Mehr Kontrolle beim Ultraschallschweißen

In 0,5 Sekunden kann viel passieren, insbesondere in der Welt der Montage. Es können eine oder mehrere Nieten gleichzeitig eingesetzt werden. Es können mehrere Kleberaupen vorhanden sein

abgegeben. Und zwei thermoplastische Teile können per Ultraschall zu einem nutzbaren Teil verschweißt werden.

Seit mehr als 30 Jahren ist das Ultraschallschweißen eine beliebte Methode zur Montage von Teilen aus amorphen oder teilkristallinen Thermoplasten oder thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Beim Ultraschallschweißen handelt es sich um eine Form des Reibschweißens, bei der Teile miteinander verbunden werden, indem sie gegeneinander vibriert werden.

Alle Ultraschallschweißgeräte verfügen über eine Stromversorgung (Generator), eine Computersteuerung, einen Aktuator (angetrieben durch einen Pneumatikzylinder oder eine servoangetriebene Kugelumlaufspindel), einen Wandler, einen Verstärker und ein Sonotrodenhorn. Der Wandler, der Verstärker und das Horn bilden den Ultraschallstapel.

Die Energie wird an den Wandler gesendet, der piezoelektrische Kristalle enthält, die sich ausdehnen und zusammenziehen. Diese Aktion verursacht mechanische Vibrationen, die der Verstärker verstärkt und auf das Horn überträgt, das wiederum Ultraschallenergie auf die Verbindungsschnittstelle überträgt.

Durch eine Kombination aus Reibung und Hysterese wird an der Verbindung Wärme erzeugt. Durch die Hitze schmilzt an jedem Teil eine kleine Menge Kunststoff. Wenn die Ultraschallschwingungen aufhören, erstarrt das geschmolzene Material und die Schweißnaht wird erreicht. Die tatsächliche Schweißzeit liegt normalerweise zwischen 200 und 400 Millisekunden.

Neben der Geschwindigkeit schätzen die Hersteller, dass das Ultraschallschweißen sauber und wirtschaftlich ist, insbesondere bei kleinen Teilen. Ihnen gefällt auch, dass Zulieferer Maschinen entwickeln, die ihnen mehr Prozesskontrolle und die Möglichkeit geben, komplexe Kunststoffteile zu schweißen.

Beispielsweise hat Herrmann Ultraschall Inc. eine Verbundwerkstoffsonde entwickelt, die es einem europäischen Automobilzulieferer ermöglicht, Tagfahrlichter mit einer 3D-Form per Ultraschall zu verschweißen. Die Verbundsonotrode besteht aus einem Sonotrodenträger und mehreren Sonotrodenspitzen, die jeweils als eigenständige Einheit konzipiert und abgestimmt sind.

Die Spitzen sind unterschiedlich hoch und so gestaltet, dass sie sich beim Schweißen an die Teilekontur anpassen. Um die korrekte Vibration jeder Spitze zu gewährleisten, wird sie im Träger montiert, manuell eingestellt und auf Frequenz gemessen. Um eine korrekte Vibration der Verbundsonotrode zu gewährleisten, ist diese auf Frequenz, minimale Leerlaufleistung und gleichmäßige Amplitudenverteilung abgestimmt. Das Verbundhorn wird dann unter Lastsimulation mit einem Laser vermessen. Erforderliche Korrekturen werden maschinell durchgeführt.

„Die eigentliche Wachstumsphase des Ultraschallschweißens kam in den 1980er und 1990er Jahren“, sagt Bill Reed, Vertriebs- und Marketingleiter bei Extol Inc., das Ultraschallschweißmaschinen integriert und auch Rotations-, Infrarot- und Heizplattenschweißsysteme herstellt. „Heute befinden wir uns in einer Ära der Verfeinerung.“

Hersteller können alle wichtigen Parameter des Ultraschallschweißprozesses steuern: Amplitude, Schweißzeit, Haltezeit, Energie, Leistung und Abstand. Mit der aktuellen Technologie können Bediener diese Parameter präzise in die Steuerung von Hand-, Tisch-, Automatisierungs- und Robotersystemen programmieren.

Die Amplitude ist die Spitze-zu-Spitze-Bewegung des Horns an seiner Vorderseite. Branson Ultraschall Corp. verfügt über ein Amplitudenprofilierungssystem, das es Benutzern ermöglicht, die Hornamplitude während des Schweißens sofort zu erhöhen oder zu verringern.

