Das Unternehmen Kunststoff Christel in Bad Dürrheim ist bekannt als Spezialist für die Herstellung von hochpräzisen Kunststoffteilen und verfügt über die komplette Fertigungskette, angefangen von der Beratung über Konstruktion, Spritzguss bis hin zur Montage. Eines der wichtigsten Kunststoff-Fügeverfahren im Bereich der Montage ist das Ultraschallschweißen. Auch bei diesem Produktionsprozess sind Verbesserungen und Optimierungen ein wichtiges Ziel, um Produktionskosten zu senken. Mit Blick auf ständige Innnovation und auf neuste Verfahren hat Kunststoff Christel die neuentwickelte Ultraschall-Schweißmaschine MS Sonitop mit Servo-Technologie der MS Ultraschall, Spaichingen, getestet.

Ultraschallschweißen eines Ventilblocks aus PVDF

Ein in der Produktion befindlicher Ventilblock aus PVDF wird im letzten Fertigungsschritt mittels Ultraschall geschweißt. Dieses Produkt stellt hohe Anforderungen an den Prozess hinsichtlich Optik und Festigkeit. Bei der laufenden Produktion wird der Ventilblock auf einer modernen, pneumatisch betriebenen Ultraschallschweißmaschine gefügt. Die Ausschussquote beträgt aktuell 9 Prozent. Die Ursachen dieser hohen Ausschussquote sind nicht zulässige Abdrücke auf der Sichtseite und im geringen Maße auch nicht erreichte Festigkeitswerte. Festzustellen sind auch hohe Standardabweichungen bei den erzielten Festigkeiten. Diverse Optimierungsschleifen wurden durchlaufen, jedoch wurde keine nennenswerte Verbesserung erzielt. Mit dem Ziel, diese hohe Ausschussquote zu reduzieren, wurde die neue Ultraschall-Schweißmaschine mit Servo-Technologie eingesetzt.

Die Anforderungen an den Schweißprozess sind hoch:

  • zu erzielende Ausreißkraft mindestens 500 N
  • optisch einwandfreie Oberfläche – keine Markierungen/Beschädigungen durch Sonotrode zulässig
  • Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit
  • Reduzierung der Ausschussquote.

Bei PVDF (Polyvinylidenfluorid) handelt es um einen opaken, teilkristallinen Thermoplast. Das Polymer zählt zu den Hochtemperatur-Kunststoffen mit einem hohen thermisch-mechanischem Eigenschaftsniveau und stellt hohe Ansprüche an den Ultraschall-Schweißprozess.

Unter Berücksichtigung der Kunststoffeigenschaften und den Anforderungen an die Schweißnaht-Festigkeiten wurde als Schweißnaht-Geometrie eine Quetschnaht gewählt. Quetschnähte zeichnen sich durch sehr hohe Festigkeiten aus und sind für scher-und torsionsbeanspruchte Bauteile geeignet. Beim Schweißvorgang gleiten die Teile ineinander, und es entsteht eine vertikal verlaufende Schweißnaht. Das Ineinandergleiten der beiden Flächen verhindert, dass die Schmelze mit Luft in Kontakt kommt. Dadurch werden eine zu schnelle Abkühlung und eine Kristallisation verhindert. Durch diesen Effekt und aufgrund enger Spaltmaße wird die Schmelze in der Fügezone gehalten, und es entsteht eine sehr homogene, hochfeste und dichte Verbindung.


Vergleich Servo-Technologie zu Pneumatik

Die Bewertung der Güte der Schweißverbindung erfolgte auf Basis von Zugversuchen und mikroskopischen Untersuchungen. Bei der Ermittlung der optimalen Schweißprozess-Parameter wurden neben den maximalen Ausreißkräften auch Sonotroden-Markierungen und geringere Standardabweichungen als Kriterien zugrunde gelegt. Im Vergleichstest wurden je 2.500 Stück Ventilblöcke auf der pneumatischen Anlage und auf der Servo-Anlage verschweißt. Die Ergebnisse sprechen eindeutig für die neue Servo-Technologie.

