Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

10 – Verbindungstechniken – Kategorie II
Schweißen, Kleben
Rotationsschweißen
Einleitung
Für alle rotationssymmetrischen Teile aus thermoplastischen
Kunststoffen, die miteinander fest und dicht verbunden
werden müssen, stellt die Rotationsschweißung das ideale
Verfahren dar. Hat der Konstrukteur die Wahl zwischen
einer Ultraschall- und einer Rotationsschweißung, so wird
er sich ohne Zögern für die letztere Methode entschließen,
wenn folgende eindeutige Vorteile berücksichtigt werden:
– Die Investitionskosten sind für einen gleichen Ausstoß
geringer. Es ist ohne besondere Schwierigkeiten möglich,
eine Anlage ganz oder teilweise in der eigenen Werkstatt
und unter weitgehender Verwendung von handelsüblichen
Maschinenelementen herzustellen.
– Das Verfahren beruht auf einfachen physikalischen Vorgängen,
die jedermann versteht und beherrscht. Wenn
das Werkzeug gut konstruiert und die Schweißbedingungen
einmal richtig festgelegt sind, kann das Schweißergebnis
durch Verändern einer einzigen Größe, nämlich der
Geschwindigkeit, genau angepaßt werden.
– Die Kosten für elektrische Kontrollausrüstung sind
bescheiden, sogar für vollautomatisches Schweißen.
– Konstruktiv besteht eine viel größere Freiheit in der Gestaltung
der Teile. Ein Abbrechen vorstehender Nocken, Bolzen
oder Rippen ist nicht zu befürchten. Ebenso werden
umspritzte Metallteile nicht lose und vormontierte mechanische
Elemente nicht beschädigt. Eine gewisse Symmetrie
oder eine gleichmäßige Verteilung der Materialmasse ist
im Gegensatz zur Ultraschallschweißung ebenfalls nicht
erforderlich.
Wenn die Position der beiden Teile zueinander eine Bedingung
ist, muß auf Ultraschall- oder Vibrationsschweißen zurückgegriffen
werden.
Es gibt allerdings in der Praxis immer wieder Teile, die
diese Bedingung erfüllen müssen, nur weil die Konstruktion
ungeschickt ausgelegt wurde. Der Konstrukteur sollte die
Teile nach Möglichkeit so ausbilden, daß die Schweißnaht
an eine Stelle gelegt werden kann, wo eine Positionierung
der beiden zu verschweißenden Teile nicht notwendig ist.
Grundprinzip
Beim Rotationsschweißen wird, wie der Name besagt, mittels
einer Drehbewegung und unter gleichzeitigem Andrücken die
notwendige Schmelzwärme erzeugt. Deshalb ist das Verfahren
naturgemäß nur für kreisrunde Teile anwendbar. Dabei ist es
natürlich unwichtig, welche der beiden Hälften festgehalten
wird und welche dreht. Bei Teilen ungleicher Längen ist es
vorteilhaft, das kürzere Teil drehen zu lassen, um die bewegten
Massen möglichst kurz zu halten.
Für die Auswahl der nachfolgend eingehend beschriebenen
Methoden und Einrichtungen sind im wesentlichen die geometrische
Form des Teiles, die geplante Stückzahl und
die Investitionsmöglichkeit ausschlaggebend. Auf Grund des
verhältnismäßig geringen notwendigen Aufwandes an mechanischen
Elementen werden die Einrichtungen gelegentlich im
Selbstbau hergestellt. Dabei kann man jedoch häufig prinzipielle
Fehler im Ablauf des Schweißvorgangs feststellen,
die in diesem Aufsatz noch eingehend geschildert werden.
Praktisch anwendbare Methoden
Die der Praxis zur Verfügung stehenden Methoden können
nach folgenden Gesichtspunkten grob in zwei Gruppen
unterteilt werden:
Drehzapfenschweißen
Die Aufnahmevorrichtung für das rotierende Teil wird mit
der Antriebsspindel während der Schweißzeit unter gleichzeitigem
Andrücken der Teile eingekuppelt. Nach Ablauf
der Schweißzeit wird ausgekuppelt, und der Druck noch
eine dem Kunststoff entsprechende Zeit aufrecht erhalten.
