Sonotroden-Anwendung

Durch die Nutzung einer speziellen Messer-Sonotrode beim Einsetzen von Messingbuchsen in einen Rahmen konnten die notwendigen
Arbeitsschritte von 18 auf vier reduziert werden.
(Bild: Herrmann Ultraschall)


Mit Produktionszeiten von mehr als drei Minuten pro Bauteil war die Bestückung eines Kunststoffrahmens für die in Daun beheimatete Apra-Plast Kunststoffgehäusesysteme bisher eine zeitaufwendige Aufgabe. Grund für die langen Taktzeiten waren die insgesamt 18 Messingbuchsen, die mittels Wärme einzeln in den Rahmen eingesenkt werden mussten. Ein automatisiertes Verfahren rechnete sich aufgrund der geringen Stückzahl nicht. Auch das Umspritzen der Buchsen als alternativer Prozess schied aufgrund hoher Kosten aus. Das Unternehmen Herrmann Ultraschall erfuhr in einem der regelmäßigen Austausche mit Apra-Plast von der Herausforderung und kam mit einer Idee für ein effizienteres Verfahren auf den langjährigen Geschäftspartner zu. Gemeinsam konnte eine spezielle Ultraschall-Schweißlösung entwickelt werden. Das Ergebnis: Die Produktionszeiten des Bauteils wurden deutlich verkürzt und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses gesteigert.

Sonotrode auf Kuschelkurs: Beim Schweißvorgang liegt die Sonotrode nur auf den Messingbuchsen auf. Das schont das Material des Kunststoffrahmens.
Sonotrode auf Kuschelkurs: Beim Schweißvorgang liegt die Sonotrode nur auf den Messingbuchsen auf. Das schont das Material des Kunststoffrahmens. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Fünfmal so schnell mit Messer-Sonotrode

Die Fügeaufgabe bestand darin, mit Hilfe von Ultraschall mehrere Messingbuchsen gleichzeitig in den Kunststoffrahmen aus Polycarbonat einzusenken. Dafür wurde zunächst eine spezielle Sonotrode entwickelt, die alle Buchsen pro Rahmenseite gleichzeitig präzise einsenken kann. Die bisher notwendigen 18 Arbeitsschritte für den Komplettrahmen konnten auf vier verringert werden, wodurch sich die Taktzeit auf knapp 40 s senkte – das entspricht nur noch einem Fünftel der ursprünglichen Dauer.

Während des Schweißvorgangs selbst liegt die sogenannte Messer-Sonotrode über eine ganze Rahmenlänge auf allen Messingbuchsen dieser Seite gleichzeitig auf. Die Buchsen werden durch den Ultraschall zum Schwingen angeregt, übertragen den Schall auf den Kunststoffrahmen und leiten den Schmelzvorgang ein. Die Schmelze fließt in die Hinterschnitte der Buchsen ein, wodurch eine feste Verbindung erzeugt wird. Durch dieses Vorgehen können die Messingbuchsen vollständig in den Rahmen eingebettet werden, während gleichzeitig dessen Material geschont wird. So entsteht ein optisch einwandfreies Ergebnis. Beim Schweißprozess ist das vollständige und gleichmäßige Einsenken der Buchsen essenziell, da der Rahmen für die Herstellung des Endprodukts, ein Steuergerät, mit einem Gegenstück verschraubt wird. Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, wie etwa durch hervorstehende Buchsen, könnten dafür sorgen, dass beide Teile des Kunststoffgehäuses später nicht dicht miteinander verbunden werden.

Eine der Messingbuchsen vor (links) und nach dem Schweißvorgang (rechts). Das vollständige und gleichmäßige Einbetten der Buchsen ist essenziell für ein optimales Endprodukt.
Eine der Messingbuchsen vor (links) und nach dem Schweißvorgang (rechts). Das vollständige und gleichmäßige Einbetten der Buchsen ist essenziell für ein optimales Endprodukt. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Um ein gleichmäßige Einsenken der Buchsen gewährleisten zu können, muss das Bauteil während des Schweißvorgangs in der Maschine vollständig plan liegen und bewegungsfrei fixiert werden können. Hierfür wurde eine spezielle Werkstückaufnahme mit Einfräsungen entwickelt. Sie ermöglicht es dem Anwender, das Bauteil sicher in der Werkstückaufnahme einzulegen, festzuspannen und die erste Rahmenseite zu schweißen. Danach wird das Teil gedreht und mit der zweiten Rahmenseite neu fixiert und ebenfalls verschweißt. Mit insgesamt vier Schritten sind alle 18 Buchsen eingebettet. Im Projektentwicklungsprozess war es schließlich die Kombination aus speziell gestalteter Sonotrode und Werkstückaufnahme, die für den langen Rahmen mit 310 mm Kantenlänge einen prozesssicheren Ultraschall-Schweiß- beziehungsweise Einsenkvorgang ermöglichte.

