Die notwendige Schmelzwärme, die zum Plastifizieren der Kontaktflächen der jeweiligen Bauteile benötigt wird, entsteht mittels einer Drehbewegung unter gleichzeitigem Andrücken. Eine Grenzflächenreibung wird erzeugt.

Methoden des Rotationsschweißens:

Methodisch ist das Verfahren zu differenzieren in das Schwungmassenschweißen sowie das Drehzapfschweißen. Beides wird bei der MTV durch den Einsatz modernster Servoantriebstechnologien realisiert.

Beim Schwungmassenschweißen rotiert das zu verschweißende Bauteil mit definiertem Druck zur Gewinnung der benötigten Schweißenergie, während das Unterbauteil fest fixiert bzw. verdrehgesichert arretiert ist. Dabei wandelt sich die gewonnene Energie mittels Reibung in Wärme um. Anschließend werden beide Bauteile unter Druck zusammengefügt. Es empfiehlt sich, bei ungleichen Längen der zu verschweißenden Bauteile das Bauteil mit der entsprechend kürzeren Länge in Bewegung zu bringen, um somit die zu bewegende Masse möglichst gering zu halten.

Die Methode des Drehzapfschweißens hingegen verfolgt den Prozess des gleichzeitigen Rotierens sowie Andrückens der Bauteile, wobei der Stillstand dann nach Ablauf der Schweißzeit eintritt.

Unabhängig der gewählten Methode garantiert das exakte Zusammenspiel zwischen Drehzahl, Zeit, Weg und Druck sowie exakter Winkelabschaltung einen optimalen Prozess.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Rotationssymmetrische Bauteile eignen sich für dieses Schweißverfahren naturgemäß am besten, wie beispielsweise Rohre, Flansch-Rohrverbindungen oder Spritz- und Blasformteile. Eine konstruktive Freiheit der zu verbindenden Bauteile stellt einen großen Vorteil dieses Verfahrens dar, da weder Noppen noch abstehende Rippen oder ähnliches den Schweißprozess behindern oder beeinträchtigen.

Zum Verschweißen mittels Rotation eignen sich theoretisch alle thermoplastischen Kunststoffe, Amorphe und teilkristalline Polymere, ähnlich dem Ultraschallschweißen.

Schweißprozess:

Der Schweißprozess umfasst zunächst eine Anlaufphase, in der sich die Flächen der zu fügenden Bauteile angleichen, gefolgt von der Hauptrotationsphase. Dabei werden die Bauteile mittels Druck und der entstehenden Grenzflächenreibung im Bereich der Fügefläche angeschmolzen. Bei spezieller Winkelposition der Bauteile erfolgt eine winkelgenaue Positionierung.

Rotationsschweißen im Vergleich:

Gemein dem Ultraschallschweißen gleichen sich die zu verschweißenden Materialpaarungen beider Verfahren, wobei das Rotationsschweißen folgende Vorteile aufweist:

• Kurze Schweißzeiten;
• Anwender- und Bedienerfreundlichkeit.

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Heißstempel:

Beim Heißverstemmen mittels Heißstempel wird die zum Prozess notwendige Wärme über dauerbeheizte Stempel in das Kunststoffbauteil eingebracht. Durch entsprechende Wärme und Druck werden die Bauteile dann formschlüssig verbunden. Die Erwärmung des Heißstempels erfolgt vor der Kontaktierung und bleibt dauerhaft bestehen. Nach Fügung der Bauteile muss das Produkt entsprechend auskühlen.

E-Nieten:

Beim eletrischen Nieten, dem E-Nieten, erfolgt die Verbindung von zwei Bauteilen mittels Nietkalotte zur formschlüssigen Verbindung mit präziser und sauberer Ästethik. Die Beheizung der Nietkalotte erfolgt mittels elektrischer Wärme. Das Schweißwerkzeug kann vor oder während dem Fügeprozess beheizt werden. Die Auskühlung erfolgt direkt nach dem Schweißprozess mittels Luftzufuhr, sodass das Bauteil als auch die Nietkalotte zur direkten Weiterverarbeitung oder Verwendung zur Verfügung stehen.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Zum Verschweißen mittels Heißverstemmen eignen sich theoretisch alle thermoplastischen Kunststoffe, Amorphe und teilkristalline Polymere, ähnlich dem Ultraschallschweißen.

