WO2019233553A1 - Verfahren zum umformen eines bauteils - Google Patents

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WO2019233553A1
WO2019233553A1 PCT/EP2018/064679 EP2018064679W WO2019233553A1 WO 2019233553 A1 WO2019233553 A1 WO 2019233553A1 EP 2018064679 W EP2018064679 W EP 2018064679W WO 2019233553 A1 WO2019233553 A1 WO 2019233553A1
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section
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Axel VIETZE
Peter Solenthaler
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Telsonic Holding Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a method, a component and a composite part according to the preamble of the independent claims.
  • Ultrasonic welding for joining metallic materials and thermoplastics are known. These methods find use in various industries, e.g. In the automotive industry, plastic packaging or wiring harnesses are welded by means of ultrasound. By a high-frequency mechanical vibration African components are welded and / or deformed while the components are heated.
  • the ultrasonic welding ge thus belongs in the group of friction welding.
  • To generate an ultrasonic vibration in a generator a combatfre-frequency alternating current is generated and transmitted via a cable to a Konver ter.
  • a mechanical ultrasonic vibration is generated by means of a piezoelectric rule or magnetostrictive effect. This vibration is transmitted to a forming surface of a sonotrode, which is brought into contact with the component.
  • Ultrasound is also used during the forming of components, eg when crimping.
  • DE 20314781 Ul and DE 4101545 Al describe sonotrodes for flanging plastics, especially thermoplastics.
  • DE 4206583 Al describes a device Vorrich and a method in which a seam is created with a sonotrode.
  • EP 0421019 A1 describes a method for joining plastic parts by means of ultrasound, in particular for welding, riveting, crimping or deformation by means of a sonotrode. In the mentioned method can lead to unaesthetic Umformab cut and significant particle generation come. Also, a melting at unwanted places is possible and a Fa den Struktur during hot forming.
  • the inventive method comprises the forming of at least one Umformabêts at least one component.
  • vibrations in particular ultrasonic vibrations, preferably with a frequency of 15-25 kHz, in particular 20 kHz used.
  • the vibrations are generated by an excited forming surface of a sonotrode, which is brought into contact with the forming section.
  • the surface of the forming section is simultaneously smoothed at least in sections by means of the sonotrode.
  • a smoothed surface also has the advantage that fewer particles could be deposited there.
  • this smoothing is advantageous since bacteria can be deposited in porous surfaces. and protected against disinfectants. But even with consumer items such as pens, a smooth joint is advantageous because it feels more comfortable.
  • the shape of the forming section preferably corresponds to the forming surface of the sonotrode.
  • the final shape of the component can be achieved directly and accurately.
  • the electrical conductivity of the component in the forming section is preferably increased by forming and smoothing. This can be beneficial for components installed in electronic applications. For example, two electrically conductive components could be joined together so that the current flows through the junction with little loss.
  • a layer present on the upper surface of the component is preferably removed.
  • the removal of the oxide layer also contributes to the stability of the component, since an oxidizing surface reduces the stability of the component for a long time. In addition, this process helps to form an aesthetically pleasing component.
  • the removal of the oxide layer verbes sert an electrical contact.
  • the forming surface is preferably shaped so that the amplitude of oscillation of the mold surface is substantially constant along a peripheral edge of the forming surface.
  • substantially constant is meant here that the oscillation amplitude does not deviate more than ⁇ 10% from the mean value.
  • the component to be formed in the method is preferably made of plastic, in particular thermoplastic, metal, in particular non-ferrous metal, or composite materials, in particular GRP or wood-based materials. These materials are particularly well suited because they work well and are used in everyday objects.
  • a component with transparent material can also be formed. These components can be used, for example, as a hollow body, in applications in which the level of a fluid in the hollow body should be visible, for example in syringes or ballpoint pen cases.
  • the method is preferably carried out with a sonotrode which has a smooth forming surface.
  • the order form surface is in particular rotated, ground, polished and, depending on the application, has an average roughness Ra of 3.2 to 12.5 ym or 0.4 to 3.2 ym or 0.4 to 0.8 ym or 0.1 to 0.4 ym up.
  • the surface quality of the forming surface is the surface finish of
  • a sonotrode which acts on the forming section with torsional vibrations or linear vibra tions in a plane parallel to the surface of the Umformab-section.
  • a torsional vibration is understood to be a vibration about a Tor sion axis of the sonotrode. Due to the torsional or linear vibration, in contrast to a transverse vibration, melting of the components in the depth is prevented and the particle flight is reduced.
  • a Torsionssonotrode can be used, the forming surface is arranged on a front side or a circumferential surface area.
  • the forming surface on the front side is used inter alia in applications in which stop surfaces arise in hollow bodies, for example in retaining contours in syringes or ballpoint pen sleeves.
  • the forming surface at the circumference Among other things, the surface is used to join components along a seam.
  • Torsionssonotrode whose forming surface is partially or completely circumferential.
  • a Torsionssonotrode can be used, wel che the forming section based on the torsion axis radially inwardly and / or radially outwardly transforms.
  • stop surfaces on the inside or outside of a component can arise in the component.
  • a method for forming a component preferably comprises at least one of the group consisting of riveting, flanging, caulking, notches, grains, collar joining, widths, struts, En gene, necking, folding, bending, lapping and clinching.
  • the deformed forming portion is part of one of the ge added components or part of an auxiliary joining part.
  • the other component is preferably made of an elastic material, in particular of silicone or rubber.
  • the non-elastic cal component is deformed to retain the elastic member.
  • a plastic tube can be formed so ver that a rubber ball is retained in the interior, thus sealing an outlet tight.
  • the forming surface is crimped, wherein the ent standing flared surface is circumferential and closed. Below continuous and closed is understood that the flaring surface extends over a circumference of 360 ° and has no interruptions tions over the entire circumference of 360 °.
  • a sonotrode with circumferentially closed crimping surface serves, among other things, surfaces to reach a contourless forming section.
  • a stop surface can be formed for further components.
  • the abutment surface is preferably arranged and shaped such that further components are movably mounted in the component.
  • This stop surface can, for example, hold back a component in the formed component or retain a formed component in another component.
  • stop surfaces at one end of a hollow body of a syringe can prevent the syringe piston from being pulled out of the hollow body at this end.
  • the same principle can also be applied to a ballpoint pen holder and a ballpoint pen refill.
  • the torsion sonotrode may have a circumferential contour on the peripheral surface.
  • a Baj onette thread is created when the sonotrode is inserted transversally into the component during the torsional vibration and finally rotated around the torsion axis without any feed.
  • the sonotrode can produce a twisted thread by being torsionally vibrated while being advanced along the torsional axis and performing a rotation about the torsion axis.
  • This notch or this thread can be used later ge for anchoring other components.
  • the thread can, for example, at the réellesei te a cylindrical receptacle for fixing a closure lid are formed.
  • the thread may be formed so that the thread has a turn which less than 360 °.
  • the torsionally vibrating sonotrode is rotated as a whole around the torsion axis while it is introduced along the torsion axis into the component.
  • the method preferably comprises a first and a second step.
  • the sonotrode vibrates with a first amplitude and is pressed with a first force on the component until the forming section has sufficiently softened.
  • the So notrode oscillates with a second amplitude and is pressed with a second force on the component, wherein the second force is greater than the first force and wherein the second amplitude is smaller than the first amplitude.
  • the sonotrode is excited to vibrate before it comes into contact with the component.
  • the sonotrode can also be delayed to vibrate after the
  • the inventive method preferably comprises a step of stopping or reducing the excitation of the sonotrode, if the force with which the sonotrode is pressed onto the forming part, exceeds a second predetermined threshold and / or the path traveled by the sonotrode exceeds a predetermined threshold and / or the power absorbed by the sonotrode exceeds a predetermined threshold value. below. This prevents the sonotrode from deforming, deforming, and / or damaging the component too much.
  • This safety mechanism increases the quality of the formed components as fewer defective components are produced.
  • the safety mechanism is also a protective mechanism for the sonotrode, as it can also be damaged by faulty components.
  • the differential path of the sonotrode with respect to a reference surface of the component is preferably determined by means of a separate measuring arrangement. Subsequently, the operation and / or the feed of the sonotrode are set on the basis of the differential path. With the aid of the separate measuring arrangement and the determination of the reference surface, it is prevented that the sonotrode deforms the forming section too much and thus damages the component.
