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DE102023113507A1 - Konsolidierungseinrichtung und Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen - Google Patents

Konsolidierungseinrichtung und Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen Download PDF

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Publication number
DE102023113507A1
DE102023113507A1 DE102023113507.4A DE102023113507A DE102023113507A1 DE 102023113507 A1 DE102023113507 A1 DE 102023113507A1 DE 102023113507 A DE102023113507 A DE 102023113507A DE 102023113507 A1 DE102023113507 A1 DE 102023113507A1
Authority
DE
Germany
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module
consolidation
joining
part contact
joining part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023113507.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Dominik Görick
Lars-Christian Larsen
Demas Schmorell
Manuel Engelschall
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Priority to NL2037743A priority patent/NL2037743A/en
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Abstract

Konsolidierungseinrichtung (200) für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden und die Konsolidierungseinrichtung (200) zum Aufbringen eines Konsolidierungsdrucks ausgelegt und/oder anordenbar ist, die Konsolidierungseinrichtung (200) aufweisend ein Fügeteilkontaktmodul (208) und ein Kühlmodul zum aktiven Kühlen des Fügeteilkontaktmoduls (208), und Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden, die Vorrichtung aufweisend eine Vorrichtungsbasis, ein Kompaktiermodul, eine Sonotrode und eine derartige Konsolidierungseinrichtung (200).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Konsolidierungseinrichtung für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden und die Konsolidierungseinrichtung zum Aufbringen eines Konsolidierungsdrucks ausgelegt und/oder anordenbar ist, die Konsolidierungseinrichtung aufweisend ein Fügeteilkontaktmodul. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden, die Vorrichtung aufweisend eine Vorrichtungsbasis, ein Kompaktiermodul und eine Sonotrode.
  • Aus dem Dokument DE 10 2020 107 186 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Ausbildung eines Verbindungsbereichs an einem Bauteil zur Verbindung des Bauteils mit einem weiteren Bauteil, bei dem an einer Seite des Bauteils mindestens ein Erhebungselement ausgebildet wird, wobei eine Ausbildung des mindestens einen Erhebungselements durch Wärmebeaufschlagung der Seite und durch Ausübung einer Druckkraft auf die Seite erfolgt und wobei das Bauteil aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist oder ein thermoplastisches Material umfasst. Zum Verbinden eines Bauteils mit einem weiteren Bauteil, wobei das Bauteil und das weitere Bauteil aus einem thermoplastischen Material hergestellt sind oder ein thermoplastisches Material umfassen, wird an dem Bauteil ein Verbindungsbereich ausgebildet, das mit dem Bauteil zu verbindende weitere Bauteil wird an dem Verbindungsbereich angeordnet und durch Ultraschallschweißen wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bauteil und dem weiteren Bauteil hergestellt.
  • Aus der am 07.02.2023 angemeldeten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2023 102 865.0 ist eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen bekannt, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden und die Vorrichtung ein Ultraschallprüfmodul zur Werkstoffprüfung aufweist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Konsolidierungseinrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einer Konsolidierungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Konsolidierungseinrichtung ist zur Verwendung in einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen ausgelegt und/oder anordenbar, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die Konsolidierungseinrichtung ist zum Aufbringen eines Konsolidierungsdrucks ausgelegt und/oder anordenbar. Die Konsolidierungseinrichtung weist ein Fügeteilkontaktmodul und ein Kühlmodul auf. Das Kühlmodul ist zum aktiven Kühlen des Fügeteilkontaktmoduls ausgelegt und/oder angeordnet. „Aktive Kühlung“ bezeichnet vorliegend insbesondere eine Kühlung, bei der Wärmeenergie vom Fügeteilkontaktmoduls mithilfe eines von einer Bewegung des Fügeteilkontaktmoduls unabhängig bewegten Kühlmittelstroms abtransportiert wird.
  • Die Konsolidierungseinrichtung kann eine Längsachse, eine Querachse und eine Hochachse aufweisen. Die Längsachse, die Querachse und die Hochachse können zueinander rechtwinklig angeordnet sein. Die Längsachse, die Querachse und die Hochachse können einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen.
