Beim Ultraschallnieten plastifiziert eine Sonotrode durch gezieltes Umwandeln von Schallenergie in Wärme ein Kunststoffniet. Ein angepasster Nietkopf führt im Vergleich zu konventionellen Varianten zu höheren Festigkeiten.

Angepasster Nietkopf für höhere Festigkeiten beim Ultraschall-Nieten

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Höhere Festigkeit durch bessere  Geometrie

Seit 1. Januar verstärkt ein neuer Vorstand den Hersteller von Lösungen und Komponenten für den industriellen Einsatz von Ultraschall. Bereits zwei Monate vorher besetzte die Weber Ultrasonics AG die Position des technischen Leiters neu.

Personen

kunststoffe.de

Ultraschallprüfgeräte

Werkstoffprüfung

Kunststoffverarbeitung

Ultrasonicmaschinen

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Neuer Vorstand und technischer Leiter bei Weber Ultrasonics

Mit dem „Bayerischen Energiepreis“ zeichnet der Freistaat Bayern alle zwei Jahre herausragende Leistungen rund um das Thema Energie aus. Die Kurtz GmbH durfte in einer feierlichen Übergabe die Hauptpreisauszeichnung aus acht Preisträgerkategorien entgegennehmen.

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Schaumstoffe

Kunststoff Werkstoffe

Schaumstoffe und Vorprodukte

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Energieeffizienz

Kurtz Ersa erhält den Bayerischen Energiepreis 2020

Eine Atmosphärenplasmabehandlung kann eine Aufrauhung, Aufschmelzung oder Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen – und damit eine bessere Klebbarkeit – bewirken. Ein Team der TH Lübeck hat untersucht, welche Faktoren entscheidend sind und welche Prüfmethoden im Praxistest überzeugten.

Der Grenzflächenbereich Kunststoff/Klebstoff ist entscheidend für die Klebverbindung

Polyethylen besser kleben

Mit kontrolliertem Schmelzaufbau lassen sich komplizierte Fügeanwendungen aus teilkristallinen und amorphen Thermoplasten realisieren. Die hohen Anforderungen an Qualität, Schnelligkeit und Wiederholgenauigkeit werden über eine variable Programmierung der Schweißkräfte und die Kontrolle der Fügegeschwindigkeit erfüllt. 

Medizintechnik

Ultraschallschweißen: Ungleiches verschmelzen 

Zu Beginn der industriellen Nutzung wurde Ultraschall für Reinigungsanlagen in der Metall- und Schmuckindustrie verwendet. In den sechziger Jahren entwickelte sich daraus eine neue Technologie zum Fügen thermoplastischer Kunststoffe. Einer der Pioniere ist Walter Herrmann. 

Rückblick: Schwarze Magie reproduzierbar gemacht 

Das Kunststoff-Zentrum in Leipzig feierte Ende Mai das 50-jährige Bestehen mit einer Leistungsschau. Gezeigt wurden dabei unter anderem verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für Ultraschall. 

Spritzgießwerkzeuge

Spritzgießen

Jubiläum: Starke Schwingungen in den besten Jahren 

Auf der diesjährigen Fachmesse K waren erneut eine Vielzahl von Anbietern aus dem Bereich der Fügetechnik vertreten. Neben technischen Innovationen im Bereich der Prozess- und Anlagentechnik waren zentrale Themen die Energieeffizienz von Schweißmaschinen und die Realisierung "sauberer" Schweißnähte. Beide Themen wurden auf verschiedene Weisen von den vertretenen Unternehmen aufgegriffen. 

Laserschweißen

Schweißen: Nachhaltig und sauber verschmelzen 

Detaillierte Untersuchungen zur Schweißbarkeit von hochgefüllten holzfaserverstärkten Kunststoffen (WPC) nach unterschiedlichen Verfahren haben gezeigt, dass sowohl die Faserorientierung in der Fügeebene als auch die eigentliche Rezeptur einen entscheidenden Einfluss auf die Schweißnahtfestigkeit haben. Die erreichten Schweißfaktoren von bis zu 0,8 gestatten die Schlussfolgerung, dass sich durch diese Fügemöglichkeit zahlreiche neue Produkte sowie Anwendungsgebiete erschließen lassen. 

