Was ist neu beim Ultraschallschweißen?

Matchmaking ist eine einzigartige Fähigkeit, und in der Welt der Montage gibt es nur wenige Menschen, die es besser beherrschen als Ausrüstungslieferanten. Tag für Tag setzen diese Experten ihre umfassende Erfahrung und ihr Wissen ein, um genau die richtige Maschine für eine bestimmte Montageanwendung abzustimmen. Wenn es bei dem Projekt darum geht, thermoplastische Teile zu verbinden, ist ein Ultraschallschweißgerät oft die beste Maschine.

„Hersteller kommen oft zu uns und sagen: ‚Hier ist unser thermoplastisches Teil. Was denken Sie: Ist Ultraschall die beste Möglichkeit, es zu schweißen?‘“, fragt Jason Barton, Leiter der Geschäftsentwicklung bei Dukane. „Wir sagen ihnen, dass Ultraschallschweißen auf jeden Fall in Betracht gezogen werden sollte, wenn die erforderliche Teileproduktionsmenge sehr hoch ist und das Teil nicht größer als ein Schuhkarton ist.“

Vor einigen Jahren half Dukane einem Hersteller medizinischer Geräte dabei, das richtige Ultraschallsystem zum Schweißen von drei winzigen Folienkappen (weniger als 0,25 Zoll breit) auf Einwegsensoren aus Polycarbonat zu finden. Diese Sensoren überwachen den pH-Wert und das Gas im künstlichen Blut während der Ex-vivo-Beurteilung und -Bewertung.

Vor dem Treffen mit Dukane nutzte der Hersteller ein pneumatisches Ultraschallschweißsystem, das etwas schlecht funktionierte. Die durchschnittliche Ausschussrate lag bei 50 Prozent und stieg zeitweise auf 90 Prozent. Darüber hinaus führte eine mangelnde Schweißkontrolle dazu, dass das Pressen-Triebwerk nach dem Schmelzen des Thermoplasts nach unten fuhr. Diese unnötige Kraft verursachte eine Durchbiegung des Teils sowie eine inkonsistente Schweißung und Verfestigung. Außerdem war an jedem Sensor eine Vakuumleckprüfung erforderlich, um eine hermetische Abdichtung sicherzustellen.

Barton sagt, dass Dukane empfohlen habe, das alte System durch das servobasierte Schweißgerät iQ ES von Dukane mit Melt-Match-Technologie zu ersetzen. Als 40-Kilohertz-Gerät steuert das Schweißgerät die Schweißgeschwindigkeit während der Schweißphase präzise und leitet das Zusammenfallen des Kunststoffteils erst dann ein, wenn eine Schmelze erkannt wurde.

Laut Barton gefällt dem Hersteller das servobetriebene System, weil es wiederholbar eine Schweißnaht erzeugt, die die Kappe hermetisch abdichtet. Dadurch kann das Unternehmen seine Produkttestzeit erheblich auf nur 10 Prozent verkürzen, gleichzeitig seine Produktionskosten senken und die Produktqualität verbessern.

Auch Hersteller in nichtmedizinischen Branchen nutzen Ultraschallschweißen in großem Umfang. Autohersteller fügen Ultraschallteile von Stoßfängerverkleidungen bis hin zu Ölfiltern zusammen, und Hersteller von Haushaltsgeräten verwenden es zum Schweißen von Fenstern und Lichtleitungen bis hin zu Displays. Im Bereich der Unterhaltungselektronik schweißen Unternehmen regelmäßig Netzteile, Handyhüllen, Steckdosen und Lichtschalter mit Ultraschall.

Obwohl Ultraschallschweißen seit langem die Methode der Wahl für die dauerhafte Montage von Kunststoffteilen ist, entwickelt sich seine Technologie ständig weiter. Die modernen Maschinen von heute ermöglichen schnelles, sauberes, energieeffizientes und wiederholbares Schweißen – sowie eine beispiellose Kontrolle über den Verbindungsprozess. Diese Fähigkeiten werden die Beliebtheit des Ultraschallschweißens noch viele Jahre lang sichern.

