Ultraschallschweißen als effiziente Fügetechnik Kunststoffteile sicher miteinander verbinden

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Schweißen mit Ultraschall gilt heute als die schnellste und zugleich auch kostengünstigste Methode, um Kunststoffteile miteinander zu verbinden und zu montieren. Wesentliche Vorteile sind, dass ohne Klebstoff, Verbindungselemente und Lösungsmittel gearbeitet wird; dadurch handelt es sich um ein umweltfreundliches und effizientes Verfahren. Typische Anwendungsbereiche finden sich in zahlreichen Branchen, angefangen von Verpackungs-, Lebensmittel-, Textil- und Medizintechnik bis hin zum Fahrzeugbau. Das Ultraschallschweißen eignet sich beispielsweise gut für das Fügen der im Automobil- und Nutzfahrzeugsektor eingesetzten Leichtbauwerkstoffe.

Elektrische Fensterheber für Pkws gibt es bereits seit den 1950er und 1960er Jahren, mittlerweile sind sie Stand der Technik und lassen sich auch aus dem Nutzfahrzeugbereich nicht mehr wegdenken. Die Fenster werden durch einen Elektromotor und speziell angeordnete Seilzugtrommeln bewegt. Dabei wird eine Seiltrommel über einen Elektromotor mit Schnecken- oder Stirnradgetriebe bewegt. Die Autotüren beziehungsweise die Türinnenverkleidung übernimmt dabei eine wichtige Funktion. Sie ist letztendlich dafür verantwortlich, dass die Fensterscheiben sicher gehalten werden und auf Knopfdruck automatisch öffnen und schließen. Dies ermöglichen Kunststoffkonstruktionen an der Türinnenseite, sogenannte Balkonstrukturen, die die Führungsschienen für die Seilzüge fixieren.

Balkonstrukturen für die Führungsschienen von Autofenstern

Das italienische Maschinenbauunternehmen Cemas Elettra, Carmagnola, entwickelte für den Nutzfahrzeughersteller Iveco, Ulm, eine Produktionsmaschine, mit der sich diese Balkonstrukturen an den Innenseiten der Türpanels des neuen Stralis-Modells automatisiert befestigen lassen. Im gleichen Arbeitsgang werden auch die Ablagetaschen beispielsweise für Sonnenbrille, Handscanner oder Ähnliches auf der anderen Seite der Panels befestigt. Dazu legt ein Mitarbeiter die Panels, die Taschen und die drei Teile der Balkonkonstruktion manuell in die Schweißvorrichtung ein; anschließend werden diese per Ultraschall miteinander verschweißt. Da die Maschine doppelt ausgelegt ist, also zwei Bearbeitungsstationen hat, lassen sich die Panels für die linke und rechte Tür gleichzeitig schweißen.

Beim Schweißen mit Ultraschall überträgt ein akustisch ausgelegtes Werkzeug, die Sonotrode, hochfrequente Schwingungen. Durch diese hochfrequenten, mechanischen Schwingungen wird der oben aufliegende Fügepartner in Schwingung versetzt, wohingegen der untere Fügepartner durch das Gegenwerkzeug (Amboss) am Mitschwingen gehindert wird. Die erzeugte Wärme bricht die Materialgrenzen auf und die Fügepartner verschweißen miteinander. So entstehen bei geringer thermischer Belastung von Produkt und Umgebung hochfeste Fügeverbindungen.

Naht- und Punktschweißen

Ein Ultraschallschweißsystem setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen: Dem Generator, der den Ultraschall erzeugt, einem Konverter, der mit Hilfe von Piezokeramiken den Ultraschall in mechanische Schwingungen umsetzt. Diese werden dann, eventuell verstärkt von einem Booster, auf die Sonotrode übertragen. Um die Balkonstrukturen für die Fensterführungen mit den Panels zu verbinden, werden insgesamt 56 Sonotroden (28 je Maschinenfach) eingesetzt. Sie stammen von Telsonic, Bronschhofen, Schweiz, mit der die Maschinenbauer schon seit etlichen Jahren zusammenarbeiten. Der Ultraschallhersteller entwickelt und verkauft bereits seit gut fünf Jahrzehnten weltweit serientaugliche Ultraschalllösungen, die auf die unterschiedlichsten Anwendungsanforderungen abgestimmt werden können.

