Ultraschallschweißen von Kunststoffen: Innovation & Automation

Ultraschallschweißen von Kunststoffen

Wir präsentieren Ihnen eine neue Ultraschall-Schweißanlage, die schnell und zuverlässig das Schweißen verschiedener Arten von Kunststoffen möglich macht. Das besondere Merkmal des Modells ist die Möglichkeit die Parameter (Kraft und Amplitude) während des Impulses zu verändern, wodurch sich eine große, abhängig von den verwendeten Materialien, Auswahl an verschiedenen Schweiß-Modi öffnet. Das Pressschweißen mit statischer Position des Werkzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nahtform die Werkzeugform definiert. Um eine hohe Qualität und ästhetisches Aussehen der Naht zu gewährleisten, werden schon bei der Projektion des Modells alle Besonderheiten, die für den jeweiligen Betrieb wichtig sind, berücksichtigt.

Innovative Marktneuheit aus Ost-Europa - eine Ultraschallschweißanlage der Baureihe 12, die im oberen Teil des Artikels illustriert ist. Wie beim Vorgänger nutzt die oben genannte Anlage als Hauptquelle die Energie aus einen Ultraschall-Generator, doch unterscheidet sie sich durch Funktionalität und innovativer Baustruktur.
Der Hauptunterschied ist, dass die Einstellungen jetzt auch während des Impulsschweißens verändert werden können. Diese Notwendigkeit kann beim Auswählen von bestimmten technischen Modi in Zusammenhang mit Bindungsstoffen und der Konstruktion der zu bearbeitenden Elemente entstehen.
Allgemein bekannt ist, dass die eingehende Energie abhängig von 3 Parametern ist:

  • Druck P
  • Amplitude A
  • Zeit des Schweißimpulses T


(Im Rahmen des gegebenen Artikels nehmen wir an, dass die Amplitude A von der Schweißkraft P unabhängig ist.)

Das Verhalten des Drucks Р und der Amplitude A während des Schweißimpulses.
Bild 1. Das Verhalten des Drucks Р und der Amplitude A während des Schweißimpulses.

Während des Schweißimpulses auf der genannten Anlage der Baureihe 12 kann man den Druckparameter von niedrig auf hoch und umgekehrt verändern, aber die Amplitude nur in die Richtung ihrer Reduktion. Der Umschaltzeitpunkt des Drucks und der Amplitude kann übereinstimmen, aber auch von einander abweichen (siehe Bild 1). So bekommt der Schweißtechnologe eine breite Palette an Möglichkeiten notwendiger Schweißeinstellungen, z.B. beim Schweißen von Kunststoffen wie Plexiglas (PMMA), um das Widerstandsvermögen der Naht zu erhöhen, muss die statische Kraft nach dem Ausschalten des Ultraschalls erhöht werden(die Einstellung kann man mit folgenden Parametern definieren: Т1= Т2, Р1<Р2, А1≠0, А2=0). Neben den viele technologischen Möglichkeiten, hat das Modell vielerlei konstruktive Verbesserungen, um die Arbeit des Operators zu erleichtern:

  • Am Gerät wurde eine lokale Beleuchtung angebracht.
  • Vereinfacht wurde der Prozess der Einstellung verschiedener Modi.
  • Optimiert wurde die Anzahl an Steuerungselemente.
  • Durch die Verkleinerung der Breite des Gehäuses, konnte eine bessere Übersicht über den Schweißprozess geschaffen werden.
  • An den Seiten wurden praktische Fächer zum Aufbewahren von Geräten und Utensilien angebracht.
Das Werkzeug - die Sonotrode.
Bild 2. Das Werkzeug - die Sonotrode.

Die Anlage ermöglicht ohne extra Ausrüstung das Schweißen von Kunststoff mit einen Umfang von 400 mm. Das Aussehen der zu schweißenden Bauteile bestimmt den Typ und die Größe der Sonotrode und des Bauteilhalters, der das Bauteil am Arbeitsplatz fixieren soll. Unter anderem ermöglicht die Maschine auch Operationen durchführen, wie z.B. Einbau von metallischen Bauteilen in eine Kunststoffgrundlage, Stanznieten oder Schneiden von Kunststoffen. 
Zu beachten ist, dass das Pressschweißen im Gegensatz zum konstanten Naht-schweißen sich darin unterscheidet, dass die Sonotrode stationär zum Bauteil ausgerichtet ist. Die Konfiguration der Schweißnaht bestimmt die Form der Sonotrode, die sich mit einer bestimmten Kraft an das Bauteil drückt (siehe Bild 2) mit der Ausnahme, wenn der Kunststoff hohe Biegsamkeit und einen niedrigen Koeffizient beim Abklingen der Schwingungen aufweist (z.B. Bei schweren Polymeren wie Styrolharz oder Kapron).

Kombinierte Sonodrode
Bild 3. Kombinierte Sonodrode

Wenn die Schweißnaht eine komplexe Form oder eine bedeutende Länge verfügt, ist es angemessen kombinierte Sonodrode oder mehrere Amplitudentransformationsstücke mit einzelnen Sonotroden zu verwenden. Meistens gelten scharfe Bedingungen für die Schweißverbindung wie Robustheit, Luftdichtigkeit und ästhetisches Aussehen. Um diese zu erfüllen, müssen die Ingenieure bereits im Stadium der Entwicklung von Bauteilen ultraschallspezifische Veränderungen vornehmen. Zum Beispiel, beim Verbinden von Bauteilen aus schweren Polymeren, um den Druck in der Schweißzone zu fokussieren und die Luftdichtigkeit zu garantieren, werden V-artige Auslagen aus zu schweißenden Oberflächen verwendet. Die Größen und Winkel an der Spitze solcher Auslagen sind abhängig von den Eigenschaften des Materials, konstruktiven Formen und Bedingungen für die Schweißnaht. Manchmal, um die Robustheit der Naht zu erhöhen, benutzt man Zwischenlagen, was charakteristisch für das Schweißen von heterogenen Stoffen. Die Eigenschaften des Materials der Zwischenlage (Temperaturintervalle der Aggregatzustände, Konsistenz u. a.) müssen nah am Durchschnitt der zu scheißenden Polymere sein. Die Anwendung solcher Zwischenlagen ermöglicht eine Differenzierung von Temperaturunterschied beim Schmelzen von Kunststoffen, senkt den beim Schweißen entstehenden Wärmeaustausch zwischen den Kunststoffen und garantiert die beste Temperaturkompatibilität beim Schweißen von heterogenen Polymeren. 

Nach der erfolgreicher Entwicklung von einigen Technologien im Bereich des Ultraschallschweißens und basierend auf der gesammelten Erfahrung, um ein bestmögliches Ergebnis zu erzielen, sind wir bereit unsere Anlagen Ihrem Betrieb möglichst optimal anzupassen und Ihnen somit die Einführung in die Automation zu erleichtern!