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.

Bild 1. Schliffbild einer Nietverbindung aus PA 66-GF30 mit der geringen Anbindung des Materials im Nietkopf am Nietpin

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Angepasster Nietkopf für höhere Festigkeiten beim Ultraschall-Nieten

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Höhere Festigkeit durch bessere  Geometrie

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.

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

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

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Der Weg zu neuen, passenden Fügetechnologien

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

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Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Neuer Vorstand und technischer Leiter bei Weber Ultrasonics

Zur Abdichtung von Biopolymerverpackungen hat sich das Ultraschallschweißen bewährt. Moderne vertikale Form-, Füll- und Schließmaschinen (VFFS) sind heute dazu in der Lage, durch den Verpackungsinhalt hindurch zu versiegeln.

Branson-Ultraschallkomponenten für VFFS-Systeme von Emerson können direkt durch den Verpackungsinhalt hindurch versiegeln, wodurch Verunreinigungen eliminiert, Materialverschwendung und Fehlschweißungen bei einer Vielzahl von Produktverpackungen reduziert werden

Ultraschallgeschweißte Dichtungen für nachhaltige Verpackungen

Alles schön dicht

Herrmann Ultraschall hat die Struktur seiner Dienstleistungen unter dem Oberbegriff „Herrmann Engineering“ optimiert, zu dem jeder einzelne Schritt vom Erstkontakt mit dem Kunden bis zur Auslieferung und Inbetriebnahme der fertigen Anlage zählt.

Das neue Engineering Konzept soll dazu beitragen, die Bedürfnisse der Kunden optimal zu erfüllen

Neues Engineering-Konzept von Herrmann Ultraschall

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 

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 

Die Fügetechnik für Kunststoffe eröffnet immer wieder neue Möglichkeiten, um anspruchsvolle Montageaufgaben souverän zu lösen. Dazu zählen hochwertige Verbindungen zwischen Teilen aus transparenten Kunststoffen und hochproduktives Schweißen mit Robotern. 

Das Fügen zu kompletten Bauteilen als Herausforderung 

Kreativ verbinden 

Auch in diesem Jahr wurde den Messebesuchern auf der K 2016 ein breites Spektrum an Lösungen aus der Fügetechnik geboten. Unabhängig vom Verfahren geht der Trend in Richtung Flexibilität. Im Fokus standen weiterhin Digitalisierung und Automatisierungen der Fügeprozesse. 

Trends beim Fügen mit Ultraschall, Laser, Infrarot, Hochfrequenz und im Leichtbau 

Gut geschweißt 

Emerson wird auf der Fakuma 2018 eine neue Generation von Branson-Ultraschall-Schweißgeräten vorstellen, die für den wachsenden Bedarf in der Montage von kleineren und komplizierteren Kunststoffteilen etwa in der Medizintechnik entwickelt wurde. Die neue modulare, flexible Schweißplattform sorgt nach Angaben des Herstellers für mehr Präzision, Kontrolle und Effizienz beim Schweißen und gewährleistet so eine hohe Schweißqualität und bessere Prozesseffizienz. 

Ultraschall und Laser für miniaturisierte und komplexe Teile 

Empfindliche Kunststoffbauteile schweißen 

Gleich drei Neuheiten stellt Alpha Laser auf der Fakuma vor.

Mobiler Schweißlaser AL-Cross mit 450 W oder 600 W Faserquelle

Mobile und geschlossene Schweißlaser

Berührungssensitive Beleuchtungsmodule, die handtellergroß und etwa so dünn wie eine Streichholzschachtel sind, können dank digitaler Steuerung veränderliche Lichtmosaike erzeugen.

Berührungssensitive Lichtmodule: Beim Wischen über die Mosaikfläche leuchten die Bausteine an den berührten Stellen in der gewünschten Farbe © volatiles lighting

Leuchtende Mosaike mit laserverschweißten Elektronikmodulen

Elektronik-Fertigung

Elektronik

Laserschweißanlagen

Schweißanlagen

Lasertechnik

Farben per Fingertipp

Die Evosys Laser GmbH hat sich eine neue Variante des Laserschweißens patentieren lassen, bei der zwei Laserstrahlquellen und -wellenlängen kombiniert werden. Dieser Ansatz ist nicht nur auf das Konturschweißen beschränkt, sondern zielt besonders darauf ab, beim Quasi-Simultanschweißen die Schweißzeiten signifikant zu reduzieren und das Prozessfenster zu erweitern.

