Vorteile Ultraschallschweißen: schneller, sicherer, sauberer, effizienter
Schneller, sicherer, sauberer, effizienter, umweltfreundlicher, präziser, transparenter, … die Liste ist lang. Die Ultraschall-Technologie setzt sich in vielen Branchen durch. Kein Wunder, denn kaum eine Technologie lässt sich so vielfältig bei höchster Präzision und Transparenz des Schweißprozesses einsetzen.
Wie funktioniert Ultraschallschweißen?
Die Ultraschalltechnik wird seit mehr als 70 Jahren für das Verbinden von Thermoplasten (Kunststoffen) oder Thermoplasten mit anderen Materialien genutzt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, diese Technik zum Schneiden und Trennschweißen von unterschiedlichsten Materialien einzusetzen.
Ultraschall entsteht durch hochfrequente Schwingungen: Ein Generator erzeugt aus der anstehenden Versorgungsspannung eine hochfrequente Wechselspannung, die mittels eines Konverters in eine mechanische Schwingung umgewandelt wird. Durch schwingende Bewegungen (Frequenzbereich ca. 20 kHz bis 100 kHz) an der Sonotrodenfläche (Amplitude) wird in die Bauteile Energie eingeleitet. Die Energie führt ausschließlich an den Grenzflächen der Einzelteile zu einer Erwärmung und zu keiner Beeinträchtigung der angrenzenden Bereiche, wodurch das Bauteil schonend bearbeitet wird. Die feste Verbindung entsteht dann in der kurzen Zeit beim Abkühlen der Fügepartner. Das Ergebnis des Verbindens ist eine saubere und stabile Verbindungsnaht zwischen beiden Einzelteilen, beim Schneiden und Trennschweißen eine saubere und makellose Schnittfläche.
Die Ultraschall-Technik ist eine sehr gute Alternative zu anderen Verbindungs- und Trennverfahren mit hoher Effizienz und weiterer zukunftsweisender Möglichkeiten. Im Gegensatz zu anderen Verfahren entstehen beim Ultraschallverfahren – egal ob beim Schneiden, Siegeln, Schweißen, Trennschweißen, Stanzen, Nieten – keine Schäden am Produkt selbst.
Die Vorteile von Ultraschallschweißen
FAQ Ultraschall und Ultraschallschweißen
Es gibt verschieden mechanische und thermische Verfahren. Bei den thermischen Verfahren gibt es grundsätzlich folgende Möglichkeiten:
Heißverstemmen, Heizelementschweißen, Heizwendelschweißen, Hochfrequenzschweißen, Laserschweißen, Zirkularschweißen, Rotationsreibschweißen, Vibrationsschweißen, Warmgasschweißen.
Das Verfahren wird abhängig vom Bauteil, den Anforderungen und Qualitätsansprüchen, sowie der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ausgewählt.
Anders als bei anderen Verfahren werden beim Ultraschallschweißen keine Lösungsmittel oder Zusätze benötigt. Außerdem erhitzen die Schweißwerkzeuge sich nicht, weshalb Aufwärm- und Abkühlzeiten wegfallen und damit ein effizienterer Produktionsbetrieb stattfinden kann.
Das Ultraschallschweißverfahren kommt unter anderem zum Bearbeiten bei Labor- und Analysegeräten, Hygieneartikeln, Membranen, Filtern, Adaptern und Konnektoren zum Einsatz.
Die Ultraschallfügetechnologie steht hier an vorderster Stelle und ist mit all ihren Vorteilen immer beliebter, siehe „Vorteile Ultraschallschweißen“.
Ja, auch die Prozessvalidierung und die -stabilität sowie eine detaillierte Prozessüberwachung, Rückverfolgbarkeit und Datenerfassung kann garantiert werden.
Die hohen Anforderungen an medizinische Bauteile in Bezug auf Festigkeit, Dichtheit und annähernde Partikelfreiheit können erfüllt werden.
Schwingungen mit einer Frequenz oberhalb des für Menschen hörbaren Bereichs > 20 kHz.
In technischen Anwendungen werden die Schwingungen mittels piezoelektrischer Keramik erzeugt. Dabei wird eine sinusförmige Wechselspannung in eine sinusförmige mechanische Schwingung umgewandelt.