  • Die Konsolidierungseinrichtung kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, während einem Abkühlen und/oder Erstarren die miteinander zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile gegen eine Arbeitsfläche zu drücken, Fügekontaktflächen der zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile zusammenzudrücken und/oder die zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile zu halten. Das Kühlmodul kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, das Fügeteilkontaktmodul während einem Zusammendrücken und/oder Halten miteinander zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile aktiv zu kühlen.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann einen zu verbindenden Werkstoffen und/oder Fügeteilen zugewandten Abschnitt der Konsolidierungseinrichtung bilden. Das Fügeteilkontaktmodul kann eine Fügeteilkontaktfläche aufweisen. Die Fügeteilkontaktfläche kann zu verbindenden Werkstoffen und/oder Fügeteilen zugewandt sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann eben, viereckig, insbesondere rechteckig und/oder glatt sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann anlaufseitig kufenartig gekrümmt sein. „Anlaufseite“ bezeichnet vorliegend insbesondere eine bei einem Bewegen der Konsolidierungseinrichtung in einer Schweißrichtung vordere Seite.
  • Das Kühlmodul kann wenigstens einen Kühlkanal mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass aufweisen. Das Kühlmodul kann einstückig oder monolithisch hergestellt sein. Das Kühlmodul kann in einem additiven Fertigungsverfahren, generativen Fertigungsverfahren oder 3D-Druckverfahren hergestellt sein. Das Kühlmodul kann in einem Strahlschmelzverfahren, insbesondere selektives Laserschmelzen, hergestellt sein. Das Kühlmodul kann aus einer Legierung, die überwiegend aus Aluminium besteht, hergestellt sein. Das Kühlmodul kann eine quaderartige Form aufweisen.
  • Die Konsolidierungseinrichtung kann eine Laufmodulbasis aufweisen. Die Laufmodulbasis kann einen Aufnahmeraum aufweisen. Das Kühlmodul kann in dem Aufnahmeraum angeordnet sein. Der Aufnahmeraum kann von der Laufmodulbasis und dem Fügeteilkontaktmodul begrenzt sein. Das Kühlmodul kann vorspannkraftbeaufschlagt an dem Fügeteilkontaktmodul anliegen. Zwischen dem Kühlmodul und der Laufmodulbasis kann ein Elastikelement angeordnet und/oder wirksam sein. Das Elastikelement kann ein elastomeres Material, wie Silikon, aufweisen.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann aus einem Material hergestellt sein, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Gleitreibungszahl bei Paarung mit dem zu schweißenden Werkstoff aufweist. Das Fügeteilkontaktmodul kann aus einer Kupferlegierung mit Massenanteilen von mindestens 50% Kupfer und bis zu 40% Zink hergestellt sein.
  • Die Konsolidierungseinrichtung kann eine Kontrolleinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann eine elektrische Kontrolleinrichtung sein. Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren eines Kühlmittelstroms durch den wenigstens einen Kühlkanal ausgelegt und/oder angeordnet sein. Die Kontrolleinrichtung kann eine Pumpe, wenigstens einen Temperatursensor und ein elektronisches Kontrollmodul aufweisen.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann eine Fügeteilkontaktfläche aufweisen. Die Fügeteilkontaktfläche kann nach innen und/oder nach außen wölbbar sein. „Wölbbar“ bezeichnet vorliegend insbesondere eine Fügeteilkontaktfläche die bogenförmig geformt werden kann. Insofern bezeichnet „nach innen wölbbar“ vorliegend insbesondere eine Fügeteilkontaktfläche die bogenförmig konkav geformt werden kann, und „nach außen wölbbar“ vorliegend insbesondere eine Fügeteilkontaktfläche die bogenförmig konvex geformt werden kann.
