CH435688A - Ultraschallschweissverfahren zum Verbinden von Werkstückteilen aus thermoplastischem Material - Google Patents

Description

  
 



     Illtraschallschweissverfahren    zum Verbinden von   Werkstückteilen    aus thermoplastischem Material
Es ist bekannt, dünne, plattenähnliche, feste oder biegbare Teile mit Hilfe von Schall zu verbinden. Dies wurde bisher so ausgeführt, dass flache Oberflächen aufeinandergelegt wurden und eine Schallenergie hoher Intensität in die äussere Oberfläche des überlappenden Teiles eingeführt wurde. Die beiden Teile wurden dadurch zu Vibrationen gegeneinander an der Zwischenschicht der übereinandergelagerten Oberfläche veranlasst. Auf diese Weise wurde das Material unter dem Einfluss der Schallenergiequelle erhitzt, schmolz und floss zusammen, um eine Verbindung oder Schweissung zu bilden.



   Dieses Verfahren ist so lange zufriedenstellend, wie einer der zu schweiss enden Teile die dafür notwendige Form einer   dünnen    Platte hat, falls die gewünschte Verbindung wie oben beschrieben überlappend ist und wenn ausserdem die geometrischen Formen der zu vereinigenden Teile die Anwendung einer Schallenergiequelle hoher Intensität auf die äussere Oberfläche des überlappenden Teiles erlaubt. Darum wurden bisher nur besondere, für das Schweissen geeignete Oberflächen, beispielsweise Kissen, zusammenpassende Ränder usw. mit Schall verschweisst.

   Wenn aber eine der genannten Bedingungen nicht eintritt, wenn die Teile beispielsweise dick sind oder wenn eine Schweissung an einer Stossstelle (Stumpfschweissung) erwünscht ist oder wenn die zu vereinigenden Teile das Anlegen einer entsprechenden Schallquelle hoher Intensität an die äu ssere Oberfläche des überlappenden Teiles nicht gestattet, können sie nach dieser Methode nicht mit Schall verbunden werden.



   Dieses bisherige Verfahren ist weiterhin unbefriedigend, wenn es wünschenswert ist, Teile über eine grosse, kontinuierliche Fläche oder mit einer grossen Anzahl kleiner getrennter Flächen zu verschweissen.



  Es ist dann notwendig, entweder eine einzige Schallenergiequelle mit hoher Intensität mehrfach nacheinander längs des Teiles oder gleichzeitig eine Mehrzahl von Schallquellen auf den zu verschweissenden Flächen anzuwenden.



   Wenn eine einzige Schallquelle in zeitlicher Aufeinanderfolge auf jede der zu verschweissenden Flächen angewendet wird, ist die Zeit für die Vereinigung mehrerer Teile ausserordentlich lang. Wenn eine Mehrzahl von Schallenergiequellen gleichzeitig für die zu verschweissenden Oberflächen benutzt werden, sind spezielle Aufspannvorrichtungen notwendig, um die Teile zu halten und die Schallquellen anzuordnen und mehrere Schallenergiequellen, welche besondere Schweissköpfe haben, um mit den zu verschweissenden Oberflächen übereinzustimmen, notwendig. Diese sind ausserordentlich teuer.



   Das beschriebene bisherige Verfahren ist ebenfalls unbefriedigend, wenn feste oder   biegbare    Teile, die aus schwer zu schmelzenden thermoplastischen Materialien, d. h. thermoplastische Materialien mit verhältnismässig hohen thermischen Leitfähigkeiten oder hohen Schmelzpunkten verschweisst werden sollen. Die sehr intensiven Schallvibrationen benötigen sehr hohe Leistung pro Flächeneinheit, um solche Materialien zu verschmelzen und können den Teil der Oberfläche, wo die Energie eingeführt wird, ernstlich verbrennen oder verletzen. Soweit bekannt ist, benötigen alle bisher gebräuchlichen, mit Schall arbeitenden Schweissprozesse die Anwendung einer Schalleistung pro Oberflächeneinheit des zu verschweissenden Teiles während längerer Zeit, als notwendig ist, um diese Oberfläche zum Schmelzen zu bringen.

   Darum ergibt die bisherige Methode unvermeidlich ein gleichzeitiges Schmelzen und   Verschrammen    des Teiles.