  • a forming surface with embossed structure can be used ver to emboss an embossing in the forming section.
  • this embossing can be a logo.
  • the embossed structure and a serial number or other identification of the component in the forming section coined the who.
  • the individualization of the component, apart from informative and / or aesthetic aspects, also has a safety aspect.
  • the embossing structure Hessen very small structures are pre- sent, which act as a kind of watermark or as a quality and / or quality seal in order to identify forgeries more easily.
  • the invention also comprises a component with a Umformab section, which has been converted according to the method described above.
  • the component preferably has at least one deformed forming section.
  • the surface of the forming section is smoother than a surface other than the forming section.
  • the forming portion of the component is preferably made of a plastic material, in particular of a thermoplastic material Ma.
  • the forming section of the component can also be made of a different material, as long as it can be formed by means of the method described above and in particular with the sonotrode used therein.
  • the forming section of the component may preferably be shaped such that a notch and, in particular, a thread are formed.
  • the component can be, for example, a housing and the thread or notch are used to fix a lid.
  • Another aspect of the invention relates to composite part, which has a component and a further component.
  • the component and the other components are connected to each other by at least one deformed forming section.
  • the forming section is crimped.
  • the forming section can also be converted according to the other methods described above.
  • the composite part may preferably a writing instrument, a medical device, in particular a syringe, a product with integrated magnets, a product with enclosed discs or egg packaging, in particular a packaging with pourers
  • the forming portion of the composite part is preferably by vibra tions only in a near-surface region, in particular in a region of the component to a maximum of 2 mm from the surface, compressed. This prevents that other parts of the composite part are compressed, as this could lead to damage of the composite part.
  • the order form section of the resulting composite member compacted to obtain egg nen closed forming section.
  • it is not desirable that the thin film outside the Umformab section compressed or even damaged, otherwise the cavity is not closed as desired.
  • the forming section of the composite part is preferably substantially symmetrical, in particular rotationally symmetrical.
  • the component from which the composite part is made may preferably made of plastic, in particular thermoplastic, Me tall, in particular non-ferrous metal or composite material, in particular GRP or wood-based materials. These materials have the advantage that they are easy to form and thus allow a high quality of the composite part.
  • the component is preferably made of a transparent material.
  • a transparent material is used in products in which the interior is to be visible, such as syringes or gel pens.
  • syringes or gel pens For example, but could also be a case made of transparent plastic Armbanduhrge be made so that the moveable components inside the clock are visible to the beholder.
  • the component in the composite part may have a stop surface for other components, which is formed by the forming.
  • the stop surface is preferably arranged such that the further component is movably mounted in the component.
  • the composite part may preferably have an embossing in the forming section.
  • the embossing can be used for optical decoration, quality assurance and / or identification of the composite part who the.
  • Fig. La A schematic representation of a component before the
  • Fig. Lb A schematic representation of a component according to the
  • Fig. Lc A detailed view of a surface of a component.
  • Fig. 2a A component with a compacted forming section.
  • Fig. 2b A component with stresses before and after forming.
  • Fig. 2c A component with an oxide layer before and after the order forms.
  • Fig. 3a A sonotrode with torional vibration behavior.
  • Fig. 3b A sonotrode with longitudinal vibration behavior.
  • Fig. 4a A sonotrode with a forming surface on a front page.
  • Fig. 4b A sonotrode with a forming surface on a peripheral jacket surface.
  • Fig. 4c A sonotrode with a forming contour on the Umformflä surface.
  • Fig. 4d A sonotrode with a forming surface to form a forming section of a component to the outside.
  • Fig. 4e A sonotrode with a forming surface to form the Umformab section of the component to the inside.
  • Fig. 5a A forming surface on a front side of a sonotrode.
  • Fig. 5b A forming surface on a peripheral surface of a
  • Fig. 5c A forming surface of a sonotrode with a Umformkon structure.
  • Fig. 5d A forming surface on a front side of a sonotrode for forming a component to the outside.
  • Fig. 5e A forming surface on a front side of a sonotrode for forming a component inside.
  • FIG. 5g A substantially symmetrical forming surface on a front side of a sonotrode.
  • Fig. 6a A cross section through two components before the connec by an auxiliary joining part.
  • Fig. 6b A cross section through two components after the connec by an auxiliary joining part.
  • Fig. 7 A cross section through a component with a retaining contour.
  • Fig. 8a A forming surface of the sonotrode with a stamping structure.
  • Fig. 8b A forming section of a component with an embossing.
  • 9a A schematic representation of a forming process during the softening of a component.
  • Fig. 9b A schematic representation of a forming process during the forming of a component.
  • FIG. 10 shows a schematic view of a sonotrode with a separate measuring arrangement
  • FIG. 11 shows a schematic view of a component with a fi xed component
  • FIG. 1a shows a sonotrode 21, which has a torsional
  • the sonotrode 21 has a forming surface 20. This forming surface 20 is brought into contact with a top surface 12 of a forming section 11 of a component 10.
  • FIG. 1b shows the sonotrode 21 in contact with the component 10.
  • the forming surface 20 only a surface 13 near the surface of the forming section 11 is heated to a maximum thickness of 2 mm (d) in order to facilitate forming.
  • the forming section 11 has a shape that corresponds to the mold surface 20 of the sonotrode 21.
  • Figure lc shows a part of the surface 12 of the component 10 after forming.
  • the upper surface 12 was smoothed by the sonotrode 21.
  • the surface 12 of the forming section 11 is smoother than a surface 6 of the component 10 which has not been reshaped.
  • a component 10 has been formed and ground, wherein the surface 6 of an unformed part of the component 10 has a center line Ra of> 3.2ym.
  • the surface 12 of the Umformabêtes 11 will after forming, depending on the Be creation of a forming surface 20 of the sonotrode 21, a tenrauwert Ra with 0.4 - 3.2ym have.
  • FIG. 2 a shows a component 10 after forming. By forming shapes only a near-surface region 13 of a Umformab section 11 of the component 10 was compressed.
  • FIG. 2b shows a component 10 before and after the forming.
  • the component 10 has prior to forming internal stresses in a region 19, which are reduced by the forming. This reduces the number of breakages and the component 10 is stable.
  • FIG. 2c shows a component 10 with an oxide layer 26. The oxide layer 26 is removed by the forming and smoothing in the area of the forming section 11.
  • FIG. 3 a shows a sonotrode 21 which performs a torsional vibration 27 about a torsion axis 30.
  • the sonotrode can also perform a linear oscillation 28, which is directed along a longitudinal axis 31 and parallel to the plane E, shown in FIG. 3b.
  • the sonotrode comes as with a surface 12 of a Umformabiteses 11 of a component 10 in contact.
  • the oscillation in the torsional direction or parallel to the surface 12 of the component 10 reduces the particle flight in comparison to a transverse oscillation.
  • the sonotrode 21 can be brought into vibration prior to contact with the component 10 or only after it has contact with the component 10th
  • Figure 4a shows a sonotrode 21 with a forming surface 20 at an end face 22.
  • the sonotrode can oscillate in the torsional direction about a torsion axis 30 while a component umfor men.
  • This sonotrode 21 is used inter alia for flaring construction share.
  • FIG. 4b shows the sonotrode 21 with the forming surface 20 on the peripheral surface 23.
  • the sonotrode can vibrate longitudinally along a torsion axis 30 and thereby transform a component 10.
  • This sonotrode 21 is used to form transformations or embossments in e.g. Cavities, depressions or undercuts of a construction part 10 produce.
  • Figure 4c shows a sonotrode 21 with a forming contour 25 on the forming surface 20.
  • the forming contour 25 forms in the component 10 ei ne notch 17 or a thread. This notch or this Winding can be used to anchor other components.
  • the torsionally vibrating sonotrode 21 is inserted transversely into the component 10 and can form a bayonet thread.
  • the torsionally vibrating sonotrode is moved along a torsion axis 30 and then rotated without transversal len feed as a whole about the torsion axis 30.
  • a normal thread may be formed when the torsionally vibrating sonotrode is rotated about the torsion axis 30 during the transverse feed.
  • FIG. 4 d shows the sonotrode 21 with a forming surface 20, which is designed in such a way that the forming section 12 of the component 10 is deformed outwards.
  • FIG. 4e shows the sonotrode 21 with a forming surface 20, which is designed so that the forming portion 12 of the component 10 is deformed inwards.