Der Kunststoffrahmen wird während des Schweißvorgangs in eine speziell entwickelte Werkstückaufnahme eingespannt, damit die Buchsen vollständig und gleichmäßig eingebettet werden können.
Der Kunststoffrahmen wird während des Schweißvorgangs in eine speziell entwickelte Werkstückaufnahme eingespannt, damit die Buchsen vollständig und gleichmäßig eingebettet werden können. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Gleich mehrere Anwendungen im Fokus

Um die Amortisationszeit der Ultraschall-Schweißmaschine zu reduzieren, schlug das Engineering Team von Herrmann anhand der aktuellen Projekte des Produzenten weitere Einsatzmöglichkeiten vor. Durch das Schnellwechselsystem für die Schweißwerkzeuge kann die Schweißmaschine in wenigen Minuten für eine andere Anwendung umgerüstet werden. Zusätzlich zum Rahmen wurde ein weiteres Projekt umgesetzt, das ebenfalls in Kleinserie gefertigt wird.

Bei diesem Produkt handelt es sich um das Kunststoffgehäuse eines Messgeräts, in das ein Sichtfenster aus Plexiglas (PMMA) eingelassen wird. Die Scheibe wurde bisher von Hand geklebt, was jedoch mehrere Nachteile mit sich brachte. So muss die Verbindung zwischen den Bauteilen wasserdicht sein, um die reibungslose Funktionalität des Endprodukts zu gewährleisten. Durch den Einsatz von Kleber kam es jedoch immer wieder zu Lufteinschlüssen, die die Dichtheit gefährdeten. Zudem konnten die Bauteile durch den händischen Klebevorgang verrutschen, worunter nicht nur die Dichtheit, sondern auch die Optik des Endprodukts leiden.

Durch schnelles Umrüsten kann die Ultraschall-Schweißmaschine auch für andere Anwendungen, wie das Einschweißen eines Sichtfensters in ein Kunststoffgehäuse, genutzt werden.
Durch schnelles Umrüsten kann die Ultraschall-Schweißmaschine auch für andere Anwendungen, wie das Einschweißen eines Sichtfensters in ein Kunststoffgehäuse, genutzt werden. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Erste Tests ergaben, dass der Einsatz von Ultraschall hier zu einer Steigerung der Produktqualität beitragen konnte. Das Sichtfenster wird durch das Ultraschallschweißen absolut dicht mit dem Kunststoffgehäuse verbunden. Der Verzicht auf Kleber wiederum sichert auch ein optisch einwandfreies Ergebnis und schafft eine umweltverträgliche Verbindung ganz ohne Zusatzstoffe. Ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz der Ultraschall-Schweißtechnologie bestand auch in der Möglichkeit der Prozessüberwachung: Indem jeder einzelne Schweißvorgang genau überwacht und validiert werden kann, sorgt die Maschine für eine bisher unerreichte Prozesssicherheit.

Jürgen Könen (2. v. r.), Geschäftsführer von Apra-Plast, freut sich bei der Abnahme der Ultraschall-Schweißmaschine über ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten.
Jürgen Könen (2. v. r.), Geschäftsführer von Apra-Plast, freut sich bei der Abnahme der Ultraschall-Schweißmaschine über ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Schulung und Beratung essentiell

Mit diesen beiden entwickelten Lösungen arbeitet das Unternehmen zum ersten Mal mit der Ultraschall-Schweißtechnologie. Ausschlaggebend für die Entscheidung war eine eingehende Grundlagenschulung zum Ultraschallschweißen sowie Beratung hinsichtlich der finanziellen als auch der technischen Machbarkeit des Projekts. Mit einer Leihmaschine konnten auch Tests unter realen Produktionsbedingungen im eigenen Haus durchgeführt werden.

Die entwickelte Schweißlösung verdeutlicht, dass sich der Einsatz von Ultraschall auch bei kleinen Losgrößen lohnen kann. Voraussetzung hierfür ist eine eingehende Betreuung über die gesamte Projektdauer hinweg, sodass eine vielseitig anwendbare Maschine entwickelt werden kann. Gerade händischen Fügeverfahren gegenüber bietet das Ultraschallschweißen den großen Vorteil von schnelleren Produktionszeiten und einer Steigerung der Produktqualität, sodass ganze Herstellungsprozesse wirtschaftlicher, effizienter und auch nachhaltiger gestaltet werden können.

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