Kunststoff-Fügeverfahren im Vergleich

Kleben, Ultraschallschweißen, Heizelementschweißen oder Laserschweißen: Für das Fügen von Kunststoffteilen stehen unterschiedliche Technologien zur Verfügung. Welches Fügeverfahren die beste Lösung ist, hängt von Material, Bauteilgeometrie, Qualitätsanforderungen und Produktionsbedingungen ab. Ein Vergleich zeigt, wo die jeweiligen Stärken und Grenzen liegen.

Welches Fügeverfahren eignet sich für Kunststoffteile?

Die Fügetechnologie beeinflusst weit mehr als die Festigkeit einer Verbindung. Bereits während der Produktentwicklung werden damit wichtige Weichen für Taktzeit, Automatisierung, Prozesskontrolle und letztlich auch die Produktionskosten gestellt.

Deshalb sollte die Frage nach dem geeigneten Fügeverfahren möglichst früh im Entwicklungsprozess beantwortet werden. Produktdesigner und Prozessingenieure sollten dabei unter anderem folgende Punkte betrachten:

• Welche Kunststoffe sollen verbunden werden?
• Wie groß und komplex sind die Bauteile?
• Muss die Verbindung mechanisch belastbar oder dicht sein?
• Wie empfindlich sind Bauteile und Komponenten gegenüber Wärme?
• Welche Taktzeit verlangt die Produktion?
• Wie wichtig sind Prozessüberwachung und Reproduzierbarkeit?
• Sind Zusatzstoffe oder Verbrauchsmaterialien akzeptabel?

Erst aus diesen Anforderungen ergibt sich, welche Fügetechnik für eine Anwendung tatsächlich geeignet ist.

Fügeverfahren für Kunststoffe im direkten Vergleich

Kunststoff kleben: Verbindung mit zusätzlichem Werkstoff

Kleben ist interessant, wenn unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbunden werden sollen oder eine Schweißverbindung aufgrund der Materialkombination nicht möglich ist. Klebstoff kann zudem Spalte und Oberflächenunebenheiten bis zu einem gewissen Grad ausgleichen und ermöglicht Verbindungen bei vergleichsweise geringer thermischer Belastung.

Der zusätzliche Werkstoff bringt allerdings weitere Prozessschritte mit sich. Klebstoff muss dosiert und aufgetragen werden. Je nach System kommen Vorbehandlung, Aushärtung und zusätzliche Qualitätskontrollen hinzu. Auch Lagerung, Haltbarkeit und laufende Materialkosten müssen berücksichtigt werden.

Für hohe Stückzahlen wird deshalb häufig geprüft, ob ein Fügeverfahren ohne Verbrauchsmaterial die Prozesskette vereinfachen kann.

Vorteile:

• unterschiedliche Materialien und Werkstoffe kombinierbar
• geringe thermische Belastung der Bauteile
• kann Spalte und Oberflächenunebenheiten bis zu einem gewissen Grad ausgleichen

Nachteile:

• zusätzlicher Werkstoff und laufende Materialkosten
• zusätzlicher Dosier-, Auftrags- und gegebenenfalls Vorbehandlungsprozess
• Aushärtezeiten können die Prozesszeit verlängern
• Verbindungsqualität kann von Oberflächenzustand und Alterung beeinflusst werden

Heizelementschweißen: Fügen durch direkten Wärmeeintrag

Beim Heizelementschweißen, auch Hot Plate Welding genannt, werden die Fügeflächen über ein beheiztes Werkzeug aufgeschmolzen und anschließend unter Druck miteinander verbunden.

Das Verfahren eignet sich auch für größere Bauteile und komplexere Fügegeometrien. Die Wärme wird jedoch vergleichsweise großflächig eingebracht. Erwärmen, Umsetzen beziehungsweise Fügen und Abkühlen führen in der Regel zu längeren Prozesszeiten als bei schnelleren Schweißverfahren.

Für große Kunststoffteile kann die Technologie dennoch eine passende Wahl sein, insbesondere wenn Bauteilgröße und robuste Prozessführung wichtiger sind als eine möglichst kurze Taktzeit.

Vorteile:

• hohe Verbindungsfestigkeit möglich
• für große Bauteile und komplexere Fügegeometrien geeignet
• robuste Technologie für geeignete thermoplastische Kunststoffe

Nachteile:

• vergleichsweise längere Prozess- und Taktzeiten
• vergleichsweise großflächiger Wärmeeintrag
• zusätzliche Prozessphasen für Erwärmen, Fügen und Abkühlen
• in der klassischen Variante direkter Kontakt zwischen Heizelement und Fügeflächen

Laserschweißen: Fügen mit Laserstrahlung

Beim Laserschweißen von Kunststoffen wird die zum Aufschmelzen benötigte Energie gezielt über Laserstrahlung eingebracht. Der Prozess arbeitet berührungslos und ermöglicht präzise Schweißungen bei geringer mechanischer Belastung des Bauteils.

