Mai 13 2019

Ultraschallschweißen als effiziente Fügetechnik

Kunststoffteile sicher miteinander verbinden

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 Kleber, Verbindungselemente und Lösungsmittel gearbeitet wird; dadurch ist das Verfahren sehr umweltfreundlich und effizient. Typische Anwendungsbereiche finden sich deshalb in nahezu allen Branchen, angefangen von Verpackungs-, Lebensmittel-, Textil und Medizintechnik bis hin zum Fahrzeugbau. Für die Verbindung der im Automobil- und Nutzfahrzeugbereich verwendeten Leichtbau-Werkstoffe beispielsweise liefert das Ultraschall-Schweißen gute Voraussetzungen, wie auch die im Folgenden beschriebene Anwendung zeigt.

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. In modernen Lkws sind automatische Fensterheber heute selbstverständlich. Die Fenster werden hier durch einen Elektromotor und speziell angeordnete Seilzugtrommeln bewegt. Dabei wird eine Seiltrommel über einen Elektromotor mit Schnecken- oder Stirnradgetriebe bewegt. Die Autotüren, bzw. die Türinnenverkleidung übernimmt dabei eine wichtige Funktion. Sie ist letztendlich dafür verantwortlich, dass die Fensterscheiben sicher gehalten und auf Knopfdruck automatisch geöffnet bzw. geschlossen werden können. Denn an der Türinnenseite sind Kunststoffkonstruktionen angebracht, sogenannte „Balkonstrukturen“, die dann die Führungsschienen für die Seilzüge fixieren.

Balkonstrukturen für die Führungsschienen von Autofenstern

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Die Kunststoffbearbeitungsmaschine besteht aus zwei Teilen, sodass die Panels für die linke und rechte Tür gleichzeitig geschweißt werden können. Quelle: CEMAS Elettra

Der italienische Maschinenbauspezialist CEMAS Elettra (Firmenkasten) hat für den Nutzfahrzeughersteller IVECO (Firmenkasten) jetzt eine Produktionsmaschine entwickelt (links Bild 1), mit der sich diese Balkonstrukturen an den Innenseiten der Türpanels des neuen Stralis-Modells (Bild 2) automatisiert befestigen lassen. Im gleichen Arbeitsgang werden auch die Ablagetaschen – z.B. für Sonnenbrille, Handscanner oder Ähnliches – auf der anderen Seite der Panels befestigt. Dazu legt ein Mitarbeiter die Panels, die Taschen und die insgesamt drei Teile der Balkonkonstruktion manuell ein; anschließend werden sie 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. Dadurch wird Wärme erzeugt, die Materialgrenzen „aufbricht“ und die Fügepartner dadurch miteinander verschweißt. So entstehen bei geringer thermischer Belastung von Produkt und Umgebung hochfeste Fügeverbindungen.

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Das neue Stralis-Modell von IVECO Quelle: IVECO

Kann auch im Dunkeln Quelle: IVECO

Naht- und Punktschweißen

Das komplette Ultraschall-Schweißsystem setzt sich dabei aus mehreren Komponenten zusammen: Dem Generator, der den Ultraschall erzeugt, einem Konverter, der mit Hilfe von Piezokeramiken den Ultraschall in mechanische Schwingungen umsetzt, die dann – eventuell verstärkt von einem Booster – auf die Sonotrode übertragen wird. Um die „Balkonstrukturen“ für die Fensterführungen mit den Panels zu verbinden, sind insgesamt 56 solcher Sonotroden (28 je Maschinenfach) im Einsatz (Bild 3). Sie stammen von der Telsonic AG (Firmenkasten), mit der die Maschinenbauer schon seit etlichen Jahren erfolgreich zusammenarbeiten. Der Ultraschallspezialist entwickelt und verkauft bereits seit gut fünf Jahrzehnten weltweit serientaugliche Ultraschall-Lösungen, die sich auf die unterschiedlichsten Anwendungsanforderungen abstimmen lassen.

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Um die „Balkonstrukturen“ für die Fensterführungen mit den Panels zu verbinden, sind insgesamt 56 Sonotroden (28 je pro Maschinenfach) im Einsatz. Quelle: CEMAS Elettra/Telsonic

Da bei den Fügeprozessen bei den Türpanels sowohl einzelne Punkte als auch Nähte geschweißt werden, ließen sich in dieser Anwendung auch Doppelsonotroden nutzen. Das bringt Vorteile, wenn bei Nähten die Schweißpunkte relativ eng beieinander liegen. Eine Doppelsonotrode kann mit ihren beiden Flügeln zwei Schweißpunkte bedienen, braucht aber für die Einleitung der mechanischen Schwingung nur einen Konverter und Booster.

 

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 anbietet. 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, genügten deshalb vier Generatoren für die 56 Sontroden. Jedes Türblatt kann so mit einer Zykluszeit von 70 bzw. 90 Sekunden geschweißt werden. Kürzere Zykluszeiten ließen sich mit einer größeren Generatorenanzahl erreichen. In der beschriebenen Anwendung ist das jedoch nicht notwendig. Der Bediener kann auf jeder Maschinenseite unabhängig arbeiten. Dadurch lassen sich Totzeiten vermeiden. Während ein Türpanel geschweißt wird, nutzt er die Zeit, um die Teile für das nächste im anderen Maschinenfach einzulegen.

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Für Schweißnähte eignen sich Doppelsonotroden (Quelle: CEMAS Elettra/Telsonic)

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.

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CEMAS Elettra

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

IVECO

IVECO, ein Unternehmen der CNH Industrial Gruppe, ist ein global agierender Hersteller leichter, mittelschwerer und schwerer Lkw, Linien-, Überland- und Reisebusse, 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 bzw. Erdgas-Antriebs-Technologien über die gesamte Fahrzeug-Palette an.

Telsonic

Die Telsonic Gruppe mit Hauptsitz in Bronschhofen (Schweiz) ist seit 1966 mit technologischen Ultraschall-Lösungen in Europa, Amerika und Asien vertreten. Ständige Innovationen tragen dazu bei, dass sich das Unternehmen in vielen Anwendungen einen Vorsprung erarbeitet hat, der den Anwendern Mehrwert bietet. 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, z.B. bei Leichtbau, Elektromobilität, Batterieherstellung, Verpackungsindustrie, Medizintechnik und 3D-Druck.

Text: Jochen Branscheid, Sales Manager für Italien und Spanien bei der Telsonic AG
Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

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