Das Sonotrodendesign ist der Schlüssel zum Erfolg des Ultraschallschweißens von Automobilbaugruppen

Herrmann wurde damit beauftragt, aluminiumbeschichtete Isolierplatten für einen Motorraum zu schweißen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Herrmann Ultraschall Inc.

Ein sechsachsiger Roboter montiert mithilfe eines Ultraschall-Punktschweißgeräts Kunststoff-Isolierplatten für einen Motorraum. Foto mit freundlicher Genehmigung von Herrmann Ultraschall Inc.

Durch Ultraschallschweißen wird eine klare Kunststofflinse hermetisch abgedichtet an einem Kunststoffkörper befestigt. Die komplexe 3D-Form und die Klasse-A-Oberfläche des Teils stellen eine Herausforderung beim Schweißen dar. Foto mit freundlicher Genehmigung von Herrmann Ultraschall Inc.

Zur Montage von Modellvarianten von Tagfahrlichtern bilden alle Teile dieses Ultraschallschweißgeräts einen „Schnellwechselrahmen“, der von der Hauptmaschine gelöst und gegen einen anderen Rahmen ausgetauscht werden kann. Foto mit freundlicher Genehmigung von Herrmann Ultraschall Inc.

Herrmann hat ein neues Ultraschallschweißgerät vorgestellt, das gleichzeitig eine Polyestermembran aus einer Materialrolle ausstanzt und mit einem Kunststoffgehäuse verschweißt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Herrmann Ultraschall Inc.

Dieses Ultraschallschweißgerät bietet fünf Betriebsmodi: Zeit, Energie, Leistung, absolute Entfernung (Endpunkt der Schweißentfernung) und RPN-Entfernung (bezogen auf die Schweißtiefe auf einen Startpunkt). Foto mit freundlicher Genehmigung von Herrmann Ultraschall Inc.

Ultraschallschweißen wird in der Automobilindustrie häufig eingesetzt. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von Interieur-Komponenten (Seitentürverkleidungen, Mittelkonsole) über Motorraum-Komponenten (Zylinderkopfhaube, Motorabdeckungen) bis hin zu Beleuchtung, Filtern und Akustikschäumen. Schweißgeräte sind ohne Aufheizzeit sofort betriebsbereit. Die Zykluszeiten sind kurz und der Energieverbrauch gering.

Damit der Prozess effektiv ist, muss das Schweißwerkzeug, Horn oder Sonotrode genannt, so konstruiert sein, dass es sich an die Form des Teils anpasst und gleichzeitig effektiv vibriert. Dies gilt insbesondere in der Automobilindustrie, wo Materialmischungen und asymmetrische Formen das Schweißen von Kunststoffteilen erschweren können.

Mit mehr als fünf Jahrzehnten Erfahrung in der Kunststoffverbindung hat Herrmann Ultraschall einiges über das Sonotrodendesign gelernt.

Alle Fügetechniken stoßen an ihre Grenzen, wenn unterschiedliche oder schwierige Materialien verbunden werden müssen, insbesondere wenn die Teile asymmetrische Formen aufweisen. Diese Herausforderung könnte beispielsweise beim Heizplattenschweißen zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führen. Einige Bereiche könnten zu heiß werden und Fäden bilden; Andere Bereiche bleiben möglicherweise kalt und werden nicht homogen verbunden. Beim Vibrationsschweißen wird zusätzlicher Kunststoff im Stoßbereich benötigt. Dadurch entsteht beim Schweißen eine große Menge an geschmolzenem Material. Dieses Material könnte aus der Fuge gedrückt werden und eine unansehnliche Klebefuge bilden.

Auch beim Fügen komplexer 3D-Formteile unterliegt das Ultraschallschweißen solchen physikalischen Einschränkungen. Bei richtiger Dimensionierung der Sonotrode durch den Einsatz der Finite-Elemente-Analyse (FEA) bietet das Ultraschallschweißen jedoch zahlreiche Vorteile:

In einem Anwendungsfall wurde Herrmann mit dem Schweißen von aluminiumbeschichteten Isolierplatten für den Motorraum beauftragt. Die Materialkombination war ein Knaller: Aluminiumbeschichtete Akustikmatten aus Polyurethan (PU) mussten mit glasfaserverstärkten Polypropylen (PP)-Platten verklebt werden. Als wäre das nicht schon eine Herausforderung genug, mussten noch sechs verschiedene Teile geschweißt werden.

