Ultraschallschweißen ist ein bauteilschonendes Verfahren und eignet sich für Kunststoff-Produkte für die medizintechnische Anwendung, wie Kanülen, Konnektoren und Ventile. Aber auch komplexe Anwendungen können gelöst werden, wie beispielsweise Blutfilter, bei denen millimetergroße Membrane eingeschweißt oder zusätzliche Sicherheitsdichtringe eingelegt werden müssen. Die Ausgestaltung der Fügezone mit einer Schweißnaht und die Geometrie des Schweißwerkzeuges beeinflussen das Schweißergebnis entscheidend. Eine frühe Zusammenarbeit mit dem Ultraschall-Systemhersteller ist wichtig zur bestmöglichen Gestaltung der Teile im Sinne des Fügeprozesses. Dann nämlich steht Herstellern ein Bauteil schonendes Verfahren zur Verfügung, das hohe Prozesssicherheit bietet.

Eine Naht fokussiert die Ultraschallenergie

Ohne Zusatzstoffe wird durch den Ultraschalleintrag millisekundenschnell eine hochfeste, gas- und wasserdichte Verbindung mit guter Optik hergestellt. Der Ultraschallgenerator wandelt dazu Netzspannung in eine hochfrequente Spannung zwischen 20 und 35 kHz, die im Konverter durch den piezoelektrischen Effekt in mechanische Schwingungen gewandelt wird. Das Schweißwerkzeug, die sogenannte Sonotrode, fährt auf das Bauteil und leitet die Schwingung (bei 20 kHz sind das 20.000 Bewegungen in der Sekunde) in die Fügezone ein. Dabei entsteht Reibungswärme und das Material schmilzt gezielt an den Berührungspunkten der beiden Bauteile auf. Aufgrund des geringen Energiebedarfs werden die Teile thermisch kaum belastet. Harte, amorphe Kunststoffe wie PC, PS, SAN, ABS und PMMA haben sehr günstige Übertragungseigenschaften für die Ultraschallenergie. Teilkristalline Kunststoffe wie PA, PP, PE und POM sind am besten im unmittelbaren Nahfeld der Sonotrode schweißbar. Die geschweißten Teile sind sofort bearbeitbar, so dass der Ultraschall auch problemlos in Automationslinien integriert werden kann. Bei der Energieeinleitung ermöglicht eine Nahtgestaltung am Spritzgussteil das exakt definierte und zeitlich kontrollierte Aufschmelzen. Dies sind Spitzen oder Kanten in der Fügezone, die als sogenannte Energierichtungsgeber die Schmelzeinleitung definieren. Der Punktkontakt an diesen Stellen verhindert flächiges Ankoppeln.

Schweißkraftumschaltung sichert gutes Schweißergebnis

Herrmann Ultraschall hat als Anbieter für Ultraschall-Schweißsysteme einen besonderen Fokus auf die Weiterentwicklung von Nahtgestaltungen gelegt: Bei hohen Sicherheitsanforderungen wie zum Beispiel bei Blutfiltern hat sich die Doppelquetschnaht bewährt, weil sie hochfest ist und die Schmelze einschließt. Durch die 30° Schrägen am Energierichtungsgeber zieht der Kapillareffekt die Schmelze nach oben und nach unten. So wird verhindert, dass Schmelzaustrieb nach außen in den Sichtbereich oder in das Bauteilinnere fließt.
Oft kommt zusätzlich zu dieser hochwertigen Schweißgeometrie ein Dichtring aus Silikon, der beim Schweißvorgang dauerhaft zusammendrückt wird und eine weitere Barriere bildet.
Ein solches Teil fordert die Maschinentechnik heraus, weil der Krafteintrag einen Widerstand erfährt. Der so entstehende Gegendruck verlangsamt die Fügegeschwindigkeit. Die optimale Fügegeschwindigkeit jedoch muss konstant und linear ansteigen. Um den Gegendruck auszugleichen, wird auf die zweite – höhere – Schweißkraft umgeschaltet. Die Maschinensteuerung regelt hier mit einem Proportionaldruckregelventil, das durch Abtastraten im Millisekundenbereich präzise geschlossene Druckluftregulation und einheitliche Auslösekraft erreicht. So ermöglicht die Schweißkraftprofilierung einen qualitativ hochwertigen Prozess, der sich gut reproduzieren lässt.

 

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Thomas Herrmann