Heißverstemmen im Vergleich:

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Heißstempel:

Beim Heißverstemmen mittels Heißstempel wird die zum Prozess notwendige Wärme über dauerbeheizte Stempel in das Kunststoffbauteil eingebracht. Durch entsprechende Wärme und Druck werden die Bauteile dann formschlüssig verbunden. Die Erwärmung des Heißstempels erfolgt vor der Kontaktierung und bleibt dauerhaft bestehen. Nach Fügung der Bauteile muss das Produkt entsprechend auskühlen.

E-Nieten:

Beim eletrischen Nieten, dem E-Nieten, erfolgt die Verbindung von zwei Bauteilen mittels Nietkalotte zur formschlüssigen Verbindung mit präziser und sauberer Ästethik. Die Beheizung der Nietkalotte erfolgt mittels elektrischer Wärme. Das Schweißwerkzeug kann vor oder während dem Fügeprozess beheizt werden. Die Auskühlung erfolgt direkt nach dem Schweißprozess mittels Luftzufuhr, sodass das Bauteil als auch die Nietkalotte zur direkten Weiterverarbeitung oder Verwendung zur Verfügung stehen.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Zum Verschweißen mittels Heißverstemmen eignen sich theoretisch alle thermoplastischen Kunststoffe, Amorphe und teilkristalline Polymere, ähnlich dem Ultraschallschweißen.

Heißverstemmen im Vergleich:

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Die notwendige Schmelzwärme, die zum Plastifizieren der Kontaktflächen der jeweiligen Bauteile benötigt wird, entsteht mittels einer Drehbewegung unter gleichzeitigem Andrücken. Eine Grenzflächenreibung wird erzeugt.

Methoden des Rotationsschweißens:

Methodisch ist das Verfahren zu differenzieren in das Schwungmassenschweißen sowie das Drehzapfschweißen. Beides wird bei der MTV durch den Einsatz modernster Servoantriebstechnologien realisiert.

Beim Schwungmassenschweißen rotiert das zu verschweißende Bauteil mit definiertem Druck zur Gewinnung der benötigten Schweißenergie, während das Unterbauteil fest fixiert bzw. verdrehgesichert arretiert ist. Dabei wandelt sich die gewonnene Energie mittels Reibung in Wärme um. Anschließend werden beide Bauteile unter Druck zusammengefügt. Es empfiehlt sich, bei ungleichen Längen der zu verschweißenden Bauteile das Bauteil mit der entsprechend kürzeren Länge in Bewegung zu bringen, um somit die zu bewegende Masse möglichst gering zu halten.

Die Methode des Drehzapfschweißens hingegen verfolgt den Prozess des gleichzeitigen Rotierens sowie Andrückens der Bauteile, wobei der Stillstand dann nach Ablauf der Schweißzeit eintritt.

Unabhängig der gewählten Methode garantiert das exakte Zusammenspiel zwischen Drehzahl, Zeit, Weg und Druck sowie exakter Winkelabschaltung einen optimalen Prozess.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Rotationssymmetrische Bauteile eignen sich für dieses Schweißverfahren naturgemäß am besten, wie beispielsweise Rohre, Flansch-Rohrverbindungen oder Spritz- und Blasformteile. Eine konstruktive Freiheit der zu verbindenden Bauteile stellt einen großen Vorteil dieses Verfahrens dar, da weder Noppen noch abstehende Rippen oder ähnliches den Schweißprozess behindern oder beeinträchtigen.

Zum Verschweißen mittels Rotation eignen sich theoretisch alle thermoplastischen Kunststoffe, Amorphe und teilkristalline Polymere, ähnlich dem Ultraschallschweißen.

Schweißprozess:

Der Schweißprozess umfasst zunächst eine Anlaufphase, in der sich die Flächen der zu fügenden Bauteile angleichen, gefolgt von der Hauptrotationsphase. Dabei werden die Bauteile mittels Druck und der entstehenden Grenzflächenreibung im Bereich der Fügefläche angeschmolzen. Bei spezieller Winkelposition der Bauteile erfolgt eine winkelgenaue Positionierung.