Schwungmasse-Schweißen
Die zum Schweißen erforderliche Energie wird zuerst in
einer auf die entsprechende Drehzahl beschleunigten Masse
aufgespeichert, die gleichzeitig die Aufnahmevorrichtung
mit dem einen Kunststoffteil trägt. Sodann werden die Teile
unter hohem Druck zusammengefahren, wobei die kinetische
Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt und die
Schwungmasse zum Stillstand gebracht wird. Dieses Verfahren
hat sich in der Praxis am besten durchgesetzt und
soll dementsprechend eingehend behandelt werden.
Drehzapfenschweißen
Drehzapfenschweißen mit der Drehmaschine
Die wohl einfachste, aber auch umständlichste Schweißung
dieser Gruppe läßt sich auf jeder Drehmaschine geeigneter
Größe ausführen. Die prinzipielle Anordnung ist in Abb. 10.01
dargestellt.
Das eine der zu schweißenden Teile a wird in einer Vorrichtung
b eingespannt. Dies kann ein normales Spannfutter,
ein Schnellspannfutter, eine pneumatische Vorrichtung oder
irgend eine andere geeignete Einrichtung sein.
Wesentlich ist nur, daß das Teil sicher gehalten, zentriert und
mitgedreht wird.
Die federnde Spitze c im Reitstock muß den erforderlichen
Anpressdruck aufbringen können und soll einen Federweg
von 5-10 mm aufweisen. Im weiteren wird der Querschnitt d
vorteilhaft mit einer Hebelbetätigung ausgerüstet.
Um das Kunststoffteil a mittels des Anschlages e am Drehen
hindern zu können, muß dieses mit einer vorstehenden Partie
(Rippe, Nocken) versehen sein.
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Der Ablauf des Schweißvorganges spielt sich sodann folgendermaßen
ab:
– Nach Aufspannen des Teils a wird das Gegenstück a1 aufgesetzt
und mit der federnden Spitze angedrückt.
– Der Querschlitten d fährt nach vorne, wobei der Anschlag e
unter eine vorstehende Partie dieses Teils a1 zu liegen
kommt.
– Die Spindel wird eingekuppelt oder der Motor eingeschaltet.
– Nach Ablauf der Schweißzeit fährt der Querschlitten d
zurück und gibt das Teil a1 frei, das nun sofort mitdreht.
– Die Maschine wird abgestellt (oder die Spindel ausgekuppelt).
– In Abhängigkeit der Erstarrungs-Eigenschaften des Kunststoffes
muß der Druck der Spitze noch kurze Zeit aufrechterhalten
bleiben, bevor die Teile herausgenommen werden
können.
Häufig wird dieser Ablauf in dem Sinne vereinfacht, daß am
Ende der Schweißzeit der Anschlag e nicht weggefahren,
sondern einfach ausgekuppelt oder der Motor abgeschaltet
wird. Da jedoch die bewegten Massen der Maschine meist
verhältnismäßig groß sind, geht die Drehzahl zu langsam
zurück, wodurch das im Erstarren befindliche Material
der Schweißnaht Scherbeanspruchungen ausgesetzt ist. Die
Naht weist dann oft geringe Festigkeit auf oder ist überhaupt
unbrauchbar.
Allgemein kann man sagen, daß die Relativgeschwindigkeit
der beiden Teile umso schneller auf Null zurückgehen muß,
je enger der Temperaturbereich ist, in dem der Kunststoff
vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Mit anderen
Worten: Entweder muß das stehende Teil schnell beschleunigt
oder das rotierende schnell abgebremst werden.
Das Rotationsschweißen auf Drehmaschinen hat für die
Serienfertigung wenig Bedeutung, wird aber gelegentlich für
Nullserien und Handmuster angewendet. Das Aufschweißen
von Endmuffen und Gewindenippeln auf lange Rohre läßt
sich dagegen auf diese Weise recht gut ausführen. Dabei muß
der Reitstock durch eine aufklappbare Vorrichtung ersetzt
werden, die das Rohr klemmt und gleichzeitig ein federndes
Andrücken erlaubt. Die Drehmaschine muß jedoch für diese
Arbeitsweise mit einer Kupplung und einer Schnellbremse
ausgerüstet sein, da ein Loslassen und Mitdrehen des Rohres
nicht in Frage kommt.
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b a a1 c
Abb. 10.01 Drehzapfenschweißen mit einer Drehmaschine
e
d
Drehzapfenschweißen auf Bohrmaschinen
Mit besonders dafür gebauten Drehzapfenwerkzeugen
können Teile bis etwa 60 mm Durchmesser auf Tischbohrmaschinen
recht gut verschweißt werden. Die Methode ist
vorzüglich geeignet für Nullserien, Handmuster oder Reparaturen.