Beim häufig eingesetzten Durchstrahlschweißen muss ein Fügepartner die Laserstrahlung ausreichend übertragen, während die Energie im Bereich der Fügezone absorbiert wird. Werkstoffe, Pigmente, Füllstoffe und Additive können diese Eigenschaften beeinflussen. Durch geeignete Material- oder Absorberlösungen lassen sich jedoch unterschiedliche Material- und Farbkombinationen realisieren.

Laserschweißen kommt daher insbesondere für Anwendungen infrage, bei denen eine gezielte Energieeinbringung und geringe mechanische Belastung entscheidend sind und Bauteil, Material sowie Fügezone auf den Prozess abgestimmt werden können. Maschinen und Systeme für das Laserschweißen sind jedoch mit vergleichsweise hohen Anschaffungskosten verbunden.

Vorteile:

• berührungsloser Schweißprozess
• gezielte, lokal begrenzte Energieeinbringung
• hohe Präzision und Reproduzierbarkeit
• geringe mechanische Belastung des Bauteils

Nachteile:

• beim Durchstrahlschweißen müssen Transmission und Absorption der Fügepartner zum Prozess passen
• Material, Pigmente, Füllstoffe und Additive können das Prozessfenster beeinflussen
• geeignete Zugänglichkeit für den Laserstrahl erforderlich
• Bauteiltoleranzen und Spalte in der Fügezone können zusätzliche Anforderungen an die Spanntechnik stellen
• Vergleichsweise hohe Investitionskosten 

Ultraschallschweißen: Fügen mit mechanischen Schwingungen

Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente mechanische Schwingungen auf das Kunststoffbauteil übertragen. In der dafür ausgelegten Fügezone entsteht innerhalb kurzer Zeit Wärme, die den thermoplastischen Kunststoff lokal plastifiziert. Unter Druck entsteht eine feste, stoffschlüssige Verbindung.

Ein wesentlicher Unterschied zu anderen Fügeverfahren liegt in der sehr kurzen und lokal begrenzten Energieeinbringung. Der eigentliche Schweißprozess kann je nach Bauteil und Anwendung innerhalb von Sekunden oder Sekundenbruchteilen stattfinden.

Für automatisierte Serienprozesse ergeben sich daraus mehrere Vorteile: kurze Taktzeiten, der Verzicht auf Klebstoff oder andere Zusatzwerkstoffe sowie die Möglichkeit, relevante Prozessparameter zu überwachen.

Voraussetzung für diese Vorteile ist ein Produktdesign, das für das Ultraschallschweißen ausgelegt ist. Werkstoffe, Bauteilgeometrie und Gestaltung der Fügezone beeinflussen entscheidend, wie zuverlässig die Ultraschallenergie bis zur Schweißstelle übertragen wird. Die Fügetechnik sollte daher bereits während der Bauteilentwicklung berücksichtigt werden.

Vorteile:

• sehr kurze Schweiß- und Taktzeiten
• kein zusätzlicher Klebstoff oder Verbrauchswerkstoff
• lokale Energieeinbringung und geringe thermische Belastung des umliegenden Bauteils
• hohe Wiederholgenauigkeit
• gut automatisierbar und in Produktionslinien integrierbar
• relevante Prozessparameter können überwacht und dokumentiert werden

Nachteile:

• die Fügeteile müssen hinsichtlich ihrer Werkstoffe für das Ultraschallschweißen kompatibel sein
• Fügegeometrie und Bauteildesign müssen für den Prozess geeignet sein

Welches Fügeverfahren passt zu meiner Anwendung?

Welches Fügeverfahren am besten passt, hängt von der konkreten Anwendung ab. Werkstoff, Bauteilgeometrie, Anforderungen an Festigkeit und Dichtheit, Stückzahl und Produktionsbedingungen spielen dabei zusammen.

Ultraschallschweißen spielt seine Stärken vor allem dann aus, wenn kurze Taktzeiten, hohe Wiederholgenauigkeit und eine automatisierte Serienproduktion im Fokus stehen. Da kein Klebstoff benötigt wird und die Energie gezielt in der Fügezone wirkt, lässt sich die Anzahl zusätzlicher Prozessschritte gering halten.

Ob Ultraschall-Schweißtechnologie auch die beste Wahl für Sie ist, lässt sich am besten anhand Ihrer konkreten Anwendung beurteilen: Gemeinsam betrachten wir Ihr Bauteil, die verwendeten Materialien und Ihre Anforderungen an die Verbindung und den Produktionsprozess. 

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