Rotationsschweißen im Vergleich:

Gemein dem Ultraschallschweißen gleichen sich die zu verschweißenden Materialpaarungen beider Verfahren, wobei das Rotationsschweißen folgende Vorteile aufweist:

• Kurze Schweißzeiten;
• Anwender- und Bedienerfreundlichkeit.

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Funktionsweise des Spiegelschweißens – Heizelement:

Das Schweißwerkzeug wird beim Heizelementschweißen durch das elektrische Anwärmen eines beschichteten oder unbeschichteteten Heizelements erhitzt. Dabei werden die Flächen der zu verschweißenden Bauteile durch Berührung erwärmt und im Anschluss unter spezifischem Druck zusammengefügt und abgekühlt. Die Erwärmung der Bauteile erfolgt selektiv und werkstückkonform, weshalb das Heizelementschweißen zu den wohl zuverlässigsten und sichersten Schweißverfahren von Thermoplasten zählt.

Grundsätzlich sind die anwendbaren Methoden zu unterscheiden in Nieder- und Hochtemperaturbereich sowie Infrarotstrahlung.

Im Rahmen des Niedertemperaturbereichs erwärmt sich das Heizelement bis zu 250° und der Schweißspiegel erfordert eine Antifhaftbeschichtung. Dieses Verfahren der Kontakterwärmung stellt ein robustes Verfahren mit hoher Zuverlässigkeit, dichten Verbindungen und partikelfreier Verbindung dar, das jedoch bedingt durch die Temperatur längere Zykluszeiten aufweist als das Hochtemperaturverfahren.

Beim Hochtemperaturverfahren werden die Heizelemente auf eine Gradzahl zwischen 300° bis 450° erwärmt und liegen dabei im Bereich oder oberhalb der Zersetzungstemperatur des zu verschweißenden Bauteils. Dabei ist eine Beschichtung des Heizelements nicht notwendig. Zwar kann dieses Verfahren mit kürzeren Zykluszeiten dienen, Nachteile im Vergleich zum Niedertemperaturverfahren ergeben sich jedoch bedingt durch die hohe Temperatur, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Dämpfen steigt und eine Absaugung notwendig wird.

Funktionsweise des Spiegelschweißens – Infrarot:

Im Rahmen des Verfahrens der Infrarotwärme bzw. Strahlungswärme erfolgt die Verbindung der Bauteile kontaktlos. Dabei werden die Flächen der zu verschweißenden Bauteile durch Strahlung erwärmt und im Anschluss unter spezifischem Druck zusammengefügt und abgekühlt. Voraussetzung hierfür ist eine entsprechende Präzision der Bauteile. Die Anwärmzeit ist abhängig vom zulässigen Abstand zwischen Bauteil und Strahlungskörper.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Ähnlich dem Ultraschallschweißen eignen sich theoretisch ebenso alle thermoplastischen Kunststoffe, amorphe und teilkristalline Polymere.

Schweißprozess:

Eine wichtige Voraussetzung vor Start des Schweißprozesses ist die Sauberkeit der Bauteile, bevor im Rahmen von fünf Phasen der Verbindungsprozess vorgenommen werden kann. Dabei werden die Bauteile zuerst in die entsprechenden Aufnahmen eingelegt und auf korrekte Platzierung hin geprüft, bevor die Schweißflächen gleichmäßig unter vorgegebenen Druck sowie Heizelementtemperatur an das Heizelement zugestellt werden, bis eine entsprechende Schmelztemperatur bzw. Schmelzgrad der Fügezonen erreicht ist. Beim Infrarot-Verfahren erfolgt dieser Prozess entsprechend kontaktlos. Danach fahren die Vorschübe wieder auseinander, unterdessen das Heizelement sich ebenso von seiner Bearbeitungsposition wieder in seine Ausgangsstellung positioniert. Jetzt erfolgt der Fügeprozess, indem die Bauteile entsprechend ihrer Fügezonen zusammengedrückt werden. Dabei gestalten sich Fügezeit und anschließende Abkühlzeit je nach Materialart und Wanddicke. Nach der Abkühlzeit kann das voll gefestigte Bauteil entnommen werden.

Spiegelschweißen im Vergleich:

Vorteilhaft gestaltet sich dieses Verfahren insbesondere aufgrund

• der Verschweißung von dreidimensionalen und/oder großen Kunststoffteilen,
• individueller Abmessungen der Bauteile sowie
• hoher Automatisierungsgrade der Maschinen.