Dagegen würde eine Vollautomatisierung des Vorganges
einen gewissen Aufwand erfordern, der das Verfahren
dafür uninteressant macht. Die Erzielung regelmäßiger
Schweißnähte erfordert einige Übung, da bei Handbetätigung
die Schweißzeit und der Druck nur einigermaßen genau eingehalten
werden können.
Das in Abb. 10.02 gezeigte Werkzeug ist mit einer auswechselbaren
Zahnkrone a versehen, deren Durchmesser dem
Kunststoffteil entsprechen muß. Ein Satz von 3-4 Zahnkronen
genügt, um Teile mit einem Durchmesser von etwa
12-60 mm schweißen zu können.
Abb. 10.02 Drehzapfenschweißen für Bohrmaschinen
Der Federdruck der Spitze kann mittels der Rändelmutter b
der Nahtoberfläche entsprechend eingestellt werden. Es ist
sehr wichtig, den richtigen Spitzendruck durch Versuche zu
ermitteln, da er für die Dichtigkeit und Festigkeit der Naht
ausschlaggebend ist.
Zum Schweißen wird die Bohrspindel langsam nach unten
gefahren, bis die Zahnkrone nur noch wenige Millimeter
über dem Teil steht (Abb. 10.03a). Sodann muß schlagartig
eingekuppelt werden, damit das zu schweißende Teil unverzüglich
mitgedreht wird, und die Zähne keine unsauberen
Eindrücke hinterlassen. In dieser in Abb. 10.03b gezeigten
Arbeitsstellung soll unter möglichst konstantem Druck so
lange verharrt werden, bis ringsherum eine gleichmäßige
Schweißbraue ausgetreten ist. Dann muß die Zahnkrone
ebenso schnell wieder aus dem Eingriff gebracht werden
(Abb. 10.03c), jedoch nur soweit, daß die Spitze noch auf
das Teil drückt und zwar so lange, bis der Kunststoff genügend
erstarrt ist.
b
a

a
b
c
Abb. 10.03 Vorgang des Drehzapfenschweißens
Die Spitze dient also ausschließlich dazu, den Nachdruck zu
erzeugen. Die Kunststoffteile sollen jedoch mit Zentrierungen
versehen sein, um eine bessere Werkzeugführung und einen
guten Rundlauf zu erreichen.
Um eine korrekte Schweißung zu erzielen, braucht man eine
gewisse, vom Kunststoff abhängige Wärmemenge. Diese ist
ein Produkt aus Druck, Geschwindigkeit und Zeit. Andererseits
muß das Produkt aus Druck × Geschwindigkeit einen
bestimmten Minimalwert aufweisen, da sonst an der Nahtoberfläche
nur Abrieb und kein genügender Temperaturanstieg
auftritt. Da auch der Reibwert einen Einfluß hat, lassen sich
diese Größen nicht für alle Kunststoffe allgemein angeben,
sondern müssen individuell bestimmt werden.
Als erste Annahme für die Umfangsgeschwindigkeit bei
DELRIN ® Acetalhomopolymer und ZYTEL ® PA66 kann man
rund 3-5 m/s. wählen. Dann wird man den Druck so einstellen,
daß eine Schweißzeit von 2-3 Sekunden das gewünschte
Resultat ergibt.
Voraussetzung für gute Ergebnisse sind natürlich korrekte
Nahtprofile. (Vorschläge und Dimensionen siehe Abschnitt 8).
Drehzapfenschweißen mit besonders dazu gebauten Maschinen
Das oben beschriebene Verfahren läßt sich nicht ohne einen
gewissen Aufwand automatisieren, weshalb es für die Großproduktion
kaum mehr angewendet wird.
Leicht abgeändert und mit besonders dazu konstruierten
Maschinen (Abb. 10.04) kann man indessen einen einfacheren
Funktionsablauf erreichen.
b
a
c
d
e
f
Abb. 10.04 Prinzip einer Drehzapfenschweißmaschine
Die Maschine ist mit einer vorzugsweise elektromagnetisch
betätigten Kupplung a versehen, die ein schnelles Ein- und
Auskuppeln der Arbeitsspindel b gestattet. Letztere ist in
einem Rohr c gelagert, das seinerseits den pneumatischen
Kolben d trägt.