Diese Anwendung stellte eine echte Herausforderung für die dauerhafte und sichere Verbindung der Bauteile dar. Klebstoffe würden aus Kostengründen und der Materialkombination nicht funktionieren. Zu riskant seien Klemmelemente oder Schrauben, da diese sich im Motorbetrieb lösen könnten. Andere thermische Fügeverfahren wie Laserschweißen, Infrarotschweißen oder Vibrationsschweißen waren nicht geeignet.

Erste Tests mit einem tragbaren Ultraschallschweißgerät verliefen positiv. Trotz der dazwischenliegenden Aluminiumschicht konnte eine dichte Verbindung zwischen der PU-Matte und dem PP-Spritzgussteil hergestellt werden. Ultraschallschwingungen konnten die Aluminiumbeschichtung durchdringen und die Moleküle im PP-Teil mit Energie versorgen.

Die Aufgabe bestand dann darin, wiederholbare Schweißergebnisse zu erzielen und die vom Kunden geforderte Zugfestigkeit von mindestens 50 Newton pro Schweißpunkt sicherzustellen. Als geeignetes Material für die Sonotroden erwies sich verschleißfester gehärteter Stahl. Die Ingenieure von Herrmann bestimmten die Schweißpunktpositionen und konstruierten die komplexen Vorrichtungen, einschließlich des Spannsystems und der Teilescansensoren.

Die Sonotroden wurden an pneumatischen Aktuatoren montiert, die an sechsachsigen Robotern befestigt waren. Sechs verschiedene Vorrichtungen wurden entworfen, um den Teileformen gerecht zu werden und die Schweißpunkte zu unterstützen.

Die Montage erfolgt auf Rundschalttischen. An zwei Positionen erfolgt die Montage durch zwei Roboter. An einer dritten Position lädt und entlädt ein weiterer Roboter die Teile automatisch.

Wertvolle Zeit – bis zu einer Sekunde pro Schweißpunkt – wurde durch die Vorspannung des Pneumatikzylinders, der den Ultraschallstapel aus- und einfährt, eingespart. Vorspannung bedeutet, dass der Zylinder über ein intelligentes Pneumatiksystem bereits ausgefahren ist, bevor der Roboter das Schweißwerkzeug mit dem Schweißpunkt in Kontakt bringt.

Eine weitere Anwendung war die Montage von Tagfahrlichtern. Eine klare Kunststofflinse musste mit einem hermetischen Verschluss an einen Kunststoffkörper geschweißt werden. Die komplexe 3D-Form und die Klasse-A-Oberfläche waren eine Herausforderung beim Schweißen. Der Kunde benötigte außerdem ein kosteneffizientes System, das viele Varianten für verschiedene Automodelle ermöglichen kann.

Um das Problem zu lösen, haben wir eine Verbundsonotrode entwickelt, die in zwei Elemente unterteilt ist: eine Trägerblock-Sonotrode und mehrere einzeln eingeschraubte Spitzen. Jede Spitze hat eine andere Höhe, um genau auf das Objektiv zu passen.

Um eine korrekte Vibration zu gewährleisten, wurde die Trägersonotrode mithilfe der FEA entworfen und auf die richtige Frequenz, Leerlaufleistung und Amplitude abgestimmt. Darüber hinaus wurde jede Spitze wie eine eigenständige Sonotrode entworfen, hergestellt und abgestimmt. Die Spitzen enthalten Funktionen für verschiedene Störkonturen. Einige Spitzen verfügen beispielsweise über Aussparungen, um erhabene Beschriftungen auf einer Komponente unterzubringen. All dies beeinflusst, wie die Sonotrode vibriert.

Um sicherzustellen, dass die Spitzen richtig vibrieren, wurden sie in einem sorgfältigen und zeitaufwändigen manuellen Prozess einzeln getestet und eingestellt. Unter Lastsimulation wurde die fertige Verbundsonotrode laservermessen und eventuelle Korrekturen durch CNC-Bearbeitung vorgenommen. Zur Erstellung des Amplitudenprofils misst eine spezielle Software bis zu 100 Punkte. Nach der Kalibrierung funktionierten die Verbundsonotroden einwandfrei und wurden wiederholt verkauft.

