Das Ultraschallschweißen
Was ist Ultraschall?
Vom Vogelgezwitscher über Töne, die Glas zerbersten lassen - Schall ist mehr als das, was wir mit den Ohren wahrnehmen können. Er entsteht bei der mechanischen Schwingung von Körpern. Wird beispielsweise eine Gitarrensaite angeschlagen, führt ihre Schwingung zu Druck- und Dichteschwankungen in der Luft, die sich - ausgehend von der Schallquelle - in alle Richtungen wellenförmig ausbreiten. Das funktioniert nicht nur in Luft, sondern in jedem elastischen Medium, also in Gasen, Fluiden und Festkörpern.
Ultraschall ist ein Beispiel dafür, dass Menschen nicht jede Art von Schall hören können. Geräuschlos kommen seine hochfrequenten Schallwellen in der Industrie und der Medizin zum Einsatz.
Schallwellen werden anhand ihrer Frequenz (Anzahl Wellen pro Sekunde) eingeordnet. Ultraschall z.B. reicht von 20 kHz bis 1 GHz. Beim Ultraschallschweißen kommen Frequenzen von 20 kHz bis 70 kHz zum Einsatz. Für das menschliche Gehör ist das gerade noch im untersten Bereich wahrnehmbar. Denn der Hörschall reicht nur von 16 Hz bis 20 kHz. Schwingungen darüber werden allenfalls als Vibrationen wahrgenommen.
Wie funktioniert Ultraschallschweißen?
Trifft Ultraschall auf ein Material (z.B. einen Kunststoff), werden die Molekülketten darin in Schwingung versetzt. Die Moleküle fangen an sich zu bewegen und reiben aneinander. Das erzeugt Energie (sogenannte Reibungswärme). Bei thermoplastischen Kunststoffen bewirkt dies, dass sie beginnen zu schmelzen. Ultraschallschweißen macht sich dieses Prinzip zu Nutze. Nach einer kurzen Haltezeit unter zusätzlichem Druck können verschiedene Materialien (Bauteile) auf Molekularebene in der Fügezone verschweißt werden.
Wofür ist Ultraschallschweißen geeignet?
Ultraschallschweißen geht in Sekundenbruchteilen ohne Hilfsmittel wie Kleber oder Schrauben. Damit Verpackungen, Autoteile, Spielzeuge und vieles mehr entstehen können, wird Ultraschall eingesetzt, z.B. um:
- Spritzgussteile zusammenzufügen (z.B. für Spielzeuge)
- Membrane einzubetten (z.B. für Filtermembrane in medizinischen Bauteilen)
- Leder, Vliese und Textilien aufzukrallen (z.B. Luftfilter im Auto)
- Artfremde Materialien miteinander zu vernieten (z.B. für Airbags)
- Formschlüssige Verbindungen durch eine Umformungstechnik herzustellen (z.B. für Magnetkontakte in Ladegeräten)
- Buchsen und Magnete einzusenken (z.B. verkapselte Magnete für die Betätigung von Sensoren)
Das Ultraschall-Schweißsystem
Das komplette Ultraschall-Schweißsystem besteht aus verschiedenen Komponenten. Die aktiven Komponenten erzeugen den Schall, leiten ihn weiter und tragen ihn in die Schweißteile ein. Die passiven Komponenten nehmen die entstehenden Kräfte auf, halten die Schweißteile in Position und unterstützen insbesondere die Schweißnaht (Stelle, an der die Bauteile aneinandergefügt werden).
Aktiv:
Amplitudentransformationsstück (Ampli oder Zwischenstück)
Konverter, Ampli und Sonotrode bilden dabei zusammen das sogenannte Schwinggebilde.
Passiv:
Verfahrenstechnik: Das Prinzip der Energiefokussierung
Um die Bauteile punktgenau zum Schmelzen zu bringen, muss die Schwingungsenergie in einem Punkt gebündelt werden. Das nennt man Energiefokussierung. An diesem bestimmten Punkt ist die Wärmeentwicklung am stärksten und es kommt zur Schmelze – für einen definierten Schweißvorgang bei geringem Energieverbrauch.
Arten der Energiefokussierung
Alles eine Frage der Form: Um die Schwingungsenergie an der richtigen Stelle zu bündeln, muss die Geometrie der zu verschweißenden Teile oder der Werkzeuge entsprechend ausgelegt sein. Bei der bauteilintegrierten Fokussierung bündeln Energierichtungsgeber (kurz: ERG) an den Werkstoffen selbst die Energie. Bei der fokussierenden Werkzeuggeometrie sind die Werkzeuge speziell geformt.
Bei der Nahtgestaltung wird die Energie durch die Form der Bauteile gebündelt. Dabei ist der Bereich, an dem die beiden Teile verbunden werden sollen, speziell geformt. Meist ist an der Stelle eine Spitze oder Kante. Genau dort kommt es zur Energiefokussierung, deswegen nennt man das Energierichtungsgeber (kurz: ERG).
Auch hier spielt die Form des Werkzeugs die entscheidende Rolle. Der Amboss hat erhöhte Strukturen. Diese stellen Kontaktpunkte zu den Bauteilen her. An den Stellen wird die Energie fokussiert und führt zur Schmelze. Das kommt vor allem bei Bahnwaren, wie Folien und Vliesstoffen, oder Kartonagen zum Einsatz.
Die wichtigsten Prozessparameter beim Ultraschallschweißen
Dicht, fest und optisch ansprechend – für die perfekte Schweißnaht müssen Schweißwerkzeug, Material und Schweißprozess aufeinander abgestimmt werden. Die Einstellung macht‘s: Die richtigen Prozessparameter sorgen für optimale und reproduzierbare Ergebnisse.
Der Triggerpunkt definiert den Start des Schweißens: Die Sonotrode drückt mit der sogenannten Triggerkraft auf das Bauteil auf. Gibt dieses in einem bestimmten Zeitraum nur noch minimal nach, wird der Ultraschall ausgelöst und die Triggerkraft wechselt zur Schweißkraft. So bleibt der Startpunkt des Schweißens immer gleich und die Qualität der Ergebnisse konstant hoch.
Welche Materialien lassen sich mit Ultraschall verschweißen?
Grundsätzlich kann Ultraschall die meisten Thermoplaste (durch Hitze formbare Kunststoffe) verschweißen. Es gilt: je härter der Werkstoff, desto besser. Neben Kunststoffen sind unterschiedliche Nicht-Eisenmetalle wie Aluminium, Nickel, Messing und Kupfer für das Ultraschallschweißen geeignet.