Das Antriebsteil e kann eine Zahnkrone oder wie weiter
unten beschrieben, irgend eine andere dem Kunststoffteil
angepaßte Mitnehmervorrichtung sein.
Der Schweißvorgang geht folgendermaßen vor sich:
– Einlegen beider Teile in die untere Aufnahme f.
– Herunterfahren des druckluftbetätigten Kolbens mit der
Arbeitsspindel.
– Einschalten der Kupplung, wodurch das Drehen des oberen
Kunststoffteils erfolgt.
– Nach der durch ein Zeitrelais gesteuerten Schweißzeit
schaltet die Kupplung aus, wogegen der Druck noch eine
vom Kunststoff abhängige Zeit aufrechterhalten wird.
– Hochfahren der Spindel und Auswerfen der geschweißten
Teile (oder Weiterschalten des Rundtisches).
93

Die Mitnahmevorrichtung kann für Teile, die sich dazu eignen,
eine Zahnkrone (Abb. 10.16) sein. Es können indessen
auch vorstehende Partien wie Rippen, Zäpfchen oder dergleichen
zum Antreiben benützt werden, da die Spindel ja
erst nach dem Eingreifen der Mitnahme eingekuppelt wird.
Abb. 10.05 zeigt ein Teil, bei dem Mitnahme über 4 Rippen
durch entsprechend angeordnete Klauen erfolgt. Bei dünnwandigen
Teilen muß allerdings ein Rand a vorgesehen werden,
der ringsherum einen gleichmäßigen Druck auf die Naht
gewährleistet. Die Klauen dienen also nicht zum Aufdrücken,
sondern nur zum Mitdrehen.
Gelegentlich gibt es Teile, die sich nicht auf die beschriebene
Art antreiben lassen. So müßte zum Beispiel die Abschlußkappe
mit dem seitlichen Rohranschluß nach Abb. 10.06 von
Hand vor dem Herunterfahren der Spindel in die obere Aufnahmevorrichtung
gelegt werden, wodurch natürlich ein
automatischer Betrieb unmöglich wird.
94
a
Abb. 10.05 Antrieb durch vier Rippen
Abb. 10.06 Antrieb mittels vorstehender Partien
Abb. 10.07 Schweißmaschine mit unten angeordnetem Zylinder
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Spindel, wie
Abb. 10.07 zeigt, fest einzubauen und die untere Aufnahmevorrichtung
auf dem Druckluftzylinder anzuordnen. Der
mechanische Aufwand wird dadurch geringer, jedoch läßt
sich damit kein Drehtisch und somit kaum eine automatische
Produktion kombinieren.
Diese Verfahren haben im Gegensatz zur Schwungmassemethode
den Nachteil, daß bei größeren Durchmessern und
Nahtflächen erhebliche Motorleistungen notwendig sind.
Schweißen mittels
Schwungmasse-Werkzeugen
Die weitaus einfachste Rotationsschweißmethode, die dementsprechend
auch die größte Verbreitung gefunden hat, ist
mittels Schwungmasse. Sie benötigt den geringsten Aufwand
an mechanischen und elektrischen Elementen und erzeugt
gleichmäßige und gute Verbindungen.
Das Grundprinzip besteht darin, eine rotierende Masse auf
die geeignete Drehzahl zu bringen und sodann auszukuppeln.
Durch Herunterfahren der Spindel werden die Kunststoffteile
zusammengepreßt und die gesamte in der Schwungmasse enthaltene
kinetische Energie durch Reibung auf der Nahtoberfläche
in Wärme umgesetzt.
Die einfachste praktische Anwendung dieser Methode erfolgt
mit besonders dazu konstruierten Werkzeugen, die auf normalen
Bohrmaschinen zum Einsatz kommen können.
Abb. 10.08 zeigt eine typische Vorrichtung dieser Art. Die
Schwungmasse a ist auf der Antriebswelle b frei gelagert.

Die Mitnahme erfolgt also nur durch die Reibung der Kugellager
und die Fettfüllung.
Sobald die Schwungmasse die Drehzahl der Spindel erreicht
hat, fährt letztere nach unten, wobei die Zahnkrone c in das
obere Kunststoffteil d eingreift und es mitdreht.
