So funktioniert Ultraschallschweißen

In der Musikkomödie „Victor Victoria“ von 1982 singt Julie Andrews am Ende des Pariser Kabarettauftritts ihrer Figur einen hohen Ton. Sie hält die Note aufrecht und die Champagnergläser im Raum zerplatzen. Dies zeigte auf brillante Weise, wie hohe oder hochfrequente Töne Materialien auseinanderbrechen können. Aber wussten Sie, dass hochfrequente Töne verwendet werden können, um Materialien miteinander zu verbinden? Eine Technologie namens Ultraschallschweißen wird zur Montage von Produkten aus vielen Branchen eingesetzt – von medizinischen Geräten über Sportschuhe bis hin zu Automobilen.

Normalerweise können Sie Materialien mit Befestigungsmitteln wie Nägeln, Schrauben oder Gewinde verbinden. Dies ist für Metalle, Holz, Stoffe und Kunststoffe geeignet. Für viele Kunststoffe werden Klebstoffe verwendet; Klebstoffe bilden chemische Bindungen zwischen dem Klebstoff selbst und den Oberflächen der verklebten Kunststoffmaterialien. Metalle können durch Erhitzen anderer Metalle als Bindemittel zusammengehalten werden, beispielsweise Bleilot in elektrischen Verbindungen. Alternativ können die Metalle direkt miteinander verschmolzen (verschweißt) werden; Sobald die geschmolzenen Metalloberflächen abkühlen, verbinden sich die Metalle miteinander. Beim Schweißen ist in der Regel eine offene Flamme oder ein Brenner erforderlich, um die hohen Temperaturen zu erreichen, die zum Zusammenschmelzen der Metalloberflächen erforderlich sind. Daher kann es für einige Fertigungsaufträge ein kostspieliger Prozess sein.

In den 1940er Jahren wurde ein neues, kostengünstigeres Schweißverfahren eingeführt. Bei dieser Technik, dem Ultraschallschweißen, wurden hochfrequente Schallwellen und Druck verwendet, um Metalle miteinander zu verbinden, und es war weniger Energie erforderlich als beim herkömmlichen Schweißen. Das Ultraschall-Metallschweißen entwickelte sich in den 1950er bis 1990er Jahren, als die in den Geräten verwendete Elektronik immer ausgefeilter wurde und Computer den Prozess steuern konnten. Seitdem wird die Technik auf Kunststoffe angewendet und erfreut sich dort großer Beliebtheit.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Ausrüstung und den physikalischen Prozess des Ultraschallschweißens, wie New Balance es zur Herstellung von Sportschuhen verwendet hat und welche Vor- und Nachteile diese Technik hat. Schauen wir uns zunächst genauer an, wie Schallwellen Materialien verbinden, sowohl Metall als auch Kunststoff.

Wir möchten Kenneth Straka, Senior Product Developer bei New Balance, für seine Unterstützung bei diesem Artikel danken.

Reiben Sie Ihre Hände schnell aneinander. Fällt Ihnen etwas auf? Sie haben sich aufgewärmt, oder? Wenn Sie einen Hammer nehmen und schnell und wiederholt auf eine Metalloberfläche hämmern, werden Sie feststellen, dass sich auch die Stelle erwärmt, an der der Hammer auf das Metall trifft. In beiden Beispielen ist die Wärme auf Reibung zurückzuführen. Stellen Sie sich nun vor, Sie reiben Ihre Hände oder schlagen tausende Male pro Sekunde auf den Hammer. Durch die entstehende Reibungswärme kann die Temperatur in kürzester Zeit deutlich ansteigen. Grundsätzlich verursacht hochfrequenter Schall (Ultraschall) schnelle Vibrationen innerhalb der zu verschweißenden Materialien. Durch die Vibrationen reiben die Materialien aneinander und die Reibung erhöht die Temperatur an den Kontaktflächen. Diese schnelle Reibungswärme schafft die Bedingungen für die Verbindung der Materialien.

Ultraschallschweißgeräte bestehen aus vier Hauptteilen. Ein Netzteil wandelt niederfrequenten Strom (50–60 Hz) in hochfrequenten Strom (20–40 kHz; 1 kHz = 1000 Hz) um. Anschließend wandelt ein Wandler oder Konverter den hochfrequenten Strom in hochfrequenten Schall (Ultraschall) um. Ein Booster verstärkt die Ultraschallschwingungen. Schließlich bündelt ein Horn oder eine Sonotrode die Ultraschallschwingungen und überträgt sie auf die zu verschweißenden Materialien. Neben diesen Teilen gibt es einen Amboss, auf dem die geschweißten Materialien gestapelt und gehalten werden. Es gibt auch eine Methode, um beim Schweißen Kraft auszuüben (normalerweise Luftdruck, der von einem pneumatischen Kolben geliefert wird), um die Materialien zusammenzuhalten.