Das erstmals in den 1960er Jahren entwickelte Ultraschallschweißen ist eine Form des Reibschweißens, bei der Teile durch Gegeneinandervibrieren miteinander verbunden werden. Die erste Wachstumsphase fand laut Zulieferern in den 1980er und 1990er Jahren statt und die Technologie befindet sich nun in einer Ära der Verfeinerung.

Ultraschallschweißen ist zum Verbinden von amorphen und teilkristallinen Thermoplasten und thermoplastischen Verbundwerkstoffen sehr beliebt, jedoch nicht für duroplastische Materialien anwendbar.

Alle Ultraschallschweißgeräte verfügen über eine Stromversorgung (Generator), eine Computersteuerung, einen Aktuator, einen Wandler, einen Verstärker und ein Sonotrodenhorn (Titan oder Aluminium). Der Aktuator wird von einem Pneumatikzylinder oder einer Kugelumlaufspindel angetrieben, die an einen Schrittmotor oder Servomotor angeschlossen ist. 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 und die Gesamtzykluszeit beträgt typischerweise weniger als 1 Sekunde.

Mit aktuellen Maschinen können Hersteller fast alle wichtigen Parameter des Ultraschallschweißprozesses steuern: Amplitude, Schweißzeit, Haltezeit, Energie, Leistung, Kollapsstrecke und Horngeschwindigkeit. Bediener können diese Parameter präzise in die Steuerung von Hand-, Tisch-, Inline- und Robotersystemen programmieren. Der Frequenzbereich von Ultraschallschweißgeräten liegt zwischen 15 und 70 Kilohertz, wobei 20 Kilohertz am gebräuchlichsten ist.

Höhere Frequenzen werden für empfindlichere Baugruppen verwendet, da sie kleinere Schwingungsamplituden erfordern, was die Teile schont. Diese Amplituden liegen zwischen 5 und 150 Mikrometern.

Im vergangenen Oktober stellte Branson sein Ultraschallschweißgerät der GSX-E1-Serie vor, das erste Gerät, das auf der neuen GSX-Plattform des Unternehmens basiert. Tarick Walton, globaler Produktmanager für Ultraschall bei Branson, sagt, die Entwicklung der Plattform habe drei Jahre gedauert. Es basiert auf mehr als 70 Jahren Erfahrung im Ultraschallschweißen, gepaart mit dem Feedback von mehr als 400 Kunden.

„Dieses erste Modell erfüllt die wachsende Nachfrage der Hersteller nach beschädigungsfreiem Schweißen kleinerer und komplexerer Kunststoffteile, beispielsweise solcher mit dünnen Wänden“, erklärt Walton. „Zu den ersten Nutzern zählen Hersteller medizinischer und tragbarer Geräte mit eingebetteter Elektronik.“

Das modulare und flexible Schweißgerät verfügt mit 5 Newton über die niedrigste Auslösekraft der Branche. Es bietet eine hervorragende Wiederholgenauigkeit mit präziser Aktuatorsteuerung während des gesamten Schweißprozesses. Zum Standard gehören außerdem verschiedene intelligente Technologien wie intuitive grafische Darstellung, schneller Werkzeugwechsel und Aktoreinrichtung sowie ein benutzerfreundliches HMI.

Der Hauptvorteil des Ultraschallschweißens liegt in der kurzen Schweißzykluszeit. Den Herstellern gefällt jedoch auch, dass es eine wirtschaftliche Möglichkeit bietet, kleine und mittelgroße Teile zusammenzubauen und solche, die zu komplex sind, um als Ganzes geformt zu werden. Ein weiterer Vorteil ist die Vielseitigkeit, da mit derselben Ausrüstung häufig verschiedene Teile und thermoplastische Materialien geschweißt werden können. Bei dem Verfahren entstehen außerdem weder Dämpfe noch Rauch, sodass keine Belüftung erforderlich ist.

Beim Ultraschallschweißen entstehen zwar Blitze und Partikel, aber die Vibrationen sind so fein, dass sie nicht übermäßig stark sind. Wenn eine Schweißnaht ästhetisch ansprechend sein muss, kann sie mit einer Gratfalle oder einer vertieften Nut versehen werden, um überschüssige Schmelze zu verbergen.