Durch den hohen Flächendruck auf den Nahtoberflächen
wird die Schwungmasse schnell abgebremst und der Kunststoff
erreicht den Schmelzpunkt. Auch hier muß der Druck
dem Material entsprechend noch kurze Zeit aufrechterhalten
werden.
Abb. 10.08 Schwungmasse-Werkzeug für Bohrmaschinen
Da das Werkzeug nach Abb. 10.08 keine mechanische Kupplung
besitzt, dauert es eine gewisse, vom Trägheitsmoment
und der Spindeldrehzahl abhängige Zeit, bis die Schwungmasse
zur nächsten Schweißung bereit ist. Bei größeren Werkzeugen
oder Automaten würde der Zyklus deshalb zu lang.
Vor allem bei Handbetrieb besteht auch die Gefahr, daß die
nächste Schweißung vorgenommen wird, bevor die Schwungmasse
die Enddrehzahl völlig erreicht hat, so daß die Nahtfestigkeit
schlecht wird. Die in Abb. 10.08 gezeigten Werkzeuge
werden deshalb nur etwa bis zu einer Größe von ∅ 60-80 mm
eingesetzt.
Da das Schweißen mittels Schwungmasse bei entsprechend
hohen Drehzahlen auch für kleine Druckmesser geeignet ist,
werden gelegentlich auch Kleinstwerkzeuge mit Durchmessern
von 30-45 mm zum direkten Einspannen in Bohrfutter gebaut.
Abb. 10.09 zeigt eine derartige Einrichtung zum Verschweißen
von Verschlußzapfen. Da man dazu Drehzahlen von 8 bis
10 000 U/min benötigt, ist unter Umständen ein Drehzapfenwerkzeug
entsprechend Abb. 10.02 vorzuziehen.
b
c
d
a
Abb. 10.09 Kleines schnellaufendes Schwungmasse-Werkzeug
Abb. 10.10 Schwungmasse-Werkzeug mit Konuskupplung
b
d
c
a
95

Werkzeuge mit Durchmessern von über 60-80 mm, die eine
schnelle Schweißfolge gestatten müssen, werden vorteilhaft
mit einer mechanischen Kupplung, etwa nach Abb. 10.10,
versehen. Bei dieser Konstruktion ist die Schwungmasse a in
bezug auf die Welle b axial verschiebbar. Im Leerlauf drücken
die Federn c die Schwungmasse nach unten, wodurch letztere
über die Konuskupplung d mit der Welle kraftschlüssig wird.
Die Beschleunigung der Masse auf Betriebsdrehzahl erfolgt
somit praktisch augenblicklich.
Sobald die Zahnkrone beim Herunterfahren der Spindel auf
das Kunststoffteil auftritt, verschiebt sich die Schwungmasse
in bezug auf die Welle nach oben, wodurch ausgekuppelt
wird (Abb. 10.10).
Da jedoch der Spindeldruck erst dann vollständig übertragen
wird, wenn die Kupplung den Endanschlag erreicht, tritt in
der Mitnahme eine gewisse Verzögerung auf. Die Folge
davon ist eine Tendenz zur Spanbildung an der Zahnkrone,
vor allem wenn die Vorschubgeschwindigkeit der Spindel
ungenügend ist.
Selbstverständlich kann an Stelle der gehärteten und geschliffenen
Konuskupplung eine Flachkupplung mit Belag verwendet
werden (Abb. 10.13).
Für das Arbeiten mit Schwungmassewerkzeugen auf Bohrmaschinen
sind folgende Regeln zu beachten:
– Das Herunterfahren der Spindel muß schlagartig erfolgen.
Handelsübliche pneumatisch-hydraulische Vorschubeinheiten,
wie sie an Bohrmaschinen angebaut werden, sind
wegen der zu kleinen Geschwindigkeit ungeeignet.
– Der Druck muß so groß sein, daß das Werkzeug nach
1-2 Umdrehungen zum Stillstand kommt. Dies ist vor allem
bei kristallinen Kunststoffen, die ja einen eng begrenzten
Schmelzpunkt aufweisen, wichtig (siehe allgemeine
Schweißbedingungen).
– Schwungmasse-Werkzeuge müssen absolut rund und vibrationsfrei
drehen. Wenn sie mit einem Morsekonus versehen
sind, ist es unerläßlich, denselben gegen Herausfallen zu
sichern. Vorzugsweise sollen Morsekegel nicht mit Innengewinde
und Sicherungsbolzen (Hohlspindel) verwendet
werden. Schwungmasse-Werkzeuge, die sich lösen oder
Wellenbruch erleiden, können zu tödlichen Geschossen
werden.