Schweißen: WPC stoffschlüssig fügen 

Anlässlich des Firmenjubiläums veranstaltete das Maschinenbauunternehmen Herrmann Ultraschalltechnik erstmals die Ultraschall-Technologietage. Neben den vielen Workshops, Demonstrationen und persönlichen Gesprächen wurde auch der 50. Geburtstag des Unternehmens in würdigem Rahmen gefeiert. 

Kunststoff-Verpackungsmaschine

Ultraschallschweißen: 50 Jahre Fügekompetenz 

Die Verbindungstechnik für Polymerwerkstoffe muss weiter steigende Anforderungen hinsichtlich Produktivität und Kostenreduzierung erfüllen. Die Branche stellt sich mit einem breiteren Angebot an Maschinen und Komponenten darauf ein. 

Schraubtechnik

Fügen: Schneller und leichter 

Eine neue Generation digitaler Ultraschall-Schweißgeneratoren zeichnet sich durch ein großes Leistungsvermögen und eine hohe Flexibilität aus. Die Generatoren sind besonders für Ultraschall-Fertigungssysteme in der Automobil-, Verpackungs- und Textilbranche geeignet. 

Fügen: Ultraschall in Variationen 

Der Anteil von Kunststoffbauteilen mit integrierten Membranen wächst stetig. Die Membranen werden als sogenannte Druckausgleichselemente (DAE) eingesetzt. Eine neu entwickelte Maschine kann in einem Zyklus DAE-Membranen stanzen und siegeln. Das verringert die Zykluszeit auf unter zwei Sekunden. 

Kürzere Zykluszeit beim Verschweißen von Druckausgleichselementen 

Stanzen und siegeln in einem Zyklus 

Der Hersteller von Stoßfänßgern, die Faurecia Nanterre/Frankreich, setzt das torsionale Ultraschallschweißverfahren Soniqtwist Telsonic AG, Bronschhofen/Schweiz, ein. Damit werden Sensorhalter aus Polypropylen (PP), teilweise mit Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM) versetzt, für die Abstandskontrolle und den Einparkassistenten in fertig lackierte Stoßfänger eingeschweißt. So werden auch die aus- und einfahrenden Schweinwerfer-Reinigungseinheiten im Karosseriebereich unterhalb der Xenon Scheinwerfer angebracht. Das Schweißverfahren erzielt feste Schweißungen, die die Festigkeitsanforderungen von 250 bis 300 N erfüllen. Dabei dringt die Sonotrode nicht in das Untermaterial des Stoßfängers ein. Der Fügevorgang ergibt sich ausschließlich durch Grenzflächenreibung zwischen dem Halter und dem Stoßfänger. Auf der äußeren Sichtseite des Stoßfängers treten laut Hersteller keine optischen Beeinträchtigungen auf, es sind keine Abzeichnungen sichtbar. 

Sensorhalter in lackierte Stoßfänger verschweißt 

Elektromechanik für Automobile

KFZ-Schalter für die Autobedienung

Polypropylen

Messgeräte für Automobiltechnik

Torsionales Ultraschallschweißverfahren Soniqtwist 

Ein neu entwickelter Deckelmechanismus aus Kunststoff ermöglicht es, geöffnete Getränkedosen wieder zu verschließen. Um die Kunststoffteile zu fügen, kommt die Ultraschalltechnik zum Einsatz. 

Wiederverschließbarer Deckelmechanismus für Getränkedosen 

Hohe Taktzahlen durch Ultraschallnieten 

Der Weg zu neuen, passenden Fügetechnologien

Großserientaugliche Verfahren für lackierte dünnwandige Stoßfänger mit Class-A-Oberfläche

Integration möglichst vieler Funktionen, immer geringere Wanddicken der Bauteile – die Anforderungen an Stoßfängerverkleidungen sind im Laufe der Zeit kontinuierlich gestiegen. Dies hat nicht zuletzt Auswirkungen auf die Fügetechnik in der Endmontage. Um mit den Anforderungen der OEMs Schritt zu halten, entwickeln Fügetechnikspezialisten und Automobilzulieferer auch Verfahren wie das Ultraschallschweißen weiter. Neueste Stufe: eine schrittweise Variante.

Integration möglichst vieler Funktionen, immer geringere Wanddicken der Bauteile – die Anforderungen an Stoßfängerverkleidungen sind im Laufe der Zeit kontinuierlich gestiegen. Dies hat nicht zuletzt Auswirkungen auf die Fügetechnik in der Endmontage.