  • Die Fügeteilkontaktfläche kann abschnittsweise nach innen und/oder nach außen wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann in einer Ebene oder räumlich wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann um eine Achse oder mehrere parallele Achsen wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann um eine Querachse oder mehrere zur Querachse parallele Achsen wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann um sich schneidende Achsen, insbesondere um zueinander senkrechte Achsen, wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann um eine Querachse oder eine zur Querachse parallele Achse und/oder um eine Längsachse oder eine zur Längsachse parallele Achse wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann ausgehend von einer ebenen Form wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann unterschiedlich stark wölbbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann zwischen einer maximal nach innen gewölbten Form und einer maximal nach außen gewölbten Form verstellbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann zwischen der maximal nach innen gewölbten Form und der maximal nach außen gewölbten Form liegende, weniger nach innen gewölbte Formen, eine ebene Form und weniger nach außen gewölbten Formen verstellbar sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann derart verstellbar sein, dass das Fügeteilkontaktmodul an Schweißbahnen mit konvexen und/oder konkaven Bahnabschnitten und/oder Flächenabschnitten angepasst ist.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann eine Aktuatoranordnung aufweisen. Die Aktuatoranordnung kann zum Wölben der Fügeteilkontaktfläche ausgelegt und/oder angeordnet sein. Die Fügeteilkontaktfläche kann mithilfe der Aktuatoranordnung wölbbar sein.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann mehrere Teilflächenelemente aufweisen. Die Teilflächenelemente können Abschnitten der Fügeteilkontaktfläche zugeordnet sein und/oder Abschnitten der Fügeteilkontaktfläche bilden. Die Teilflächenelemente können aneinandergereiht angeordnet sein. Die Teilflächenelemente können in Erstreckungsrichtung der Längsachse und/oder in Erstreckungsrichtung der Querachse aneinandergereiht angeordnet sein. Die Teilflächenelemente können verlagerbar sein. Die Teilflächenelemente können in Erstreckungsrichtung der Hochachse verlagerbar sein. Die Teilflächenelemente können linear geführt sein. Die Teilflächenelemente können in Erstreckungsrichtung der Hochachse linear geführt sein. Die Teilflächenelemente können mithilfe der Aktuatoranordnung verlagerbar sein.
  • Die Aktuatoranordnung kann mehrere Aktuatoren aufweisen. Die Aktuatoren können aneinandergereiht angeordnet sein. Die Aktuatoren können in Erstreckungsrichtung der Längsachse /oder in Erstreckungsrichtung der Querachse aneinandergereiht angeordnet sein. Die Aktuatoren können als Linearaktuatoren ausgeführt sein. Die Aktuatoren können jeweils eine zur Hochachse parallele Bewegungsrichtung aufweisen. Die Aktuatoren können zum Wölben der Fügeteilkontaktfläche und/oder zum Verlagern der Teilflächenelemente ausgelegt und/oder angeordnet sein. Das Fügeteilkontaktmodul kann für jedes Teilflächenelement einen Aktuator aufweisen. Jedes Teilflächenelement kann mithilfe eines Aktuators verlagerbar sein.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann ein flexibles Flächenelement aufweisen. Das Flächenelement kann der Fügeteilkontaktfläche zugeordnet sein und/oder die Fügeteilkontaktfläche bilden. Das Flächenelement kann sich über mehrere, insbesondere über alle Flächenelemente erstrecken. Das Flächenelement kann fügeteilkontaktflächenseitig an den Flächenelementen angeordnet sein. Das Flächenelement kann blattfederartig ausgeführt sein.
  • Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren der Aktuatoranordnung angeordnet und/oder ausgelegt sein. Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren der Aktuatoren angeordnet und/oder ausgelegt sein. Die Kontrolleinrichtung kann zum aufeinander abgestimmten Kontrollieren der Aktuatoren angeordnet und/oder ausgelegt sein.
  • Das Fügeteilkontaktmodul, das Kühlmodul und die Laufmodulbasis können miteinander fest und/oder lösbar verbunden, insbesondere verschraubt, sein. Die Konsolidierungseinrichtung kann ein Laufmodul aufweisen. Das Laufmodul kann das Fügeteilkontaktmodul, das Kühlmodul und/oder die Laufmodulbasis aufweisen. Das Fügeteilkontaktmodul, das Kühlmodul und/oder die Laufmodulbasis können/kann Teil eines Laufmoduls der Konsolidierungseinrichtung sein. Die Konsolidierungseinrichtung kann ein Basismodul aufweisen. Das Laufmodul kann mit dem Basismodul lenkbar verbunden sein.