Abb. 10.11 Umgebaute Tischbohrmaschine
96
– Die Spindelbewegung muß in der unteren Endstellung
mittels eines mechanischen Anschlages so begrenzt werden,
daß die beiden Aufnahmevorrichtungen keinesfalls
in Berührung kommen können, wenn keine Kunststoffteile
eingelegt sind.
Obwohl auch durch die Handbetätigung der Bohrmaschinen
durchaus gleichmäßige Nähte erreicht werden können, ist
schon für eine kleine Produktion ein Umbau auf pneumatischen
Vorschub unbedingt zu empfehlen. Dies geschieht am
einfachsten, indem man nach Abb. 10.11 die Kreuzarme
durch ein Ritzel, das über eine Zahnstange betätigt wird,
ersetzt. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Maschine mit einer
stufenlosen Drehzahlregulierung der Spindel zu versehen,
damit ein gutes Resultat ohne Veränderung der Schwungmasse
erreicht werden kann.
Schwungmasse-Schweißmaschinen
Schwungmasse-Schweißmaschinen können auf Grund des
einfachen Prinzips schon mit recht bescheidenen Mitteln
gebaut werden. Es sollen deshalb nachstehend vor allem
Einrichtungen beschrieben werden, die nur die zur einwandfreien
Funktion absolut notwendigen Elemente enthalten.
Eine Maschine, die zur Verbindung eines bestimmten, immer
gleichen Teils besonders eingesetzt wird, braucht im allgemeinen
keine regulierbare Drehzahl. Falls eine Anpassung
derselben unerläßlich ist, kann dies durch Verändern der
Riemenscheiben erfolgen.
Die in Abb. 10.12 gezeigte Maschine (Konstruktion DuPont,
Genf), ist mit Ausnahme des Schweißkopfes aus handelsüblichen
Einheiten zusammengebaut. Sie besteht im wesentlichen
aus dem Druckluftzylinder a mit durchgehender Kolbenstange
auf dem aufgesetzten Steuerventil b.
d
Abb. 10.12 Tisch-Rotationsschweißmaschine (Bauart DuPont)
e
f
a
c
b

a
b
c
d
Abb. 10.13 Drehmasse mit Reibkupplung (Bauart DuPont)
Das untere Ende der Kolbenstange trägt den Schweißkopf c
(siehe Abb. 10.13), der vom Motor d über den Flachriemen e
angetrieben wird. Des weitern ist noch eine Drucklufteinheit
f mit Reduzierventil, Filter und Schmiergerät angebaut.
Der Schweißkopf nach Abb. 10.13 besteht aus der kontinuierlich
drehenden Riemenscheibe a, die den Kupplungsbelag b
trägt. In der gezeichneten Stellung ist die Kolbenstange hochgefahren
und die Drehbewegung wird über die Kupplung auf
die Schwungmasse c übertragen.
Beim Herunterfahren der Spindel kommt die Kupplung aus
dem Eingriff, und die Zahnkrone kuppelt in den Deckel des
als Beispiel gezeigten Schwimmers ein.
Teile, die nicht durch eine Zahnkrone angetrieben werden
können, sondern von Hand in die obere Aufnahme eingelegt
werden (siehe Abb. 10.06), erfordern eine zusätzliche Einrichtung
in der Steuerung. Der Kolben muß beim Hochfahren
kurz vor dem Einkuppeln anhalten, um das Einlegen der
Teile zu gestatten. Dieses Ziel kann auf verschiedene Weisen
erreicht werden. Es gibt zum Beispiel handelsübliche Druckluftzylinder,
die bereits mit entsprechenden Vorrichtungen
versehen sind. Der Schaltimpuls wird vom durchfahrenden
Kolben direkt in einem außen angeordneten Reed-Relais
ausgelöst.
Um die Teile bequem herausnehmen zu können, muß der
Kolbenhub allgemein etwa 1,2 mal der totalen Länge der
verschweißten Einheit entsprechen. Diese Forderung kann
bei langen Teilen zu erheblichen Kolbenhüben führen, was
unpraktisch und teuer ist. Ein typisches derartiges Beispiel
stellt der in Abb. 10.14 gezeigte Druckkörper dar, für den
in der normalen Bauweise ein Kolbenhub von 1,2 mal L
notwendig wäre.