Im Vergleich zum Ultraschall– und Rotationsschweißen erfordert das Verfahren eine höhere Taktzeit, die jedoch durch individuelle Spezifizierung auf ein effizientes Minimum mittels Temperatur und Prozessgestaltung reduziert werden kann.

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Heißstempel:

Beim Heißverstemmen mittels Heißstempel wird die zum Prozess notwendige Wärme über dauerbeheizte Stempel in das Kunststoffbauteil eingebracht. Durch entsprechende Wärme und Druck werden die Bauteile dann formschlüssig verbunden. Die Erwärmung des Heißstempels erfolgt vor der Kontaktierung und bleibt dauerhaft bestehen. Nach Fügung der Bauteile muss das Produkt entsprechend auskühlen.

E-Nieten:

Beim eletrischen Nieten, dem E-Nieten, erfolgt die Verbindung von zwei Bauteilen mittels Nietkalotte zur formschlüssigen Verbindung mit präziser und sauberer Ästethik. Die Beheizung der Nietkalotte erfolgt mittels elektrischer Wärme. Das Schweißwerkzeug kann vor oder während dem Fügeprozess beheizt werden. Die Auskühlung erfolgt direkt nach dem Schweißprozess mittels Luftzufuhr, sodass das Bauteil als auch die Nietkalotte zur direkten Weiterverarbeitung oder Verwendung zur Verfügung stehen.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Zum Verschweißen mittels Heißverstemmen eignen sich theoretisch alle thermoplastischen Kunststoffe, Amorphe und teilkristalline Polymere, ähnlich dem Ultraschallschweißen.

Welche Vorteile bietet das Heißverstemmen?

Durch die gezielte Wärmeeinbringung und die formschlüssige Umformung des Kunststoffs lassen sich dauerhafte und reproduzierbare Verbindungen realisieren, ohne zusätzliche Verbindungselemente oder Klebstoffe einsetzen zu müssen.

Zu den wichtigsten Vorteilen des Heißverstemmens zählen:

• Saubere und präzise Verbindungen
  Beim Heißverstemmen entsteht eine formschlüssige Verbindung mit definierter Geometrie. Das Verfahren ermöglicht saubere Fügenähte und eine gleichmäßige Optik, was besonders bei sichtbaren Bauteilen oder hochwertigen Produkten von Vorteil ist.
• Materialschonender Prozess ohne Schwingungsbelastung
  Im Gegensatz zum Ultraschallschweißen erfolgt das Heißverstemmen ohne mechanische Schwingungen. Dadurch eignet sich das Verfahren besonders für empfindliche Bauteile wie Elektronikkomponenten, Leiterplatten oder dekorative Oberflächen.
• Geeignet für unterschiedliche Materialkombinationen
  Heißverstemmen ermöglicht die Verbindung von thermoplastischen Kunststoffen mit anderen Werkstoffen wie Metallen, Leiterplatten oder weiteren Kunststoffbauteilen. Dadurch lassen sich Hybridbaugruppen effizient und dauerhaft fügen.
• Keine zusätzlichen Verbindungselemente erforderlich
  Da vorhandene Kunststoffgeometrien zur Verbindung genutzt werden, können Schrauben, Nieten oder Klebstoffe häufig entfallen. Das reduziert Bauteilkosten, vereinfacht die Montage und minimiert den Materialeinsatz.
• Hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit
  Durch kontrollierte Parameter wie Temperatur, Kraft und Zeit lässt sich der Prozess zuverlässig steuern. Dies ermöglicht gleichbleibende Ergebnisse auch bei Serienfertigung.
• Hohe Designfreiheit in der Bauteilkonstruktion
  Das Verfahren lässt sich gut in bestehende Bauteilgeometrien integrieren. Dadurch können Konstruktionen flexibel gestaltet und Montageprozesse frühzeitig optimiert werden.
• Geringe Partikel- und Verschmutzungsbildung
  Beim Heißverstemmen entstehen keine Späne oder Abrieb, wie sie bei mechanischen Fügeverfahren auftreten können. Dies ist besonders in sensiblen Bereichen wie Elektronik oder Medizintechnik ein Vorteil.
• Mehrere Verstemmstellen gleichzeitig möglich
  Je nach Anlagenkonzept können mehrere Punkte parallel verarbeitet werden. Das ermöglicht effiziente Prozesse und reduziert die Zykluszeiten bei komplexeren Baugruppen.