„Servobetriebene Ultraschallschweißgeräte gibt es schon seit geraumer Zeit, aber ihre Datenrückmeldungsfähigkeiten waren bis vor ein paar Jahren nur mittelmäßig“, bemerkt Brad Rogers, Vertriebsleiter für Nordamerika bei MS Plastic Welders LLC. „Viele Servoschweißgeräte, darunter auch unsere, sind jetzt in der Lage, Rückmeldungen zu erhalten und in Millisekunden Schweißanpassungen für Parameter wie Zeit, Entfernung und Energieeintrag vorzunehmen.“

Rogers fügt hinzu, dass Hersteller medizinischer Geräte tendenziell einen größeren Bedarf an sofortigem Feedback beim Ultraschallschweißen haben als andere Hersteller, beispielsweise solche, die einen thermoplastischen Stift umformen, um ein anderes Material mit einem Gehäuse zu verbinden. Das Feedback von fortschrittlichen Ultraschallschweißgeräten hilft Herstellern sicherzustellen, dass jedes geschweißte medizinische Teil den elektronischen Aufzeichnungen und Signaturen entspricht.

Vor mehr als 20 Jahren führte MS Plastic Welders modulare Ultraschallsysteme mit mehreren Schweißköpfen ein. Diese Systeme werden für Anwendungen wie Automobil-Stoßstangen- und Innentürmontagen verwendet.

Vor einigen Jahren stellte der Anbieter die soniTOP-Reihe von Tisch- und Inline-Ultraschallschweißgeräten auf Servobasis vor. Die Inline-Systeme werden typischerweise in Automatisierungslinien integriert, nachdem ein Schweißprozess auf einem Tischsystem validiert wurde.

Eines der einzigartigsten Merkmale der soniTOP-Maschinen ist ein integrierter Zugprüfbereich. Dadurch können Unternehmen automatisch programmieren, wann ein Zugversuch durchgeführt werden muss, und stellen sicher, dass der Bediener weiß, welches Teil er prüfen muss. Wenn das Teil den Test besteht, wird die Produktion fortgesetzt. Wenn das Teil ausfällt, entscheidet der Endbenutzer, welche weiteren Schritte er unternehmen möchte – einschließlich einer erneuten Prüfung des Teils, einer Alarmierung des Managements oder einem Stopp der gesamten Linienproduktion.

„Wir sehen definitiv einen zunehmenden Einsatz biologisch abbaubarer Thermoplaste und mehr Hersteller, die ergonomisch geformte Teile schweißen müssen, anstatt flache Teile immer mit einem einzigen Horn zu schweißen“, erklärt Steve Potpan, Vor-Ort-Manager bei Rinco Ultraschall USA. „Ein Medizingeräteunternehmen, das wir beliefern, verwendet regelmäßig ein Verbundhorn, um Griffe mit 3D-Konturen an chirurgische Instrumente zu schweißen. Die vielen Verlängerungen sind kreisförmig angeordnet, um genau die Stelle zu erreichen, an der die Schweißung erfolgen muss.“

Für jedes Teiledesign ist ein anderes Ultraschallhorn erforderlich, und die mechanische Weglänge des Horns muss genau auf das Teil abgestimmt sein. Durch die richtige Abstimmung wird eine maximale Energieabsorption an der Verbindungsschnittstelle und eine minimale Energiereflexion zurück zur Stromversorgung gewährleistet, was zu einer längeren Lebensdauer der Geräte führt.

Auch das Ultraschall-Roboterschweißen bringt einige Herausforderungen mit sich. Stapel zum Schweißen großer Teile sind schwer und können den Roboterarm erheblich verlangsamen. Daher bevorzugen Hersteller manchmal den Einsatz von Robotern mit leichteren Stapeln für 35- oder 40-Kilohertz-Systeme anstelle von dedizierten Maschinen, die in 15- oder 20-Kilohertz-Systeme integriert sind.