  • the reshaped component 10 now has retaining contours which restrains another component which is introduced into the component 10.
  • Figure 5a shows a plan view of the forming surface 20 of the Sono electrode 21 of Figure 4a.
  • the forming surface 20 on an end face 22 is completely circumferential.
  • Figure 5b shows a plan view of the forming surface 20 of the sonotrode 21 of Figure 4b.
  • the forming surface 20 on a physiciansssmantelflä surface 23 is completely circumferential.
  • FIG. 5c shows a plan view of the forming surface 20 of the sonotrode 21 from FIG. 4c.
  • the forming surface 20 has a forming contour 25, which can be used to form a notch 17 or in particular a thread in a component 10 ( Figure 4c).
  • FIG. 5 d shows a plan view of the forming surface 20 of the sonotrode 21 from FIG. 4 d.
  • the forming surface 20 is formed so that a forming section 12 of a component 10 is formed to the outside.
  • Figure 5e shows a plan view of the forming surface 20 of the Sono electrode 21 of Figure 4e.
  • the forming surface 20 is formed so that a forming section 12 of a component 10 is formed to the inside vice.
  • the forming surface in Fig 5a, d and e are completely circumferential over 360 °.
  • Figure 5f shows a plan view of a forming surface 20 of a sonotrode 21, which is attached to an end face 22 and not formed completely encircling.
  • Such an interrupted application is z. B. as a variant of the arrangement according to Figure 4a, 4d or 4e conceivable.
  • Figure 5g shows a forming surface 20 of a sonotrode 21, which is formed substantially circular, so that a con stant vibration amplitude acting on the component.
  • the forming surface 20 extends within lines 41, 42 in egg nem range of ⁇ 10% of the mean radius of the forming surface eleventh
  • FIG. 6 shows two components 8, 9 which are connected by an auxiliary fitting part 7.
  • auxiliary joining part 7 For the auxiliary joining part 7 with egg ner sonotrode 21 (not shown) is transformed. After forming, the auxiliary joining part has a forming section 12.
  • FIG. 7 shows a movable component 16 of a component 10, the component 10 having a stop surface 15.
  • the contact surface 15 is formed by the deformation of the component 10 when it comes into contact with a forming surface 20 of a sonotrode 21.
  • the movable component 10 is a piston of a fuel ze. The piston is blocked by the abutment surface 15 and prevented from exiting the component 10.
  • the sonotrode 21 is guided for forming along a torsion axis 30 on the component 10, while the sonotrode 21 oscillates with a torsional vibration 27.
  • FIG. 8 a shows a stamping 18 on a forming section 11 of a component.
  • the embossment may be a logo or a mark to identify the component 10.
  • FIG. 8b shows an embossing structure 24 of a forming surface 20 of a sonotrode 21 (FIG. 5).
  • the embossed structure may be a logo or egg n marking to identify the component 10.
  • FIG. 9a shows a sonotrode 21, which is in contact with a component 10 and thereby vibrates with a first amplitude Al and is pressed onto the component with a first force F1. Due to the vibration and the contact pressure a forming section 11 of the component 10 is softened.
  • FIG. 9b shows the sonotrode 21, which transforms the component 10.
  • the sonotrode 21 oscillates with an amplitude A2 and presses with a force F2 on the component 10.
  • the Umformab section 11 is formed according to a forming surface 20 of the sonotrode vice.
  • the first amplitude Al is larger than the second amplitude A2 and the first force Fl is smaller than the second force F2.
  • the differences in the magnitude of the amplitude and force are matched to the material of the component 10 and can vary depending on the sonotrode and forming surface.
  • FIG. 10 shows a sonotrode 21 which is in contact with a forming section 11 of a component 10.
  • the sonotrode is It is connected to a separate measuring arrangement 40, which determines the operation and the feed of the sonotrode according to a reference surface 14 on the component 10. Based on these measurements, the differential path of the sonotrode is set. This control mechanism prevents a component from being deformed too much or the sonotrode from being damaged during forming.
  • FIG. 11 shows a component 10 which has been connected to a component 8.
  • the component 8 is inserted into the component 10 until it is at a stop surface
  • the component 8 was xed in the component 10 fi.
  • a cavity can be permanently closed with a lid.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen mindestens eines Umformabschnitts (11) mindestens eines Bauteils (10), wobei das Umformen des Umformabschnitts (11) mittels einer angeregten Umformfläche (20) einer Sonotrode (21) durchgeführt wird. Die dabei verwendeten Schwingungen, insbesondere Ultra-schallschwingungen, haben bevorzugt eine Frequenz von 15 –25 kHz, insbesondre 20 kHz. Beim Umformen wird die Umformfläche (20) einer Sonotrode (21) mitdem Umformabschnitt (11) in Kontakt gebracht,wobei die Oberfläche (12) des Umformabschnittes mittels der Sonotrode (21) zumindest abschnittsweise geglättet wird.

Description

Verfahren zum Umformen eines Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Bauteil sowie ein Verbundteil gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche .
Ultraschallschweissen zum Fügen von metallischen Werkstoffen und thermoplastischen Kunststoffen sind bekannt. Diese Verfahren finden in diversen Industriebereichen Verwendung, z.B. werden Kunststoffverpackungen oder Kabelbäume in der Automobilindustrie mittels Ultraschall geschweisst. Durch eine hochfrequente mecha nische Schwingung werden Bauteile verschweisst und/oder verformt wobei die Bauteile erwärmt werden. Das Ultraschallschweissen ge hört somit in die Gruppe der Reibschweissungen . Zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung wird in einem Generator ein hochfre quenter Wechselstrom erzeugt und über ein Kabel zu einem Konver ter übertragen. Im Konverter wird mittels eines piezoelektri schen oder magnetostriktiven Effekts eine mechanische Ultra schallschwingung erzeugt. Diese Schwingung wird auf eine Umform fläche einer Sonotrode übertragen, welche in Kontakt mit dem Bauteil gebracht wird.
Ultraschall wird auch beim Umformen von Bauteilen eingesetzt, z.B. beim Bördeln. DE 20314781 Ul und DE 4101545 Al beschreiben Sonotroden zum Bördeln von Kunststoffen, insbesondere thermo plastischen Kunststoffen. DE 4206583 Al beschreibt eine Vorrich tung und ein Verfahren, bei dem mit einer Sonotrode eine Bördel naht erstellt wird. EP 0421019 Al beschreibt ein Verfahren zum Fügen von Kunststoffteilen durch Ultraschall, insbesondere zum Schweissen, Nieten, Bördeln oder Verformen mittels einer Sonot rode . Bei den erwähnten Verfahren kann es zu unästhetischen Umformab schnitten und erheblicher Partikelgenerierung kommen. Ebenfalls ist ein Aufschmelzen an ungewollten Stellen möglich und eine Fa denbildung beim Warmumformen .
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stan des der Technik zu beheben. Insbesondere soll ein Verfahren zum Umformen von Bauteilen bereitgestellt werden, welches qualitativ hochstehende Umformabschnitte erzeugt bei niedriger Partikelbil dung .
Erfindungsgemäss werden diese und andere Aufgaben mit einem Ver fahren, Bauteil und Verbundteil mit den Merkmalen gemäss dem kennzeichnenden Teil der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst das Umformen mindestens eines Umformabschnitts mindestens eines Bauteils. Beim Umformen des Umformabschnitts werden Schwingungen, insbesondere Ultra schallschwingungen, bevorzugt mit einer Frequenz von 15 - 25 kHz, insbesondere 20 kHz, verwendet. Die Schwingungen werden von einer angeregten Umformfläche einer Sonotrode erzeugt, welche mit dem Umformabschnitt in Kontakt gebracht wird. Dabei wird er- findungsgemäss die Oberfläche des Umformabschnittes gleichzeitig mittels der Sonotrode zumindest abschnittsweise geglättet.
Die Kombination aus Umformen und Glätten in einem Schritt ist von Vorteil, da die Produktionszeit verkürzt und somit die Pro duktionskosten gesenkt werden. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich. Neben dem optischen Aspekt hat eine geglättete Oberfläche auch den Vorteil, dass sich dort weniger Partikel ab lagern könnten. Bei sterilen Oberflächen bei medizinischen An wendungen wie z.B. von Spritzenkolben, ist diese Glättung von Vorteil, da sich in porösen Oberflächen Bakterien ablagern kön- nen und vor Desinfektionsmittel geschützt sind. Aber auch bei Konsumgegenständen wie z.B. Kugelschreibern, ist eine geglättete Verbindungsstelle vorteilhaft, da sie sich angenehmer anfühlt.