Um dies zu vermeiden, kann man folgende Wege einschlagen:
– Die untere Aufnahme a kann mittels einer Klemm- und
Zentriervorrichtung mit wenigen Handgriffen gelöst und
seitwärts weggezogen werden.
– Man sieht zwei Aufnahmen a und b, welche auf einer drehbaren
Grundplatte c um die Achse «X» 180° geschwenkt
werden können. Die ausgefahrenen Teile wechselt man
während des Schweißvorganges aus, was die Zykluszeit
erheblich verkürzt.
– Wenn die Produktion es rechtfertigt, kann natürlich auch
ein Drehtisch vorgesehen werden, der zum Beispiel 3
Schaltstellungen hat, die zum Schweißen, Auswerfen und
Einlegen benützt werden.
Auf Grund dieser Einrichtungen wird der Kolbenhub auf L1
reduziert, so daß die Schwungmasse in der Schweißstellung
viel näher an der Kolbenstangenführung liegt.
Da der Schweißdruck verhältnismäßig hoch ist, werden der
Kupplungsbelag und die Kugellager der Riemenscheibe in
der oberen Stellung unnötig stark belastet. Es ist deshalb
vorteilhaft, mit zwei verschiedenen Drücken zu arbeiten,
was allerdings eine kompliziertere pneumatische Einrichtung
erfordert. Man kann aber auch eine Spiralfeder über dem
Kolben einbauen, so daß in der oberen Endstellung ein Teil
der Kraft aufgehoben wird.
L1
c
a
Abb. 10.14 Schwenkbare Aufnahmevorrichtung
L
Auf jeden Fall muß die Kolbengeschwindigkeit kurz vor
dem Einkuppeln stark gedämpft werden, um die Anfahrbeschleunigung
der Masse zu reduzieren und den Kupplungsbelag
zu schonen.
An Maschinen, die mit einem Drehtisch ausgerüstet sind,
werden die Teile ausgeworfen, nachdem sie unter der Spindel
weggefahren sind. Der Kolbenhub kann in solchen Fällen,
wie z.B. für den in Abb. 10.13 gezeigten Schwimmer,
wesentlich kleiner gewählt werden.
b
X
X
97

Es besteht auch die Möglichkeit, den Druck mittels einer
Membraneinheit, wie in Abb. 10.15 dargestellt, zu erzeugen.
Die Gummimembrane ist unten mit einer Feder und oben mit
Druckluft beaufschlagt. Die Feder muß genügend stark
gewählt werden, um die Schwungmasse anzuheben und die
Kupplung mit der erforderlichen Kraft anzudrücken. Für eine
Produktionsmaschine wird die Welle vorteilhaft in Axial-
Kugelbüchsen gelagert. Die dargestellte Einrichtung hat
gegenüber einem normalen Zylinder den Vorteil geringerer
Reibverluste und längerer Lebensdauer. Immerhin sind die spezifischen
zulässigen Drücke auf die Membrane begrenzt, so
daß mit größeren Durchmessern gerechnet werden muß, um
einen bestimmten Schweißdruck zu erreichen. (Der Schweißkopf
mit der Schwungmasse und dem Riemenantrieb entspricht
Abb. 10.13.)
Die Konstruktion mit Gummimembrane eignet sich für
Hübe von max. 10-15 mm und spezifischen Drücken
von 0,3-0,4 N/mm2 .
Da, wie schon erwähnt, die Betriebsdrehzahl durch Anpassen
der Motorriemenscheibe verändert werden kann, ist ein regelbarer
Motor nicht unerläßlich. Immerhin gibt es in jeder Produktion
Fälle, die zumindest eine begrenzte Anpassungsmöglichkeit
der Drehzahl als wünschenswert erscheinen lassen.
Die in der rotierenden Masse enthaltene kinetische Energie
verändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl und deshalb ist
es wichtig, letztere möglichst genau konstant zu halten.
Diese Bedingung ist nicht immer ohne weiteres erfüllt, da eine
nennenswerte Motorleistung nur zum Beschleunigen der
Masse notwendig ist. Sobald die Betriebsdrehzahl erreicht
wird, muß nur noch die Reibung überwunden werden, wozu
eine vernachläßigbar kleine Leistung genügt. Der Motor dreht
dann nahezu im Leerlauf und kann sich in einem unstabilen
Zustand befinden (z.B. seriegeschaltete Kollektormotoren).
