Eine Einführung in das Ultraschallschweißen von Kunststoffen

Ultraschallschweißen ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile aus dem gleichen oder chemisch kompatiblen Materialien unter Verwendung hochfrequenter Ultraschallschwingungen, die eine Festkörperschweißung zwischen ihnen erzeugen. Der Vorteil dieser Technik bei Kunststoffen besteht darin, dass innerhalb von Sekunden eine hochfeste, gas- und wasserdichte Verbindung ohne Schrauben, Kleber, Gewinde, Lötmittel oder andere Arten von Verbindungsmaterialien hergestellt wird. Geschweißte Teile müssen zum Aushärten nicht in einer Vorrichtung verbleiben und sind sofort in einer Automatisierungslinie einsetzbar. Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen ist ein umweltfreundliches Verfahren, das sehr wenig Energie verbraucht und gleichzeitig eine kostengünstige, dauerhafte und saubere Schweißnaht erzeugt. Das Verfahren wird in der Elektro-, Computer-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Verpackungsindustrie eingesetzt, um nur einige zu nennen.

Eine Ultraschallschweißmaschine besteht aus einer Wandlerbaugruppe, die als Stapel bezeichnet wird. Diese besteht aus drei Komponenten:einer Sonotrode, einem Booster und einem Schweißhorn. Die Sonotrode ist die Schwingungsquelle. Im Inneren befinden sich piezoelektrische Keramikscheiben, die um Metallplatten herum angeordnet sind, die fest an einen Titanzylinder geklemmt sind. Über ein Kabel vom Systemstrommodul wird ihm dann Hochfrequenzstrom zugeführt. Da dies bei den meisten thermoplastischen Kunststoffen nicht genügend Vibrationen erzeugt, um eine Schmelztemperatur zu erreichen, wird ein Booster verwendet, um die eingegebenen Vibrationen auf das für den Schweißprozess erforderliche Verhältnis zu verstärken. Das Schweißhorn überträgt die Energie der Schwingungen auf die thermoplastischen Werkstücke. Das Schweißhorn ist auf die Konturen der jeweiligen Werkstücke abgestimmt. Es dämpft die Schwingung auf einen bestimmten Wert und bringt die Kräfte auf, die erforderlich sind, damit der Prozess funktioniert.

Dieses Schweißverfahren hängt davon ab, dass die verwendeten Kunststoffe erweichen, aber nicht schmelzen, daher ist es am besten für Thermoplaste und nicht für duroplastische Polymere geeignet. Die meisten Thermoplaste haben eine amorphe Struktur mit einem gewissen Grad an Kristallinität, was bedeutet, dass einige Bereiche eine geordnete Struktur aufweisen. Thermoplaste erweichen über einen weiten Temperaturbereich und haben eine Glasübergangstemperatur. Duroplastische Polymere sind kristallin und haben einen ausgeprägten Schmelzpunkt. Ein kristallines Polymer bleibt fest, bis es seinen Schmelzpunkt erreicht und schmilzt dann auf einmal. Amorphe Thermoplaste haben im Vergleich zu den meisten kristallinen Polymeren auch ein geringeres spezifisches Gewicht, eine niedrigere Zugfestigkeit und einen niedrigeren Zugmodul, eine höhere Duktilität und Schlagzähigkeit und eine geringere Kriechfestigkeit. ABS, Acryl, Polycarbonat und PVC sind beispielsweise amorphe Polymere mit geringer oder keiner kristallinen Struktur. Diese Kunststoffe eignen sich gut zum Ultraschallschweißen. Das Ultraschallschweißen von zwei Teilen aus dem gleichen Kunststoff wird in der Regel das beste Ergebnis erzielen. In manchen Fällen können jedoch auch zwei unterschiedliche Thermoplaste mit Ultraschall geschweißt werden, beispielsweise wenn die Materialien chemisch kompatibel sind und ähnliche Schmelzpunkte aufweisen. Eine der besten Kunststoffkombinationen für diese Art des Schweißens ist ABS und Acryl.

Polymere wie PE, PP, PE und PIA sind kristallin und neigen dazu, Vibrationen zu absorbieren, bevor die Energie vom Ultraschallschweißgerät zur Schweißstelle gelangen kann. Daher ist es schwierig, diese mit dieser Art von Schweißen zu verbinden. Eine der am häufigsten nachgefragten Kombinationen ist Polyethylen und Polypropylen, aber diese sind beide kristallin und chemisch nicht kompatibel.

Ultraschallschweißen wird verwendet, um Butanfeuerzeuge, Spielzeug, Pipetten und intravenöse Katheter herzustellen. Die oberen Teile von Sportschuhen werden häufig eher durch Ultraschallschweißen als durch Nähen oder Kleben hergestellt. Der Herstellungsprozess von Haushaltsgeräten erfordert das Zusammenfügen vieler Kunststoffteile. Beispiele für diesen Vorgang sind der Bildschirm auf der Vorderseite einer Waschmaschine und die beiden Hälften eines Pumpenrads. In der Automobilindustrie gibt es Hunderte von Anwendungen für das Ultraschallschweißen, einschließlich des Zusammenschweißens von Teilen von Rückleuchten, dem Kombiinstrument und Stoßfängern. Es gab Berichte, dass Apple diese Technik verwenden möchte, um seine Ohrhörer herzustellen, nachdem das Verfahren bei einigen seiner anderen Produkte erfolgreich angewendet wurde. Dadurch erhalten die Ohrhörer ein schlankeres Aussehen.

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