Blick in das Innere  einer Laserschweißanlage von Evosys

Steigerung der Prozesseffizienz durch Advanced Quasi-Simultanschweißen

Laserschweißen neu gedacht

LPKF hat ein Verfahren entwickelt, das die Laser-Direkt-Strukturierung (LDS-Verfahren) und das Laser-Kunststoffschweißverfahren kombiniert

Lasergeschweißtes LDS-Muster mit integrierter LED-Beleuchtung

Neue Möglichkeiten für die Elektronikindustrie

Die neue Ultrasafe-Maschine von Herrmann Ultraschall bietet Lärmschutz ermöglicht das bedienerfreundliche Bestücken der Anlage.

Das überarbeitete Design der Ultrasafe-Maschine soll mehr Arbeitsfläche und Flexibilität bieten.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

Neues Maschinendesign

Ultraschall- und Laserschweißen im Medizinbereich

Kunststoffe sind aus dem Medizinbereich nicht mehr wegzudenken – werden aber aufgrund toxischer Eigenschaften in einigen Bereichen auch kritisch gesehen. Vor allem die Verfahren im Bereich der Montage- und Verbindungstechniken stehen im Fokus. Mit einer Werkstoffumstellung von PVC auf PE oder PP und der Verwendung von Ultraschall- oder Laserschweißtechnologien können die Hersteller gleich mehrfach punkten.

Polyvinylchlorid (PVC) kommt in 40 % aller Medizinprodukte auf Kunststoffbasis vor (Angabe der PVCMed Alliance Brüssel). Bei der Herstellung kann jedoch Dioxin entstehen, ein bekanntes Karzinogen für den Menschen; zudem kann bei Verarbeitung und Montage giftiges Chlor freigesetzt werden. Darüber hinaus wird zum Weichmachen von PVC üblicherweise der Phthalat-Weichmacher DEHP verwendet – eine erwiesenermaßen endokrin wirkende Verbindung. Mehrere Gesundheits- und Berufsverbände fordern nun dazu auf, den Einsatz des Materials zu reduzieren und schrittweise abzuschaffen.

Das Verbinden von PVC-Komponenten  wird zur Herausforderung

Das Zusammenfügen von PVC-Beuteln und anderen Komponenten erfolgt heute überwiegend durch konduktives (Wärme-)Schweißen, Hochfrequenzschweißen (auch als dielektrisches Schweißen bekannt) sowie durch Lösungsmittelschweißen (Quellschweißen) und Klebstoffe. Jedoch stellen Hersteller bei Betrachtung alternativer Materialien fest, dass der Einsatz dieser traditionellen Verbindungstechniken nicht effektiv ist, insbesondere bei Polyolefinen wie Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE). Dagegen bieten andere Technologien großes Potenzial für Kostensenkungen, mehr Nachhaltigkeit und Sicherheit in Bezug auf die Toxizität des Produkts und des Produktionsprozesses.

PP und PE sind unpolare Polymere und daher unempfindlich gegenüber den elektromagnetischen Wellen, die beim HF-Schweißen Wärme erzeugen. Durch ihre ausgezeichnete chemische Beständigkeit lassen sich PP und PE auch nicht ohne weiteres mithilfe von Lösungsmitteln fügen; aufgrund ihrer geringen Oberflächenenergie sind Klebstoffe ebenfalls wenig effektiv.

Effektives Ultraschallschweißen für Thermoplaste

 Die effektivste Technologie zum Zusammenfügen von Polyolefinen und Mehrschichtfolien mit anderen Materialien, etwa zur Herstellung von Infusionsbeuteln, ist das Ultraschallschweißen. Beim Ultraschallschweißen wird durch Hochfrequenzvibrationen Reibungswärme zwischen den Schichten erzeugt. Diese erweicht den Kunststoff und sorgt für eine hochwertige Dichtung, wenn die Folien unter Druck zusammengehalten werden. Es handelt sich dabei um ein extrem schnelles Fügeverfahren, das auf fast alle Thermoplaste, einschließlich PVC, angewendet werden kann. Die Kosten für die Ausrüstung sind zwar höher als bei anderen Technologien, aber es gibt zahlreiche Vorteile, die eine vergleichsweise schnelle Amortisation gewährleisten:

