Was ist das Ultraschallschweißen? Funktionsprinzip und Anwendungen

Das Ultraschallschweißen setzt für das Verschweißen die mechanischen Schwingungen im Werkstoff ein, die mit Ultraschall erreicht werden. Dabei wird der Prozess in einer nur sehr kurzen Zeit abgeschlossen und er zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Auch ist er geeignet, unterschiedliche Materialien miteinander zu verbinden.

Was ist Ultraschall?

Schall ist weit mehr als das, was wir mit unseren Ohren wahrnehmen können. Er kann auch sehr viel mehr verursachen, als nur das Erklingen bestimmter Töne. Er kann für mechanische Schwingungen sorgen, die zum Beispiel im Glas dazu führen, dass dieses zerspringt.

Wird ein Ton angeschlagen, zum Beispiel auf einer Gitarrenseite, dann führt das zu Schwingungen. Diese entstehen im Druck und der Dichte der Luft. Sie erstrecken sich von der Schallquelle ausgehend in alle Richtungen in Form von Wellen. Das gelingt nicht nur in Luft. Jedes elastische Medium kann den Schall übertragen. Dazu gehören Festkörper, Fluide und Gase.

Ultraschall ist ein Schall, den Menschen nicht wahrnehmen können. Das heißt aber nicht, dass er nicht existiert. Er lässt sich nicht hören, weil er in einem sehr hohen Frequenzbereich schwingt. Das macht ihn sehr gut in verschiedenen Bereichen der Medizin und der Industrie einsetzbar.

Schallwellen werden nach ihrer Frequenz unterschieden. Die Frequenz wiederum zeigt an, wie viele Wellen pro Sekunde durch den Schall erzeugt werden. Für den Ultraschall liegt die Frequenz bei 20 kHz bis 1 GHz. Für das Ultraschallschweißen werden davon die Frequenzen von 20 bis 70 kHz verwendet.

Das menschliche Gehör ist dagegen in der Lage, nur Schwingungen im Bereich von 16 Hz bis 20 kHz wahrzunehmen. Damit ist der Ultraschall genau über dem Hörbereich angesiedelt und kann im besten Fall noch als Vibration festgestellt werden.

Wie funktioniert das Ultraschallscheißen?

Sobald der Ultraschall auf ein Material trifft, werden die darin enthaltenen Molekülketten in Schwingungen versetzt. Damit bewegen sich die Moleküle in Relation zu einander, was zu Reibung und damit zur Freisetzung von Wärme führt. Diese Reibungswärme führt dazu, dass das Material anfängt, zu schmelzen. Unter dem Hinzutreten von Druck werden die Werkstücke auf der Ebene der Moleküle innerhalb der Fügezone miteinander verbunden.

Wofür wird das Ultraschallschweißen angewendet?

Das Ultraschallschweißen lässt Verbindungen in Sekundenbruchteilen entstehen. Dabei kommen keine Hilfsmittel zum Einsatz. So eignet sich das Verfahren sehr gut für Spielzeuge, Autoteile und Verpackungen. Damit lassen sich diese Arbeiten erledigen:

• Man kann artfremde Materialien verbinden, was zum Beispiel bei der Installation von Airbags geschieht.
• Es lassen sich Membranen einbetten, was für medizinische Bauteile mit Filtermembranen eingesetzt wird.
• Es können Spritzgussteile zusammengefügt werden, was besonders für Spielzeuge von Bedeutung ist.
• Man kann formschlüssige Verbindungen herstellen, was zum Beispiel bei Magnetkontakten in Ladegeräten geschieht.
• Auch können damit Magnete und Buchsen eingesenkt werden, zum Beispiel zur Herstellung von verkapselten Magneten, mit denen sich Sensoren steuern lassen.

Was sind Ultraschall-Schweißsysteme?