  • Das Laufmodul kann mit dem Basismodul um eine Lenkachse lenkbar verbunden sein. Die Lenkachse kann koaxial oder parallel zur Hochachse angeordnet sein. Die Lenkachse kann die Fügeteilkontaktfläche schneiden.
  • Die Konsolidierungseinrichtung kann an der Fügeteilkontaktfläche einen Druckmittelpunkt und einen Spurpunkt aufweisen. Der Druckmittelpunkt kann ein gemeinsamer Schnittpunkt einer Druckachse und der Fügeteilkontaktfläche sein. Der Spurpunkt kann ein gemeinsamer Schnittpunkt der Lenkachse und der Fügeteilkontaktfläche sein. Der Druckmittelpunkt kann zumindest annähernd in einem Flächenschwerpunkt der Fügeteilkontaktfläche angeordnet sein. Der Spurpunkt kann anlaufseitig angeordnet sein. Der Spurpunkt kann von dem Druckmittelpunkt beabstandet sein. Der Spurpunkt kann von dem Druckmittelpunkt in Erstreckungsrichtung der Längsachse beabstandet sein. Damit kann das Laufmodul einen positiven Nachlauf aufweisen.
  • Das Laufmodul kann relativ zu dem Basismodul verschwenkbar angeordnet sein. Das Laufmodul kann um eine Schwenklängsachse und/oder um eine Schwenkquerachse verschwenkbar angeordnet sein. Die Schwenklängsachse kann koaxial oder parallel zur Längsachse angeordnet sein. Die Schwenkquerachse kann koaxial oder parallel zur Querachse angeordnet sein. Das Laufmodul kann ausgehend von einer Mittellage, in der die Fügeteilkontaktfläche rechtwinklig zur Hochachse ausgerichtet ist, verschwenkbar sein.
  • Die Vorrichtung ist zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen ausgelegt und/oder anordenbar, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die Vorrichtung kann zum Ultraschallschweißen von miteinander zu verbindenden Fügeteilen ausgelegt sein. Die zu verbindenden Werkstoffe können Werkstoffe der zu verbindenden Fügeteile sein. Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen von zu verbindenden Werkstoffen und/oder zu verbindenden Fügeteilen ausgelegt und/oder anordenbar sein. Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen thermischen Fügen und/oder zum kontinuierlichen stoffschlüssigen Verbinden ausgelegt und/oder anordenbar sein. Die Vorrichtung kann zum automatisierten kontinuierlichen Ultraschallschweißen ausgelegt, anordenbar und/oder bewegbar sein.
  • Die zu verbindenden Werkstoffe können thermoplastische Kunststoffe sein oder thermoplastische Kunststoffe enthalten. Die zu verbindenden Werkstoffe können aus einem Verbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Komponente bestehen oder einen Verbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Komponente enthalten. Der Verbundwerkstoff kann ein Faserverbundwerkstoff sein. Der Verbundwerkstoff kann Verstärkungsfasern und ein Matrixmaterial aufweisen. Die Verstärkungsfasern können in das Matrixmaterial eingebettet sein. Der Verbundwerkstoff kann organische Fasern, wie Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, Polymethylmethacrylat-Fasern und/oder anorganische Fasern, wie Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, aufweisen. Die Verstärkungsfasern können Langfasern und/oder Kurzfasern sein. Die Verstärkungsfasern können gerichtet angeordnet sein. Die Verstärkungsfasern können als Bündel, Gewebe, Gewirk, Gelege oder Matte angeordnet sein. Das Matrixmaterial kann einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Das Matrixmaterial kann Polyetheretherketon (PEEK), Polyaryletherketon (PAEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweisen. Die zu verbindenden Werkstoffe können aus einem Metall bestehen oder ein Metall enthalten. Bei den Fügeteilen kann es sich insbesondere um Automobilbauteile, Bauteile für die Luftfahrt, insbesondere Flugzeugbauteile, oder Bauteile für die Raumfahrt handeln.
