Vorteile Kunststoffschweißen durch Ultraschall: präziser, effizienter, umweltfreundlicher, ...

Im Gegensatz zu vielen verschiedenen Möglichkeiten, thermoplastische Kunststoffe miteinander zu verbinden, sind beim Einsatz der Ultraschall-Technologie einige Vorteile hervorzuheben: Schneller, sicherer, sauberer, effizienter, umweltfreundlicher, präziser, transparenter uvm.

Es ist schnell klar, die Ultraschallfügetechnologie ist für jede Branche ein Gewinn – auch in anspruchsvollen Branchen wie der Medizintechnik, im Food&Packaging, Automotive oder bei Hygieneprodukten.

KUNSTSTOFFSCHWEISSEN EINFACH ERKLÄRT

Ultraschall-Schweißverbindungen stellen eine optimale und effiziente Lösung zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoffen dar.

Merkmale wie Energieeffizienz, Dichtigkeit und hohe Reproduzierbarkeit sind hier vor allem für oben genannte Branchen unabdingbar. Voraussetzung sind immer optimal gestaltete Fügeteile (durch den Kunden)

Unter Krafteinwirkung werden longitudinale Schwingungen mit Frequenzen von 20-40 kHz und Schweißamplituden von 10-60 μm in die Kunststoffteile eingeleitet. Der Kunststoff schmilzt auf und die beiden Fügeteile verbinden sich miteinander. Es entsteht eine stoffschlüssige Verbindung in der Schweißnaht.

Durch die optimale Gestaltung der Bauteile können sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Die Energiefokussierung, die durch das intelligente Bauteildesign erreicht wird, ist dabei der Schlüssel zum Erfolg. Die verbundenen Teile sind anschließend sofort weiter verarbeitbar für die kommenden Prozessschritte.

Lesen Sie hier weitere Details zum Bereich Medizintechnik..

VERFAHRENSARTEN

Longitudinales Ultraschall-Schweißverfahren

Das Verfahren basiert auf einer pulsierenden, sehr schnellen, Längenänderung der Sonotrode im Bereich von 15 bis 60 µm. Die Ultraschallenergie wird dadurch im 90° Winkel zur Sonotrodenanlagefläche in das Bauteil eingeleitet. Die Energie fokussiert sich dann in der optimal konstruierten Schweißebene und bringt das thermoplastische Material zum Schmelzen. Nach Erkalten der Schmelze entsteht dann eine solide Verbindung.
Meist angewendetes Verfahren im Bereich Ultraschall-Schweißen von Thermoplasten.

Torsionales Ultraschall-Schweißverfahren

Auch bei diesem Verfahren setzt die Sonotrode im 90° Winkel auf dem Bauteil auf. Das Verfahren basiert auf einer pulsierenden, sehr schnellen Rotationsbewegung im Bereich von 15 bis 60 µm. Die Fügeteile machen dadurch eine Relativbewegung zueinander. In der entsprechend konstruierten Schweißebene wird das Material zum Schmelzen gebracht. Nach Erkalten der Schmelze entsteht dann eine solide Verbindung.
Vorteil dieser Technik ist die geringere Belastung der Teile durch die rotative Energieeinleitung. Der Prozess eignet sich deshalb für sensible Fügeteile, Folien und Membranen.

DIE VORTEILE VON KUNSTSTOFFSCHWEISSEN

+ Sehr kurze Prozesszeiten
+ Geringe thermische Beeinträchtigung des Bauteils und des Umfeldes durch Schweißwerkzeuge nahe der Umgebungstemperatur.
+ Geringer Energiebedarf beim Schweißen und somit hoher Wirkungsgrad
+ Keine Lösungsmittel und Zusätze notwendig (sortenreines Recycling)
+ Über verschiedenste Möglichkeiten der Parametrierung werden konstante, reproduzierbare Schweißergebnisse ermöglicht
+ Unterschiedliche thermoplastische Materialien können teilweise miteinander verschweißt werden
+ Die Schweißwerkzeuge erhitzen sich nicht, dadurch reduzieren sich Rüst- und Abrüstzeiten. entfallen Aufwärm- und Abkühlzeiten und die Werkzeuge können schnell gewechselt werden
+ Keine Verletzungsgefahr durch heiße Maschinenteile
+ Sehr gute Integrierbarkeit in Automatisierungssysteme
+ Möglichkeit der intelligenten Vernetzung und Selbststeuerung – Industrie 4.0

NAHTGESTALTUNG

Verbindungsmöglichkeiten beim Schweißen von Kunststoff

Schweißnaht ohne Optimierung

Große Kontaktfläche
Undefinierte Flächenschweißung
Hoher Leistungsbedarf
Hoher Energieeintrag
Sehr geringe Festigkeit

Optimierte Nahtgestaltung

Kleine, definierte Kontaktfläche
Gute Vermischung der Schmelze im Nahtbereich
Kurze Schweißzeit
Geringe thermische Belastung
Kleiner Kraft und Leistungsbedarf
Hohe Festigkeit

Kriterien zur Schweißnahtgestaltung

Die konstruktive Schweißnahtgestaltung muss den Anforderungen an die Schweißverbindung gerecht werden. Bestehende Teile, die nicht speziell für das Schweißen mit Ultraschall konstruiert wurden, sind meist ungeeignet.