Bei den Fügeprozessen der Türpanels werden sowohl einzelne Punkte als auch Nähte geschweißt, sodass Doppelsonotroden eingesetzt werden. Das bringt Vorteile, wenn Nähte und Schweißpunkte relativ eng beieinanderliegen. Eine Doppelsonotrode kann mit ihren beiden Flügeln zwei Schweißpunkte bedienen, braucht aber für das Einleiten der mechanischen Schwingung nur einen Konverter und Booster.

Im Wechsel fügen

Den Ultraschall (35 kHz) für die Sonotroden in den beiden Maschinenfächern erzeugen Generatoren der Baureihe MAG, die sich für die Lösung komplexer Schneidaufgaben in Sonderanlagen und Produktionslinien eignen. Sie sind für den Einbau im Schaltschrank bestimmt und können jeweils zwischen 16 Sonotroden umschalten. Um die Anwenderanforderungen bei der Bearbeitungsmaschine für die Türpanels zu erfüllen, genügen in diesem Fall vier Generatoren für die 56 Sontroden. Jedes Türblatt kann so mit einer Zykluszeit von 70 respektive 90 Sekunden geschweißt werden. Kürzere Zeiten ließen sich mit einer größeren Generatorenanzahl erreichen. Im beschriebenen Fall ist das jedoch nicht notwendig. Der Bediener kann auf jeder Maschinenseite unabhängig arbeiten, sodass keine Totzeiten entstehen. Während ein Türpanel geschweißt wird, nutzt er die Zeit, um die Teile für das nächste im anderen Maschinenfach einzulegen.

Die Generatoren kommunizieren mit der Steuerung der Kunststoffbearbeitungsmaschine über Profibus, unterstützen aber auch alle anderen gängigen Feldbusschnittstellen (Ethernet/IP, Ethercat, Profinet, Sercos-III, Powerlink und Modbus RTU). Für die Steuerungsprogrammierer gibt es ein Software Development Kit mit Funktionsmodulen und Programmierbeispielen, sodass sich auch anspruchsvolle Aufgabenstellungen schnell umsetzen lassen.

Endanwender im Detail

Über Iveco

Iveco, ein Unternehmen der CNH Industrial Gruppe, ist ein global agierender Hersteller leichter, mittelschwerer und schwerer Lkw, Linien-, Überland- und Reisebusse sowie Feuerwehr-, Militär- und Off-Road-Fahrzeuge für Bau und Bergbau. Das Unternehmen beschäftigt weltweit mehr als 26.000 Mitarbeiter und hat Werke in elf Ländern in Europa, Asien, Afrika, Ozeanien und Lateinamerika. Insgesamt 5.000 Vertriebsstellen und Kundendienstzentren in über 160 Ländern sorgen für den Kundenservice vor Ort. Seit mehr als 30 Jahren investiert Iveco in die Entwicklung alternativer Antriebssysteme und bietet Euro-VI-Motoren und Erdgas-Antriebs-Technologien über die gesamte Fahrzeugpalette an.

Anwender im Detail

Über Cemas Elettra

Cemas Elettra wurde als kleines Familienunternehmen gegründet und ist heute ein großter europäischen Hersteller von Maschinen und Werkzeugen zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen, die individuell auf die jeweiligen Anwenderanforderungen abgestimmt sind. Dabei werden je nach Einsatzfall neben Ultraschall-, Laser-, Vibrations- oder Infrarot-Schweißen auch Klebetechniken oder Nietverfahren angewendet. Weltweit ist das Unternehmen mit Stammsitz im italienischen Carmagnola (Piemont) in zahlreichen Ländern mit sechs Produktionswerken, vielen Vertriebsniederlassungen sowie Vertriebspartnern vertreten.

Hersteller im Detail

Über Telsonic

Die Telsonic Gruppe mit Hauptsitz in Bronschhofen (Schweiz) ist seit 1966 mit technologischen Ultraschalllösungen in Europa, Amerika und Asien vertreten. Das inhabergeführte Familienunternehmen mit über 250 hochqualifizierten Mitarbeitern hat sich auf das Kunststoff- und Metallschweißen sowie das Reinigen, Sieben und Schneiden mit Ultraschall spezialisiert. Diese Kompetenzen sind bei aktuellen Trendthemen stark gefragt, zum Beispiel bei Leichtbau, Elektromobilität, Batterieherstellung, Verpackungsindustrie, Medizintechnik und 3D-Druck.