Welche Materialien und Branchen nutzen diesen cleveren Prozess? Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen wird häufig bei der Herstellung von Elektronikgeräten, medizinischen Geräten und Autoteilen eingesetzt. Beispielsweise wird Ultraschallschweißen eingesetzt, um elektrische Verbindungen auf Computerplatinen herzustellen und elektronische Komponenten wie Transformatoren, Elektromotoren und Kondensatoren zusammenzubauen. Auch medizinische Geräte wie Katheter, Ventile, Filter und Gesichtsmasken werden mittels Ultraschallschweißen zusammengebaut. Die Verpackungsindustrie nutzt diese Technik zur Herstellung von Folien, zur Konfektionierung von Tuben und Blisterverpackungen. Sogar die Ford Motor Company hat den Einsatz von Ultraschallschweißen zur Herstellung von Aluminiumchassis in Autos untersucht.

Nachdem Sie nun die Grundlagen des Ultraschallschweißens kennen, werfen wir einen Blick auf den Schweißprozess selbst.

Der grundlegende Prozess des Ultraschallschweißens kann durch die folgenden Schritte beschrieben werden:

Die Schweißzeiten, angewandten Drücke und Temperaturen werden von einem Computer oder Mikroprozessor im Schweißgerät gesteuert. Und was beim Schweißvorgang tatsächlich passiert, hängt von der Beschaffenheit der Materialien ab. Bei Metallen werden die Ultraschallschwingungen parallel zur Materialebene abgegeben. Die Reibungswärme erhöht die Temperatur der Metalloberflächen auf etwa ein Drittel der Schmelztemperatur, schmilzt die Metalle jedoch nicht. Stattdessen werden durch die Hitze Metalloxide und Filme von den Oberflächen entfernt. Dadurch können sich die Metallatome zwischen den beiden Oberflächen bewegen und Bindungen eingehen, die die Metalle zusammenhalten.

Bei Kunststoffen wirken die Vibrationen senkrecht zur Materialebene und die Reibungswärme erhöht die Temperatur so weit, dass der Kunststoff schmilzt. Die Kunststoffmoleküle vermischen sich und bilden Bindungen. Beim Abkühlen werden die Kunststoffoberflächen miteinander verschweißt. Die Schweißzeiten können variieren, die Schweißnähte können jedoch bereits in 0,25 Sekunden entstehen.

Die Faktoren, die beim Ultraschallschweißen variieren, sind die Frequenz der Schallwellen (normalerweise 20, 30 oder 40 kHz), der Druck, der angewendet wird, um die Materialien zusammenzuhalten, und die Zeit, über die der Ultraschall angewendet wird (Bruchteile einer Sekunde bis mehr als 300 Hz). eine Sekunde).

Die bisher beschriebenen Ultraschallschweißtechniken eignen sich gut für ähnliche Materialien (Metalle, Kunststoffe). Aber was ist mit Materialien, die nicht ähnlich sind? Lassen Sie uns diese Frage beantworten, indem wir uns ansehen, wie New Balance Ultraschallschweißen zur Herstellung von Sportschuhen eingesetzt hat.

Schauen Sie sich ein Paar Sportschuhe an. Während herkömmliche Schuhe aus einem einzigen Material wie Canvas oder Wildleder bestehen können, werden bei vielen Sportschuhen mehrere Materialien wie leichte Kunststoffpolymere, Wildleder oder synthetisches Wildleder und Mesh kombiniert. Diese Verbundmaterialien machen die Schuhe leicht, flexibel, langlebig und atmungsaktiv. Beispielsweise hat ein Typ von New Balance-Sportschuhen einen oberen Teil, der aus drei Teilen besteht.

Aber wie setzt man diese Materialien zusammen? Am häufigsten nähen Schuhfirmen die Materialien zusammen. Vor etwa zwei bis drei Jahren machte sich New Balance jedoch daran, den oberen Teil eines Schuhs ohne Nähte herzustellen. Nachdem sie mit Polymerklebefolien und Bügeleisen experimentiert hatten, kamen sie auf eine Möglichkeit, diesen Teil des Schuhs durch Ultraschallschweißen herzustellen.

Um den oberen Teil des Schuhs zusammenzubauen, beginnen die Arbeiter mit einem Stück synthetischem Wildledermaterial. Sie verwenden eine Eisenpresse, um eine dünne Schicht Heißschmelzfolie auf die Rückseite des Materials zu kleben. Als nächstes drückt eine Ultraschallschweißeinheit ein Musterblatt in ein Wildledermaterial. Ebenso presst eine ähnliche Ultraschallschweißmaschine die Sattelösenreihe aus einem anderen Stück synthetischem Wildleder. Die Blattform wird aus dem Wildleder herausgeschnitten. Die Sattelaugenreihe und das Netzmaterial werden per Ultraschall mit dem Vorderblatt verschweißt. Bei diesen Verfahren schmilzt die Reibungswärme des Ultraschallschweißgeräts den Schmelzfilm, der die Sattelösenreihe und das Netzmaterial mit dem Vorderblatt verbindet. Das fertige Schuhblatt wird dann geformt und mit wasserbasierten Lösungsmitteln an die Sohlen- und Fersenteile geklebt.