Durch die Schwingungen wird bevorzugt nur ein oberflächennaher Bereich des Umformabschnittes, insbesondere im Bereich des Bau teils bis maximal 2 mm von der Oberfläche, erweicht.
Es ist vorteilhaft, wenn nur bestimmte Teile eines Bauteils er wärmt werden. Ein Erweichen von tieferen Schichten würde zum Aufschmelzen an ungewollten Stellen führen, vor allem bei Kunst stoffteilen mit einer geringen Wandstärke. Beispielsweise beim Aufbringen einer Folie auf eine Verpackung könnte das Aufschmel zen zur Beschädigung der Folie führen und somit zur Beschädigung des Endproduktes.
Am Ende des Umformens des Umformabschnittes entspricht die Form des Umformabschnittes bevorzugt der Umformfläche der Sonotrode. Somit kann durch Wahl einer entsprechenden Umformfläche bzw. ei ner Sonotrode die Endform des Bauteils direkt und genau erzielt werden .
Durch das Umformen wird bevorzugt nur der oberflächennahe Be reich des Umformabschnittes verdichtet. Dies führt zu einer hö heren Stabilität im Umformabschnitt und somit zu einer stabile ren Verbindung der Bauteile, wenn sie verbunden sind.
Durch das Umformen werden aufgrund der eingebrachten Schwingun gen bevorzugt innere Spannungen im Bauteil reduziert. Dies er höht die Stabilität des Bauteils, da Spannungen im Bauteil gleichmässiger verteilt werden. Zudem werden mögliche Sollbruch stellen auf Grund von Materialfehlern, in den Bauteilen und der Verbindung zwischen diesen vermieden. Gleichzeitig wird durch das Umformen und Glätten bevorzugt die elektrische Leitfähigkeit des Bauteils im Umformabschnitt er höht. Dies kann von Vorteil sein für Bauteile, die in elektroni schen Anwendungen eingebaut werden. Beispielsweise könnten zwei elektrisch leitende Bauteile zusammengefügt werden, sodass der Strom verlustarm durch die Verbindungsstelle fliesst.
Bevorzugt wird durch das Umformen und Glätten eine an der Ober fläche des Bauteils vorhandene Schicht, insbesondere eine Oxid schicht, entfernt. Das Entfernen der Oxidschicht trägt ebenfalls zur Stabilität des Bauteils bei, da eine oxidierende Oberfläche eine über längere Zeit die Stabilität des Bauteils verringert. Zusätzlich trägt dieser Vorgang dazu bei, ein ästhetisch anspre chendes Bauteil zu formen. Das Entfernen der Oxidschicht verbes sert einen elektrischen Kontakt.
Im Verfahren wird eine Sonotrode verwendet, deren Umformfläche bevorzugt so geformt ist, dass die Schwingungsamplitude der Um formfläche entlang eines peripheren Randes der Umformfläche im Wesentlichen konstant ist. Unter im Wesentlichen konstant wird hier verstanden, dass die Schwingungsamplitude nicht mehr als ±10% vom Mittelwert abweicht. Somit ist die Umformfläche der So notrode im Falle einer torsionalen Schwingung im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet, um eine konstante Schwingungsamplitude zu ermöglichen.
Das im Verfahren umzuformende Bauteil besteht bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischem Kunststoff, Metall, insbesondere Buntmetall, oder Verbundmaterialien, insbesondere GFK oder holzbasierten Werkstoffen. Diese Materialien sind be sonders geeignet, da sie sich gut verarbeiten lassen und in di versen Alltagsgegenständen Verwendung finden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann auch ein Bauteil mit transparentem Material umgeformt werden. Diese Bauteile können zum Beispiel als Hohlkörper genutzt werden, bei Anwendungen in denen der Füllstand eines Fluids im Hohlkörper sichtbar sein sollte, zum Beispiel bei Spritzen oder Kugelschreiberhülsen.
Das Verfahren wird bevorzugt mit einer Sonotrode durchgeführt, welche eine glatt ausgebildete Umformfläche aufweist. Die Um formfläche ist insbesondere gedreht, geschliffen, poliert und weist je nach Anwendung einen Mittenrauwert Ra von 3,2 bis 12,5 ym oder 0,4 bis 3,2 ym oder 0,4 bis 0,8 ym oder 0,1 bis 0,4 ym auf. Insbesondere bei der Umformung von Kunststoffteilen ist die Oberflächengüte der Umformfläche dem Oberflächenfinish der
Spritzgussform anzupassen. Je glatter die Umformfläche des Guss werkzeugs ist, umso glatter wird die Umformfläche ausgebildet.
Im Verfahren wird bevorzugt eine Sonotrode verwendet, welche den Umformabschnitt mit Torsionsschwingungen oder linearen Schwin gungen in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Umformab schnitts beaufschlagt.
Unter einer Torsionsschwingung wird eine Schwingung um eine Tor sionsachse der Sonotrode verstanden. Durch die Torsions- oder lineare Schwingung wird im Gegensatz zu einer transversalen Schwingung ein Aufschmelzen der Bauteile in der Tiefe verhindert und der Partikelflug reduziert.
Im Verfahren kann eine Torsionssonotrode verwendet werden, deren Umformfläche auf einer Stirnseite oder einer Umfangsmantelfläche angeordnet ist. Die Umformfläche an der Stirnseite wird unter anderem verwendet bei Anwendungen, bei welchen Anschlagsflächen in Hohlkörpern entstehen, z.B. bei Rückhaltekonturen in Spritzen oder Kugelschreiberhülsen. Die Umformfläche an der Umfangsman- telfläche wird unter anderem genutzt, um Bauteile entlang einer Nahtstelle zu verbinden.
Es kann eine Torsionssonotrode verwendet werden, deren Umform fläche teilweise oder vollständig umlaufend ist.
Dabei kann ein teilweise oder ganz über 360° umlaufender Umform abschnitt erstellt werden.
Im Verfahren kann eine Torsionssonotrode verwendet werden, wel che den Umformabschnitt bezogen auf die Torsionsachse radial nach innen und/oder radial nach aussen umformt.
Je nachdem, ob der Umformabschnitt radial nach innen oder aussen geformt ist, können im Bauteil Anschlagsflächen an der Innen oder Aussenseite eines Bauteils entstehen.
Verfahren zum Umformen eines Bauteils umfasst bevorzugt mindes tens ein Verfahren aus der Gruppe bestehend aus Nieten, Bördeln, Verstemmen, Kerben, Körnern, Kragenfügen, Weiten, Spreizen, En gen, Einhalsen, Falzen, Biegen, Verlappen und Clinchen.
Durch das Verfahren zum Umformen werden bevorzugt zwei Bauteile gefügt, wobei der umgeformte Umformabschnitt Teil einer der ge fügten Bauteile oder Teil eines Hilfsfügeteils ist. Das andere Bauteil besteht dabei bevorzugt aus einem elastischen Material, insbesondere aus Silikon oder Gummi. Bei einer Kombination aus elastischem und nicht elastischem Bauteil wird das nicht elasti sche Bauteil verformt, um das elastische Bauteil zurückzuhalten. Beispielsweise kann für ein Ventil eine Kunststoffröhre so ver formt werden, dass eine Gummikugel im Inneren zurückgehalten wird und somit einen Auslass dicht verschliesst .
Bevorzugt wird die Umformfläche gebördelt, wobei die dabei ent stehende Bördelfläche umlaufend und geschlossen ist. Unter um- laufend und geschlossen wird verstanden, dass die Bördelfläche sich über einen Umfang von 360° erstreckt und keine Unterbre chungen über den gesamten Umfang von 360° aufweist.
Eine Sonotrode mit umlaufend geschlossener Bördelfläche dient unter anderem dazu, einen konturlosen Umformabschnitt zu errei chen .
