Prinzip beim Ultraschall-Kunststoffschweißen
Ultraschallschweißen ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei Teilen, die aus den gleichen oder chemisch kompatiblen Materialien bestehen, unter Verwendung hochfrequenter Ultraschallschwingungen, die eine Festkörperschweißung zwischen ihnen erzeugen . Der Vorteil der Verwendung dieser Technik bei Kunststoffen besteht darin, dass innerhalb von Sekunden eine hochfeste, gas- und wasserdichte Verbindung ohne Schrauben, Klebstoff, Gewinde, Lötmittel oder andere Arten von Verbindungsmaterial hergestellt wird. Geschweißte Teile müssen zum Aushärten nicht in einer Vorrichtung belassen werden, so dass sie sofort verwendet werden können in einer Automatisierungslinie. Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen ist ein umweltfreundliches Verfahren, das sehr wenig Energie verbraucht und gleichzeitig eine kostengünstige, dauerhafte und saubere Schweißung erzeugt. Das Verfahren wird in der Elektro-, Computer-, Automobil-, Luftfahrt-, Medizin- und Verpackungsindustrie eingesetzt, um nur einige zu nennen .
Eine Ultraschallschweißmaschine besteht aus einer Wandlerbaugruppe, die als Stapel bezeichnet wird . Diese besteht aus drei Komponenten: einer Sonotrode, einem Booster und einem Schweißhorn. Die Sonotrode ist die Vibrationsquelle. Darin befinden sich piezoelektrische Keramikscheiben, die um Metallplatten geschichtet sind, die fest an einen Titanzylinder geklemmt sind. Der hochfrequente Strom wird dann über ein Kabel vom Systemleistungsmodul zu ihm geleitet. Da dies nicht genügend Vibrationen erzeugt, um eine Schmelztemperatur für die meisten thermoplastischen Harze zu erhalten, wird ein Booster verwendet, um die Eingangsschwingungen auf das für den Schweißprozess erforderliche Verhältnis zu verstärken. Das Schweißhorn überträgt die Energie der Schwingungen auf die thermoplastischen Werkstücke. Das Schweißhorn ist auf die Konturen der jeweiligen Werkstücke abgestimmt. Es dämpft die Vibration auf einen bestimmten Wert und bringt die Kräfte auf, die erforderlich sind, damit der Prozess funktioniert
Dieses Schweißverfahren hängt davon ab, dass die verwendeten Kunststoffe erweichen, aber nicht schmelzen. Daher eignet es sich besonders für Thermoplaste und nicht für duroplastische Polymere. Die meisten Thermoplaste haben eine amorphe Struktur mit einem gewissen Grad an Kristallinität, was bedeutet, dass einige Bereiche eine geordnete Struktur haben. Thermoplaste erweichen über einen weiten Temperaturbereich und haben eine Glasübergangstemperatur. Duroplastische Polymere sind kristallin und haben einen ausgeprägten Schmelzpunkt. Ein kristallines Polymer bleibt bis zu seinem Schmelzpunkt fest und schmilzt dann auf einmal. Amorphe Thermoplaste haben im Vergleich zu den meisten kristallinen Polymeren auch ein niedrigeres spezifisches Gewicht, eine geringere Zugfestigkeit und einen höheren Zugmodul, eine höhere Dehnbarkeit und Schlagfestigkeit sowie eine niedrigere Kriechfestigkeit. Beispielsweise sind ABS, Acryl, Polycarbonat und PVC amorphe Polymere mit geringer oder keiner kristallinen Struktur. Diese Kunststoffe eignen sich gut zum Ultraschallschweißen. Das Ultraschallschweißen von zwei Teilen, die aus dem gleichen Kunststoffmaterial hergestellt werden, erzielen in der Regel die besten Ergebnisse. In einigen Fällen können jedoch zwei verschiedene Thermoplaste mit Ultraschall verschweißt werden, beispielsweise wenn die Materialien chemisch kompatibel sind und ähnliche Schmelzpunkte haben. Eine der besten Kunststoffkombinationen für diese Art des Schweißens ist ABS und Acryl.
Polymere wie PE, PP, PE und PIA sind kristallin und neigen dazu, Schwingungen zu absorbieren, bevor die Energie des Ultraschallschweißgerätes zur Schweißstelle gelangen kann. Es ist daher schwierig, diese Verbindungen mit dieser Schweißart zusammenzufügen. Eine der am häufigsten nachgefragten Kombinationen ist Polyethylen und Polypropylen, diese sind jedoch beide kristallin und nicht chemisch kompatibel
Mit Ultraschallschweißen werden Butanfeuerzeuge, Spielzeug, Pipetten und intravenöse Katheter hergestellt. Die oberen Teile von Sportschuhen werden häufig unter Verwendung von Ultraschallschweißen anstelle von Nähen oder Kleben hergestellt. Der Herstellungsprozess für Haushaltsgeräte erfordert, dass viele Kunststoffteile miteinander verbunden werden. Beispiele für diesen Prozess sind der Anzeigebildschirm auf der Vorderseite einer Waschmaschine und die beiden Hälften eines Pumpenrads. In der Automobilindustrie gibt es Hunderte von Anwendungen für das Ultraschallschweißen, einschließlich des Zusammenschweißens von Teilen von Rücklichtern, Kombiinstrument und Stoßfängern. Es gibt Berichte, wonach Apple diese Technik zur Herstellung von Ohrhörern nutzen möchte, nachdem er das Verfahren bei einigen seiner anderen Produkte erfolgreich eingesetzt hat. Dadurch erhalten die Ohrhörer ein stromlinienförmigeres Aussehen .
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