Diese Eigenschaften machen das Heißverstemmen zu einem vielseitigen und prozesssicheren Fügeverfahren, insbesondere wenn empfindliche Bauteile, hohe optische Anforderungen oder unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden sollen.

Wo liegen die Unterschiede zum Ultraschallschweißen?

Sowohl das Heißverstemmen als auch das Ultraschallschweißen gehören zu den etablierten Verfahren zum Fügen von Kunststoffbauteilen. Dennoch unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Funktionsweise und ihren Einsatzbereichen.

Beim Ultraschallschweißen werden Bauteile durch hochfrequente mechanische Schwingungen miteinander verbunden. Die dabei entstehende Reibungswärme führt zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials und zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Dieses Verfahren zeichnet sich vor allem durch sehr kurze Zykluszeiten aus und eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Stückzahlen.

Das Heißverstemmen hingegen arbeitet mit gezielter Wärmeeinbringung über beheizte Werkzeuge. Der Kunststoff wird lokal plastifiziert und anschließend formschlüssig umgeformt. Da keine mechanischen Schwingungen eingesetzt werden, eignet sich das Verfahren besonders für empfindliche Bauteile, elektronische Komponenten oder Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität.

Im Vergleich zum Ultraschallschweißen sind die Prozesszeiten beim Heißverstemmen in der Regel etwas länger, da Heiz- und Kühlphasen berücksichtigt werden müssen. Dafür bietet das Verfahren Vorteile bei der Verbindung unterschiedlicher Materialien sowie bei Baugruppen, die durch Schwingungen beschädigt werden könnten.

Welche Anforderungen gelten für Bauteile und Konstruktion?

Geometrie, Materialauswahl und Zugänglichkeit der Verstemmstellen haben einen direkten Einfluss auf die Prozesssicherheit und die Qualität der Verbindung. Werden diese Faktoren frühzeitig berücksichtigt, lässt sich der Fügeprozess effizient und stabil auslegen.

Wichtige Anforderungen an Bauteile und Konstruktion sind:

1. Geeignete Verstemmgeometrie vorsehen
   Für das Heißverstemmen wird in der Regel ein Kunststoffdorn oder eine Verstemmstelle benötigt, die gezielt erwärmt und umgeformt werden kann. Die Geometrie sollte so ausgelegt sein, dass eine stabile und gleichmäßige Umformung möglich ist.
2. Ausreichende Zugänglichkeit der Verstemmstellen sicherstellen
   Das Werkzeug muss die Verstemmstelle ohne Einschränkungen erreichen können. Störkonturen oder schwer zugängliche Bereiche können den Prozess erschweren oder zusätzliche konstruktive Anpassungen erforderlich machen.
3. Stabile Abstützung der Bauteile gewährleisten
   Während des Heißverstemmens wirken definierte Kräfte auf das Bauteil. Eine stabile und plane Abstützung verhindert Verformungen und sorgt für gleichbleibende Ergebnisse.
4. Materialeigenschaften berücksichtigen
   Unterschiedliche thermoplastische Kunststoffe reagieren unterschiedlich auf Wärme und Druck. Die Bauteilkonstruktion sollte daher auf das jeweilige Material abgestimmt sein, um eine saubere Umformung und ausreichende Festigkeit zu erreichen.
5. Toleranzen und Bauteilvariationen einplanen
   Fertigungstoleranzen der Bauteile beeinflussen den Verstemmprozess. Eine geeignete Auslegung hilft dabei, Schwankungen auszugleichen und eine hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten.
6. Mehrere Verstemmstellen sinnvoll anordnen
   Wenn mehrere Verstemmungen erforderlich sind, sollten deren Positionen so geplant werden, dass sie effizient und reproduzierbar verarbeitet werden können. Dies erleichtert auch die Umsetzung automatisierter Prozesse.
7. Werkzeug- und Prozessparameter berücksichtigen
   Temperatur, Kraft, Zeit und Umformweg müssen auf Bauteil und Material abgestimmt werden. Eine passende Konstruktion erleichtert die optimale Auslegung dieser Parameter und trägt zu stabilen Prozessen bei.

