die summierte Dicke der zu fügenden Folienelemente (10, 12), und wobei während des Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente (10, 12) zwischen der Sonotrode (24), wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und einem benachbart zu der Sonotrode (24) befindlichen Folienelement (10) ein Abstand vorgesehen ist, der geringer ist, als die Amplitude der Sonotrode (24).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des

Einleitens der Ultraschallwellen in die Folienelemente (10, 12) zwischen der Sonotrode (24), wenn diese sich in einer Grundposition bezüglich ihrer longitudinalen Amplitude befindet, und dem Gegenelement (22) ein Abstand vorgesehen ist, der größer ist, als die summierte Dicke der zu fügenden

Folienelemente (10, 12) um einen Betrag in einem Bereich von größer oder gleich lpm bis kleiner oder gleich 7pm.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Folienelemente (10, 12) eine Hauptlage (14, 16) aus einem thermoplastischen Kunststoff aufweisen, wobei die Hauptlage (14, 16) mit einer Keramikschicht (18, 20) beschichtet ist, und wobei die Keramikschichten (18, 20) der

Folienelemente (10, 12) zueinander benachbart angeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von der Sonotrode (24) und dem Gegenelement (22) eine Struktur (40, 42) mit eine Strukturtiefe in einem Bereich von größer oder gleich 0,5pm bis kleiner oder gleich 5pm aufweisen und/oder Strukturabstände in einem Bereich von größer oder gleich IOmhi bis kleiner oder gleich lmm aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung (18, 20) eine Struktur (44) mit einer Strukturtiefe in einem Bereich von größer oder gleich 0,5pm bis kleiner oder gleich 5mhi aufweist und/oder Strukturabstände in einem Bereich von größer oder gleich IOmhi bis kleiner oder gleich lmm aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (24) mit einer longitudinalen Amplitude in einem Bereich von größer oder gleich l6pm bis kleiner oder gleich 32pm arbeitet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienelemente (10, 12) eine Dicke aufweisen in einem Bereich von größer oder gleich 5pm bis kleiner oder gleich 5000pm.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Amplitude der Sonotrode (24) zu dem Abstand zwischen

Sonotrode (24) und Gegenelement (22) zu der addierten Dicke der

Folienelemente (10, 12) in einem Verhältnis liegt von 0,6 : 1,13 : 1,0, in einer Ungenauigkeit von 50% für jeden der genannten Parameter.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (24) zumindest an einer Sonotrodenspitze temperiert wird auf eine Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 30°C bis kleiner oder gleich 120 °C.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienelemente (10, 12) mit einem definierten Vorschub relativ zu wenigstens einem von der Sonotrode (24) und dem Gegenelement (22) miteinander verschweißt werden.