VERFAHREN ZUM ULTRASCHALLSCHWEISSEN ZWEIERKUNSTSTOFF-BAUTEILE

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten zweier aufeinandersitzender Kunststoff-Bauteile für ihr Verschweißen mittels Torsional-Ultraschall- Reibschweißen.

Das bekannte Torsional-Ultraschall-Reibschweißen wird üblicherweise zum Verbinden von rotationssymmetrischen Kunststoff-Bauteilen in solchen Fällen eingesetzt, in denen hohe Anforderungen an die Dichtheit der Verbindung und an eine geringe thermische Belastung der zu verschweißenden Bauteile gestellt werden. Beispiele hierfür sind das Dichtschweißen von Gehäusen mit innenliegenden elektronischen Geräten und das Verschweißen nicht sortenreiner Kunststoffe, die der thermischen Belastung bei Sterilisation standhalten müssen, wie z.B.

Schlauchverbindungen in der Medizin.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die geometrische Gestaltung der zu fügenden Kunststoff- Bauteilen eine Schweißgeometrie der Fügepartner im Schweißbereich erhalten wird, die auch bei nicht rotationssymmetrischen Bauteilen einen stabilen und sicheren Schweißprozess beim Torsional-Ultraschall-Reibschweißen gewährleistet und zu einer hochdichten Verbindung der Fügepartner führt. Dabei werden ggf. in dem einen oder anderen Bauteil enthaltene, temperaturempfindliche Teile, wie z.B. elektrische oder elektronische Komponenten, nicht beschädigt. Die erfindungsgemäß konzipiert und hergestellte Schweißgeometrie mit erhabener Kontaktzone zum Aufsetzen der Sonotrode des Schweißgeräts und Energierich- tungsgeber zur Kraft- und Energieeinleitung in die Schweißzone stellt sicher, dass beim Schweißen die Kraft- und Energieübertragung von der Sonotrode des Schweißgeräts senkrecht von der Kontaktfläche auf die Schweißzone erfolgt und damit maximale Energie in die Schweißzone eingeleitet wird. Die Materialnase schmilzt auf und stellt die stoffschlüssige Verbindung her, wobei durch die Schweißgeometrie auch gewährleistet ist, dass die Schmelze nicht aus der Ausnehmung im ersten Bauteil austritt und radial oder axial vorstehende Kunststoffgrate bildet oder in dem einen oder anderen Bauteil enthaltene, empfindliche Elemente, wie Schleifkontakte, elektronische Bauelemente u.dgl., durch Einfließen in dieses Bauteil schädigt.

Durch die in den Ansprüchen 2 bis 6 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Insgesamt wird durch die angegebenen Maßnahmen eine Optimierung des Schweißergebnisses erzielt, so z. B. eine Optimierung des Kraft- und Energieflusses von der Kontaktfläche zur Schweißzone und eine optimale Füllung der Ausnehmung mit dem schmelzenden Material der Materialnase und ein Vermeiden des Austretens der Schmelze an der Stirnseite oder am Umfang des ersten Bauteils.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbereitete und anschließend verschweißte Baugruppe aus zwei bündig aufeinandersitzenden Kunststoff- Bauteilen ist im Anspruch 7 mit vorteilhaften Ausbildungen in den Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels einer zu verschweißenden Baugruppe aus zwei Kunststoff-Bauteilen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: einen Längsschnitt einer Baugruppe aus zwei aufeinanderge- setzten, zum Schweißen vorbereiteten Kunststoff-Bauteilen, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Baugruppe in Richtung Pfeil II in Fig. 1 ,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in Fig. 1 ,

Fig. 4 einen Längsschnitt der Baugruppe in Fig. 1 nach Verschweißen der beiden Bauteile und vor Abnehmen der Sonotrode des Schweißgeräts. Das Verfahren zum Vorbereiten zweier aufeinandersitzender Kunststoff-Bauteile für das Verschweißen dieser Bauteile mittels des bekannten Torsional- Ultraschall-Reibschweißens ist nachfolgend anhand einer in Fig. 1 dargestellten Baugruppe aus zwei Kunststoff-Bauteilen 1 1 , 12 beschrieben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt das erste Bauteil 1 1 ein stirnseitig offenes Gehäuse, z.B. zur Aufnahme eines Drosselklappengebers in Form eines Keramik-

Potentiometers, und das zweite Bauteil 12 einen das Gehäuse verschließenden Flachdeckel, der auf dem Stirnrand des Gehäuses aufliegt, dar. Beide Bauteile 1 1 , 12 sind hier nicht rotationssymmetrisch und sitzen bündig aufeinander. Um mit dem bekannten Torsional-Ultraschall-Reibschweißen eine zuverlässige, hochdichte Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1 1 , 12 zu erzielen, werden diese Bauteile 1 1 , 12 im Bereich ihrer Schweißzone mit einer wie folgt gestalteten Schweißgeometrie versehen: In den Umfang des ersten Bauteils 1 1 wird eine zur Stirnseite des ersten Bauteils