   Es ist darum ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Verbindung mit Schall anzugeben, welche die oben genannten Schwierigkeiten vermeidet.



   Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge  kennzeichnet,    dass auf die zu verbindenden Oberflächen der Werkstückteile ein diese zusammenpressender Druck  ausgeübt und in einen Werkstückteil längs einer Achse, die gegenüber den zu verbindenden Oberflächen versetzt ist, Schallenergie eingeleitet und von dieser Achse fort zu den zu verbindenden Oberflächen geleitet wird.



   Die Erfindung soll nun an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.



   Es wurden zwei zusammenpassende becherförmige thermoplastische Teile zusammengebracht und der Rand des einen Teiles hart gegen den anstossenden Rand des andern Teils gepresst und eine Schallquelle grosser Leistung wurde gegen einen der Teile, an einen Ort der von dem zu verschweissenden Rand entfernt lag, geführt. Nach dem Einschalten der Schallquelle konnte beobachtet werden, dass die Teile längs des   gesamten Umfanges    der anstossenden Ränder sofort zusammenschweissten. Diese Methode wurde in ähnlicher Art benutzt, um ein hohles Spielzeugschweinchen zusammenzuschweissen, das aus zwei Hälften gebildet war, die längs einer Fläche zusammenpassten, die sich vom Kopf zum Schwanz erstreckte.

   Wenn diese zwei Hälften zusammengepresst wurden und Schallenergie in eine auf der Seite des Schweinchens liegende Fläche eingeführt wurde, konnte beobachtet werden, dass die beiden Hälften sofort längs des gesamten zusammenstossenden Umfangs eine Stumpfverschweissung bildeten. Bei einer   ähn-    lichen Anwendung wurden die zwei halbkugelförmigen Hälften eines   Plastikballes    längs der gesamten äusseren Berührungsfläche durch die Einleitung von Schallenergie in eine der Hälften, vorwiegend an deren Scheitel, stumpf miteinander verschweisst.



   Wie aus den obigen Beispielen zu ersehen ist, ist es möglich, mit dem Verfahren nach der Erfindung Stumpfschweissungen von festem und biegbarem thermoplastischem Material mit Hilfe des Schalls   her-    zustellen, ein Resultat, das mit dem früher benutzten Verfahren nicht erreicht werden konnte. Es kann aus den beschriebenen Beispielen weiter ersehen werden, dass die Methode nach der vorliegenden Erfindung auch erlaubt, nur eine Schallenergiequelle zu benutzen, um das sofortige Verschweissen einer längeren, kontinuierlichen Berührungsfläche zu erreichen, ebenfalls ein Ergebnis, das nach dem bisherigen Verfahren nicht erreichbar war.



   Während die Berührungsflächen, längs welcher die Teile in den oben aufgeführten Beispielen verschweisst wurden, vorwiegend kontinuierlich waren, ist das neue Verfahren ebenso wirkungsvoll, um zwei Teile gleichzeitig an einer Mehrzahl von einander getrennten und unterschiedlichen Berührungsflächen zu verschweissen.



  Behälter, die aus einem oberen und unteren Teil bestehen, von denen jeder eine Mehrzahl von zu verschweiss enden Oberflächen besitzt, von denen jede mit einer entsprechenden Fläche des anderen Teiles über  einstimmt,    wurden in   tbereinstimmung    mit der vorliegenden Erfindung zusammengeschweisst, indem die Teile an jeder ihrer zu verschweissenden Berührungsfläche zusammengeklemmt und eine einzige Schallquelle gegen eine Fläche eines der Teile gepresst wurde, das von jeder der   Berührungsflächen    entfernt lag. In einem solchen Beispiel, das das Verschweissen des oberen und unteren Teiles eines Behälters einschloss, bedurfte es bei der Methode nach der vorliegenden Erfindung nur einer Schallquelle, während nach den bisher bekannten Verfahren deren vier notwendig waren.



   Das Verfahren nach der vorliegenden   erfindung    wurde auch benutzt, um ein Oberteil mit einer komplizierten unteren Fläche und einem nach unten gerichteten Dorn, der in die Bohrung der flachen Oberfläche des kastenähnlichen unteren Teiles reichte, zu verschweissen. Die Teile wurden miteinander vereinigt, indem der Dorn des oberen Teiles in die Bohrung des unteren Teiles gepresst wurde. Die Oberflächen der beiden Teile sind dann in enger Berührung miteinander und Dorn und Bohrung von aussen her nicht zugänglich. Die Teile wurden dann miteinander verschweisst, indem entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Schallquelle gegen eine von aussen zugängliche Fläche des oberen Teiles, die von dem Dorn und der Bohrung entfernt lag, gepresst wurde.

