Ultraschallschweißen von Kunststoffen

Ultraschallschweißen von Kunststoffen

Das Wichtigste in Kürze

• Viskoelastische Erwärmung an der Fügefläche – Schwingungen mit 20–40 kHz schmelzen einen Energierichtungsgeber oder eine Scherfuge in weniger als einer Sekunde auf.
• Amorphe Harze lassen sich leicht schweißen; teilkristalline Harze erfordern eine Scherfuge, Nahfeldgeometrie und engere Prozesskontrolle.
• Der Kollapsweg-Modus mit angegebenem Fenster ist der robuste Weg, den Prozess zu fahren und zu validieren.
• Schnellstes und günstigstes Schweißverfahren, begrenzt durch Partikel, Sonotrodenabdrücke und schwingungsempfindliche Inhalte.

Ultraschallschweißen von Kunststoffen

Ultraschallschweißen ist ein Fügeverfahren für Thermoplaste, bei dem mechanische Schwingungen mit 20–40 kHz und 20–120 µm Spitze-Spitze-Amplitude durch ein Bauteil zur Fügefläche geleitet werden, wo viskoelastische und Reibungserwärmung eine dünne Polymerschicht aufschmelzen, die unter Druck zur Schweißnaht erstarrt. Es kommen weder Lösemittel noch Klebstoff oder Verbrauchsmaterial zum Einsatz.

Der Schwingungsstapel besteht aus einem piezoelektrischen Konverter mit etwa 20 µm bei 20 kHz, einem Booster mit einer Übersetzung wie 1:1,5 oder 1:2,5 und einer auf dieselbe Frequenz abgestimmten Sonotrode, die unter pneumatischer oder Servokraft auf das Bauteil drückt. 20 kHz eignen sich für größere Bauteile und höhere Leistung; 30–40 kHz für kleine, empfindliche oder sichtbare Bauteile, da Amplitude, Spannung und Abdrücke geringer sind.

Polymere sind viskoelastisch: Zyklische Dehnung wird durch Hysterese teilweise in Wärme umgewandelt, konzentriert am kleinsten Querschnitt – der Spitze des Energierichtungsgebers oder der Überdeckung der Scherfuge –, wo das Schmelzen innerhalb von Millisekunden beginnt. Eine Fuge innerhalb von etwa 6 mm von der Sonotrodenfläche ist Nahfeld, darüber hinaus Fernfeld. Amorphe Harze leiten mit geringem Verlust und lassen sich im Fernfeld schweißen; teilkristalline Harze und Elastomere dämpfen die Schwingung und lassen sich nur im Nahfeld zuverlässig schweißen.

Werkstoffeignung

Prozessparameter und Nahtgestaltung

Die Nahtgestaltung entscheidet mehr als jede Einstellung. Ein Energierichtungsgeber ist eine dreieckige Rippe auf einer Fügefläche mit 60–90° Öffnungswinkel und 0,2–0,6 mm Höhe, Basis etwa doppelt so breit wie hoch; verwenden Sie für teilkristalline Harze 60° und das höhere Ende und positionieren Sie die Teile mit einer Stufe oder Nut und Feder. Eine Scherfuge nutzt 0,2–0,4 mm radiale Überdeckung zwischen Lippe und Wand, eine Einführschräge von 30–45°, eine Schweißtiefe von etwa dem 1,25-Fachen der Wandstärke und eine Aufnahme, die der Umfangsspannung standhält. Scherfugen liefern in teilkristallinen Harzen die festesten und dichtesten Schweißnähte.

Fehlersuche bei Ultraschallschweißnähten

Ultraschall im Vergleich zu Laser-, Vibrations- und Heizelementschweißen

Ultraschall ist bei Taktzeit und Werkzeugkosten selten zu schlagen und selten richtig für große, optisch kritische, elektronikführende oder partikelempfindliche Bauteile. Das Laserdurchstrahlschweißen ist die übliche Alternative; es benötigt eine abgestimmte Harzpaarung (siehe Laserdurchstrahlschweißen erklärt und Auswahl von Harzpaarung und Farbmittel) und Fügeflächen innerhalb von etwa 0,1 mm, während Ultraschall schlechtere Passung und jede Farbe toleriert. Sabreen entwickelt Laserschweißverfahren, verkauft keine Anlagen und wendet diesen Vergleich an, bevor eines der beiden Verfahren empfohlen wird.

Eine Ultraschallschweißung spezifizieren und validieren

„Ultraschallgeschweißt“ auf einer Zeichnung legt nichts fest. Geben Sie eine Leistungsanforderung, ein Prozessfenster und den Nachweis an, dass das Fenster sie erfüllt.