Eine schwingende Sonotrode schneidet das Material (Vliesstoff o.ä.) auf einem frei gelagerten Amboss. Durch die Auslegung der Amboss-Kontur, werden die Randnähte des Materials gleichzeitig verschweißt. Es handelt sich meist um einen kontinuierlichen Prozess.
Es können Nonwovens (z.B. Vliesstoffe), Gewebe und Folien mit einem thermoplastischen Anteil geschnitten werden. Außerdem Lebensmittel wie Käse oder Gebäck, auch in gefrorenem Zustand.
Die zum Aufschmelzen der Bauteile benötigte Energie, wird durch eine Sonotrode über mechanische Schwingungen eingebracht. Die Teile leiten die eingebrachte Energie zur Schweißebene weiter. Die Materialien vermischen sich und sind nach einer Abkühlzeit formstabil.
Alle thermoplastischen Kunststoffe, unabhängig ob diese amorph oder teilkristallin aufgebaut sind, können mit Ultraschallschweißen bearbeitet werden. Beispiele: PS, PVC, PMMA, PC, SAN, ABS, PE, PP, PIM, PA, NFPP etc.
Eine Sonotrode arbeitet gegen eine Matrize. Die Matrize ist genau auf die Stanzkontur ausgelegt. Nun wird die Sonotrode schwingend durch das zu stanzende Material geführt. Der Einsatz von Ultraschall reduziert die für das Stanzen benötigte Kraft und erhöht die Stanzqualität.
Alle thermoplastischen Kunststoffe bis zu ca. 10 mm Dicke können mit Ultraschallstanzen bearbeitet werden. Dies sogar in lackiertem Zustand. Zusätzlich können auch Gewebe, Vliesstoffe und Folien gestanzt werden.
Es können Gewebe mit oder ohne thermoplastischen Anteil auf ein thermoplastisches Material gesiegelt werden. Es schmilzt nur einer der Fügepartner auf. Dabei setzt eine schwingende Sonotrode auf das zu siegelnde Material auf und bringt die darunter liegende thermoplastische Matrix zum Schmelzen. Diese dringt in das Gewebe ein und verbindet beide Materialien kraftschlüssig.
Es werden thermoplastische Kunststoff-Folien, beschichtete Trägermaterialien, Becher, Schalen, Beutel und Tuben mittels Ultraschall versiegelt.
Eine schwingende Sonotrode schneidet das Material (Vliesstoff o.ä.) auf einem Amboss. Durch die Auslegung der Amboss-Kontur, werden die Randnähte des Materials gleichzeitig verschweißt. Es handelt sich meist um einen diskontinuierlichen Prozess.
Es können Nonwovens (Vliesstoffe) und Gewebe mit einem thermoplastischen Anteil geschnitten und randverschweißt werden.
Hier können thermoplastische auch mit nicht thermoplastischen Materialien verbunden werden. Dabei schmilzt nur einer der Fügepartner auf. Es handelt sich dann um eine kraftschlüssige Verbindung. Eine Sonotrode mit einer auf den Nietprozess abgestimmten Kontur schmilzt den Niet auf und formt diesen so um, dass das Zweitmaterial kraftschlüssig verbunden wird.
Alle thermoplastischen Kunststoffe können mit Ultraschallnieten bearbeitet werden. Es sind Verbindungen zwischen identischen oder unterschiedlichen Thermoplasten, sowie zwischen Thermoplasten mit nicht thermoplastischen Materialien möglich.
Beim Ultraschallschweißen erwärmt sich nur die Fügezone des Bauteils, die Matrix des Polymers vermischt sich und ist nach dem Abkühlen formstabil.
Abhängig vom verwendeten Material und der konstruktiven Gestaltung der Fügepartner, kann ein Schweißvorgang inkl. Abkühlzeit von ca. 100ms bis ca. 3s dauern.
Grundsätzlich ist eine Verbindung von gleichen Kunststoffen z.B. PA mit PA oder PA mit PA GF die optimale Lösung. Es können aber auch einige unterschiedliche Kunststoffe miteinander verbunden werden z.B. PC – PMMA – ABS. Beim Nieten oder Verkrallen können auch unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden.
Ja, Metallschweißen mittels Ultraschall ist ein bewährter Prozess. Er wird z.B. zum Auflegen von Kupferleitungen an Kabelbäumen im Kfz-Bereich genutzt. Im Gegensatz zum Schweißen von Kunststoffen vermischen sich die Materialien aber nicht. Es handelt sich um eine reibungsbasierte Kaltverschweißung.