Durch das Umformen des Bauteils kann eine Anschlagfläche für weitere Komponenten geformt werden. Die Anschlagfläche ist dabei bevorzugt derart angeordnet und geformt, dass weitere Komponen ten beweglich im Bauteil gelagert sind. Diese Anschlagsfläche kann beispielsweise ein Bauteil im umgeformten Bauteil zurück halten oder ein umgeformtes Bauteil in einem anderen Bauteil zu rückhalten. Beispielsweise können Anschlagsflächen an einem Ende eines Hohlkörpers einer Spritze verhindern, dass der Spritzen kolben an diesem Ende aus dem Hohlkörper rausgezogen wird. Das gleiche Prinzip kann man auch bei einer Kugelschreiberhülle und einer Kugelschreibermine anwenden.
Die Torsionssonotrode kann auf der Umfangsmantelfläche eine Um fangskontur aufweisen. Beim Umformen des Bauteils wird dabei ei ne Kerbe gebildet. Ein Baj onette-Gewindegang entsteht, wenn die Sonotrode während der Torsionsschwingung transversal ins Bauteil eingeführt wird und am Schluss ohne Vorschub um die Torsionsach se gedreht wird. Alternativ kann die Sonotrode einen gedrehten Gewindegang erzeugen, indem sie während sie torsional schwingt, gleichzeitig entlang der Torsionsachse vorgeschoben wird und ei ne Drehung um die Torsionsachse vollführt. Diese Kerbe oder die ser Gewindegang kann später zur Verankerung anderer Bauteile ge nutzt werden. Der Gewindegang kann zum Beispiel an der Innensei te einer zylindrischen Aufnahme zur Fixierung eines Verschluss deckels geformt werden. Der Gewindegang kann so ausgebildet sein, dass der Gewindegang eine Windung aufweist welche weniger als 360° beträgt. Die torsional schwingende Sonotrode wird dabei als Ganzes um die Torsionsachse gedreht während sie entlang der Torsionsachse ins Bauteil eingeführt wird.
Das Verfahren umfasst bevorzugt einen ersten und einen zweiten Schritt. Im ersten Schritt schwingt die Sonotrode mit einer ers ten Amplitude und wird mit einer ersten Kraft auf das Bauteil gedrückt, bis der Umformabschnitt ausreichend aufgeweicht ist. Nach Erreichen eines ausreichenden Aufweichens schwingt die So notrode mit einer zweiten Amplitude und wird mit einer zweiten Kraft auf das Bauteil gedrückt, wobei die zweite Kraft grösser ist als die erste Kraft und wobei die zweite Amplitude kleiner ist als die erste Amplitude. Dieses Mehrschrittverfahren ermög licht mit einem ersten Schritt ein gezieltes Aufweichen der Oberfläche des Umformabschnittes, welches später im zweiten Schritt ein Umformen begünstigt. Ein vorhergehendes Aufweichen trägt ebenfalls dazu bei, dass Unregelmässigkeiten in der Mate rialstruktur ausgeglichen werden und somit die Verbindung zwi schen den beiden Bauteilen stabiler wird.
Bevorzugt wird die Sonotrode zur Schwingung angeregt, bevor sie mit dem Bauteil in Kontakt kommt. Alternativ kann die Sonotrode auch verzögert zur Schwingung angeregt werden, nachdem die
Kraft, mit der die Sonotrode auf den Umformabschnitt gedrückt wird, einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet.
Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst bevorzugt einen Schritt des Beendens oder Reduzierens der Anregung der Sonotrode, falls die Kraft, mit der die Sonotrode auf das Umformteil gedrückt wird, einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder der von der Sonotrode zurückgelegte Weg einen vorgege benen Schwellenwert überschreitet und/oder die von der Sonotrode aufgenommene Leistung einen vorgegebenen Schwellenwert über- schreitet. Dies verhindert, dass die Sonotrode das Bauteil zu stark verformt, falsch verformt und/oder beschädigt. Dieser Si cherheitsmechanismus erhöht die Qualität der umgeformten Bautei le, da weniger fehlerhafte Bauteile produziert werden. Zusätz lich ist der Sicherheitsmechanismus auch ein Schutzmechanismus für die Sonotrode, da sie durch fehlerhafte Bauteile ebenfalls beschädigt werden kann.
Im Verfahren wird bevorzugt der differenzielle Weg der Sonotrode bezogen auf eine Referenzoberfläche des Bauteils mittels einer separaten Messanordnung ermittelt. Anschliessend werden der Be trieb und/oder der Vorschub der Sonotrode aufgrund des differen- ziellen Wegs eingestellt. Mit Hilfe der separaten Messanordnung und der Bestimmung der Referenzoberfläche wird verhindert, dass die Sonotrode den Umformabschnitt zu stark umformt und somit das Bauteil beschädigt.
Im Verfahren kann auch eine Umformfläche mit Prägestruktur ver wendet werden, um eine Prägung in den Umformabschnitt zu prägen. Diese Prägung kann insbesondere ein Logo sein. Alternativ kann mit der Prägestruktur auch eine Seriennummer oder eine andere Kennzeichnung des Bauteils in den Umformabschnitt geprägt wer den. Die Individualisierung des Bauteils hat neben informativen und/oder ästhetischen Aspekten auch einen Sicherheitsaspekt. Mit Hilfe der Prägestruktur Hessen sich sehr kleine Strukturen prä gen, welche als eine Art Wasserzeichen bzw. als ein Qualitäts und/oder Gütesiegel fungieren, um Fälschungen leichter zu iden tifizieren .
Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Bauteil mit einem Umformab schnitt, welcher gemäss dem vorstehend beschriebenen Verfahren umgeformt wurde. Das Bauteil weist bevorzugt wenigstens einen umgeformten Umform abschnitt auf. Die Oberfläche des Umformabschnitts ist glatter, als eine vom Umformabschnitt verschiedene Oberfläche.
Der Umformabschnitt des Bauteils besteht bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem thermoplastischen Ma terial. Alternativ kann der Umformabschnitt des Bauteils auch aus einem anderen Material bestehen, solange es sich mit Hilfe des vorherstehend beschriebenen Verfahren und im speziellen mit der darin verwendeten Sonotrode umformen lässt.
Des Weiteren kann der Umformabschnitt des Bauteils bevorzugt so geformt sein, dass eine Kerbe und insbesondere ein Gewindegang entsteht .
Das Bauteil kann dabei beispielweise ein Gehäuse sein und der Gewindegang oder die Kerbe werden genutzt, um einen Deckel zu fixieren .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verbundteil, welches ein Bauteil und eine weitere Komponente aufweist. Dazu werden das Bauteil und die weiteren Komponenten durch wenigstens einen umgeformten Umformabschnitt miteinander verbunden. Insbesondere wird der Umformabschnitt gebördelt. Alternativ kann der Umform abschnitt auch gemäss den anderen vorstehend beschriebenen Ver fahrensarten umgeformt werden.
Das Verbundsteil kann bevorzugt ein Schreibgerät, ein medizini sche Gerät, insbesondere eine Spritze, ein Produkt mit einge fassten Magneten, ein Produkt mit eingefassten Scheiben oder ei ne Verpackung, insbesondere eine Verpackung mit Ausgiessern, sern Der Umformabschnitt des Verbundteils ist bevorzugt durch Schwin gungen nur in einem oberflächennahen Bereich, insbesondere in einem Bereich des Bauteils bis maximal 2 mm von der Oberfläche, verdichtet. Dadurch wird verhindert, dass auch andere Teile des Verbundteils verdichtet werden, da dies zu Beschädigungen des Verbundteils führen könnte. Beim Fixieren einer dünnen Folie auf einem Bauteil wird, zum Verschliessen eines Hohlraums, der Um formabschnitt des resultierenden Verbundteils verdichtet, um ei nen geschlossenen Umformabschnitt zu erhalten. Es ist jedoch nicht erwünscht, dass die dünne Folie ausserhalb des Umformab schnittes verdichtet oder gar beschädigt wird, da sonst der Hohlraum nicht mehr wie gewünscht verschlossen ist.
Der Umformabschnitt des Verbundteils ist bevorzugt im Wesentli chen symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch geformt.
Das Bauteil, aus welchem das Verbundteil besteht, kann bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischem Kunststoff, Me tall, insbesondere Buntmetall oder Verbundmaterial, insbesondere GFK oder holzbasierten Werkstoffen bestehen. Diese Materialien bieten den Vorteil, dass sie gut umformbar sind und somit eine hohe Qualität des Verbundteils ermöglichen.