Laut Kenneth Straka, leitender Produktentwickler bei New Balance, haben die Ultraschallschweißmethoden die Produktivität gesteigert, indem sie Zeit gespart haben. Die Ultraschallschweißgeräte verteilen die Wärme nicht nur gleichmäßiger als Eisenpressen, sie erhitzen und kühlen auch schneller ab. Daher erfordert der Montageprozess weniger Schritte und ist schneller als herkömmliche Nähmethoden.

Nachdem wir nun gesehen haben, wie Ultraschallschweißen zum Verbinden verschiedener Materialien eingesetzt wird, schauen wir uns die Vor- und Nachteile dieser Technik an.

Ultraschallschweißen hat gegenüber herkömmlichen Verfahren viele Vorteile. Zum einen erfolgt das Schweißen im Vergleich zu anderen Verfahren bei niedrigen Temperaturen. Der Hersteller muss also keine großen Mengen an Kraftstoff oder anderer Energie aufwenden, um hohe Temperaturen zu erreichen. Dadurch wird der Prozess günstiger. Es ist auch schneller und sicherer.

Der Vorgang erfolgt in Sekundenbruchteilen bis Sekunden. Es kann also schneller durchgeführt werden als andere Methoden. Tatsächlich kann es Kunststoffe besser und schneller verkleben als Klebstoffe. So verfügen beispielsweise die neuen Smart Keys in Autos über einen Transponderchip. Das Auto kann nur starten, wenn es den Chip erkennt. Um den Schlüssel herzustellen, werden ein Ende des Metallschlüsselrohlings und der Chip in eine Hälfte der Kunststoffoberseite gesteckt. Die andere Hälfte wird darüber gelegt und mit der Basishälfte verklebt. Diese Verklebung erfolgt normalerweise mit Klebstoff, dessen Aushärtung einige Zeit in Anspruch nimmt. Die gleiche Aufgabe kann mit Ultraschallschweißen in weniger als einer Sekunde erledigt werden.

Beim Ultraschallschweißen sind keine brennbaren Brennstoffe und offenen Flammen erforderlich, sodass es sich im Vergleich zu anderen Schweißmethoden um ein sichereres Verfahren handelt. Die Arbeiter sind keinen brennbaren Gasen oder schädlichen Lösungsmitteln ausgesetzt. In der Elektronik werden Kupferdrähte üblicherweise mit Lot mit elektrischen Kontakten auf Leiterplatten verbunden. Die gleiche Aufgabe kann durch Ultraschallschweißen in einem Bruchteil der Zeit erledigt werden, ohne dass die Arbeiter den Dämpfen von glimmendem Bleilot ausgesetzt werden. Obwohl das Gehör von Arbeitern durch die Einwirkung von hochfrequentem Schall geschädigt werden kann, kann diese potenzielle Gefahr leicht verringert werden, indem das Ultraschallschweißgerät in einer Sicherheitsbox oder einem Käfig untergebracht wird und/oder ein Gehörschutz verwendet wird.

Schließlich sind Ultraschallschweißnähte genauso stark und langlebig wie herkömmliche Schweißnähte aus den gleichen Materialien – was nur einer der Gründe ist, warum die Methode im Automobilbau eingesetzt wird. Um Autos leichter und kraftstoffeffizienter zu machen, greifen Autohersteller auf Aluminium als Hauptmetall in Autokarosserien zurück. Durch Ultraschallschweißen kann das Metall in kürzerer Zeit und bei niedrigeren Temperaturen verbunden werden als beim herkömmlichen Schweißen.

Allerdings hat das Ultraschallschweißen seine Grenzen. Erstens beträgt die Tiefe der Schweißnähte weniger als einen Millimeter, sodass das Verfahren am besten bei dünnen Materialien wie Kunststoffen, Drähten oder dünnen Metallblechen funktioniert. Das Ultraschallschweißen eines Stahlträgers für ein Gebäude wäre nicht praktikabel. Zweitens funktioniert es am besten beim Schweißen ähnlicher Materialien wie ähnlicher Kunststoffe oder ähnlicher Metalle. Wie Sie bei New Balance-Schuhen gesehen haben, erfordert das Ultraschallschweißen unterschiedlicher Materialien ein zusätzliches Material – im Fall der New Balance-Schuhe ist es eine Folie, die zwischen dem synthetischen Wildleder und dem Mesh geklebt werden kann.

Trotz dieser Einschränkungen nehmen die Popularität und das Potenzial des Ultraschallschweißens weiter zu.

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