Eine frühzeitige Abstimmung von Bauteilkonstruktion und Fügeverfahren trägt entscheidend dazu bei, die Vorteile des Heißverstemmens vollständig zu nutzen und eine zuverlässige Serienfertigung sicherzustellen.

Für welche Anwendungen ist Heißverstemmen besonders geeignet?

Durch die formschlüssige Verbindung und die kontrollierte Wärmeeinbringung ist das Verfahren vor allem für empfindliche Komponenten, Hybridbaugruppen und anspruchsvolle Serienfertigungen interessant.

Typische Anwendungen für das Heißverstemmen sind unter anderem:

• Elektronik und Elektrotechnik
  Fixieren von Leiterplatten in Gehäusen, Befestigen von Sensoren, Kontaktträgern oder Steckverbindungen sowie das Fügen von Gehäusedeckeln und Halterungen. Besonders vorteilhaft ist hierbei der schwingungsfreie Prozess, der empfindliche elektronische Komponenten schützt.
• Automobilindustrie und Mobilitätslösungen
  Verbindung von Kunststoffgehäusen, Halterungen, Schaltern, Bedienelementen oder elektronischen Baugruppen. Auch Hybridverbindungen aus Kunststoff und Metall kommen hier häufig zum Einsatz.
• Medizintechnik
  Montage empfindlicher Kunststoffbauteile, Gehäuseverbindungen oder Fixierung von Komponenten, bei denen saubere, reproduzierbare Prozesse und geringe Partikelbildung wichtig sind.
• Haushaltsgeräte und Konsumgüter
  Verbindung von Gehäusen, Abdeckungen, Bedienelementen oder Halterungen. Das Verfahren eignet sich besonders für Anwendungen mit sichtbaren Oberflächen und hohen Anforderungen an die Optik.
• Industrie- und Technikprodukte
  Fixieren von Funktionselementen, Gehäusen, Isolatoren oder Halterungen in technischen Baugruppen. Auch bei unterschiedlichen Materialkombinationen lässt sich das Verfahren flexibel einsetzen.
• Hybridbaugruppen aus Kunststoff und Metall
  Dauerhafte Fixierung von Metallkomponenten in Kunststoffgehäusen, beispielsweise bei Kontaktteilen, Verstärkungen oder Funktionselementen.

Durch diese vielseitigen Einsatzmöglichkeiten eignet sich das Heißverstemmen besonders für Anwendungen, bei denen eine zuverlässige, saubere und reproduzierbare Verbindung von Kunststoffbauteilen erforderlich ist.

Heißverstemmen als Teil individueller Fertigungslösungen bei Maschinen + Technik Vogt

Das Heißverstemmen entfaltet sein volles Potenzial insbesondere dann, wenn Verfahren, Werkzeugtechnik und Automatisierung optimal aufeinander abgestimmt sind. Maschinen + Technik Vogt GmbH entwickelt hierfür individuelle Lösungen, die exakt auf Bauteile, Materialien und Produktionsanforderungen abgestimmt werden. Von der ersten Konzeptphase über die Entwicklung geeigneter Werkzeuge bis hin zur Integration in bestehende Produktionslinien entsteht so ein durchgängiger und effizienter Fertigungsprozess.

Neben der eigentlichen Fügetechnologie umfasst dies auch den passenden Werkzeug- und Formenbau sowie die Umsetzung automatisierter Montage- und Prüfanlagen. Dadurch lassen sich Heißverstemmen-Prozesse präzise in bestehende Fertigungsabläufe integrieren und reproduzierbar in der Serie umsetzen. Besonders bei komplexen Baugruppen oder hohen Stückzahlen bietet dieser ganzheitliche Ansatz Vorteile hinsichtlich Prozesssicherheit, Effizienz und Qualität.

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Beim Verschweißen von thermoplastischen Materialien mittels Ultraschallenergie wird eine untrennbare Verbindung von zwei oder mehreren Teilen hergestellt. Jede herzustellende Verbindung bedarf einer schweißnahtgerechten Gestaltung in Bezug auf das Material, die Geometrie und die Lage der zu verbindenden Bauteile. Daher gilt, je besser die Schweißverbindungsauslegung, desto reproduzierbarer und risikoarmer ist die Umsetzung der Verbindung in den Schweißanlagen.