Außerdem erzeugen Roboter häufig Spiel oder Durchbiegung und haben Schwierigkeiten, die für eine hochwertige Ultraschallschweißung erforderliche dynamische Nachführung zu erzeugen. Aus diesen Gründen kann zwischen dem Roboterarm und dem Ultraschallstapel ein Luftzylinder zum Ultraschallpunktschweißen oder -nieten auf der B-Seite eines Teils oder für große Teile, die mehrere Schweißnähte erfordern, wie z. B. Türverkleidungen, hinzugefügt werden. Solche Robotersysteme umfassen mehrere Schweißhörner, die einfach programmiert und geändert werden können.

Im vergangenen März brachte Rinco den Ecoline-Generator auf den Markt, der für die Verwendung mit der Ecoline-Handpistole (HG35-4), dem Schweißgerät (HW35-4) und dem Tacker (HT35-3) des Unternehmens zum Verbinden thermoplastischer Teile konzipiert ist. Laut Potpan ist der kompakte Generator eine kostengünstige Alternative zu Tischmaschinen für Korrekturarbeiten am End-of-Line- oder Station-zu-Station-Punktschweißen. Ein Hersteller von Konsumgütern nutzt mehrere der Generatoren, um pro Tag vier Messingeinsätze präzise in Hunderte von Kunststoffgehäusen einzuschweißen.

Der Generator hat eine Betriebsfrequenz von 35 Kilohertz und ermöglicht eine Eingangsspannung von 110 VAC oder 220 VAC. Die Amplitude ist in 10-Prozent-Schritten von 40 bis 100 Prozent einstellbar. Die maximale Leistungsabgabe beträgt 480 Watt.

Sonics & Materials Inc. stellt die Ultraschallschweißpressen der GXP-Serie her, die von einem Schrittmotor angetrieben werden und in Frequenzen von 15, 20, 30, 35 und 40 Kilohertz erhältlich sind. Laut Brian Gourley, Vertriebsleiter der Schweißgruppe bei Sonics & Materials, gewährleisten die Pressen eine hohe Wiederholgenauigkeit und bieten Ethernet/IP-Fähigkeit sowie Fernüberwachung der Schweißnaht auf einem Tablet oder Mobiltelefon.

Ein Kunde eines Tier-1-Automobilzulieferers stellt versiegelte Batterien mit sechs kleinen Überdruckventilen her, und jedes Ventil besteht aus drei zusammengeschweißten Teilen. Wenn der Batteriedruck einen nominalen Einstellwert überschreitet, öffnen sich die Ventile, um den Druck abzulassen.

„Ursprünglich wurden die Ventile mit einer pneumatischen Presse geschweißt“, erklärt Gourley. „Aber um die Wiederholgenauigkeit zu verbessern und die Ausschussrate zu senken, haben wir einen Wechsel zum GXP 800 mit einer Frequenz von 40 Kilohertz vorgeschlagen. Der optische Linearencoder des Geräts bietet eine hervorragende Steuerung mit einer Schweißtiefentoleranz von ±0,0003 Zoll.“

Seit der Integration in die 10 automatisierten Montagelinien des Kunden hat die GXP-Presse die Ausschussrate gesenkt und die Wiederholgenauigkeit und den Durchsatz verbessert, der jetzt bei 20 Teilen pro Minute für jede Maschine liegt.

Sonics & Materials bietet außerdem einen Hochdurchsatz-Rundschalttisch für den Einsatz mit den pneumatischen und Schrittmotor-Schweißsystemen des Unternehmens an. Der Tisch verfügt über ein integriertes HMI und eine Schutzvorrichtung mit Flügeltür. Ein LED-Lichtmast sorgt für visuelle Prozessanzeigen in den Farben Grün, Gelb und Rot.

Bei Verwendung mit dem pneumatischen 15-Kilohertz-Schweißgerät kann der Tisch den Durchsatz bei mittelgroßen bis großen Teilen mit höheren Amplituden sowie bei Teilen aus weicherem Kunststoff mit einer Verbindung, die mehr als 0,25 Zoll vom Horn entfernt ist, erhöhen.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.