Overlay
Beim Kunststoff-Ultraschallschweißen verketten sich die Moleküle neu
Ultraschall aktiviert die Kunststoff-Moleküle – Reibungswärme entsteht

Kunststoffe schweißen mit Ultraschall

Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen ist das Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung in der Schweißnaht. Longitudinale Schwingungen in Frequenzen von 20 kHz,
30 kHz und 35 kHz mit Werkzeugamplituden von 5 μm bis 50 μm werden unter Kraftwirkung in die Kunststoffe eingeleitet. Die Ultraschallschwingungen werden über eine spezielle Gestaltung der Bauteile oder der Werkzeuge fokussiert. Im Bauteil nennt man diese besondere Geometrie Energierichtungsgeber. Die Kontaktstellen im Fügebereich werden durch den Energieeintrag mit einer hohen Frequenz gezielt verformt. Die Reibung zwischen den sich berührenden Flächen und innerhalb der Molekülketten erzeugt Wärme, welche das Material aufschmelzen lässt.

Das Ultraschallschweißen eignet sich besonders um:

  • Spritzgussteile zu fügen
  • Membranen einzubetten
  • Leder, Vliese und Textilien aufzukrallen
  • Artfremde Materialien miteinander zu vernieten
  • Formschlüssige Verbindungen durch Bördelung herzustellen
  • Buchsen und Magnete einzusenken

Kunststoffnietverbindungen werden in der industriellen Fertigung seit langem erfolgreich eingesetzt. Nieten stellt eine unlösbare Fügeverbindung mit sehr geringer Limitierung der Werkstoffpaarung, geringer Prozesszeit, hoher Wirtschaftlichkeit und großer konstruktiver sowie prozesstechnischer Gestaltungsfreiheit dar. 
Die alternativen kunststoffspezifischen Fügetechniken wie Klipsen, Schnappen oder Kleben scheiden aus Gründen der verwendeten Werkstoffe, der Betriebssicherheit oder der Wirtschaftlichkeit oft aus. 

Das Ultraschallbördeln ist ein nahe verwandtes Verfahren und unterscheidet sich vom Nieten dadurch, dass nicht runde oder längliche Schäfte, sondern langgestreckte Wandungen (gerade oder auch in Radienform) über ein zu befestigendes Teil umgeformt werden.

 

 

  • Der Energierichtungsgeber ERG dient der Energiefoskussierung
    Energierichtungsgeber ERG
  • Kunststoff Schmelze
    Schmelze-Einkapselung

Folgende Varianten sind möglich:

Schweißen von Formteilen mit Nahtgestaltung – Energiefokussierung über die Schweißgeometrie (= Energierichtungsgeber)
Anzuwenden bei allen Spritzgussteilen, man spricht hierbei von stoffschlüssigem Verbinden. Die Fokussierung der Ultraschallenergie erfolgt über sogenannte Energierichtungsgeber (ERG). Dies sind Spitzen oder Kanten, die in das Teil konstruiert werden müssen. Die Schmelze wird an den Kontaktstellen der Energierichtungsgeber direkt zwischen den Fügeteilen gebildet. 

  • Energiefokussierung durch Geometrie des Bauteils: Quetschnaht unverschweißt
  • Energiefokussierung durch Geometrie des Bauteils: Quetschnaht verschweißt

Energiefokussierung über ERG am Beispiel der Quetschnaht.

Umformen mit Ultraschall – Energiefokussierung über die Sonotrode
Man nennt dies Nieten, Punktschweißen oder Bördeln. Hier entsteht die Schmelze durch unmittelbaren Kontakt zwischen der Schweißflächenkontur der Sonotrode und dem thermoplastischen Bauteil. Mit dieser Technik können auch artfremde Werkstoffe wie z.B. Kunststoff-Metall, Glas-Kunststoff durch Formschluss gefügt werden. 