„Nehmen wir an, die Schweißzeit beträgt 250 Millisekunden und es dauert 150 Millisekunden, bis die Schmelztemperatur erreicht ist“, sagt Jeff Frantz, Direktor für Marketing und Produktentwicklung bei Branson Ultraschall Corp. „Mit der Amplitudenprofilierung können wir die Amplitude an diesem Punkt verringern.“ Halten Sie die Schmelzetemperatur weitere 100 Millisekunden lang, was zu einer stärkeren Schweißung auf molekularer Ebene mit weniger Graten und Teilmarkierungen führt. Diese Funktion wird in allen Branchen zunehmend genutzt, insbesondere aber von Herstellern von Medizin- und Unterhaltungselektronik für ihre High-End-Produkte.“

Branson X-Port ist eine Windows-Anwendung, mit der Bediener den Schweißprozess in Echtzeit verfolgen können. Es liefert detaillierte Daten, sodass Schweißschwankungen sofort erkannt und korrigiert werden können. Zu den angezeigten Parametern gehören Schweißzeit, Energie und Kraft; absolute Entfernung; Geschwindigkeit; Total- und Schweißkollaps; und Spitzenleistung.

Das Unternehmen bietet auch eine Startrampenfunktion für seine High-End-Maschinen wie die DCX- und 2000X-Serie an. Mit dieser Funktion können Ingenieure problemlos Hoch- und Herunterfahrzeiten programmieren, um den Durchsatz zu erhöhen.

Dukane Corp. stellt sowohl pneumatische als auch Servo-Ultraschall-Schweißsysteme her. Alle Servoschweißgeräte verfügen über ein HMI, mit dem der Bediener 10 Schweißparameter steuern kann. Die Schweißgeräte sind außerdem mit den Technologien Melt Detect und Melt-Match ausgestattet.

„Die kontrollierte, konstante Geschwindigkeit des Ultraschallstapels erzeugt eine konstante Schmelzrate, die eine homogene Molekularstruktur, eine stärkere Schweißnaht usw. erzeugt

„Reduzierte Spannungen in der Schweißbaugruppe“, sagt Leo Klinstein, technischer Leiter der Dukane Corp.

Die Schmelzerkennung wird zu Beginn der Schweißung aktiviert, um sicherzustellen, dass die Schmelze vollständig initiiert wird. Die Hupe bewegt sich nach unten, bis die eingestellte Abzugskraft registriert wird. Anschließend wird eine Ultraschalluntersuchung eingeleitet. Sobald der gewünschte Abfall der Auslösekraft erkannt wird – was signalisiert, dass die Teile zu schmelzen und zu kollabieren beginnen – setzt das Horn seine Abwärtsbewegung fort und komprimiert das Teil für die programmierte Schweißung.

Diese Funktion wird für Anwendungen empfohlen, bei denen es schwierig ist, die erforderliche Amplitude zum Schmelzen der Teile zu erreichen. Dazu gehören Teile mit einer Breite von mehr als 4 Zoll, teilkristalline Teile aus Polyamid oder Polyoxymethylen sowie Teile mit einer kleinen anfänglichen Kontaktfläche an der Verbindung.

Melt-Match ist während des Schweißens aktiviert, sodass die Geschwindigkeit des Ultraschallstapels genau der Schmelzflussgeschwindigkeit des Kunststoffmaterials entspricht. Laut Klinstein bietet die Technologie dem Bediener eine präzise Steuerung bis auf 0,0001 Zoll.

„Unsere Kunden sind immer praxisorientierter und wünschen sich mehr Kontrolle über viele Prozessvariablen“, sagt Uwe Peregi, Geschäftsführer von Herrmann Ultraschall. „Außerdem möchten sie die Schweißnähte ähnlicher und unterschiedlicher Teile schnell vergleichen können.“

Benutzer der hybriden (pneumatischen und servogesteuerten) HiQ-Dialogschweißgeräte mit Geschwindigkeitsregelung von Herrmann können Schweißinformationen auf der Benutzeroberfläche der Maschine anzeigen. Es zeigt Daten oder Diagramme an, die den gesamten Schweißzyklus visuell darstellen. Schweißdaten können vor Ort angezeigt, analysiert, gesammelt und heruntergeladen oder kontinuierlich zur Analyse an mehrere Werke oder Unternehmensbüros gesendet werden.

Das Unternehmen stellt auch pneumatische Schweißgeräte her, beispielsweise das Modular Punch Welding (MPW)-System. Diese Mehrzweckmaschine wird von mehreren US-amerikanischen und europäischen Automobilherstellern eingesetzt, um kontinuierlich eine Membranscheibe (6 bis 22 Millimeter Durchmesser) auszustanzen und an die Innenseite eines LED-Leuchtengehäuses zu schweißen. Die Membran, auch Druckausgleichselement genannt, verhindert das Eindringen von Kondenswasser in das Gehäuse und lässt Luft entweichen, um das Innere kühl zu halten.