  • Die miteinander zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile können einander zugeordnete Fügekontaktflächen aufweisen. Die Fügekontaktflächen können eben sein. Die Fügekontaktflächen können einfach oder mehrfach gekrümmte Flächenabschnitte aufweisen. Die Fügekontaktflächen können konvex oder konkav gewölbte Flächenabschnitte aufweisen. Die Fügekontaktflächen der zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile können aneinander anliegen. Die Fügezone kann an den Fügekontaktflächen der zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile angeordnet sein. Die Fügezone kann sich ausgehend von den Fügekontaktflächen der zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile in den Werkstoff und/oder in das Fügeteil-Material hinein erstrecken. Die Fügezone kann eine zu verschweißende oder verschweißte Zone sein. Die Fügezone kann eine die Fügeteile verbindende Zone sein.
  • Die Vorrichtung kann dazu ausgelegt und/oder anordenbar sein, die zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile mit ihren Fügekontaktflächen aneinander anzuordnen, relativ zueinander zu bewegen, zueinander zu positionieren, aneinanderzupressen, zu halten, zu kompaktieren, zu erwärmen, zu plastifizieren, und/oder zu konsolidieren. Die Vorrichtung kann dazu ausgelegt und/oder anordenbar sein, die zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile mit einem Haltedruck, einem Kompaktierungsdruck, einem Schweißdruck, Schweißultraschallschwingungen, einem Konsolidierungsdruck und/oder einer Konsolidierungstemperatur zu beaufschlagen.
  • Die Vorrichtung weist eine Vorrichtungsbasis, ein Kompaktiermodul, eine Sonotrode, und die erfindungsgemäße Konsolidierungseinrichtung auf. Die Vorrichtung kann ein Verbindungsmodul, einen Ultraschallgenerator, eine Antriebseinrichtung und/oder eine Kontrolleinrichtung aufweisen. Die Vorrichtung kann als Effektor für einen Roboter ausgelegt sein.
  • Die Vorrichtungsbasis kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, das Kompaktiermodul, die Sonotrode und die Konsolidierungseinrichtung zu tragen, zu halten und/oder zu positionieren. Die Vorrichtungsbasis kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, den Verbindungsmodul, den Ultraschallgenerator, die Antriebseinrichtung und/oder die Kontrolleinrichtung zu tragen und/oder zu halten.
  • Das Kompaktiermodul kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, vor einem Erwärmen und/oder Plastifizieren die zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile gegen eine Arbeitsfläche zu drücken, die Fügekontaktflächen der zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile zusammenzudrücken, einen Fügespalt zu minimieren, die zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile zu halten und/oder einen Kompaktierungsdruck aufzubringen. Das Kompaktiermodul kann eine Kompaktierrolle aufweisen.
  • Das Verbindungsmodul kann zum Verbinden der Vorrichtung mit einem Roboter ausgelegt und/oder angeordnet sein. Das Verbindungsmodul kann eine mechanische Schnittstelle, eine Leistungsschnittstelle und/oder eine Kontrollschnittstelle aufweisen. Die mechanische Schnittstelle kann flanschförmig ausgeführt sein. Die Leistungsschnittstelle kann zur elektrischen, pneumatischen und/oder hydraulischen Energieübertragung ausgelegt und/oder angeordnet sein. Die Kontrollschnittstelle kann zum Übertragen elektrischer Signale ausgelegt und/oder angeordnet sein.
  • Der Ultraschallgenerator kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, Schweißultraschallschwingungen zu generieren. Die Sonotrode kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, die Schweißultraschallschwingungen in die Fügezone einzuleiten, um die zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile in der Fügezone zu erwärmen und/oder zu plastifizieren. Die Sonotrode kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, einen Schweißdruck auf die Fügeteile aufzubringen.
  • Die Antriebseinrichtung kann zum Bewegen des Kompaktiermoduls, der Sonotrode und/oder der Konsolidierungseinrichtung ausgelegt und/oder angeordnet sein. Die Antriebseinrichtung kann dazu ausgelegt und/oder angeordnet sein, das Kompaktiermodul, die Sonotrode und/oder die Konsolidierungseinrichtung relativ zueinander und/oder relativ zu der Vorrichtungsbasis zu bewegen.
  • Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen in einer Schweißrichtung ausgelegt, anordenbar und/oder bewegbar sein. Das Kompaktiermodul, die Sonotrode und die Konsolidierungseinrichtung können in Schweißrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sein. Das Kompaktiermodul, die Sonotrode und die Konsolidierungseinrichtung können derart aufeinander folgend angeordnet sein, dass bei einem Schweißen in Schweißrichtung zunächst das Kompaktiermodul, nachfolgend die Sonotrode und nachfolgend die Konsolidierungseinrichtung wirksam werden können.
  • Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen Herstellen von Ultraschallschweißnähten ausgelegt, anordenbar und/oder bewegbar sein. Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen Herstellen von Ultraschallschweißnähten mit einer vorgegebenen Breite ausgelegt, anordenbar und/oder bewegbar sein. Das Kompaktiermodul, die Sonotrode und/oder die Konsolidierungseinrichtung können vollständig oder teilweise auswechselbar sein, um die Vorrichtung zum Herstellen von Ultraschallschweißnähten mit unterschiedlichen Geometrien anzupassen. Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen Herstellen von Ultraschallschweißnähten mit einer Breite b≥ 10mm, insbesondere b≥20mm, insbesondere b≥30mm, insbesondere b≥40mm, insbesondere b≥50mm, insbesondere b≥60mm, insbesondere b≥70mm, insbesondere b≥80mm, insbesondere b≥90mm, insbesondere b≥100mm, ausgelegt, anpassbar, anordenbar und/oder bewegbar sein.
  • Die Vorrichtung kann zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen entlang von Schweißbahnen mit geraden, ebenen, kurvigen, konvex gewölbten und/oder konkav gewölbten Bahnabschnitten und/oder Flächenabschnitten ausgelegt, anordenbar und/oder bewegbar sein.
  • Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Heatsink-Kühlung beim Prozess des Ultraschallschweißens von thermoplastischen Kompositmaterialien.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann als Heatsink ausgelegt und/oder angeordnet sein. Insofern wird vorliegend das Fügeteilkontaktmodul auch als Heatsink bezeichnet. Das Fügeteilkontaktmodul kann auch als Schlitten, Messingschlitten oder Messingstück bezeichnet werden. Die Heatsink ist aktiv kühlbar. Zu diesem Zweck kann die Heatsink mit Kühlflüssigkeit durchströmbar sein. Um diese Kühlung zu realisieren kann ein Metallklotz 3D-gedruckt werden. Der Metallklotz kann auch als Kühlmodul bezeichnet werden. Dieser Metallklotz kann Hohlräume, eine Zuleitung und eine Ableitung aufweisen, die einen Kühlwasserstrom ermöglichen. Der Klotz kann auf dem Messingschlitten der Heatsink angeordnet sein und diesen aktiv von oben abkühlen. Bei einer Schweißung kann ein Kühler für Kühlwasser aktiviert werden. Dieser kann Kühlflüssigkeit mit einer voreingestellten Temperatur durch ein Schlauchsystem zur Heatsink pumpen, sodass deren innere Struktur durchströmt wird. Mit Beginn des Schweißprozesses fängt die Heatsink an, sich zu erwärmen. Der Messingschlitten unten an der Heatsink leitet die Wärme ab. Durch das Kühlen des Messingstücks von oben mit der Kühlflüssigkeit wird ein Teil der entstehenden Wärme abgeleitet und ein weiteres Aufzuheizen kann reduziert oder verhindert werden.
  • Das Fügeteilkontaktmodul kann schichtweise mit Kühlkanälen gedruckt werden. Ein Schichtaufbau kann von unten nach oben erfolgen. Es können abwechselnd Kühlkanäle und Abdichtungsschichten hergestellt werden. Die Abdichtungsschichten können die Schichten der Kanäle voneinander trennen. Die Abdichtungsschichten können jeweils eine Bohrung, die den Kühlmittelfluss in die nächste Kühlkanalschicht ermöglicht, aufweisen.