<ul><li>Energieeinsparungen: Im Gegensatz zum konduktiven Schweißen müssen die Werkzeuge nicht vorgeheizt werden und bleiben kühl, wenn sie nicht in Gebrauch sind.</li><li>Keine Verbrauchsmaterialien: kein Bedarf an Klebstoffen und Lösungsmitteln</li><li>Prozesseffizienz: Kurze Schweißzeiten ermöglichen mehr Zyklen pro Minute.</li><li>Ungiftig: Beim Schweißen entstehen keine Ausgasungen, sodass keine Gefahr für das Bedienpersonal besteht und keine teuren Entlüftungsanlagen erforderlich sind.</li><li>Umweltfreundlich: All diese Faktoren sorgen für einen geringeren CO2 -Fußabdruck als bei konkurrierenden Verbindungsmethoden, inkl. Lösungsmittel oder Kleben.</li></ul>

Auf der Suche nach einem Ersatz-Werkstoff für Polycarbonat

Polycarbonat (PC) ist sehr fest, klar und formstabil und eignet sich ideal für viele Anwendungen im Gesundheitswesen, einschließlich der für Nierendialysesysteme essenziellen schlauchförmigen Filtergehäuse. Allerdings ist bekannt, dass es Bisphenol-A (BPA) enthält, eine weitere endokrin wirksame Chemikalie. Geringe Mengen von BPA, die in den menschlichen Körper gelangen, können durch normale Nierenfunktion leicht ausgeschieden werden. Das ist einer der Gründe, warum PC bisher nicht vollständig verboten wurde. Jüngsten Studien zufolge steigt der BPA-Serumspiegel jedoch mit abnehmender Nierenfunktion an und ist bei Personen mit chronischer Nierenerkrankung, die Hämodialyse benötigen, am höchsten. Daher suchen die Hersteller von Dialysatoren nach Alternativen wie Polypropylen (PP).

Leider gelten viele der Einschränkungen von PP als Ersatz für PVC auch für PC-Anwendungen. Dialysatorengehäuse aus Polycarbonat wurden in der Vergangenheit mit mechanischen Befestigungen und Klebstoffen zusammengefügt; beides ist angesichts der geringeren Streckgrenze und der niedrigeren Oberflächenenergie von PP nicht sinnvoll.

Viele Hersteller setzen auch hier auf das Ultraschall- und Laserschweißen. Dabei werden die Bauteile vor dem Schweißen vormontiert und es sind keine Vibrationen oder Bewegungen erforderlich, um saubere, partikelfreie Schweißnähte zu erzeugen. Mehrere Laserstrahlen bringen die Energie über die gesamte Länge der Schweißfläche auf. Eine Oberfläche überträgt die Laserenergie ungehindert und ohne selbst betroffen zu sein auf die zweite, laserabsorbierende Oberfläche. Dort wird die Laserenergie in Wärme umgewandelt, die über die Grenzfläche geleitet wird und die Schweißnaht erzeugt.

Die Vorteile dieses Prozesses umfassen mehrere Faktoren:

<ul><li>Schweißqualität: Lokales Erhitzen/Schmelzen sorgt für sehr gute Oberflächenqualität.</li><li>Minimaler Grat und keine Partikel: keine Reibungsbewegung und genaue Leistungsabgabe</li><li>Flexibles Bauteildesign: Das Verfahren ermöglicht multidimensionale Nahtkonturen.</li><li>Schonend: Keine Vibrationen und minimale Erwärmung schützen empfindliche Komponenten.</li><li>Schnell und flexibel: ideal für Anwendungen mit großen Stückzahlen.</li></ul>

Mit der Umstellung ihrer Produktionsverfahren geraten Hersteller zunehmend unter Druck, was ihre Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit auf dem Medizintechnikmarkt angeht. Setzen sie statt herkömmlicher Materialien wie PVC und Polycarbonat auf günstigeres und sichereres PP und PE, können sie in dreierlei Hinsicht vom Umstieg auf Ultraschall- oder Laserschweißen profitieren: Sie vereinfachen nicht nur ihre Produkte, sondern können auch Kosten senken und ihre Leistung verbessern.

Branson Emerson Automation Solutions 

https://www.emerson.com

Ausgabenartikel KU04-22

Ultraschall- und Laserschweißgeräte verbinden unter anderem Infusionsbeutel ungiftig und energieeffizient. Bei Emerson werden sie unter dem Produktnamen Branson angeboten.

Name - Hauptartikel

Didier Perret ist Medical Business Development Manager für Branson Schweißen und Montage bei Emerson.

<a href="http://www.emerson.com" target="_blank">www.emerson.com</a>

Medizintechnik (KU)

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