Nachdem eine Stanz-Baugruppe eine Scheibe ausgeschnitten hat, wird sie per Vakuum zum Gehäuse transportiert. Die Zykluszeit beträgt weniger als 2 Sekunden.

Vor dem MPW-System verwendeten Autohersteller Klebstoff oder Heißsiegelung, um die Membran zu befestigen. Beide Methoden waren arbeitsintensiv, dauerten viel länger, erforderten vorgeschnittene Scheiben und ermöglichten keine ausgefeilte Prozesskontrolle. Ein Arbeiter trug Klebstoff auf die winzige Scheibe auf, platzierte sie dann vorsichtig und drückte sie in das Gehäuse. Oder der Arbeiter erhitzte den spezifischen Gehäusebereich, bevor er die Membran in den erweichten Kunststoff drückte. Leider beschädigte die Restwärme häufig die Membranfasern.

Hersteller haben kaum Kontrolle über die Betriebsfrequenz, die nur durch Austausch des Ultraschallstapels geändert werden kann. Die gebräuchlichste Systemfrequenz war viele Jahre lang 20 Kilohertz. Das ist nicht mehr der Fall.

Mike Johnston, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei Dukane Corp., sagt, dass immer mehr Kunden 15-Kilohertz-Systeme verwenden, weil sie größere Teile schweißen müssen. Dukane bietet 15- und 20-Kilohertz-Systeme mit pneumatischem oder Servoantrieb und einem 4.800-Watt-Generator – dem größten aller Zeiten.

„Die Finite-Elemente-Analyse hilft uns, bessere Hörner zum Schweißen größerer Teile zu entwickeln“, sagt Johnston. „Aber praktisch gesehen sollte das Horn nicht größer als 10 x 8 Zoll sein.“

Für kleinere, empfindliche Teile werden weiterhin höherfrequente Systeme mit 30, 35 und 40 Kilohertz eingesetzt. Dukane stellt 50- und 70-Kilohertz-Systeme (pneumatisch oder servogesteuert) zum Schweißen von Minibauteilen her.

Ein europäischer Medizingerätehersteller nutzt das 70-Kilohertz-Servosystem, um ein ultradünnes Bauteil (100 Mikrometer) in einem sehr dünnen Prüfgerät (300 Mikrometer) zu verschweißen. Der Schweißabstand beträgt 50 Mikrometer und die Zykluszeit beträgt weniger als 0,5 Sekunden. Das System ist seit mehreren Monaten in Betrieb, ohne dass irgendwelche Komponenten oder Geräte beschädigt wurden.

Geräte- und Automobilhersteller schätzen den Ultraplast-Digitalgenerator, weil er unter extremen Betriebsbedingungen nicht überhitzt. Der von Herrmann hergestellte Generator leistet bis zu 1.200 Watt bei 35 Kilohertz und bis zu 6.200 Watt bei 20 Kilohertz. Es kann für das schnelle intermittierende Schweißen mittelgroßer und großer Teile konfiguriert werden. Der Generator ist für den Einsatz mit 20-, 30- und 35-Kilohertz-HiQ-Schweißgeräten erhältlich.

Die Notwendigkeit, größere Teile zu schweißen, ist nicht der einzige Grund, warum Zulieferer die Leistung ihrer Generatoren erhöht haben. Ein weiterer Grund liegt darin, dass thermoplastische Materialien zunehmend individuell für Hersteller gemischt werden.

„Teile aus Thermoplasten mit neuen Basisharzen oder Harzmischungen stellen die Zulieferer vor Herausforderungen“, sagt Frantz. „Diese Teile haben eine höhere Wärmekapazität und erfordern zum Schweißen mehr Leistung. Hersteller von Unterhaltungselektronikprodukten verwenden häufig diese Thermoplaste.“

Branson hat mit seinem 20-Kilohertz-System die Kapazität der eingesetzten Stromversorgungen deutlich erhöht. Im Jahr 2008 war das System mit 1.000-, 2.000- und 3.000-Watt-Netzteilen erhältlich. Heute kann es mit 1.250-, 2.500-, 4.000- und 5.500-Watt-Netzteilen verwendet werden.

Sonobond Ultraschall Inc. bietet mit dem Standard 3000 ein 20-Kilohertz-System an, das eine Vielzahl von Teilegrößen schweißen kann. Janet Devine, Präsidentin von Sonobond Ultraschall Inc., sagt, dass das System über einen Konverter verfügt, der mit Generatoren bis zu 3.000 Watt verwendet werden kann. Es bietet alle Funktionen, die für eine vollständige Prozesskontrolle erforderlich sind.