Zur Montage von Modellvarianten bilden alle Teile des Ultraschallsystems einen „Schnellwechselrahmen“, der von der Hauptmaschine gelöst und gegen einen anderen Rahmen ausgetauscht werden kann. Während der Startphase wurde die Montage mit einer Maschine und mehreren Werkzeugrahmen durchgeführt. Da die Varianten zunahmen, musste der Kunde lediglich zusätzliche Werkzeugrahmen kaufen. Kostenintensive Komponenten wie Ultraschallgeneratoren, Steuerungen und Sicherheitssysteme können mit mehreren Werkzeugrahmen für verschiedene Tagfahrlichter verwendet werden.

Eine weitere Anwendung war das Verkleben von Druckausgleichsmembranen mit Pumpengehäusen. Die Gehäuse bestehen aus glasfaserverstärktem Polyphenylensulfid (PPS). Die Membranen bestehen aus Polyester oder Polycarbonat. Der Kunde wollte teure vorgeschnittene Einzelmembranen durch kostengünstigere Membranbänder ersetzen.

Dies war eine anspruchsvolle Anwendung, da drei aufeinanderfolgende Ultraschallprozessschritte durchgeführt werden mussten:

Unser neu entwickeltes Ultraschall-Werkzeugsystem MPW leistet genau das. Es stanzt und versiegelt gleichzeitig mit einem Membranband auf einer Rolle, was Geld und Zeit spart. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit eines zusätzlichen optischen Scans, um zu prüfen, ob die Membran richtig positioniert ist.

Das Stanz- und Schweißmodul integriert viele einzelne Vor- und Nachbearbeitungsschritte in den Membranschweißvorgang. Der MPW ist als eigenständiges Tischschweißgerät erhältlich oder kann in die Automatisierung integriert werden.

Das Schweißen von hochgefülltem PPS ist eine Herausforderung. Die Glasfasern machen das PPS sehr fest, aber auch spröde und reagieren weniger gut auf die Ultraschallschwingungen, die an der Verbindungslinie Wärme erzeugen.

Beim Ultraschallschweißen stehen fünf Betriebsarten zur Verfügung: Zeit, Energie, Leistung, absolute Distanz (Endpunkt der Schweißstrecke) und RPN-Distanz (bezogen auf die Schweißtiefe auf einen Startpunkt). Durch die grafische Überwachung der verschiedenen Schweißparameter am Ultraschallschweißgerät konnten die Herrmann-Ingenieure ein Verarbeitungsfenster definieren. Dabei war eine gleichmäßig ansteigende Fügegeschwindigkeit wichtig, um einen gleichmäßigen Schmelzefluss und eine gute Schweißnahtfestigkeit zu gewährleisten.

Die Fügegeometrie des Gehäuses und das Sonotrodendesign wurden so gewählt, dass trotz des hohen Glasfaseranteils eine optimale Materialanbindung zustande kam. Herrmann-Ingenieure analysierten Mikrotom-Schnittbilder des Gelenks, um den Prozess weiter zu optimieren. Die Bilder zeigten eine homogene Bindung der Polymermoleküle, was durch eine Dichtheitsprüfung bei einer Berstfestigkeit von 10 bar bestätigt wurde.

Obwohl das Sonotrodendesign in allen drei Beispielen eine entscheidende Rolle spielte, ist es nicht der einzige Schlüssel zum Erfolg.

Wie bei jedem Montageprojekt ist es am besten, wenn die gemeinsame Gestaltung frühzeitig besprochen wird. Beim Ultraschallschweißen werden in der Regel Punkte oder Kanten im Verbindungsbereich – sogenannte Energierichtungsgeber – benötigt. Diese Kanten fokussieren die Ultraschallwellen und helfen, das Schmelzen einzuleiten. Unsere Anwendungstechniker verfügen über langjährige Erfahrung im Ultraschallschweißen und können wertvolle Einblicke in die Verbindungskonstruktion geben.

Weitere Informationen zum Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen erhalten Sie unter der Rufnummer 630-626-1626 oder unter www.herrmannultrasonics.com.

Astrid Herrmann, PR-Managerin, Herrmann Ultraschall Inc. Bartlett, IL