Ultraschallschweißen ist eine industrielle Technik, bei der hochfrequente akustische Ultraschallvibrationen lokal auf Werkstücke angewendet werden, die unter Druck zusammengehalten werden, um eine Festkörperschweißung zu erzeugen. Sie wird üblicherweise für Kunststoffe und Metalle und insbesondere zum Verbinden unterschiedlicher Materialien verwendet. Ultraschallschweißen Es sind keine Verbindungsbolzen, Nägel, Lötmaterialien oder Klebstoffe erforderlich, um die Materialien miteinander zu verbinden. Bei der Anwendung auf Metallen ist eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Methode, dass die Temperatur weit unter dem Schmelzpunkt der beteiligten Materialien bleibt, wodurch unerwünschte Verbindungen vermieden werden Eigenschaften, die sich aus der hohen Temperatureinwirkung der Werkstoffe ergeben können.
Die praktische Anwendung des Ultraschallschweißens für starre Kunststoffe wurde in den 1960er Jahren abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt konnten nur Hartkunststoffe geschweißt werden. Das Patent für das Ultraschallverfahren zum Schweißen starrer Thermoplastteile wurde 1965 an Robert Soloff und Seymour Linsley vergeben. Soloff, der Gründer von Sonics & Materials Inc., war Laborleiter bei Branson Instruments, wo dünne Kunststofffolien zu Beuteln und Röhrchen verschweißt wurden unter Verwendung von Ultraschallsonden. Er bewegte die Sonde unbeabsichtigt in die Nähe eines Plastikbandspenders und die Hälften des Spenders schweißten zusammen. Er erkannte, dass die Sonde nicht manuell um das Teil bewegt werden musste, sondern dass die Ultraschallenergie durch und um starre Kunststoffe wandern und eine ganze Verbindung schweißen konnte. Er entwickelte die erste Ultraschallpresse. Die erste Anwendung dieser neuen Technologie erfolgte in der Spielwarenindustrie.
Das erste komplett aus Kunststoff gefertigte Auto wurde 1969 per Ultraschallschweißen zusammengebaut. Obwohl sich Plastikautos nicht durchgesetzt haben, hat sich das Ultraschallschweißen durchgesetzt . Die Automobilindustrie setzt es seit den 1980er Jahren regelmäßig ein. Es wird mittlerweile für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Zum Verbinden komplexer spritzgegossener thermoplastischer Teile können Ultraschallschweißgeräte einfach an die genauen Spezifikationen der zu schweißenden Teile angepasst werden. Die Teile sind zwischen einem fest geformten Nest ( Amboss ) und einer Sonotrode (Horn) eingeklemmt, die mit einem Wandler verbunden ist, und es wird eine ~ 20 kHz -Schallschwingung mit niedriger Amplitude abgegeben. (Hinweis: Übliche Frequenzen beim Ultraschallschweißen von Thermoplasten sind 15 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 35 kHz, 40 kHz und 70 kHz). Beim Schweißen von Kunststoffen ist die Schnittstelle der beiden Teile speziell darauf ausgelegt, den Schmelzprozess zu konzentrieren. Eines der Materialien hat normalerweise einen mit Stacheln versehenen oder abgerundeten Energiedirektor, der das zweite Kunststoffteil berührt. Die Ultraschallenergie schmilzt den Punktkontakt zwischen den Teilen und schafft eine Verbindung. Dieser Prozess ist eine gute automatisierte Alternative zu Kleb- , Schraub- oder Schnappmustern . Es wird in der Regel für kleine Teile (z. B. Mobiltelefone, Unterhaltungselektronik, medizinische Einwegwerkzeuge, Spielzeug usw.) verwendet, kann jedoch auch für Teile verwendet werden, die so groß sind wie ein kleines Kombiinstrument für Kraftfahrzeuge. Ultraschall kann auch zum Schweißen von Metallen verwendet werden, ist jedoch typischerweise auf kleine Schweißnähte aus dünnen, verformbaren Metallen, z. B. Aluminium, Kupfer, Nickel, beschränkt. Ultraschall wird aufgrund der erforderlichen Leistung beim Schweißen des Fahrgestells eines Automobils oder beim Zusammenschweißen von Fahrradteilen nicht verwendet.
Das Ultraschallschweißen von Thermoplasten bewirkt ein lokales Schmelzen des Kunststoffs aufgrund der Absorption von Schwingungsenergie entlang der zu schweißenden Verbindung. Bei Metallen tritt das Schweißen aufgrund der Hochdruckdispersion von Oberflächenoxiden und der lokalen Bewegung der Materialien auf. Obwohl erwärmt wird, reicht es nicht aus, die Grundmaterialien zu schmelzen.
Das Ultraschallschweißen kann sowohl für harte als auch für weiche Kunststoffe wie teilkristalline Kunststoffe und Metalle eingesetzt werden. Das Verständnis des Ultraschallschweißens hat durch Forschung und Prüfung zugenommen. Die Erfindung anspruchsvollerer und kostengünstigerer Geräte und die gestiegene Nachfrage nach Kunststoff- und elektronischen Bauteilen haben zu einem wachsenden Wissen über den grundlegenden Prozess geführt. Viele Aspekte des Ultraschallschweißens erfordern jedoch noch weitere Untersuchungen, z. B. die Zuordnung der Schweißqualität zu den Prozessparametern. Das Ultraschallschweißen ist weiterhin ein sich schnell entwickelndes Gebiet.
Wissenschaftlern des Instituts für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (WKK) der Universität Kaiserslautern ist es gelungen , mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft zu beweisen, dass mit Ultraschallschweißverfahren eine dauerhafte Verbindung zwischen Leichtmetallen und Kohlenstoff hergestellt werden kann -Faserverstärkte Polymer (CFK) -Folien .
Das Ultraschallschweißen hat den Vorteil, dass es viel schneller ist als herkömmliche Klebstoffe oder Lösungsmittel. Die Trocknungszeit ist sehr kurz, und die Teile müssen nicht lange in einer Vorrichtung verbleiben, bis die Verbindung getrocknet oder ausgehärtet ist. Das Schweißen kann leicht automatisiert werden, wodurch saubere und präzise Verbindungen hergestellt werden. Die Schweißstelle ist sehr sauber und erfordert selten Nacharbeiten. Die geringe thermische Belastung der Werkstoffe ermöglicht das Zusammenschweißen einer größeren Anzahl von Werkstoffen.