Abreißkräfte um bis zu 50 Prozent gesteigert

Vergleich der Ausreißkräfte: Das Ultraschallschweißen mit der neuen Servo-Technologie bringt deutlich bessere Ergebnisse als die pneumatisch betriebene Maschine.

Vergleich der Ausreißkräfte: Das Ultraschallschweißen mit der neuen Servo-Technologie bringt deutlich bessere Ergebnisse als die pneumatisch betriebene Maschine.

Das Qualitätsmerkmal Ausreißkraft wurde im Zugversuch bei Raumtemperatur bestimmt. Trotz Ausschöpfung aller Möglichkeiten, wie etwa Relativweg-Schweißung, Amplitudenoptimierung, Kraftprofilierung, konnte mit der pneumatisch betriebenen Schweißmaschinen kein besseres Ergebnis erzielt werden. Die integrierte Kraft- und Geschwindigkeitsregelung der MS Sonitop mit Servo-Technologie ermöglichte das hochpräzise Schweißen des Ventilblocks. Im Gegensatz zum pneumatischen Antrieb behält die Servo-Technologie über alle Prozessphasen die volle Kontrolle über die Schmelzbildung und das Schmelzverhalten. Der geschwindigkeitsgeregelte Prozess garantiert insbesondere in der wichtigen stationären Abschmelzphase optimale Fleißbedingungen im Schweißnahtbereich. Dabei konnten die erzielten Abreißkräfte um bis zu 50 Prozent gesteigert werden. Die höheren Festigkeitswerte sind auf ein reduziertes Eigenspannungsniveau im Schweißnahtbereich und auf eine größere Schmelzschichtdicke zurückzuführen.

Deutlich bessere Optik

Von 2.500 Stück pneumatisch geschweißten Ventilblöcken wurden an 225 Stück starke Markierungen festgestellt, was einer Ausschussquote von 9 Prozent entsprach. Hier erzielte die Servo-Technologie eindeutig ein besseres Ergebnis. Lediglich bei 10 von 2.500 Stück waren leichte Markierungen festzustellen, was eine Ausschussquote von nur 0,4 Prozent bedeutete. Zurückzuführen ist dies auf die federnde und damit unkontrollierte Wirkung der Pneumatik, die bei dem Hochtemperaturkunststoff keinen präzise geregelten Schweißprozess zulässt. Sobald der Schmelzprozess ins Stocken gerät, kommt es zu Kraterbildungen (Markierungen) an der Sonotroden-Kontaktfläche des Ventilblocks. Im Gegensatz zur Pneumatik behält der geregelte Servoantrieb den Bauteilkontakt und die volle Kontrolle über den Schmelzprozess. Hier wirkt auch die hohe Regelgenauigkeit, die für einen präzisen und stabilen Prozess sorgt und Ausschusskosten reduziert.

Ein zusätzlicher Nebeneffekt der Servo-Technologie war die Reduzierung der Tatktzeit um eine Sekunde.

„Vor kurzem haben wir die dritte Ultraschallschweißmaschine mit neuster Servo-Technologie der Firma MS Ultraschall in Betrieb genommen und sind von den Möglichkeiten, der Präzision und der hohen Schweißgüte mehr als überzeugt“, sagt Geschäftsfüherer Rainer Christel. „Aus den bisherigen Erfahrungen lässt sich eindeutig sagen, dass diese Neuentwicklung neue Wege im Ultraschallschweißbereich ermöglichen und die Pneumatik eine aussterbende Technik sein wird.“ Darüber hinaus lobt der Kunststoff-Christel-Chef die kompetente Zusammenarbeit mit MS Ultraschall, beginnend bei der Beratung in der Entwicklungsphase, über Schweißversuche im Anwendungslabor  bis hin zur Serienreife.

Über die Autoren

Michael Jansen

ist Gebietsverkaufsleiter bei MS Ultraschall Technologie in Spaichingen.
michael.jansen@ms-ultrasonic.de

Rainer Christel

ist Geschäftsführer von Kunststoff Christel in Bad Dürrheim.
rainer.christel@kunststoff-christel.de