Das Ultraschallschweißen gilt als elegante Methode, um nicht-metallische Materialien wie thermoplastische Kunststoffe zu verbinden. Die Weber Ultrasonics AG setzt auf diese Technologie seit Beginn ihres Bestehens. Mit ihr lassen sich Kunststoffteile ohne Einsatz von Klebern oder Chemikalien zusammenfügen – etwa auch Alltagsgegenstände wie Spielzeug, Haushaltsgeräte und Auto-Funkschlüssel. „Durch die Übertragung von hochfrequenten, mechanischen Schwingungen im Bereich von 20 bis 35 kHz wird der Kunststoff an den Kontaktflächen erwärmt und plastisch verformbar“, erklärt Christian Unser, Vorstand bei Weber Ultrasonics. „Die beiden aneinanderzufügenden Flächen verschmelzen dadurch auf molekularer Ebene, was zu einer absolut stabilen Verbindung führt.“ Die Sonotrode an der Spitze des Schweißkopfes überträgt die entstandenen Schwingungen auf die Werkstücke.
Entscheidend ist das genaue Arbeiten der Sonotrode. Diese ist jedoch nur gegeben, wenn die schnelle Abfolge von Triggerkraft, Schweißkraft und Haltekraft präzise durch die Pneumatikeinheit eingehalten wird. „Während die Triggerkraft dafür sorgt, dass die Werkstücke vorgepresst werden, setzt die Schweißkraft beim eigentlichen Verbindungsprozess der Kunststoffteile ein“, erklärt Unser. „Die Haltekraft sorgt für ein Erkalten der Schmelze unter Druck und erhöht dadurch die Qualität der Schweißverbindung.“
Schläuche verhindern eine präzise Fein-Regulierung
Da herkömmliche Pneumatikeinheiten oftmals keine Fein-Regulierung ermöglichen, kann es bei der Ausübung der Kräfte zu einem ungenauen Verlauf kommen. Das wiederum wirkt sich direkt auf die Schweißkraft aus und hat ungleichmäßige Verbindungen zur Folge. „Der Vorgang des Schweißens soll beispielsweise bei einem Funkschlüssel nur etwa 0,5 Sekunden dauern“, so Unser. „Gleichzeitig wird dieser Prozess cirka 40 mal pro Minute wiederholt.“ Die Pneumatikkomponenten sind jedoch in der Regel mit Schläuchen versehen, sodass sich die Wege für die Druckluft und damit auch die Zykluszeit verlängern.
„Zudem mussten wir bisher die Pneumatikeinheiten unserer Schweißgeräte selbst zusammenbauen“, berichtet Unser. „Diese bestanden aus mehreren Kleinteilen wie Ventilen und Schrauben.“ Das ermöglicht Fehler beim Montieren. Die Schläuche wiederum waren anfällig für Knicke, was beim Schweißen zu Problemen bei der Druckzufuhr oder sogar zu Leckagen führen konnte. Ausfallzeiten und Verzögerungen im Betrieb wurden dadurch unvermeidlich.
Um diesen Problemen zu begegnen, wandte sich Weber Ultrasonics an die Konstandin GmbH, die als Spezialist für Pneumatik und Pneutronik langjährige Erfahrung mit kompakten Bauteilen im Druckluftbereich hat. Als Lösung wurde eine individuelle Pneumatikplatte auf Basis des Modells ZK3133 konzipiert, die auf Schläuche zur Leitung der Druckluft verzichtet und dank eines eingebauten Proportionalventils extrem präzise arbeitet.
„Über dieses lässt sich die Druckluft zur Steuerung der benötigten Kräfte mit maximaler Genauigkeit von 0,012 bar regulieren. Realisiert wird das über eine Piezo-Ansteuerung in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung“, erklärt Mathias Kraft, Leiter Technik bei Konstandin. „Sie stellt sicher, dass die Sonotrode weder zu fest noch zu sanft auf dem Werkstück aufsitzt, je nachdem, in welcher Phase des Schweißprozesses sich die Anlage befindet.“
Gleichzeitig bieten das kompakte Design der Platte und die schlauchlose Konstruktion den Vorteil, dass die benötigte Luft ohne Umwege zugeführt werden kann. Das Umschalten zwischen den einzelnen Kräften erfolgt schneller. Die Zykluszeit verringert sich und es lassen sich mehr Schweißvorgänge in der gleichen Zeit durchführen.
Ohne Schläuche keine Montagefehler und Störungen
Durch den Verzicht auf eine Verschlauchung entfallen auch die Risiken von Leckagen und abgeknickten Leitungen. Die komplette Druckluftverteilung findet direkt durch Kanäle innerhalb der Pneumatikplatte statt. „Ein weiterer Vorteil ist die einfache Bauweise und Fertigung aus einer Hand ohne Beteiligung von fremden Herstellern“, so Kraft. Die Montage bei Weber gestaltet sich dadurch besonders leicht: „Da die Platte keine Schläuche benötigt und nur ein einziges elektrisches Kabel aufweist, das angeschlossen werden muss, können hier praktisch keine Fehler unterlaufen“, bestätigt Unser. „Das gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb.“
Auch die Wiederholgenauigkeit ist mit der Pneumatikplatte sichergestellt. Dank eines zusätzlichen Fein-Druckreglers kommt es bei der Einstellung von Trigger-, Schweiß- und Haltekraft auch nach zahlreichen Arbeitsgängen nicht zu Ungenauigkeiten in Bezug auf die Parameter. Die pneumatische Regulierung des Schweißprozesses verläuft präzise, schnell und 100-prozentig wiederholgenau, sodass ein exaktes Umschalten von einer spezifischen Kraft auf die nächste im Millisekundenbereich möglich ist. Die gleichbleibenden Ergebnisse sichern wiederum die Effizienz der ganzen Anlage, da es zu fast keinem Ausschuss an fehlerhaft geschweißten Produkten kommt.
„Wir haben bereits vor diesem Projekt mehrere Kooperationen mit Konstandin erfolgreich durchgeführt und dabei immer sehr gute Erfahrungen gemacht“, fasst Unser zusammen. „Neben den überzeugenden Produkten wie der Pneumatikplatte beeindruckten uns die kurzen Entscheidungswege, konstruktive Lösungsvorschläge sowie eine detaillierte Dokumentation der Prozesse. Weitere gemeinsame Projekte sind bereits in Planung.“
Kontakte:
Konstandin GmbH
Industriestraße 13–15
76307 Karlsbad-Ittersbach
www.konstandin-gmbh.de
Weber Ultrasonics AG
Im Hinteracker 7
76307 Karlsbad
www.weber-ultrasonics.com