Funktionsweise des Ultraschallschweißens:

Die von einem Generator erzeugte hochfrequente Wechselspannung wird über den Konverter in mechanische Schwingungsenergie gleicher Frequenz umgewandelt. Mittels der dadurch erzeugten Molekular- und Grenzflächenreibung wird entsprechend Wärme erzeugt, die den Kunststoff plastifizieren lässt. Mit entsprechendem Druck werden die Bauteile dann zusammengefügt. Das für diesen Prozess benötigte Schwinggebilde besteht aus einem Konverter, einem Booster (Amplitudenverstärker) sowie einer Sonotrode, welche in Resonanz arbeitet.

Zum Verschweißen geeignete Bauteile:

Als Bauteile sind theoretisch alle thermoplastischen Kunststoffe, amorphe und teilkristalline Polymere zum Verschweißen denkbar, wobei sich das Schweißverhalten der Kunststoffe erheblich differenzieren kann. Amorphe und teilkristalline Polymere lassen sich beispielsweise nicht miteinander verschweißen. Harte, amorphe Kunststoffe wie z.B. PC, PS und PMMA haben hingegen einen günstigen Übertragungskoeffizienten für Ultraschallenergie. Teilkristalline Kunststoff wie z.B. PA, PP und POM haben dagegen einen hohen akustischen Dämpfungsfaktor.

Mögliche Verbindungsarten mittels Ultraschall:

• Flächenschweißen:

Das Flächenschweißen kommt dort zum Einsatz, wo eine flächige oder eine umlaufend dichte Verschweißung erforderlich ist. Um zwei Bauteile flächig miteinander zu verschweißen, ist eine Schweißnahtgestaltung mittels Energierichtungsgebern erforderlich.

• Punktschweißen:

Diese Methode zur Verschweißung wird überwiegend dort eingesetzt, wo z.B. flächige Teile ohne Schweißnahtvorbereitung miteinander verbunden werden müssen. Beide zu fügende Bauteile müssen jedoch planparallel, ohne Spalt, aufeinander liegen. Die Wandstärke des unteren Teils sollte nicht zu klein sein. Die Sonotrode sollte möglichst rechtwinklig zur Schweißfläche positioniert werden, um ein verschieben der Schweißteile während des Prozesses zu verhindern.

• Zapfenschweißen:

Zapfenschweißen ist eine Art der Quetschnahtverbindung und wird dort angewendet wo z.B. dünne Stege eine andere Art der Schweißnaht ausschließen. Durch die Zapfen zentrieren sich die Bauteile beim Fügen von selbst. Beim Schweißprozess dringt die Schmelze in die Hohlstelle des Körpers, somit ist kein Schweißaustrieb sichtbar. Der Vorteil liegt in der geringen Schweißzeit und dem damit verbundenen geringen Energiebedarf.

• Nieten:

Ultraschallnieten bietet die Möglichkeit, schweißbare Kunststoffe mit Metallen oder nicht schweißbaren Kunststoffen zu verbinden. Eine feste Verbindung kommt durch überwinden der Rückstellelastizität zustande. Der Vorteil ist der kleine Erwärmungsbereich, der eine thermische Überlastung des Bauteils ausschließt. Zudem wird die in dem Schweißprozess erzeugte Wärme durch die Masse der Sonotrode rasch abgeführt.

• Bördeln:

Das Bördeln wird oft eingesetzt, wenn das Anspritzen eines Nietzapfens an das Kunststoffteil nicht möglich ist. Die Prozesszeiten entsprechen den Nietzeiten. Wichtig ist hier, dass das plastifizierte Material nach dem Schweißen unter Druck unter der Sonotrode auskühlt. Somit ist eine Rückstellung des Bauteils ausgeschlossen.

Ultraschallschweißen im Vergleich:

Das Verfahren des Ultraschallschweißens ist im Vergleich zu anderen Verbindungstechnologien nicht nur schnell und effizient, sondern ebenso umweltfreundlich. Entsprechend ist diese Technologie am Markt aufgrund kurzer Zykluszeiten und einen geringen Energiebedarf beständig etabliert.

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