  • Mit der Erfindung wird eine Qualität von ultraschallgeschweißten Bauteilen verbessert. Ein Aufwand, wie Zeitaufwand, wird reduziert. Eine Prozesssicherheit wird erhöht. Eine Automatisierung wird erleichtert ermöglich. Eine Wärmeableitung aus der Fügezone wird verbessert. Eine Wärmeableitung ist kontrollierbar und kann beschleunigt werden. Mehrere Schweißungen in kurzem zeitlichem Abstand und/ oder Schweißungen mit größeren Längen werden ermöglicht. Eine Variabilität von Schweißbedingungen kann reduziert werden.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:
    • 1 eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen mit einem Kompaktiermodul, einer Sonotrode und einer Konsolidierungseinrichtung,
    • 2 eine Konsolidierungseinrichtung einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen,
    • 3 eine Laufmodulbasis und ein Fügeteilkontaktmodul einer Konsolidierungseinrichtung und
    • 4 ein Kühlmodul eines Laufmoduls einer Konsolidierungseinrichtung.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen mithilfe eines Roboters. Die Vorrichtung 100 weist eine Vorrichtungsbasis 102, ein Verbindungsmodul, ein Kompaktiermodul 104, eine Sonotrode 106 und eine Konsolidierungseinrichtung 108 mit einem lenkbaren Laufmodul auf. Die Vorrichtung 100 dient dazu, Werkstoffe bzw. Fügeteile 110, 112 unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone 114 miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Dazu wird die Vorrichtung 100 in einer Schweißrichtung 116 entlang einer Schweißbahn bewegt, wobei mithilfe des Kompaktiermoduls 104 ein Kompaktierungsdruck aufgebracht wird, um die Fügeteile 110, 112 gegen eine Arbeitsfläche 118 zu drücken, die Fügekontaktflächen der Fügeteile 110, 112 zusammenzudrücken und einen Fügespalt zu minimieren, mithilfe der Sonotrode 106 ein Schweißdruck auf die Fügeteile 110, 112 aufgebracht und Schweißultraschallschwingungen in die Fügezone 114 eingeleitet werden, um die Fügeteile 110, 112 in der Fügezone 114zu erwärmen, zu plastifizieren und stoffschlüssig zu verbinden, und mithilfe der Konsolidierungseinrichtung 108 während einem Abkühlen ein Konsolidierungsdruck aufgebracht wird, um die Fügeteile 110, 112 bis zum Erstarren der Werkstoffe gegen die Arbeitsfläche 118 zu drücken und die Fügekontaktflächen der Fügeteile 110, 112 zusammenzudrücken.
  • 2 zeigt eine Konsolidierungseinrichtung 200, wie Konsolidierungseinrichtung 108 gemäß 1, einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen. Die Konsolidierungseinrichtung 200 weist ein Basismodul 202 und ein Laufmodul 204 mit einer Laufmodulbasis 206, einem Fügeteilkontaktmodul 208 und einem in der Laufmodulbasis 206 aufgenommenen und an dem Fügeteilkontaktmodul 208 wärmeleitend angeordneten Kühlmodul auf. Die Konsolidierungseinrichtung 200 weist eine Längsachse 210, eine Querachse 212 und eine Hochachse 214 auf. Das Fügeteilkontaktmodul 208 bildet einen zu verbindenden Werkstoffen oder Fügeteilen zugewandten Abschnitt der Konsolidierungseinrichtung 200, weist eine ebene, anlaufseitig kufenartig gekrümmte Fügeteilkontaktfläche 216 auf und ist aus Messing hergestellt. Im Übrigen wird ergänzend auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • 3 zeigt eine Laufmodulbasis 300, wie Laufmodulbasis 206 gemäß 2, und ein Fügeteilkontaktmodul 302, wie Fügeteilkontaktmodul 208 gemäß 2, einer Konsolidierungseinrichtung. Die Laufmodulbasis 300 und das Fügeteilkontaktmodul 302 sind miteinander verschraubt und begrenzen einen Aufnahmeraum 304 für das Kühlmodul. Das Kühlmodul 306 ist in 4 gezeigt, weist einen Kühlkanal 308 mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass auf und ist in einem additiven Fertigungsverfahren aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Zwischen dem Fügeteilkontaktmodul 302 und dem Kühlmodul 306 ist eine Dichtung 310, vorliegend eine Flachdichtung, angeordnet. Zwischen der Laufmodulbasis 300 und dem Kühlmodul 306 ist Silikon als Elastikelement angeordnet. Damit liegt das Kühlmodul 306 vorspannkraftbeaufschlagt an dem Fügeteilkontaktmodul 300 an, sodass eine Wärmeleitung gewährleistet ist.