   Es konnte beobachtet werden, dass beim Einschalten der Schallquelle die Teile an der Berührungsfläche von Dorn und Bohrung fest miteinander verschweissten.



   In dem beschriebenen Beispiel ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, zwei Teile an einer Berührungsfläche, die absolut von einer der zugänglichen Flächen dieser Teile entfernt ist, mit Schall zu verschweissen, ein Ergebnis, das bisher nicht erreicht werden konnte.



   Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wurde auch benutzt, um eine Profilschiene aus zwei verhältnismässig dicken Plastikstäben stumpf zu verschweissen. Die Profilschiene hatte einen L-förmigen Querschnitt. Dazu wurden die Stangen in der Form eines L zusammengeklemmt und eine Schallquelle gegen eine Stange gepresst, transversal zu und in weitem Abstand von der Berührungsfläche der beiden Stangen.



  Nach dem Einschalten der Schallquelle verschweissten die Teile längs der gesamten Berührungsfläche.



   Dieses Beispiel wurde erweitert, indem drei Stangen zusammengeklemmt wurden, um eine U-förmige Profilschiene zu bilden. Die Schallenergie wurde dann in die mittlere Stange eingeführt. Die Stangen waren sofort an ihren Berührungsflächen miteinander verbunden. Das bedeutet, dass das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erlaubt, mit einer einzigen Schallquelle zwei voneinander entfernte und nicht miteinander in Verbindung stehende Berührungsflächen zu verbinden, ein Ergebnis, das nach der bisherigen Technik nicht erreichbar war. Ausserdem war das in diesem Beispiel verbundene Material flexibles Polyäthylen, für das praktisch kein Lösungsmittel bekannt ist. Auf diese Weise ergibt die vorliegende Erfindung auch die Möglichkeit, komplexe Konstruktionen dieses Materials zu verbinden, welches bisher weder geschweisst noch zusammengeleimt werden konnte.



   Wie oben ausgeführt wurde, erfolgt die Verbindung nur an solchen gegenüberliegenden Oberflächen, die während der Zeit der Anwendung der Schallenergie in innigem Kontakt sind. Wenn beispielsweise das Verfahren benutzt wurde, die zwei Hälften einer thermoplastischen Spielzeugpfeife zu verschweissen, so verschweisste der Ball, der lose in der Höhlung, die sich zwischen den beiden aufeinandergepressten Hälften befindet, mit keiner der beiden Hälften. Es konnte beobachtet werden, dass der Ball während der Einwirkung der Schallenergie frei innerhalb der Höhlung der Pfeife herumsprang.



   Wenn das neue Verfahren benutzt wurde, um einen Aufnehmer zu schweissen, der aus einem oberen und unteren Teil bestand, die eine zylindrische   Öffnung    bildeten, in der eine Rolle lose eingegeben war, um gegen über dem Aufnehmer frei rotieren zu können, so blieb die Rolle frei beweglich, nachdem die sich gegenüber  liegenden äusseren Oberflächen des oberen und unteren Teiles mit Schall verschweisst worden waren.



   Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erlaubt, zusätzlich zu den Vorteilen, die aus den geschilderten Beispielen hervorgehen, die Steigerung des Betrages der Schallenergie, die einer speziellen Berührungsfläche zugeführt werden kann, ohne die Oberfläche des Teiles, wo die Energie eingekoppelt wird, zu verbrennen. Nachdem entdeckt und gezeigt wurde, dass eine Verschwei ssung an einer Berührungsfläche ausgeführt werden kann, die von dem Ort entfernt liegt, an dem die   Schall    energie eingeführt wird, kann die Schallenergie auch über eine grosse Fläche eingekuppelt werden, verglichen mit der begrenzten Fläche, die unmittelbar einer Berührungsfläche benachbart ist und in die die Schallenergie nach der bisher üblichen Methode eingeführt wurde.