Das Bauteil besteht bevorzugt aus einem transparenten Material. Ein transparentes Material wird eingesetzt in Produkten, bei welchen der Innenraum sichtbar sein soll, wie Spritzen oder Ku gelschreibern. Beispielsweise könnte aber auch ein Armbanduhrge häuse aus transparentem Kunststoff gefertigt sein, damit die be weglichen Komponenten im Inneren der Uhr sichtbar sind für den Betrachter .
Das Bauteil im Verbundteil kann eine Anschlagfläche für weitere Komponenten aufweisen, welche durch das Umformen gebildet wird. Die Anschlagfläche ist bevorzugt derart angeordnet, dass die weitere Komponente beweglich im Bauteil gelagert ist.
Das Verbundteil kann bevorzugt im Umformabschnitt eine Prägung ausweisen .
Die Prägung kann zur optischen Verzierung, zur Qualitätssiche rung und/oder zur Identifikation des Verbundteils genutzt wer den .
Dier Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen zum besseren Verständnis erläutert.
Es zeigen
Fig. la: Eine schematische Darstellung eines Bauteils vor dem
Umformen .
Fig. lb: Eine schematische Darstellung eines Bauteils nach dem
Umformen .
Fig. lc: Eine Detailansicht einer Oberfläche eines Bauteils.
Fig. 2a: Ein Bauteil mit einem verdichteten Umformabschnitt.
Fig. 2b: Ein Bauteil mit Spannungen vor und nach dem Umformen .
Fig. 2c: Ein Bauteil mit einer Oxidschicht vor und nach dem Um formen .
Fig. 3a: Eine Sonotrode mit torionalem Schwingungsverhalten.
Fig. 3b: Eine Sonotrode mit longitudinalem Schwingungsverhalten. Fig. 4a: Eine Sonotrode mit einer Umformfläche an einer Stirn seite.
Fig. 4b: Eine Sonotrode mit einer Umformfläche an einer Umfangs mantelfläche .
Fig. 4c: Eine Sonotrode mit einer Umformkontur an der Umformflä che .
Fig. 4d: Eine Sonotrode mit einer Umformfläche, um einen Umform abschnitt eines Bauteils nach aussen umzuformen.
Fig. 4e: Eine Sonotrode mit einer Umformfläche, um den Umformab schnitt des Bauteils nach innen umzuformen.
Fig. 5a: Eine Umformfläche an einer Stirnseite einer Sonotrode.
Fig. 5b: Eine Umformfläche an einer Umfangsmantelfläche einer
Sonotrode .
Fig. 5c: Eine Umformfläche einer Sonotrode mit einer Umformkon tur .
Fig. 5d: Eine Umformfläche an einer Stirnseite einer Sonotrode zum Umformen eines Bauteils nach aussen.
Fig. 5e: Eine Umformfläche an einer Stirnseite einer Sonotrode zum Umformen eines Bauteils nach innen.
Fig. 5f: Eine nicht vollständig umlaufende Umformfläche an einer
Stirnseite einer Sonotrode. Fig. 5g: Eine im Wesentlichen symmetrische Umformfläche an einer Stirnseite einer Sonotrode.
Fig. 6a: Ein Querschnitt durch zwei Komponenten vor dem Verbin den durch ein Hilfsfügeteil .
Fig. 6b: Ein Querschnitt durch zwei Komponenten nach dem Verbin den durch ein Hilfsfügeteil .
Fig. 7: Ein Querschnitt durch ein Bauteil mit einer Rückhalte kontur .
Fig. 8a: Eine Umformfläche der Sonotrode mit einer Prägestruk tur .
Fig. 8b: Eine Umformabschnitt eines Bauteils mit einer Prägung.
Fig. 9a: Eine schematische Darstellung eines Umformprozesses beim Aufweichen eines Bauteils.
Fig. 9b: Eine schematische Darstellung eines Umformprozesses beim Umformen eines Bauteils.
Fig. 10: Eine schematische Ansicht einer Sonotrode mit einer se paraten Messanordnung
Fig. 11: Eine schematische Ansicht eines Bauteils mit einer fi xierten Komponente
Figur la zeigt eine Sonotrode 21, welche mit einer torsionalen
Schwingung mit einer Ultraschallfrequenz von 15 - 25 kHz um eine Torsionsachse 30 schwingt. Die Sonotrode 21 besitzt eine Umform- fläche 20. Diese Umformfläche 20 wird in Kontakt mit einer Ober fläche 12 eines Umformabschnittes 11 eines Bauteils 10 gebracht.
Figur lb zeigt die Sonotrode 21 in Kontakt mit dem Bauteil 10. Durch den Kontakt der Umformfläche 20 wird nur ein oberflächen naher Bereich 13 des Umformabschnitts 11 mit einer Dicke (d) von maximal 2 mm erwärmt, um das Umformen zu erleichtern. Nach dem Umformen weist der Umformabschnitt 11 eine Form auf, die der Um formfläche 20 der Sonotrode 21 entspricht.
Figur lc zeigt ein Teil der Oberfläche 12 des Bauteils 10 nach dem Umformen. Im Bereich des Umformabschnitts 11 wurde die Ober fläche 12 durch die Sonotrode 21 geglättet. Nach dem Umformen ist die Oberfläche 12 des Umformabschnitts 11 glatter als eine Oberfläche 6 des Bauteils 10 die nicht umgeformt wurde. Als Bei spiel wurde hier ein Bauteil 10 umgeformt und geschliffen, wobei die Oberfläche 6 eines nicht umgeformten Teils des Bauteils 10 einen Mittenrauwert Ra von >3.2ym aufweist. Die Oberfläche 12 des Umformabschnittes 11 wird nach dem Umformen, je nach Be schaffenheit einer Umformfläche 20 der Sonotrode 21, einen Mit tenrauwert Ra von 0.4 - 3.2ym aufweisen.
Figur 2a zeigt ein Bauteil 10 nach dem Umformen. Durch das Um formen wurde nur ein oberflächennaher Bereich 13 eines Umformab schnitts 11 des Bauteils 10 verdichtet.
Figur 2b zeigt ein Bauteil 10 vor und nach dem Umformen. Das Bauteil 10 besitzt vor dem Umformen innere Spannungen in einem Bereich 19, welche durch das Umformen reduziert werden. Damit reduziert sich die Anzahl Bruchstellen und das Bauteil 10 wird stabiler . Figur 2c zeigt ein Bauteil 10 mit einer Oxidschicht 26. Die Oxidschicht 26 wird durch das Umformen und Glätten im Bereich des Umformabschnittes 11 entfernt.
Figur 3a zeigt eine Sonotrode 21, welche eine torsionale Schwin gung 27 um eine Torsionsachse 30 vollführt. Alternativ kann die Sonotrode auch eine lineare Schwingung 28 vollführen, welche entlang einer Longitudinalachse 31 und parallel zur Ebene E aus gerichtet ist, dargestellt in Figur 3b. Die Sonotrode kommt da bei mit einer Oberfläche 12 eines Umformabschnittes 11 eines Bauteils 10 in Kontakt. Die Schwingung in torsionaler Richtung oder parallel zur Oberfläche 12 des Bauteils 10 reduziert den Partikelflug im Vergleich zu einer transversalen Schwingung. Die Sonotrode 21 kann dabei vor dem Kontakt mit dem Bauteil 10 in Schwingung gebracht werden oder erst nachdem sie Kontakt hat mit dem Bauteil 10.
Figur 4a zeigt eine Sonotrode 21 mit einer Umformfläche 20 an einer Stirnseite 22. Die Sonotrode kann in torsionaler Richtung um eine Torsionsachse 30 schwingen und dabei ein Bauteil umfor men. Diese Sonotrode 21 wird unter anderem zum Bördeln von Bau teilen benutzt.
Figur 4b zeigt die Sonotrode 21 mit der Umformfläche 20 an der Umfangsfläche 23. Die Sonotrode kann longitudinal entlang einer Torsionsachse 30 schwingen und dabei ein Bauteil 10 umformen. Diese Sonotrode 21 wird benutzt, um Umformungen oder Prägungen in z.B. Hohlräumen, Vertiefungen oder Hinterschnitten eines Bau teils 10 herzustellen.