1 1 hin offene Ausnehmung 13 eingebracht, die eine axial ausgerichtete Begrenzungswand 131 und eine rechtwinklig dazu radial ausgerichtete Begrenzungswand 132, im folgenden kurz axiale Begrenzungswand 131 und radiale Begrenzungswand 132 genannt, aufweist (Fig. 3). An das zweite Bauteil 12 wird einer- seits auf der dem ersten Bauteil 1 1 zugekehrten Seite eine umlaufende, axial abstehende Materialnase 14 als Energierichtungsgeber angeformt. An das zweite Bauteil 12 wird andererseits auf der vom ersten Bauteil 1 1 abgekehrten Seite in axialer Verlängerung der Materialnase 14 eine erhabene Kontaktzone 15 mit einer planen Oberfläche angeformt, die im Ausführungsbeispiel längs des Bauteil- rands verläuft. Die plane Oberfläche bildet eine Kontaktfläche 151 zum Aufsetzen des Schweißwerkzeugs. Wie in Fig. 1 und vergrößert in Fig. 3 zu sehen ist, wer- den die beiden Bauteile 1 1 , 12 vor dem Verschweißen so gefügt, dass die Materialnase 14 in die Ausnehmung 13 hineinragt und dabei an der axialen Begrenzungswand 131 anliegt und auf der radialen Begrenzungswand 132 aufsitzt. Die Anformung der Kontaktzone 15 wird im dargestellten Ausführungsbeipiel so vorgenommen, dass die Kontaktzone 15 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, dessen längere Grundlinie bündig mit dem Außenrand des zweiten Bauteils 12 endet und dessen kürzere Grundlinie in der Kontaktfläche 151 liegt. Der Trapezquerschnitt der Kontaktzone 15 wird dabei so an den Querschnitt der Ausnehmung 13 im ersten Bauteil 1 1 angepasst, dass die längere Grundlinie des

Trapezquerschnitts deutlich größer ist als die radiale Tiefe der Ausnehmung 13.

Die Anformung der umlaufenden Material nase 14 an das erste Bauteil 1 1 ist so vorgenommen, dass die Materialnase 14 einen Querschnitt in Form eines recht- winkligen Dreiecks mit ungleich langen Katheten aufweist. Dabei wird die Materialnase 14 so ausgerichtet, dass beim Fügen der beiden Bauteile 1 1 , 12 die längere Kathete 141 an der axialen Begrenzungswand 131 der Ausnehmung 13 im zweiten Bauteil 12 anliegt und die Dreieckspitze auf der radialen Begrenzungswand 132 der Ausnehmung 13 im ersten Bauteil 1 1 aufsitzt. Die Abmessungen der Ausnehmung 13 im ersten Bauteil 1 1 und der Querschnitt der Materialnase

14 am zweiten Bauteil 12 werden so aufeinander abgestimmt, dass die längere Kathete 141 größer ist als die Höhe der axialen Begrenzungswand 131 und die kürzere Kathete des Querschnitts der Materialnase 14 kleiner ist als die radiale Tiefe der Ausnehmung 14.

Die wie vorstehend beschrieben vorbereiteten und wie in Fig. 1 dargestellt gefügten beiden Bauteile 1 1 , 12 werden in das Schweißgerät eingesetzt, in dem das erste Bauteil 1 1 in einer Halterung festgelegt und auf das zweite Bauteil 12 ein Schweißwerkzeug, die sog. Sonotrode 16 des Schweißgeräts, aufgesetzt wird (Fig. 4). Die Sonotrode 16 liegt dabei ausschließlich auf der Kontaktfläche 151 der Kontaktzone 15 am zweiten Bauteil 12 auf. Beim Schweißprozess wird die Energie der Sonotrode 16 von der Kontaktfläche 151 senkrecht an die als Energierichtungsgeber fungierende Materialnase 14 weitergeleitet. Damit schmilzt ein Teil des Materials der Materialnase 14 auf und stellt eine stoffschlüssige Verbin- dung zu den die Ausnehmung 13 begrenzenden Begrenzungswänden 131 , 132 im ersten Bauteil 1 1 her. Durch die Gestaltung der Materialnase 14 schmilzt nur soviel Material auf, dass die Schmelze zwar die Ausnehmung 13 auffüllt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, aber nicht nach außen quillt, so dass an der Stirnseite und am Umfang des ersten Bauteils 1 1 keine Kunststoffgrate herausstehen. Nach Abschluss des Schweißprozesses wird die Sonotrode 16 (Fig. 4) entfernt und die Baugruppe aus den beiden fest und mit hoher Dichtheit miteinander verbundenen Bauteilen 1 1 , 12 aus der Halterung des Schweißgeräts entnommen. Durch den Schweißprozess hat sich die Profilierung der Oberfläche der Sonotrode 16 in der Kontaktfläche 151 der Kontaktzone 15 abgebildet, so dass die Kontaktzone 15 nach Entnahme aus dem Schweißgerät ein dem Negativ der Sonotroden-Profilierung entsprechendes Oberflächenmuster zeigt. Die umlaufende Ausnehmung 13 ist vollständig mit Material ohne Gratbildung ausgefüllt, so dass eine nachträgliche Bearbeitung der Schweißzone an der geschweißten Baugruppe nicht erforderlich ist.