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Ultraschallschweißen von dünnen Metallfolien. Das Sonotrode wird entlang der Schweißnaht gedreht.

Ultraschallschweißen ist ein Schweißtechnik die in der . entwickelt wurde 60er Jahre des 20. Jahrhundert, bei denen Gegenstände mit Hilfe von hochfrequente Schallschwingungen. Ein Patent im Namen von Robert Soloff und Seymour Linsley für das Ultraschallschweißen von Thermoplasten geht zurück auf 1965. Im 1969 mit diesem schweißverfahren wurde ein kunststoffauto komplett montiert.

Eigenschaften

Bei diesem Schweißverfahren werden komprimierte Kunststoffe oder Metallfolien mit einem leistungsstarken konzentrierten Hochfrequenz-Schallstrahl verschmolzen. Seine Energie reicht nicht aus, um das Material tatsächlich zu schmelzen; die Kombination von aufgebrachtem Druck und eingebrachter Schallenergie reicht aus, um Moleküle oder Atome auf der Oberfläche der Materialien so in Schwingung zu versetzen, dass sie verschmelzen.

Mit diesem Verfahren können sowohl Metalle als auch harte und weiche Kunststoffe geschweißt werden.

Dieses Schweißverfahren gehört zur Hauptgruppe der Pressschweißen.

Prozess

Die zu schweißenden Teile werden zwischen a Amboss und ein Sonotrode. Die Sonotrode ist das Instrument, das eine starke fokussierte Schallwelle mit einer Frequenz zwischen 15 und 70 . auf das Werkstück übertragen kannkHz.

Unter anderem durch die Form des Amboss werden die Schallwellen auf einen kleinen Punkt fokussiert und diese sind stark genug, um das Material lokal fließen zu lassen. Die zu schweißenden Teile werden manchmal für diesen Vorgang vorbereitet, indem sie schmale Stege haben, in denen die Schallenergie konzentriert wird.

Eine Ultraschallschweißmaschine besteht im Wesentlichen aus folgenden Teilen:

• Eine Presse, um beide zu verschweißenden Teile während des Schweißens unter Druck zu halten
• Ein Amboss, auf den die zu schweißenden Teile gelegt werden und der so geformt ist, dass die Schallwellen optimal auf die zu schweißende Stelle gelenkt werden
• Eine Schallquelle, bestehend aus a piezoelektrischWandler, möglicherweise a Verstärker und eine Sonotrode: das Teil, das die Schallschwingungen auf das Werkstück überträgt. Alle diese Teile wurden speziell entwickelt, um mitschwingen bei der Betriebsfrequenz (normalerweise 20, 30, 35 oder 40 kHz)
• Eine Hochfrequenz-Wechselstromquelle mit einer der Schweißfrequenz entsprechenden Frequenz
• Ein System, das die Teile an der richtigen Stelle zusammendrückt oder eventuell während des Schweißprozesses bewegen kann

Anwendungen

Medikamentenverpackung

Gasfeuerzeug

Saftkarton

Die Anwendungen liegen in einer Vielzahl von industriellen Prozessen, angefangen bei der Elektronik, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Verpackungstechnik. Dazu gehören das Schweißen von Elektrokabeln, Folien, Kunststoffgegenständen wie Telefonen, Spielzeug, medizinischen Einweginstrumenten usw. Aluminium, das aufgrund der Oxidschicht auf andere Weise relativ schwer zu schweißen ist, lässt sich hervorragend mit Ultraschallschweißen verarbeiten. Auch Textilarten lassen sich auf diese Weise einfach und sehr schnell verbinden, was insbesondere bei medizinischen Anwendungen der Fall ist.

Metallgegenstände, die mit Ultraschall geschweißt werden, sollten nicht zu dick sein. Biene thermoplastisch Kunststoffe können bis zu etwas größeren Dicken verwendet werden. Da völlig unterschiedliche Materialien miteinander verschweißt werden können, ist es auch möglich, mehrere Lagen unterschiedlicher Materialien auf einmal zu verschweißen, zB ein Sandwich aus Metalllagen und Kunststofflagen. Dies geschieht unter anderem bei der Herstellung von Batterien.

Ultraschallschweißen ist wahrscheinlich immer noch am weitesten verbreitet in der Verpackungsindustrie. Biene Blisterpackung von Medikamenten werden der Kunststoff und die Aluminiumschicht mit diesem Verfahren schnell, kostengünstig, steril und ohne Freisetzung unerwünschter Stoffe miteinander verschweißt. In der Lebensmittelindustrie werden beispielsweise Milchkartons und Saftkartons mit Ultraschall versiegelt, während sich die Lebensmittel bereits im Inneren befinden. Diese Packungen bestehen aus dünnem Karton, der mit einer dünnen Kunststoffschicht überzogen ist, normalerweise Polypropylen oder Polyethylen, die sich hervorragend luftdicht verschweißen lassen.

Eine besondere Anwendung liegt in der Verpackung von explosiven und brennbaren Stoffen, wo eine hermetische Versiegelung erforderlich ist, aber keine Wärme zugeführt werden kann. Ein bekanntes Beispiel ist das GasFeuerzeug: Wird flüssig verschweißt Butan Sitzung.

Vor-und Nachteile

Leistungen

• Sehr gut geeignet für automatisierte Prozesse.
• Gute Alternative zu Kleber, Schrauben oder Klickverbindungen.
• Es ist möglich, sehr unterschiedliche Materialien, beispielsweise Kunststoff und Metall, miteinander zu verbinden.
• Sehr schneller Prozess: in der Regel weniger als eine Sekunde. Werkstücke müssen nach dem Schweißen nicht gespannt bleiben, sondern können sofort weiterbearbeitet werden.
• Sehr sauberer Prozess: Kein Abfall, keine Dämpfe oder Dämpfe. Also keine Belüftung erforderlich.
• Keine Kühlung erforderlich.
• Kaum Heizung und kein offenes Feuer; daher auch für die Verarbeitung von brennbaren oder sogar explosiven Stoffen geeignet.

Nachteile

• Nur für dünne Materialien geeignet, insbesondere bei Verwendung von Metall.
• Für den manuellen Einsatz kaum geeignet, da die erforderlichen Schweißparameter (Zeit, Schallintensität, Anpressdruck) genau bestimmt werden.
• Obwohl der verwendete Schall in der Regel Frequenzen hat, die oberhalb der maximal hörbaren Frequenz liegen, können subharmonische Schwingungen auftreten, die ein störendes Geräusch erzeugen. Beim Schweißen mit tieferen Frequenzen, die noch im menschlichen Hörbereich liegen (von 15 bis 20 kHz) besteht die Gefahr von Hörschaden.