Figur 4c zeigt eine Sonotrode 21 mit einer Umformkontur 25 an der Umformfläche 20. Die Umformkontur 25 formt im Bauteil 10 ei ne Kerbe 17 oder einen Gewindegang. Diese Kerbe oder dieser Ge- windegang kann genutzt werden, um weitere Bauteile zu verankern. Die torsional schwingende Sonotrode 21 wird transversal in das Bauteil 10 eingeführt und kann dabei einen Bajonett-Gewindegang formen. Dazu wird die torsional schwingende Sonotrode entlang einer Torsionsachse 30 bewegt und anschliessend ohne transversa len Vorschub als Ganzes um die Torsionsachse 30 gedreht. Alter nativ dazu kann ein normaler Gewindegang gebildet werden, wenn die torsional schwingende Sonotrode während dem transversalen Vorschub um die Torsionsachse 30 gedreht wird.
Figur 4d zeigt die Sonotrode 21 mit einer Umformfläche 20, die so gestaltet ist, dass der Umformabschnitt 12 des Bauteils 10 nach aussen umgeformt wird.
Figur 4e zeigt die Sonotrode 21 mit einer Umformfläche 20, die so gestaltet ist, dass der Umformabschnitt 12 des Bauteils 10 nach innen umgeformt wird. Das umgeformte Bauteil 10 besitzt nun Rückhaltekonturen welche ein anderes Bauteil, welches in das Bauteil 10 eingeführt wird, zurückhält.
Figur 5a zeigt eine Draufsicht auf die Umformfläche 20 der Sono trode 21 aus Figur 4a. Die Umformfläche 20 an einer Stirnseite 22 ist vollständig umlaufend.
Figur 5b zeigt eine Draufsicht die Umformfläche 20 der Sonotrode 21 aus Figur 4b. Die Umformfläche 20 an einer Umfangsmantelflä che 23 ist vollständig umlaufend.
Figur 5c zeigt eine Draufsicht die Umformfläche 20 der Sonotrode 21 aus Figur 4c. Die Umformfläche 20 weist eine Umformkontur 25 auf, welche genutzt werden kann, um eine Kerbe 17 oder insbeson dere einen Gewindegang in einem Bauteil 10 (Figur 4c) zu formen. Figur 5d zeigt eine Draufsicht die Umformfläche 20 der Sonotrode 21 aus Figur 4d. Die Umformfläche 20 ist so ausgebildet, dass ein Umformabschnitt 12 eines Bauteils 10 nach aussen umgeformt wird .
Figur 5e zeigt eine Draufsicht auf die Umformfläche 20 der Sono trode 21 aus Figur 4e. Die Umformfläche 20 ist so ausgebildet, dass ein Umformabschnitt 12 eines Bauteils 10 nach innen umge formt wird. Die Umformfläche in Fig 5a, d und e sind vollständig umlaufend über 360°.
Figur 5f zeigt eine Draufsicht eine Umformfläche 20 einer Sonot rode 21, welche an einer Stirnseite 22 angebracht und nicht vollständig umlaufend ausgebildet ist. Eine solche unterbrochene Anwendung ist z. B. als Variante zur Anordnung gemäss Figur 4a, 4d oder 4e denkbar.
Figur 5g zeigt eine Umformfläche 20 einer Sonotrode 21, welche im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist, sodass eine kon stante Schwingungsamplitude auf das Bauteil einwirkt.
Die Umformfläche 20 verläuft innerhalb von Linien 41, 42 in ei nem Bereich von ±10% des mittleren Radius der Umformfläche 11.
Figur 6 zeigt zwei Komponenten 8, 9 welche durch ein Hilfsfüge- teil 7 verbunden werden. Dafür wird das Hilfsfügeteil 7 mit ei ner Sonotrode 21 (nicht abgebildet) umgeformt. Nach dem Umformen weist das Hilfsfügeteil einen Umformabschnitte 12 auf.
Figur 7 zeigt ein bewegliches Bauteil 16 ein einem Bauteil 10, wobei das Bauteil 10 eine Anschlagsfläche 15 aufweist. Die An schlagfläche 15 entsteht durch das Umformen des Bauteils 10, wenn dieses in Kontakt mit einer Umformfläche 20 einer Sonotrode 21 kommt. Das bewegliche Bauteil 10 ist ein Kolben einer Sprit- ze. Der Kolben wird durch die Anschlagsfläche 15 blockiert und am Austritt aus dem Bauteil 10 gehindert. Die Sonotrode 21 wird zur Umformung entlang einer Torsionsachse 30 auf das Bauteil 10 geführt, während die Sonotrode 21 mit einer Torsionsschwingung 27 schwingt.
Figur 8a zeigt eine Prägung 18 auf einem Umformabschnitt 11 ei nes Bauteils. Die Prägung kann ein Logo oder eine Kennzeichnung sein um das Bauteil 10 zu kennzeichnen.
Figur 8b zeigt eine Prägestruktur 24 einer Umformfläche 20 einer Sonotrode 21 (Figur 5) . Die Prägestruktur kann ein Logo oder ei ne Kennzeichnung sein um das Bauteil 10 zu kennzeichnen.
Figur 9a zeigt eine Sonotrode 21, welche in Kontakt steht mit einem Bauteil 10 und dabei mit einer ersten Amplitude Al schwingt und mit einer ersten Kraft Fl auf das Bauteil gedrückt wird. Durch die Schwingung und den Anpressdruck wird ein Umform abschnitt 11 des Bauteils 10 aufgeweicht.
Figur 9b zeigt die Sonotrode 21, welche das Bauteil 10 umformt. Die Sonotrode 21 schwingt dabei mit einer Amplitude A2 und drückt mit einer Kraft F2 auf das Bauteil 10. Der Umformab schnitt 11 wird gemäss einer Umformfläche 20 der Sonotrode umge formt. Bei diesem Mehrschrittverfahren ist die erste Amplitude Al grösser als die zweite Amplitude A2 und die erste Kraft Fl kleiner als die zweite Kraft F2. Die Unterschiede in der Grösse der Amplitude und Kraft sind abgestimmt auf das Material des Bauteils 10 und können je nach Sonotrode und Umformfläche vari ieren .
Figur 10 zeigt eine Sonotrode 21, welche in Kontakt steht mit einem Umformabschnitt 11 eines Bauteils 10. Die Sonotrode ist dabei mit einer separaten Messanordnung 40 verbunden, welche den Betrieb und den Vorschub der Sonotrode gemäss einer Referenz oberfläche 14 auf dem Bauteil 10 ermittelt. Anhand dieser Mes sungen wird der differenzielle Weg der Sonotrode eingestellt. Dieser Kontrollmechanismus verhindert, dass ein Bauteil zu stark verformt oder die Sonotrode beim Umformen beschädigt wird.
Figur 11 zeigt ein Bauteil 10, welches mit einer Komponente 8 verbunden wurde. In einem ersten Schritt wird die Komponente 8 in das Bauteil 10 eingeführt, bis sie an einer Anschlagsfläche
15 anliegt. Anschliessend wurde ein Umformabschnitt des Bauteils 10, welcher über die Komponente 8 hinausragt, umgeformt. Durch den Umformabschnitt 11 wurde die Komponente 8 im Bauteil 10 fi xiert. Beispielsweise kann so ein Hohlraum mit einem Deckel per- manent verschlossen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Umformen mindestens eines Umformabschnitts (11) mindestens eines Bauteils (10), wobei das Umformen des Umformabschnitts (11) mittels einer zu Schwingungen, insbe sondere Ultraschallschwingungen, bevorzugt mit einer Fre quenz von 15 - 25 kHz, insbesondere 20 kHz, angeregten Um formfläche (20) einer Sonotrode (21) durchgeführt wird, welche mit dem Umformabschnitt (11) in Kontakt gebracht wird und wobei die Oberfläche (12) des Umformabschnittes mittels der Sonotrode (21) zumindest abschnittsweise ge glättet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umformabschnitt (11) durch die Schwingungen nur in einem oberflächennahen Be reich (13), insbesondere in einem Bereich des Bauteils (10) bis maximal 2mm von der Oberfläche, erweicht wird.
3. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Umformabschnitt (11) am Ende des Umformvorgangs eine Form aufweist, welche der Umformfläche (20) der Sonotrode (21) entspricht.
4. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Umformabschnitt (11) nur in einem oberflächennahen (13) Bereich verdichtet wird.
5. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch die eingebrachten Schwingungen aufgrund der Umformung erzeugte innere Spannungen (19) im Bauteil (10) reduziert werden .
6. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch das Umformen und Glätten die elektrische Leitfähig keit des Bauteils (10) im Umformabschnitt (11) erhöht wird.
7. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch das Umformen und Glätten eine an der Oberfläche (12) des Umformabschnittes (11) vorhandene Schicht, insbesondere eine Oxidschicht (26), entfernt wird.
8. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Sonotrode (21) verwendet wird, deren Umformfläche (20) derart geformt ist, dass die Schwingungsamplitude der Um formfläche entlang eines peripheren Raumes der Umformfläche (20) im Wesentlichen konstant ist.
9. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (10) ein Material aufweist oder daraus besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunst stoffen, insbesondere thermoplastischen Kunstoffen, Metal len, insbesondere Buntmetallen und Verbundmaterialien, ins besondere GFK oder holzbasierte Werkstoffe.
10. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bauteil (10) umgeformt wird, das aus einem transparen ten Material besteht.
11. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umformfläche (20) der Sonotrode (21) glatt ausgebildet ist und keine Oberflächenstrukturierung aufweist, und ins besondere gedreht, geschliffen oder poliert ist und insbe sondere je nach Anwendung einen Mittenrauwert Ra von 3,2 bis 12,5 ym oder 0,4 bis 3,2 ym oder 0,4 bis 0,8 ym oder 0,1 bis 0,4 ym aufweist.
12. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der Umformabschnitt (11) mittels der Sonotrode (21) mit Torsionsschwingungen (27) oder linearen Schwingungen (28) in einer Ebene (E) parallel zur Oberfläche (12) des Umformabschnitts (11) beaufschlagt wird.
13. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei eine Torsionssonotrode (21) verwendet wird, deren Um formfläche (20) auf der Stirnseite (22) oder einer Umfangs mantelfläche (23) angeordnet ist.
14. Verfahren gemäss Anspruch 13, wobei eine Torsionssonotrode (21) verwendet wird, deren Umformfläche (20) teilweise oder vollständig umlaufend ist.
15. Verfahren gemäss Anspruch 13 oder 14, wobei eine Torsions sonotrode verwendet wird und der Umformabschnitt (11) bezo gen auf die Torsionsachse (30) radial nach innen und/oder radial nach aussen umgeformt wird.
16. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Umformen mindestens eines der Verfahren ausge wählt aus der Gruppe bestehend aus Nieten, Bördeln, Ver stemmen, Kerben, Körnern, Kragenfügen, Weiten, Spreizen, Engen, Einhalsen, Falzen, Biegen, Verlappen und Clinchen umfasst .
17. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch das Umformen zwei Komponenten (8,9) gefügt werden und wobei der umgeformte Umformabschnitt (11) Teil einer der gefügten Komponenten (8) oder Teil eines Hilfsfügeteils (7) ist und wobei die andere Komponente (9) insbesondere aus einem elastischen Material, insbesondere Silikon oder Gum mi, besteht.
18. Verfahren gemäss Anspruch 16 oder 17, wobei das Umformen ein Bördeln ist und die Umformfläche (20) eine Bördelfläche ist, die umlaufend geschlossen ist.
19. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, wobei durch das Umformen im Bauteil (10) eine Anschlag fläche (15) für eine weitere Komponente (16) geformt wird, wobei die Anschlagfläche (15) bevorzugt derart angeordnet und geformt wird, dass die weitere Komponente (16) beweg lich im Bauteil (10) gelagert ist.
20. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, wobei eine Torsionssonotrode (21) verwendet wird, auf deren Umfangsfläche eine Umformkontur (25) vorgesehen ist und wobei durch das Umformen im Bauteil (10) eine Kerbe (17), insbesondere ein Gewindegang geformt wird.
21. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Sonotrode (21) in einem ersten Schritt bis zu ei nem ausreichenden Aufweichen des Umformabschnittes (11) mit einer ersten Amplitude (Al) und in einem zweiten Schritt nach Erreichen eines ausreichenden Aufweichens mit einer zweiten Amplitude (A2) schwingt, wobei die zweite Amplitude (A2) kleiner ist als die erste Amplitude (Al) .
22. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Sonotrode (21) in einem ersten Schritt bis zu ei nem ausreichenden Aufweichen des Umformabschnittes (11) mit einer ersten Kraft (Fl) und in einem zweiten Schritt nach Erreichen eines ausreichenden Aufweichens mit einer zweiten Kraft (F2) auf das Bauteil (10) gedrückt wird, wobei die zweite Kraft (F2) grösser ist als die erste Kraft (Fl) .
23. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Sonotrode (21) zu Schwingungen angeregt wird, be vor die Sonotrode (21) mit dem Bauteil (10) in Kontakt tritt .
24. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, wobei die Sonotrode (21) erst dann zu Schwingungen an geregt wird, wenn die Kraft, mit der die Sonotrode (21) auf den Umformabschnitt (11) gedrückt wird, einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet.
25. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anregung der Sonotrode (21) mit Ultraschall schwingungen reduziert oder beendet wird, wenn
- die Kraft, mit der die Sonotrode (21) auf den Umformab schnitt (11) gedrückt wird, einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert überschreitet und/oder
- der von der Sonotrode (21) zurückgelegte Weg einen vor gegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder
- die von der Sonotrode (21) aufgenommene Leistung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
26. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der durch die Sonotrode (21) bezogen auf eine Refe renzoberfläche (14) des Bauteils (10) zurückgelegte diffe- renzielle Weg mittels einer separaten Messanordnung (40) ermittelt wird und der Betrieb und/oder der Vorschub der Sonotrode (21) aufgrund des differenziellen Wegs einge stellt wird.
27. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Umformfläche (20) eine Prägestruktur (24) auf weist, mit der eine Prägung (18), insbesondere ein Logo, in den Umformabschnitt (11) eingeprägt wird.
28. Bauteil (10), welches einen Umformabschnitt (11) aufweist, welcher mit einem Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche umgeformt wurde.
29. Bauteil (10) mit wenigstens einem umgeformten Umformab
schnitt (11), dadurch gekennzeichnet, der Umformabschnitt eine Oberfläche (12) aufweist, die glatter ist, als eine vom Umformabschnitt verschiedene Oberfläche (7).
30. Bauteil (10) nach Anspruch 28 oder 29, wobei der umgeformte Umformabschnitt (11) aus einem Kunststoffmaterial, insbe sondere einem thermoplastischen Material besteht.
31. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei im Bauteil durch den Umformabschnitt eine Kerbe, insbesondere ein Gewindegang (17) geformt ist.
32. Verbundteil aus einem Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 30 und einer weiteren Komponente, wobei das Bauteil (10) und die weitere Komponente (8) durch den wenigstens einen umgeformten Umformabschnitt (11) miteinander verbun den sind, insbesondere gebördelt.
33. Verbundteil nach Anspruch 32, wobei das Verbundteil ausge wählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schreibgeräten, me dizinischen Geräten, insbesondere Spritzen, Produkten mit eingefassten Magneten, Produkte mit eingefassten Scheiben und Verpackungen mit Ausgiessern.
34. Verbundteil gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 32 bis
33, wobei der Umformabschnitt durch die Schwingungen nur in einem oberflächennahen Bereich (13), insbesondere in einem Bereich des Bauteils bis maximal 2mm von der Oberfläche (12), verdichtet ist.
35. Verbundteil gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 32 bis
34, wobei der Umformabschnitt (11) im wesentlich symmet risch, insbesondere rotationssymmetrisch, ist,
36. Verbundteil gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 32 bis
35, wobei das Bauteil ein Material aufweist oder daraus be steht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
- Kunststoffen, insbesondere thermoplastischen Kunstoffen
Metallen, insbesondere Buntmetallen und Verbundmaterialien, insbesondere GFK oder holzbasierten Werkstoffe .
37. Verbundteil gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 32 bis 36, wobei das Bauteil aus einem transparenten Material be steht .
38. Verbundteil gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 32 bis 37, wobei das Bauteil eine durch das Umformen gebildete An schlagfläche (15) für eine weitere Komponente aufweist, wo bei die Anschlagfläche (15) bevorzugt derart angeordnet und geformt ist, dass die weitere Komponente (16) beweglich im
Bauteil (10) gelagert ist.
39. Verbundteil gemäss einem der vorangehenden Ansprüche 32 bis 29, wobei das Verbundteil in dem Umformabschnitt (11) eine Prägung aufweist.
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