• Festigkeit. Zugfestigkeit an der Baugruppe oder der I-Träger-Probekörper nach AWS G1.2M/G1.2 für das Screening von Werkstoffpaarungen; amorphe Nahfeldschweißungen erreichen 70–100 % der Grundwerkstofffestigkeit. Geben Sie Mindestwert und Bruchbild an.
• Berstdruck und Dichtheit. Ein Mindestberstdruck und ein numerischer Grenzwert für Druckabfall oder Helium-Leckrate, nicht „keine Leckage“. Eine feste Naht mit einer 2 mm großen Fehlstelle leckt dennoch.
• Kollapsfenster. Zum Beispiel 0,35 ± 0,05 mm, mit Energie und Spitzenleistung als sekundäre Grenzen, die in jedem Zyklus protokolliert werden; Teile außerhalb des Fensters werden ausgesondert.
• IQ/OQ/PQ. Nach ISO 13485 und der FDA-Qualitätssystemverordnung: IQ bestätigt Schweißgerät, Schwingungsstapel, Vorrichtung und gemessene Amplitude; OQ erfasst das Fenster per statistischer Versuchsplanung über Amplitude, Kraft und Kollaps; PQ fährt drei Lose mit Nennwerten, Produktionspersonal und Produktionsharz. Nach jedem Wechsel von Sonotrode, Booster oder Harz requalifizieren; DVS 2216 behandelt die Nahtgestaltung.

Verwandte Begriffe und weiterführende Informationen

• Laser-Kunststoffschweißen
• Laserdurchstrahlschweißen
• Laserschweißdienstleistungen
• Laserdurchstrahlschweißen erklärt
• Auswahl von Harzpaarung und Farbmittel
• Laserschweißen von transparent auf transparent

Anwendung in der Produktion

The Sabreen Group bietet unabhängige Ingenieurunterstützung bei der Prozessentwicklung für Ultraschall- und Laserschweißen, der Nahtgestaltung und der Validierung von Schweißnähten. Wenn Sie einen Prozess spezifizieren, einen Werkstoff qualifizieren oder ein Produktionsproblem beheben, kann unser Team für Ingenieurdienstleistungen Sie unterstützen. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anwendung zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Sollte ich mit 20 kHz oder 40 kHz schweißen?

Verwenden Sie 20 kHz für Bauteile über etwa 50 mm, dicke Wände, teilkristalline Harze und Fernfeldfugen, die mehr Amplitude und Leistung benötigen. Verwenden Sie 30–40 kHz für kleine, dünnwandige oder sichtbare Bauteile und alles, was Elektronik enthält: Amplitude und übertragene Spannung halbieren sich, Abdrücke nehmen ab, und die Sonotrode ist halb so lang.

Lassen sich Polypropylen und andere teilkristalline Kunststoffe ultraschallschweißen?

Ja, mit einem engeren Fenster. Sie dämpfen die Schwingung, daher muss die Fuge innerhalb von etwa 6 mm von der Sonotrode liegen, bei 60–120 µm Amplitude, und sie sollte eine Scherfuge oder ein scharfer 60°-Richtungsgeber sein statt des 90°-Richtungsgebers für ABS. Wegen ihres scharfen Schmelzpunkts spielt die Haltekraft eine größere Rolle.

Warum besteht eine Schweißnaht den Zugversuch und leckt trotzdem?

Weil Festigkeit und Durchgängigkeit verschieden sind. Ein Zugversuch mittelt über die gesamte Naht und gilt als bestanden, wenn 90 % der Fuge einwandfrei sind, während eine 2 mm große Fehlstelle durch ein verzogenes Bauteil oder eine nicht plan stehende Sonotrode leckt. Legen Sie die Dichtheit als numerischen Grenzwert fest, fahren Sie den Kollapsmodus, damit unterschweißte Teile ausgesondert werden, und prüfen Sie die Parallelität der Sonotrode, wenn sich Leckagen häufen.

Wann ist Laserschweißen die bessere Wahl?

Wenn das Bauteil optisch kritisch ist, Elektronik enthält, einen partikelfreien Fluidpfad braucht, eine lange oder dreidimensionale Naht hat oder die Reichweite einer Sonotrode übersteigt. Laser erzeugt keine Schwingungen, Sonotrodenabdrücke oder Partikel, bei höheren Investitionskosten, einer abgestimmten Harzpaarung und Fügeflächen innerhalb von etwa 0,1 mm. Bei Taktzeit und Kosten gewinnt weiterhin Ultraschall.

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