  • Energiefokussierung durch die Sonotrode
  • Energiefokussierung durch die Sonotrode

Energiefokussierung über Sonotrode am Beispiel des Nietens

ULTRASCHALL GRUNDLAGEN KUNSTSTOFFE_DEU

PDF, 763 kB ULTRASCHALL GRUNDLAGEN KUNSTSTOFFE_DEU in den Download-Warenkorb Datei im Warenkorb

Varianten der Schweißnahtgestaltung
für unterschiedlichste Anforderungen:

  • Stufennaht

    Diese Nahtvariante ist im Spritzgusswerkzeug relativ einfach zu realisieren. Bei amorphen Kunststoffen lassen sich hiermit optisch einwandfreie, hochfeste und bedingt dichte Verbindungen herstellen. Die Selbstzentrierung der Bauteile und die Aufnahme von erhöhten Scher- und Zugkräften sind weitere Vorteile.

  • Stufennaht
    Stufennaht
  • Nut-/Feder-Naht

    Mit einer Nut-/Feder-Naht-Verbindung werden üblicherweise die höchsten Festigkeiten erreicht. Durch die eng tolerierten Spaltmaße entsteht ein Kapillareffekt, wodurch die erzeugte Schmelze den kompletten Nahtbereich ausfüllt. Diese Nahtgestaltung erfordert relativ große Wandstärken und ist bei passenden Rahmenbedingungen grundsätzlich zu empfehlen.

  • Nut-/Feder-Naht
    Nut-/Feder-Naht
  • Quetschnaht

    Für teilkristalline Kunststoffe in Verbindung mit dünnen Wandstärken hat sich die Quetschnaht bewährt. Mit dieser Nahtvariante lassen sich generell dichte und hochfeste Schweißungen bei großen Fügewegen erzielen.

  • Quetschnaht
    Quetschnaht
  • Dünnwandnaht

    Diese Naht ist für Bauteile mit weniger als 1,5 mm Wandstärke zu empfehlen. Die gute Selbstzentrierung und die dadurch entstehende definierte Nahtauflage tragen zu hohen Festigkeiten nach dem Schweißen bei. Es gilt zu beachten, dass eine exakte Nahtabstimmung sowie präziser Spritzguss unbedingt erforderlich sind.

     

     

  • Dünnwandnaht
    Dünnwandnaht
  • Nieten

    Das Nieten mittels Ultraschall ermöglicht eine schnelle und saubere Verbindung thermoplastischer Formteile mit metallischen oder nicht schweißbaren Bauteilen.

    Damit entfallen zusätzliche Verbindungselemente. Die beim Nietprozess entstehende Wärme kann über eine luftgekühlte Sonotrode rasch abgeführt werden. Nach dem eigentlichen Nietvorgang sorgt das System über eine vorgewählte Haltezeit dafür, dass die Schmelze unter statischem Druck vollständig erstarren kann. Auf diese Weise werden Rückstellungskräfte eingefroren und spielfreie Verbindungen erzielt.

     

     

     

     

  • Ultraschall Nieten
    Nieten


  • Punktschweißen

    Die zu verschweißenden Formteile liegen ohne vorbereitete Nahtstellen und ohne Energierichtungsgeber flächig aufeinander. Die Spitze der Sonotrode dringt durch die obere Platte hindurch bis in die untere und plastifiziert so den Kunststoff in beiden Bauteilen. Die entstehende Schmelze sammelt sich teilweise in der Trennfuge und führt dort zu einer lokalen, punktuellen Verbindung.

     

     

     

     

  • Punktschweißen
    Punktschweißen
  •  

    Bördeln

    Es ist nicht immer möglich, Nietzapfen an Bauteile anzuspritzen. Für solche Anwendungen ist das Bördeln eine geeignete Alternative. Für den Umbördelprozess muss die Stirnfläche der Sonotrode entsprechend ausgeformt sein. Der Ablauf des Prozesses und die Zykluszeiten entsprechen denen des Nietens. Großformatige, teilweise den kompletten Umfang des Bauteils umfassende Umformprozesse werden durch das Bördeln mit Ultraschall möglich.

     

     

     

  • Bördeln mit Ultraschall
    Bördeln