Das Ultraschall-Roboterschweißen von Kunststoffen hat in den letzten Jahren nicht zugenommen, sagen Zulieferer. Sie nennen dafür zwei Gründe.

„Viele Endanwender bevorzugen für größere Teile die Verwendung eines Betätigungssystems gegenüber einem Roboter, weil der Stapel zu schwer ist und den Arm des Roboters zu stark verlangsamt“, sagt Peregi. „Wir haben einen Rückgang von Sechs-Achsen-Robotern beobachtet, die in 15- oder 20-Kilohertz-Systeme integriert sind. Für 35- oder 40-Kilohertz-Systeme scheinen die Hersteller lieber Roboter mit leichteren Stacks einzusetzen.“

Ein weiteres Problem bei Robotern besteht darin, dass sie im Allgemeinen Spiel oder Durchbiegung erzeugen, sagt Reed. Darüber hinaus ist es bei Roboterbewegungen schwierig, die dynamische Folgebewegung zu erzeugen, die für eine hochwertige Ultraschallschweißung erforderlich ist.

„Daher eignen sich Roboter besser für das Ultraschall-Punktschweißen oder -Stecken als für herkömmliches Schweißen“, sagt Reed. „Stecken oder Punktschweißen stören absichtlich die Kontaktoberfläche und werden normalerweise auf der B-Seite eines Teils durchgeführt. Bei einer herkömmlichen Ultraschallschweißung ist der Hornkontakt nicht sichtbar.“

Ultraschall-Roboterschweißen wird in der Regel für große Kunststoffteile eingesetzt, die mehrere Schweißnähte erfordern, wie zum Beispiel Türverkleidungen. Oftmals verfügen diese Robotersysteme über mehrere Schweißhörner, die einfach programmiert und geändert werden können. Auch Schweißparameter können je nach Bedarf programmiert und geändert werden.

Bei automatisierten Anwendungen ohne Roboter sind häufig mehrere Ultraschallstapel erforderlich. Die iQ-Serie von Dukane verfügt über eine Trigger by Power-Funktion, die es Herstellern ermöglicht, die Kraft jedes Stapels in Multi-Stack- oder Roboteranwendungen zu steuern. Laut Johnston verbessert die Technologie die Kosteneffizienz und die Wiederholbarkeit der Schweißnähte.

Einige automatisierte Anwendungen bieten Zulieferern die Möglichkeit, Ingenieuren dabei zu helfen, ihre Produktivität durch kürzere Zykluszeiten zu steigern. Klinstein sagt beispielsweise, dass ein potenzieller Kunde ein Ultraschallschweißgerät an einem Portalkran montiert hat, damit es schnell zwischen den Schweißstandorten bewegt werden kann.

Der Kunde verwendet das pneumatische Schweißgerät eines Mitbewerbers und jede Schweißung dauert 1,20 Sekunden. Laut Klinstein kann ein Servoschweißgerät die Zykluszeit um 0,25 Sekunden auf 0,95 Sekunden verkürzen.

Wie Automobilhersteller verwenden auch Möbelhersteller häufig automatisierte Systeme, die mehrere Schweißnähte an einem Teil oder gleichzeitige Schweißungen an mehreren Teilen durchführen. Laut Reed liegt das daran, dass Ultraschallschweißen sich hervorragend zum Verbinden von Stoffen mit Kunststoff eignet.

„Ein US-amerikanischer Büromöbelhersteller, mit dem wir zusammenarbeiten, nutzt ein automatisiertes 20-Kilohertz-System mit 18 Aktuatoren, um Stoff punktuell an Stuhllehnen zu schweißen“, sagt Reed. „Bevor Ultraschall in Betracht gezogen wurde, standen dem Unternehmen als Montageoptionen Heftklammern, Kleber oder ein separat geformtes komplexes Bauteil zur Verfügung, das den Stoff festhielt.“

Laut Reed müssen Hersteller eng mit ihrem Ultraschallgerätelieferanten und -integrator zusammenarbeiten, um eine automatisierte Anwendung erfolgreich zu machen. Er möchte den Herstellern auch klarmachen, dass automatisierte Anwendungen eine erhebliche Herausforderung für Integratoren darstellen.

„Wir möchten, dass der Endbenutzer in seinem automatisierten Prozess über das gleiche Maß an Schweißkontrolle verfügt, das er in der Entwicklungsphase des Projekts verwendet hat. In einigen Fällen verfügen die von Ultraschallschweißlieferanten für die Automatisierung angebotenen Komponenten nicht über die gleiche Leistungsfähigkeit wie die verfeinerten Tischgeräte. Ein bewusster Dialog zwischen den drei Parteien kann diese Herausforderungen bewältigen.“