   Nachdem, in   Übereinstimmung    mit der vorliegenden Erfindung, die Leistung über eine grosse Fläche in das Teil eingekuppelt werden kann, kann ein grosser Betrag an Leistung durch das Teil an eine bestimmte Berührungsfläche übertragen werden, wobei der Betrag, der pro Einheit der Oberfläche in das Teil gekuppelt wird, unterhalb dessen bleibt, der dieses Teil verbrennen würde. Auf diese Weise können Teile, die aus Materialien gemacht wurden, die nur unter der Entwicklung oder dem Verbrauch von ausserordentlich gro  ssen    Wärmemengen schmelzen (z. B. thermoplastische Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bei denen die durch Reibung an der Berührungsfläche entwickelte Wärme rasch von dieser Berührungsfläche weggeleitet wird, oder Materialien mit hohen Schmelzpunkten) mit Schall zusammengeschweisst werden, ohne die Teile zu verbrennen.



   Das bedeutet, dass mit diesem Verfahren die Schallleistung über einer grossen Oberfläche mit einem geringen Anteil pro Flächeneinheit, der unterhalb dessen liegt, was diese Oberfläche zum Schmelzen bringt (oder eine Berührungsfläche zwischen Teilen, die die gleiche Fläche haben, schmelzen würde), eingeführt wird. Die Schallenergie wird mit geringen Verlusten an die Berührungsflächen zwischen den verschiedenen Teilen   übertragen.    Diese Berührungsflächen, an denen die Leistung verbraucht wird, haben eine kleinere Gesamtfläche als die Fläche, durch die die Leistung eingeführt wird. Darum ist die Leistung pro Flächeneinheit an den Berührungsflächen gross genug, um diese zu schmelzen.



   In den beschriebenen Beispielen wurde die Spitze eines Horns (das ist der Ausgang) einer Schallenergiequelle direkt gegen eines der zu verschweissenden Teile gepresst, damit eine wirksame Einkopplung der Schallenergie in das Teil erreicht wurde, um an die zu schweissenden Berührungsflächen übertragen zu werden. Die besten Resultate wurden erreicht, wenn die Oberfläche der Spitze des Horns mit einer entsprechenden Fläche des Teiles übereinstimmte. Der innige Kontakt, der auf diese Weise erreicht wurde, ergibt die wirkungsvollste Übertragung der Leistung von der Quelle auf das Teil. Beispielsweise wurden in der oben beschriebenen Schweissung eines sphärischen Balles die besten Schweissungen erzielt, wenn die Spitze des Horns so geformt war, dass sie der sphärischen Fläche des Balles entsprach.



   Das neue Verfahren wurde auch mit Kopplungselementen ausgeführt, beispielsweise mit einem Film aus  Mylar  (Handelsname), der zwischen die Spitze des Horns und dem Teil angeordnet war, aber es konnte kein bemerkenswerter Unterschied in der Qualität der erreichten Verschweissung beobachtet werden.



   Obwohl es, wie beschrieben, für die erfolgreiche Ausführung des neuen Verfahrens notwendig ist, die Berührungsflächen der Teile während des Schweissens in innigem Kontakt zu halten, wurde doch in vielen der beschriebenen Beispiele gefunden, dass diese in befriedigender Weise ausgeführt werden konnten, indem das Horn der Schallquelle einfach mit der Hand gegen eines der Teile gepresst wurde und für den anderen Teil nur eine Auflagefläche vorgesehen war.



   Eine   Schalienergiequelle,    die bei etwa 20 000 Hertz und 75-100 Watt arbeitete, ergab befriedigende Resultate. Die Enden der benutzten   Hörner    waren   kreis    förmig, mit einem Durchmesser von 9-16 mm. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann aber auch bei anderen Frequenzen und Leistungen ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Erfindung,   ob;    wohl sie anhand einer Schallquelle hoher Intensität und mit einem   konzentrierenden    Horn beschrieben wurde, mit irgendeiner Schallquelle, die imstande ist, den notwendigen Betrag an Schalleistung in die zu vereinigenden Teile einzukoppeln, angewendet werden.