Stoßfängerverkleidungen enthalten eine Vielzahl an zusätzlichen Bauteilen, die zur Aussteifung bestimmter Bereiche oder ausstattungsbedingt zur Aufnahme von Radar-, Parkdistanzsensoren und Antennen dienen. Diese Bauteile werden direkt mit der Class-A-Oberfläche des Fahrzeugs verbunden.

Zu den etablierten Fügeverfahren gehört zum einen das Verkleben der Sensorhalter mit der Stoßfängerverkleidung durch doppelseitiges Klebeband und zum anderen das Ultraschall-Nadelpaket-Schweißen. Die Ultraschaltechnik wurde zusammen mit den Stoßfängerverkleidungen permanent weiterentwickelt und bietet aktuell unterschiedliche Verfahren zur Auswahl.

Nicht jedes Ultraschallschweißverfahren ist aber für Stoßfänger mit Wanddicken von weniger als 2,8 mm geeignet. Außerdem muss das Ultraschallschweißverfahren so weit optimiert werden, dass die Spezifikationen an Abzugsfestigkeit und Abzeichnungsfreiheit des Schweißverfahrens sowie die Vermeidung von zusätzlichen Prozessschritten in der Fertigung erfüllt werden.

45°-Schweißen oder torsionales Schweißen?

Beim 45°-Verschweißen werden die Sonotroden in der genannten Winkelausrichtung angeordnet und bedingen somit sowohl eine Verschweißungsrichtung von 90° zur Oberfläche als auch eine Reibwirkung, die in 45° verläuft (Bild 1). Um beim 45°-Verschweißen ein optimiertes Schweißbild von Halter und Stoßfänger zu erreichen, kommen sogenannte „Sichel-Sonotroden“ zum Einsatz. Diese ermöglichen eine verkürzte Hebelwirkung zwischen Halter und Verschweißungsstelle und somit auch eine höhere Abzugskraft. Durch die Sichel-Sonotroden kann die Verschweißung näher am Sensorhalter erfolgen. Der Reibungseinfluss durch 45°-Neigung verringert die Eindringtiefe der Sonotrode und die Abzeichnungsrisiken.

Beim torsionalen Ultraschall-Verschweißen kommen Rund-Sonotroden zum Einsatz, die eine umlaufende Verschweißung ermöglichen (Bild 2). Hier entsteht im Mikrometerbereich eine Reibungsbewegung mit einem geringen Wärmeeintrag. Durch die umlaufende Verschweißung werden die Abzugswerte extrem gesteigert. Dabei entstehen kleine Einfallstellen, die sich im Zuge der Class-A-Qualitätsanforderungen allerdings noch optimieren lassen. Nach der Optimierung befinden sich die Abzugskräfte zwischen dem verschweißten Sensorhalter und den Stoßfängerabschnitten zwischen 220 und 400 N bei einer Wanddicke von 2,5 bis 2,8 mm des Stoßfängers.

Entwicklungen in Richtung Dünnwand-Verschweißung

Um die Anforderungen der Automobil-OEM zu erfüllen, hat Magna Exteriors, die auf Fahrzeugexterieur spezialisierte Unternehmensgruppe des weltweit agierenden kanadisch-österreichischen Automobilzulieferers Magna International, das torsionale Ultraschallschweißen (Bild 3) und das 45°-Ultraschall-Sonotroden-Schweißen mit den jeweiligen Entwicklungspartnern zur Serienreife entwickelt.

Für beide Verfahren kommen spezielle Sonotroden zum Einsatz, die nicht nur ein Verschweißen auf geringeren Wanddicken in Class-A-Qualität ermöglichen, sondern auch – verglichen mit dem konventionellen Ultraschall-Sonotroden-Schweißen – höhere Abzugswerte und bessere Schweißergebnisse.

Die Auswahl, welches Schweißverfahren bei Magna Exteriors letztendlich zum Einsatz kommt, hängt von unterschiedlichen Kriterien ab, wie etwa der Bauteilwanddicke, den Kundenanforderungen bezüglich der Abzugswerte, der Schweißgeometrie und dem Bauraum. So werden beispielsweise am Stoßfänger die PDC- und PLA-Halter durch torsionale Verschweißung gefügt (Bild 4).

