Schwingverhalten

Sehen Sie hier eine Animation zum optimalen Schwingverhalten von Sonotroden.



Sonotroden

Die Sontrodengestaltung erfordert viel Wissen und Erfahrung.



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Grundlagen der Ultraschalltechnik

 


Ultraschall ist Schall, dessen Frequenz jenseits der oberen menschlichen Hörbarkeitsgrenze liegt. Das heißt oberhalb von 16 KHz. Erzeugt wird der Ultraschall mit einem Generator, der die Netzspannung in eine hochfrequente Hochspannung umwandelt. HERRMANN-Systeme arbeiten mit 20 und 35 KHz. Die mit dem Generator verbundene mechanische Resonanzeinheit bestehend aus Konverter, Amplitudentransformationsstück und Sonotrode leitet die im Konverter erzeugten mechanischen Schwingungen an die Thermoplastfügeteile unter Druck weiter. In den Fügezonen wird die eingeleitete Ultraschallenergie durch Molekular- und Grenzflächenreibung dazu benutzt, die erforderliche Fügeschmelze zu erzeugen.


 


Verfahrensablauf

Beim Ultraschall-Schweißen werden mechanische Schwingungen unter Druck auf Kunststoffteile übertragen. Durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht Wärme, die den Dämpfungskoeffizienten des Materials anwachsen lässt. Örtlich beginnt der Kunststoff zu erweichen. Diese Reaktion beschleunigt sich von selbst, da wegen der Zunahme des Dämpfungsfaktors des plastifizierten Materials ein größerer Anteil der Schwingungsenergie in Wärme umgesetzt wird. Nach Beendigung der Schalleinleitung ist eine kurze Abkühlphase unter dem noch anstehenden Fügedruck notwendig, um das zuvor plastifizierte Material homogen zu verfestigen. Danach sind die nun mit Hilfe der Ultraschallenergie verbundenen Teile bzw. Materialbahnen weiter verarbeitbar.


Der Ultraschall-Schweißprozess wird durch das Schwinggebilde eingeleitet. Das Schwinggebilde besteht aus dem piezoelektronischen Schallwandler (Konverter), dem Amplitudentransformationsstück (Ampli) und dem eigentlichen Schweißwerkzeug (Sonotrode).


 


Das Prinzip der Energiefokussierung

Beim Ultraschall-Schweißen werden die Ultraschall-Wellen durch die spezielle Teile- bzw. Werkzeuggestaltung auf die Fügezone konzentriert. Beim Schweißen mit Nahtgestaltung erfolgt dies mit Hilfe des sogenannten Energierichtungsgebers (ERG). Das schnelle und gezielte Aufschmelzen der Materialien wird durch geeignete Schweißgeometrien wie Spitzen, Kanten oder Rautierungen in Fügezonen, oder auf der Sonotrode oder dem Amboss erreicht. Mit dem ERG wird die Schweiß-Zone definiert. So wird ebenfalls eine gezielte Energieeinleitung ermöglicht. Durch den geringen Energiebedarf der Ultraschall-Verschweißung werden die Teile nur geringfügig thermisch belastet. Bei fehlendem Energierichtungsgeber erhöht sich die Schweißzeit unnötigerweise und der Schweißprozess läuft undefiniert als Flächenverschweißung ab. Folglich ist die Festigkeit dann oft nur mangelhaft und uneinheitlich. Außerdem können bei dieser Art der Verschweißung thermische Schädigungen des Materials nicht ausgeschlossen werden. Die Energierichtungsgeber verhindern ein flächiges Ankoppeln. Das Bild gibt einige vom Werkstoff und der Teilegröße abhängige Richtwerte für verschiedene Formen und Maße. Die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Werkstoffe machen eine angepasste Dimensionierung der ERG notwendig. Im Bild wird ebenfalls der Verlauf des Schubmoduls zum mechanischen Verlustfaktor bei amorphen und teilkristallinen Thermoplasten gezeigt.