   Die Erfindung soll an keine Theorie gebunden sein, wie und warum sie arbeitet, es wird jedoch angenommen, dass die an einem Ort, der von den zu verschweissenden Flächen entfernt ist, in das eine Teil eingekoppelte Energie im wesentlichen sofort durch dieses Teil an jede der Berührungsflächen wandert, wo die Leistung durch das Reiben und Zusammenschlagen der sich innig berührenden Flächen der zwei Teile in Wärme verwandelt wird. Die Hitze schmilzt das Material an den Berührungsflächen und bedingt dadurch, dass es zusammenfliesst, und wenn die eingeführte Leistung aufhört, eine Schweissung bildet. Die Vermischung des Materials, die seinem Schmelzen folgt, wird durch die fortgesetzten gegenseitigen Bewegungen der Teile verstärkt und verbessert.



   Es wurde jedoch gefunden, dass die besten Verbindungen erreicht werden, wenn die Schallvibrationen in einer solchen Art eingeführt werden, dass an der Berührungsfläche der Betrag des Reibens relativ grösser ist als der des Schlagens. Darum sind ineinanderpassende, konische Berührungsflächen, bei denen die reibende Bewegung in der einen Richtung zugleich Kräfte erzeugt, die einen noch innigeren Kontakt der Berührungsflächen ergeben, bevorzugt.



   Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann auch ausgeführt werden, indem ein Teil mit einem Schweissansatz, der eine besondere Oberfläche für die Einkopplung der Ultraschallenergie besitzt, vorgesehen ist. Dieser Ansatz sollte gegenüber der zu schweissenden Fläche so orientiert sein, dass er die bevorzugte reibende Bewegung erzeugt. Nach der Schweissung kann der Ansatz durch Schneiden, Abbrechen, Schleifen usw. beseitigt werden.



   Es versteht sich, dass der Ausdruck  Thermopla  stik ,    wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, so gemeint ist, dass er alle Materialien umfasst, die bei normalen Temperaturen fest oder biegbar sind und unter dem Einfluss von Wärme plastisch werden oder schmelzen. Die Methode nach der vorliegenden Erfindung ist besonders gut für das Schweissen von organischen thermoplastischen Materialien wie Polyäthylen und Polystyren anzuwenden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Ultraschallschweissverfahren zum Verbinden von Werkstuckteilen aus thermoplastischem Material, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zu verbindenden Oberflächen den Werkstückteile ein diese zusammenpressender Druck ausgeübt und in einen Werkstückteil längs einer Achse, die gegenüber den zu verbindenden Oberflächen versetzt ist, Schallenergie eingeleitet und von dieser Achse fort zu den zu verbindenden Oberflächen geleitet wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie von der Stelle, an der sie eingeleitet wird, längs einer Bahn, die wesentlich von einen geraden Linie abweicht, durch das Werkstück geleitet wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Oberfläche des Werkstückteiles eingeleitete Schallenergie pro Flächeneinheit geringer ist als die zum Schmelzen oder Verschmoren der Oberfläche notwendige Energie pro Flächeneinheit und zugleich ausreichend ist, um die zu verbindenden Oberflächen zu schmelzen.

   3. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie derart in den einen Werkstückteil eingeführt wird, dass die zu verbindenden Oberflächen gegeneinander Reibungsbewegungen durchführen.

   4. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie quer zur Oberfläche in den Werkstückteil eingeführt wird.

   5. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Oberflächen durch Anlegen einer Kante eines Werkstückteiles gegen eine Fläche eines zweiten Werkstückteiles gebildet werden.

   6. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Oberflächen durch sich überlappende Werkstückteile gebildet werden.

   7. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Werkstückteile zwei konkave Teile mit je einer die zu verbindenden Oberflächen bildenden Umfangskantenfläche sind.

   8. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Werkstückteile zwei Platten sind und dass die zu verbindenden Oberflächen durch Anlegen einer Kante einer ersten Platte gegen eine Oberfläche einer zweiten Platte gebildet werden.

   9. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen aus vielen einzelnen Oberflächenabschnitten bestehen.

   10. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstückteil einen Ansatz oder eine Ausbuchtung zur Einleitung der Schallenergie aufweist.

   11. Verfahren nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz zu den zu verbindenden Oberflächen hin gerichtet ist, so dass die Schallenergie derart zugeführt wird, dass diese zu verbindenden Oberflächen in höherem Masse gegeneinanderreiben als gegeneinanderstossen.

   12. Verfahren nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz nach Herstellung der Verbindung entfernt wird.