  • Das Kühlmodul 306 dient zum aktiven Kühlen des Fügeteilkontaktmoduls 302 während einem Zusammendrücken miteinander zu verbindenden Werkstoffe und/oder Fügeteile. Dazu wird mithilfe einer Pumpe ein Kühlmittelstroms durch den Kühlkanal 308 bewegt. Im Übrigen wird ergänzend auf 1 und 2 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
  • Aus den mit der Beschreibung, insbesondere Absätze [0006] bis [0041] und [0043] bis [0046], offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
  • Bezugszeichen
    • 100
    Vorrichtung
    102
    Vorrichtungsbasis
    104
    Kompaktiermodul
    106
    Sonotrode
    108
    Konsolidierungseinrichtung
    110
    Fügeteil
    112
    Fügeteil
    114
    Fügezone
    116
    Schweißrichtung
    118
    Arbeitsfläche
    200
    Konsolidierungseinrichtung
    202
    Basismodul
    204
    Laufmodul
    206
    Laufmodulbasis
    208
    Fügeteilkontaktmodul
    210
    Längsachse
    212
    Querachse
    214
    Hochachse
    216
    Fügeteilkontaktfläche
    300
    Laufmodulbasis
    302
    Fügeteilkontaktmodul
    304
    Aufnahmeraum
    306
    Kühlmodul
    308
    Kühlkanal
    310
    Flachdichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10 2020 107 186 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) für eine Vorrichtung (100) zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone (114) miteinander stoffschlüssig verbunden werden und die Konsolidierungseinrichtung (108, 200) zum Aufbringen eines Konsolidierungsdrucks ausgelegt und/oder anordenbar ist, die Konsolidierungseinrichtung (108, 200) aufweisend ein Fügeteilkontaktmodul (208, 302), dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierungseinrichtung (108, 200) ein Kühlmodul (306) zum aktiven Kühlen des Fügeteilkontaktmoduls (208, 302) aufweist.
  2. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (306) wenigstens einen Kühlkanal (308) mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass aufweist.
  3. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (306) in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt ist.
  4. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierungseinrichtung (108, 200) eine Laufmodulbasis (206, 300) mit einem Aufnahmeraum (304) aufweist und das Kühlmodul (306) in dem Aufnahmeraum (304) angeordnet ist.
  5. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (306) vorspannkraftbeaufschlagt an dem Fügeteilkontaktmodul (208, 302) anliegt.
  6. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteilkontaktmodul (208, 302) aus einem Material hergestellt ist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Gleitreibungszahl bei Paarung mit dem zu schweißenden Werkstoff aufweist.
  7. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierungseinrichtung (108, 200) eine Kontrolleinrichtung zum Kontrollieren eines Kühlmittelstroms durch den wenigstens einen Kühlkanal (308) aufweist.
  8. Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung eine Pumpe, wenigstens einen Temperatursensor und ein elektronisches Kontrollmodul aufweist.
  9. Vorrichtung (100) zum kontinuierlichen Ultraschallschweißen, wobei Werkstoffe unter Einwirkung von Schweißultraschall und Druck in einer Fügezone (114) miteinander stoffschlüssig verbunden werden, die Vorrichtung (100) aufweisend eine Vorrichtungsbasis (102), ein Kompaktiermodul (104) und eine Sonotrode (106), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Konsolidierungseinrichtung (108, 200) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) als Effektor für einen Roboter ausgelegt ist.
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