Sehr viele, hier die Wesentlichsten:
+ Sehr kurze Prozesszeiten
+ Durch kalte Schweißwerkzeuge geringe bis keine thermische Beeinträchtigung des Bauteils
+ Geringer Energiebedarf und somit hoher Wirkungsgrad
+ Keine Lösungsmittel und Zusätze notwendig (sortenreines Recycling)
+ Über verschiedenste Schweißparameter werden konstante, reproduzierbare Schweißergebnisse ermöglicht
+ Die Schweißwerkzeuge erhitzen sich nicht, dadurch entfallen Aufwärm- und Abkühlzeiten und die Werkzeuge können schnell gewechselt werden
+ Keine Verletzungsgefahr durch heiße Maschinenteile
+ Kurze Abkühlungszeiten durch zielgerichtete, punktuelle Schmelzbildung
Die verschiedenen Ultraschall-Technologien sind eine sehr wirtschaftliche Methode – sie findet Anwendung in den Bereichen: Automotive, Verpackungstechnik/Food, Kleinteile Automotive, Textilindustrie, Medizintechnik, Konsumgüter, Elektrische Komponenten.
Ultraschallschneiden:
Automotive, Verpackungstechnik/Food, Textilindustrie, Medizintechnik
Ultraschallschweißen:
Automotive, Textilindustrie, Medizintechnik, Konsumgüter, Elektrische Komponenten
Ultraschallstanzen:
Automotive, Textilindustrie, Medizintechnik
Ultraschallsiegeln:
Automotive, Medizintechnik, Elektrische Komponenten
Ultraschalltrennschweißen:
Medizintechnik, Textilindustrie, Elektrische Komponenten
Ultraschallnieten:
Automotive, Medizintechnik, Konsumgüter, Elektrische Komponenten
Natur:
bei Tieren zur Ortung oder Orientierung eingesetzt.
Technische Anwendungen:
Schweißen von Kunststoffen und Metall, Medizintechnik in Diagnose und Therapie, Entfernungsmessung am Pkw, Tiefenmessungen in Gewässern, Durchflussmessung in Flüssigkeiten, Bewegungsmelder, Schichtdickenmessung, Füllstandmessung, Werkstoffprüfung, Teilereinigung, Schneiden biologischerer Gewebe uvm.
Es gibt verschieden Verfahren wie: Heizelementschweißen, Heizwendelschweißen, Laserschweißen, Rotationsschweißen, Ultraschallschweißen, Vibrationsschweißen, Warmgasschweißen. Das Verfahren wird abhängig vom Bauteil, den Anforderungen und Qualitätsansprüchen, sowie der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ausgewählt.
Ultraschallschweißen unterscheidet sich von medizinischen Anwendungen hauptsächlich durch die verwendeten Frequenzen und Leistungen. Beim Schweißen von Thermoplasten werden Frequenzen zwischen 20 kHz und 60 kHz, sowie Leistungen zwischen 200W und 6000W eingesetzt. Bei der medizinischen Therapie werden Frequenzen zwischen 200 KHz und 5 MHz, bei der Diagnostik zwischen 5 MHz und 50 MHz verwendet. Die eingesetzten Leistungen sind im Vergleich zum Schweißen nur sehr gering.
Ein Schwinggebilde besteht aus Konverter, Amplitudentransformationsstück und Sonotrode. Dabei ist der Konverter die Schnittstelle zwischen den elektrischen und mechanischen Teilen. Er wandelt über den piezoelektrischen Effekt elektrische Schwingung in eine mechanische Schwingung um und überträgt sie in die Amplitude und anschließend zur Sonotrode. Das Amplitudentransformationsstück (auch Booster genannt) vergrößert oder verkleinert die Amplitude, die dem Konverter entspringt. Die Sonotrode überträgt als eigentliches Schweißwerkzeug die mechanische Schwingung in das Bauteil. Das Schwinggebilde ist grundsätzlich immer individuell auf das Bauteil angepasst bzw. ausgerichtet
Der Ultraschall wird durch den Energierichtungsgeber gebündelt und dann fokussiert in das Bauteil eingespeist. Durch diese Fokussierung wird die Energie effizient eingesetzt und eine saubere Schweißnaht erreicht.
Auf die Energiefokussierung hat der Energierichtungsgeber, das Sonotrodendesign sowie die Amboss-Struktur Einfluss.