Für das Ultraschallschweißen kommen Schweißsysteme zum Einsatz. Diese unterscheiden sich je nach Arbeit und Ziel der Arbeiten, doch sie bestehen immer aus den gleichen Komponenten. Dazu gehören aktive Bauteile, die den Schall erzeugen bzw. diesen leiten, und passive Teile, die die Kräfte aufnehmen, die im Prozess eingesetzt werden und damit die Schweißnaht unterstützen.

Aktive Teile sind:

• Der Ultraschallgenerator, der den Schall erzeugt
• Ein Konverter
• Ein Amplitudentransformationsstück
• Die Sonotrode, die als Schweißwerkzeug zum Einsatz kommt

Oft spricht man auch von dem Schwinggebilde. Dieses besteht aus der Sonotrode, dem Konverter und dem Amplitudentransformationsstück.

Die passiven Bauteile sind:

• Die Aufnahme für das Werkstück
• Der Amboss

Wie wird Ultraschallschweißen eingesetzt?

Das Prinzip des Ultraschallschweißens ist denkbar einfach. Die Schwingungsenergie des Ultraschalls wird auf einen Punkt gebündelt. Das ist die sogenannte Energiefokussierung. Diese sorgt für die Wärmeentwicklung und die Schmelze. Durch die Fokussierung lässt sich der Schweißvorgang genau definieren und der Energieverbrauch geringhalten.

Die Energiefokussierung kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Dabei geht es aber immer darum, die Schwingungsenergie genau auf der richtigen Stelle zum Einsatz zu bringen. Dafür muss auch die Geometrie der Werkstücke ausgelegt sein. Der Energierichtungsgeber, oft als ERG abgekürzt, bündelt die Energie auf den Werkstoff. Das geschieht so:

Die Energiefokussierung durch den Amboss

Der Amboss hat eine eigene Struktur. Seine Form kommt nun zur Energiefokussierung zum Einsatz. Dafür wird die Energie an den erhöhten Teilen des Ambosses fokussiert. Dort liegen die Kontaktpunkte und dort beginnt nun die Schmelze. Damit wird vor allem bei Bahnwaren, zum Beispiel bei Kartonagen, Folien und Vliesstoffen, gearbeitet.

Die Energiefokussierung mit Hilfe des Sonotrodendesigns

Ebenso kann die Energiefokussierung durch das Schweißwerkzeug erfolgen. Dabei wird die Sonotrode bzw. ihre Kontur als eine Hilfe für das Anschmelzen verwendet. Die Energie bündelt sich hier an der Spitze, so dass es dort am wärmsten wird. Damit wird zum Beispiel beim Ultraschallnieten gearbeitet.

Die Energiefokussierung durch die Gestaltung der Naht

Die Energiefokussierung durch die Nahtgestaltung bündelt die Energie mit der Form der Bauteile. Hierfür ist der Bereich, an welchem die Verbindung entstehen soll, entsprechend ausgeformt. Das geht zum Beispiel in Form einer Kante oder einer Spitze.

Was sind Paramater für das Ultraschallschweißen?

Für die Qualität der Schweißnaht sind einige Prozessparameter während des Ultraschallschweißens von Bedeutung. Sie müssen auf den Prozess selbst und das Material abgestimmt sein. Einmal richtig eingestellt, wird damit nicht nur eine gute Naht erzeugt, sondern diese kann auch wieder und wieder erstellt werden.

Die Amplitude

Das Schweißwerkzeug selbst schwingt mit einer Amplitude, die zwischen 5 und 50 Mikrometern liegt. Das lässt sich nicht mit dem bloßen Auge erkennen. Die entsprechende Leistung erreicht man dadurch, indem man die mechanische im Konverter erzeugte Schwingung im Amplitudentransformationsstück entsprechend anpasst.

Die Schweißkraft

Damit die gesetzten Schweißnähte gleichmäßig und dicht entstehen, ist es nötigt, den Schall mit Kraft in den Werkstoff einzubringen. Die Stärke der Kraft hängt dabei von Faktoren, wie der Fügefläche, der Größe der Teile und der Leistung ab.