Magna Exteriors arbeitet in diesem Bereich stetig an neuen Technologien, um die gestiegenen Kundenanforderungen bedienen und die geringeren Wanddicken weiterhin wirtschaftlich verarbeiten zu können. So hat das Unternehmen ein neues Schweißverfahren entwickelt, das sich als sehr effektiv und kostengünstig erwiesen hat, sodass es nach kurzer Zeit nicht nur für Stoßfänger und Sensorhalter, sondern auch für andere dünnwandige Teile von Fahrzeugen – zum Beispiel an thermoplastischen Kotflügeln – genutzt werden konnte.

Vorteile des „Step-by-Step“-Verschweißens

Das neue patentierte Schweißverfahren (Bild 5), dem Magna Exteriors den Namen Step-by-Step-Verschweißen gegeben hat, basiert auf zwei Grundprinzipien:

<ul><li>Das Teil wird schrittweise geschweißt und</li><li>die einzelnen Schweißnähte werden mit einer zehn- bis hundertfach höheren Zeitintensität als beim Standard-Ultraschallschweißen ausgeführt.</li></ul>

Das Ergebnis ist eine hochwertige und zähe Verbindung ohne Abzeichnung auf der sichtbaren und lackierten Oberfläche des Kunststoffteils.

Das „Step-by-Step“-Schweißen hat den Vorteil, dass die finale Schweißnaht nicht über die gesamte Länge gleichzeitig entsteht, weil sonst sowohl die thermischen als auch die mechanischen Beanspruchungen beider Schweißteile stark ansteigen. Durch schrittweises Schweißen werden die Teile weniger thermisch und mechanisch belastet, denn der jeweils folgende Schweißschritt wird zu einer bereits stresslosen und entspannten Verbindungsbaugruppe hinzugefügt.

Das Verfahren ist zudem toleranter gegenüber Formabweichungen von geschweißten Teilen. Es werden keine Abweichungen von der idealen Form eines Teils zu einem anderen korrigiert und somit keine mechanischen Verformungen und Abzeichnungen erzeugt. Beim „Step-by-Step“-Schweißen wird die richtige 3D-Form des zu verschweißenden Teils mit dem Sichtteil an der richtigen Stelle fixiert.

Die Schrittmethode nutzt die Vorteile der 50-kHz-Ultraschalltechnik, weil sie die Wärme wesentlich schneller in die Schweißnaht bringt als dies mit den üblicherweise verwendeten Frequenzen wie 35 bzw. 40 kHz gelingt. Durch die erhöhte Frequenz lässt sich jede einzelne Schweißnaht sehr schnell erzeugen – dies hat nicht nur eine minimale Wärmeübertragung auf den sichtbaren Teil des Werkstücks zur Folge, sondern ermöglicht auch eine Zykluszeit, die mit dem aktuellen Stand der Technik vergleichbar ist.

Magna Exteriors hat mit dieser Auswahl an Schweißverfahren die Möglichkeit, auf die Leichtbauanforderungen der OEMs für dünnwandige Stoßfänger zu reagieren und immer das am besten geeignete Verfahren auszuwählen. Als einer der größten Stoßfängerlieferanten weltweit ist man somit in der Lage, auf die regional ggf. unterschiedlichen Anwendungen der Kunden dezidiert einzugehen.

Ausgabenartikel

Bild 5. Prinzip des Step-by-Step-Schweißverfahrens. Durch das schrittweise Schweißen werden die Teile weniger thermisch  und mechanisch belastet

Welche Auswirkungen hat Design auf die Fügetechnik? Dieser Frage muss sich der Automobilhersteller bzw. -zulieferer stellen

Bild 1. Prinzip des 45°-Verschweißens. Dabei kommen sogenannte „Sichel-Sonotroden“ zum Einsatz

Bild 2. Prinzip des torsionalen Verschweißens. Hier werden Rund- Sonotroden verwendet

Bild 3. Die Anforderungen zur Verschweißung dünnwandiger Teile nehmen in der Praxis beständig zu

Bild 4. Beispiel der torsionalen dünnwandigen Verschweißung am Stoßfänger für die PDC- und PLA-Halter

Name - Hauptartikel

Dipl.-Wirt.-Ing. Ondrej Vohlídal ist Lead Engineer Advanced Development der Magna Exteriors (Bohemia) s.r.o., Liberec/Tschechien; <a href="mailto:ondrej.vohlidal@magna.com">ondrej.vohlidal@magna.com</a>

Ing. Radim Žďárský ist Project Manager Advanced Development, ebenfalls bei Magna Exteriors (Bohemia);  <a href="mailto:radim.zdarsky@magna.com">radim.zdarsky@magna.com</a>

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