Ultraschallschweißen

Festkörper: Schnelle Schwingung verbindet kleine Fügestellen in unter einer Sekunde

Das Ultraschallschweißen verbindet Teile, indem es sie zusammenpresst und sehr schnell schüttelt, etwa 20.000- bis 40.000-mal pro Sekunde. Die Reibung erhitzt die Fügestelle, bis sie sich verbindet, in deutlich unter einer Sekunde, ohne Klebstoff, Schrauben oder Zusatzwerkstoff. Die meisten geschweißten Kunststoffgehäuse, von Autoleuchten bis zu Zahnbürstengriffen, und viele Batterie- und Drahtverbindungen entstehen so.

Foto: Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Ultraschallschweißen · Schweißstack und eine Detailansicht der FügestelleDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die Detailansicht rechts zeigt, was an der Fügestelle bei Kunststoffteilen geschieht.

So funktioniert es

Die Teile laden. Die beiden Teile liegen in einer Aufnahme auf dem Amboss (einer festen Auflage, die so geformt ist, dass sie sie hält). Kunststoffteile werden dort, wo sie sich berühren, mit einer kleinen Rippe, dem Energierichtungsgeber, gespritzt.
Pressen. Das Horn (auch Sonotrode genannt, die geformte Metallspitze der Maschine) fährt herunter und presst die Teile zusammen.
Vibrieren. Ein Generator sendet hochfrequenten Strom an den Konverter, dessen piezoelektrische Kristalle (Materialien, die sich mit der Spannung verformen) ihn in Schwingung umwandeln. Booster und Horn verstärken sie zu einer Bewegung von einigen Hundertstel Millimetern.
Die Fügestelle aufschmelzen. Die Reibung konzentriert die Wärme an der kleinen Kontaktstelle, sodass der Energierichtungsgeber zuerst schmilzt und über die Fügestelle fließt. Der Rest des Teils bleibt kühl.
Halten und abkühlen. Die Schwingung stoppt, aber die Kraft bleibt noch einen Moment bestehen, während die Schmelze erstarrt. Die beiden Teile sind nun eins.

Metalle funktionieren anders. Bei Metalldrähten, -folien und Batteriefahnen reibt das Horn seitlich, statt auf und ab zu hämmern. Das Reiben bricht Oberflächenoxide auf und presst sauberes Metall zusammen, sodass die Verbindung ohne Aufschmelzen entsteht.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Thermoplaste wie ABS, Polycarbonat, Polypropylen und Nylon; dünne, weiche Metalle wie Kupfer- und Aluminiumfolien und -drähte
Typische Teile: Autoleuchtengehäuse, Medizinprodukte, Filter, Spielzeug, Blisterverpackungen, Batteriefahnen, Verbindungen in Kabelbäumen
Bauteilgröße: Fügeflächen von wenigen Millimetern bis etwa 20–30 cm mit einem Horn; Metallbleche meist unter etwa 1 mm
Präzision: Sehr gut wiederholbar; Höhe des geschweißten Teils typischerweise innerhalb von etwa ±0,05–0,1 mm, wenn die Maschine den Weg regelt
Oberfläche: Saubere, oft unsichtbare Fügestelle; manchmal ein kleiner Wulst aus herausgepresstem Kunststoff (Grat) oder bei Metallen ein strukturierter Abdruck vom Horn
Geeignete Losgröße: Große Serien; jede Teileform braucht ein eigenes Horn und eine eigene Aufnahme
Werkzeug- und Maschinenkosten: Einige Zehntausend Dollar für ein Schweißgerät; einige Tausend für jedes individuelle Horn samt Aufnahme
Geschwindigkeit: Schweißzeit typischerweise 0,1–1 s; ein ganzer Zyklus einige Sekunden, also Tausende Teile pro Tag und Maschine

Stärken und Grenzen

Stärken

Sehr schnell, sauber und leicht zu automatisieren
Kein Klebstoff, keine Schrauben, Lösemittel oder Zusatzwerkstoffe, die man kaufen müsste
Geringer Energieverbrauch, Wärme nur an der Fügestelle
Verbindet ungleiche Metalle wie Kupfer mit Aluminium

Grenzen

Nur für kleine Fügestellen und recht dünne Teile
Jedes Teiledesign braucht ein eigenes Horn und eine eigene Aufnahme
Funktioniert nur mit Thermoplasten und weichen, dünnen Metallen
Die Schwingung kann empfindliche Elektronik im Inneren des Teils beschädigen

Wo es eingesetzt wird

AutomobilbauRücklicht- und Scheinwerfergehäuse, Verbindungen in Kabelbäumen
BatterienZellfahnen und Stromschienen in Batterien von Elektroautos und Handys
MedizinFilter, Infusionsteile, versiegelte Gerätegehäuse
VerpackungBlisterverpackungen, Deckel von Kaffeekapseln, Tubenverschluss
KonsumgüterSpielzeug, Zahnbürsten, Handyteile, Vliesmasken und -tücher

So erkennen Sie es

Zwei gespritzte Kunststoffhälften, ohne Schrauben, Clips oder Klebstoff verbunden, mit einer dünnen Naht, die sich nicht öffnen lässt.
Manchmal eine feine Linie aus herausgepresstem Kunststoff entlang der Naht.
An Drahtverbindungen oder Batteriefahnen aus Metall eine kleine abgeflachte Stelle mit einem strukturierten, gerändelten Muster, das das Horn hinterlassen hat.

Im Vergleich mit

Widerstandspunktschweißen7.2verbindet ebenfalls überlappende Teile an kleinen Stellen, aber mit Strom und Aufschmelzen, für dickere Stahlbleche.Hart- und Weichlöten7.3verbindet Drähte und Fahnen mit Zusatzwerkstoff; das Ultraschallschweißen braucht keinen und bringt keine Wärme in den Rest des Teils.Rührreibschweißen7.6eine weitere reibungsbasierte Methode, aber mit einem rotierenden Werkzeug für dicke Aluminiumplatten.

Ansehen

DuskLight · Die Teile der Maschine, animiert

The Weld Nugget · Wie Schwingung an der Fügestelle zu Wärme wird

Branson Ultrasonics · Ein Schweißgerät an einer automatisierten Linie

HerrmannUltrasonics · Viele echte Produkte, die so hergestellt werden

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Ultraschallschweißen — die Teile des Schweißstacks und Anwendungen, mit Links zu Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Schwingung mit 20.000 oder mehr Zyklen pro Sekunde wird direkt an der Fügestelle zu Wärme.
Kunststofffügestellen schmelzen an einer kleinen Rippe; Metallfügestellen verbinden sich ohne Aufschmelzen durch seitliches Reiben.
Es ist schnell und sauber, aber auf kleine Fügestellen und dünne Teile beschränkt.