Der Triggerpunkt

Der Triggerpunkt bestimmt, wann und wo das Schweißen startet. Die Sonotrode drückt dafür auf das Werkstück auf. Das geschieht mit der sogenannten Triggerkraft. Gibt das Material nun nur noch minimal nach, wird dadurch der Ultraschall ausgelöst. Nun wechselt die Kraft, die auf die Sonotrode wirkt, von der Triggerkraft zur Schweißkraft. Das sorgt dafür, dass der Startpunkt für das Schweißen gleichbleibt. Das wiederum sorgt dafür, dass das Ergebnis über eine konstante Qualität verfügt.

Die Schweißzeit

Die Schweißzeit ist die Zeit, die für das eigentliche Schweißen aufgewendet wird. Sie startet mit dem Auslösen des Ultraschalls und dessen Abschalten. Der Ultraschall startet man mit dem Triggerpunkt schaltet ab, sobald das entsprechende, vordefinierte Kriterium erreicht ist.

Die Haltezeit

Ist die Schweißzeit beendet, müsste man die Werkstücke noch für eine Weile unter Druck halten. Damit kann die Schweißnacht abkühlen und sich über die gesamte Länge gleichmäßig verfestigen. Das Schweißwerkzeug, das sich selbst beim Arbeiten nicht erwärmt, unterstützt den Prozess des Abkühlens.

Welche Materialien werden beim Ultraschallweißen verwendet?

Die Materialien, die sich mit dem Ultraschallschweißen zusammenfügen lassen, reichen von Thermoplasten, also Kunststoffen, bis hin zu harten Werkstoffen. Dazu gehören Nicht-Eisenmetalle, wie Nickel, Aluminium, Kupfer und Messing.

Kunststoffe

Eine Welt, wie wir sie kennen, lässt sich ohne Kunststoffe nicht mehr vorstellen. Ob es sich dabei um eine Druckerpatrone, ein Spielzeug für Kinder oder die Fernbedienung für den Fernseher dreht, überall kommt Kunststoff zum Einsatz.

Kunststoffe müssen, um die verschiedenen Geräte zu bilden, die wir kennen und nutzen, miteinander verbunden werden. Das geschieht mit dem Ultraschallschweißen. Darüber hinaus kann man sie so auch versiegeln.

Metalle

Metalle werden besonders in der Konsumgüter- und der Automobilindustrie mit dem Ultraschallschweißen verbunden. Hierbei lassen sich Kupfer und Aluminium mit diesem Verfahren zusammenfügen. Dabei entstehen Schweißnähte von hoher Qualität, dank der Prozessstabilität und der Überprüfbarkeit der Vorgänge. Auch kann das Ergebnis beliebig oft wiederholt werden.

Vliesstoffe

Auch im Bereich der Vliesstoffe lässt sich mit dem Ultraschall sehr effizient arbeiten. Ohne eine Aufheizphase und ohne den Einsatz von Klebstoffen lassen sich hier dauerhafte und sichere Verbindungen herstellen. Damit entfallen auch typische Reinigungsintervalle in den Maschinen.

Mit dem Ultraschallschweißen lassen sich Windeln, Wattepads, Hygieneartikel und OP-Masken herstellen. Damit nutzt man den Ultraschall nicht nur zum Verbinden. Damit wird auch präzise geschnitten, perforiert und geprägt.

Packstoffe

Verpackungen sind ebenfalls super wichtig in unserer Gesellschaft. Damit bleibt das Kaffeepulver trocken und behält sein Aroma und der Käse bleibt lange frisch. Die Verpackungen werden mit Ultraschall versiegelt. Das geschieht mit sehr dünnen Materialien, so dass Packstoffe gespart und die Umwelt geschont werden können.

Es stehen eine große Anzahl von Schweißverfahren in verschiedenen Kategorien zur Verfügung. Damit kann je nach dem wirtschaftlichen Bedarf, den Ansprüchen des Materials und den Anforderungen an die Schweißnaht das richtige Verfahren ausgewählt werden.