Fügen und Schneiden mit Ultraschall-Technologie
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Die wohl bekanntesten und am häufigsten angewandten Schweißverfahren sind MIG/MAG-Schweißen und WIG-Schweißen. Diese Verfahren funktionieren für Kunststoffe nur bedingt oder gar nicht. Für das Fügen von Kunststoffen nutzen wir in unseren Anlagen die Ultraschalltechnologie. In diesem Artikel stellen wir euch näher vor, was es mit dieser Technologie auf sich hat.
Ultraschallschweißen ist eine Fügetechnik, die das Zusammenfügen von thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen ermöglicht. Das Schweißverfahren gehört zur Gruppe der Reibschweißungen, da es durch hochfrequente mechanische Schwingungen bei Metallen zur Verzahnung und Verhakung der Fügepartner kommt und zwischen Bauteilen zu Erwärmung durch Molekular- und Grenzflächenreibung führt.
Wie funktioniert das Ultraschallschweißen?
Wenn Ultraschall auf ein Material, wie zum Beispiel Kunststoff trifft, werden die Molekülketten darin in Schwingung versetzt. Die Moleküle beginnen sich zu bewegen und reiben aneinander, dadurch entsteht Energie, die sogenannte Reibungswärme. Bei thermoplastischen Kunststoffen bewirkt dies, dass sie beginnen zu schmelzen. Das Ultraschallschweißen macht sich genau dieses Prinzip zu Nutze. Eine typische Ultraschallschweißanlage besteht aus drei Hauptkomponenten, dem Generator, dem Schwinggebilde und einem Antriebsmodul.
Beim Schweißvorgang erzeugt ein Ultraschall-Generator die notwendige Spannung von mehreren hundert Volt und Ultraschallwellen mit Frequenzen von 15 – 70 kHz. Mit der Amplitude von 5 – 50 µm werden die Schwingungen durch ein Schweißwerkzeug, Sonotroden genannt, in das Bauteil geleitet. Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Bauformen von Sonotroden, die meistens aus Stahl, Aluminium oder Titan hergestellt werden. Durch die Schwingung entsteht Reibungswärme und führt dadurch zur Schmelze. Durch zusätzlichen Druck können Kunststoffe dann zusammengefügt werden. Das Gegenstück zum Schweißwerkzeug ist meistens eine mit einer Oberflächenstruktur versehene Walze, auch Amboss genannt. Diese Oberflächenstruktur nennt man Prägung – diese können Punkte, Linien oder Logos sein, je nach Aufgabenstellung. An den erhöhten Prägestellen des Ambosses fokussiert sich die Energie – hier entstehen die Schweißpunkte im Material, das zwischen dem Schweißwerkzeug und der Amboss-Walze durchgeführt wird.
Dieses Verfahren ist die schnellste und zugleich auch die kostengünstigste Methode, die heutzutage verwendet wird, um Kunststoffteile und Nichteisenmetalle miteinander zu verbinden. Wesentliche Vorteile des Ultraschallschweißens sind, dass ohne Kleber, Verbindungselemente und Lösungsmittel gearbeitet wird, wodurch es sehr umweltfreundlich und kosteneffizient in der Anwendung ist.
Wo wird Ultraschallschweißen verwendet?
Grundsätzlich kann Ultraschall die meisten Thermoplasten verschweißen. Neben Kunststoffen sind unterschiedliche Nicht-Eisenmetalle wie Aluminium, Nickel, Messing und Kupfer ebenfalls für das Ultraschallscheißen geeignet. Bekannte Alltagsbeispiele sind Fernbedienungen und Kinderspielzeug oder auch Kaffeekapseln oder luftdicht verpackter Salat. Auch im Bereich der Vliesstoffe ist der Einsatz von Ultraschall sehr effizient, wie beispielsweise bei Windeln oder auch FFP2-Masken.