Grundlegende Bauteilanforderungen bestimmen oft die Auswahl der Verbindung und damit das Bauteildesign:

Werkstoff
Optik (Schmelzaustrieb außen, Abdrücke)
Parallelität
Vermeidung von Kunststoffpartikeln und Schmelze im Innern des Bauteils
Dichtigkeit (Gas, Öl, Flüssigkeiten)
Belastbarkeit der Naht auf Zug, Scherung, Druck
Innenbauteile

Lage der Fügezone
Passungsspiel von Ober- und Unterteil
Ankoppelfläche der Sonotrode
Freier Einsinkweg (Schweißweg)
Abstützung/Auflage in der Werkstückaufnahme
Positionierung der zu verschweißenden Bauteile

Übersicht Schweißnaht-Varianten

Stumpfnaht (Einfacher Energierichtungsgeber)
Stufennaht
Nut-/Federnaht
Quetschnaht

Zapfenschweißen (Quetschnahtvariante)
Dünnwandnaht (V-Naht)
Nahtgestaltungen mit eingelegter Dichtung

Stumpfnaht

Stufennaht

Nut/Feder-Naht

Quetschnaht

V-Naht

mit eingelegter Dichtung

Stumpfnaht (Einfacher Energierichtungsgeber)

Einsatz vorwiegend bei amorphen Kunststoffen
Stellt keine großen Anforderungen an den Spritzguss

Stufennaht

Selbstzentrierend
Hohe Festigkeit
Gute Optik von außen
Optional optische Aufwertung durch Schattenfugen

Nut-/Federnaht

Sehr hohe Festigkeit
Selbstzentrierend
Sehr gute Optik, kein Schmelzaustrieb sichtbar
Schmelze wird in der Fügezone gehalten (Kapillareffekt)

Quetschnaht

Selbstzentrierend
Sehr hohe Festigkeit
Bevorzugt bei Dichtschweißung
Auch für dünnwandige Teile bewährt
Geeignet für Scher- und Torsionsbeanspruchung
Besonders für teilkristalline Thermoplasten geeignet, insbesondere für PA und POM
Sehr gute Optik, die Schmelze wird in der Fügezone gehalten

Zapfenschweißen (Variante der Quetschnaht)

Selbstzentrierend
Hohe Festigkeit
Kein Schweißaustrieb
Kurze Schweißzeiten bei geringer Schweißenergie
Für dünnwandige Teile geeignet, die keine Nahtgestaltung zulassen

Nahtgestaltung mit eingelegter Dichtung

Hermetisch dichte Verbindung durch Dichtelement
Wegfall von Verbindungselementen
Dauerfeste Verbindung durch Ultraschall-Schweißnaht

Dünnwandnaht (V-Naht)

Selbstzentrierend, definierte Auflage
Dichte Verschweißung
Hohe Festigkeitswerte
Material wird in der Fügezone gehalten
Gute Optik

Fügevarianten

Punktschweißen

Keine Nahtgestaltung erforderlich
Die Sonotrodenspitze durchdringt die obere Platte bzw. das Formteil bis 1/3 max. 1/2 ins untere Material
Ringförmige Verpressung des plastifizierten Materials um die Sonotrodenspitze

Verkrallen

Membrane (DAE-Membrane)
Vliesstoff, Filter, Dämmmatten

Nieten

Formschlüssige Verbindung von Thermoplasten mit Fremdmaterial
Spaltfreie und feste Verbindung
Rückstellelastizität des Kunststoffs wird überwunden

Hohlnietform	Vollnietform	Längsnietform

Bördeln

Variante des Nietens
Zur Verbindung artfremder Materialien
Formschlüssige Verbindung
Schmelzfluss wird durch Sonotrodengeometrie und Anstellwinkel der Sonotrode bestimmt

Ultraschallstanzen

Es können auch lackierte Flächen ohne Beschädigung gestanzt werden
Im gleichen Zug können an der Stanzkante Radien angeprägt werden

Einbetten

Formschlüssige Verbindung
Metall in Kunststoff
Holz in Kunststoff
Kunststoff mit niedrigerem Schmelzpunkt in Kunststoff mit höherem Schmelzpunkt z.B. POM in ABS