Abb. 10.15 Membran-Druckeinheit für kleine Hübe
98
Geeignete Antriebe für Rotationsschweißmaschinen dieser
Bauart sind zum Beispiel:
– Repulsionsmotoren, die auf dem Prinzip der Bürstenund
damit der Feldverschiebung beruhen. In den meisten
Fällen werden Einphasenmotoren von 0,5 PS bei ca.
4000 U/min genügen.
– Frequenzgesteuerte Drehstrom- oder Einphasen-Kurzschlußankermotoren.
Die Steuereinheit muß eine lastunabhängige
Regulierung gestatten, was nicht immer der Fall
ist. Die maximale mögliche Drehzahl beträgt indessen nur
etwa 2800 U/min.
– Sehr gut geeignet sind auch Gleichstrom Nebenschlußmotoren
mit Ankerspannungs-Regulierung. Der steuerseitige
Aufwand ist recht gering, so daß die Gesamtkosten in
erträglichem Rahmen bleiben.
Die Drehzahlkonstanz ist auch ohne Tachodynamo ausreichend
und der Regelbereich sehr groß.
Schweißmaschinen, die für Versuchszwecke verwendet oder
in der Produktion häufig auf Teile verschiedener Durchmesser
umgerüstet werden müssen, sind unbedingt mit einem
der erwähnten Antriebe auszurüsten.
Maschinen, die ausschließlich zum Verbinden eines bestimmten
Teils zum Einsatz kommen, brauchen, wie schon früher
erwähnt, nicht unbedingt einen Regelantrieb, obwohl derselbe
auch dort recht nützlich ist. Wird eine Maschine mit
einem nicht regelbaren Antrieb ausgerüstet, so sieht man die
Spindeldrehzahl vorteilhaft etwas zu hoch vor. Dadurch
erreicht man einen gewissen Energieüberschuß und schweißt
die Teile auch dann korrekt, wenn die Nahtprofile auf
Grund zu großer Toleranzen schlecht aufeinander passen.
Dabei wird natürlich eine größere Menge Schmelze erzeugt
als tatsächlich erforderlich wäre.
Gelegentlich werden auch Druckluft-Lamellenmotoren oder
Turbinen als Antriebe verwendet. Diese sind jedoch in der
Anschaffung und im Betrieb weniger wirtschaftlich als elektrische
Motoren und rechtfertigen sich deshalb kaum.
Mitnahme- und Haltevorrichtungen
Mitnahme- und Haltevorrichtungen können in folgende
Gruppen unterteilt werden:
– Teile, die mit einer beim Herunterfahren der Spindel schon
rotierenden Mitnahme in Eingriff gebracht werden.
– Teile, die bei ruhender Spindel in die Mitnahme eingelegt
werden müssen.
Selbstverständlich ist die erste Lösung in bezug auf die Zykluszeit
immer vorteilhafter und sollte deshalb, wo möglich, vorgezogen
werden. Dazu geeignet sind folgende Einrichtungen:
– Zahnkronen nach Abb. 10.16 greifen beim Herunterfahren
der Spindel in den entsprechend ausgebildeten Rand des
Kunststoffteils ein und drehen ihn mit. Bei richtiger Auslegung
der Zähne und genügend hoher Vorschubgeschwindigkeit
des Kolbens können die unvermeidlichen Eindrücke
klein und sauber gehalten werden. Dazu ist allerdings eine
absolut scharfe Schneidkante der Zähne unerläßlich.

Abb. 10.16 Auswechselbare Antriebs-Zahnkrone
Im allgemeinen werden die Zahnflanken nicht geschliffen,
doch muß die Krone, vor allem an Produktionswerkzeugen,
gehärtet sein.
– Die in Abb. 10.17 vorgeschlagenen Dimensionen sind
Richtwerte und müssen dem Durchmesser angepaßt werden.
Bei sehr dünnwandigen Teilen ist die Zahndistanz
eher zu verringern, um auch zwischen den Zähnen genügend
Druck auf die Naht auszuüben.
30°
1-2
Abb. 10.17 Bevorzugte Zahnform
– Bei größeren oder komplizierten Mitnehmern ist es vorteilhaft,
die Zahnkrone getrennt auszuführen, um sie gegebenenfalls
auswechseln zu können.
– Abb. 10.18 zeigt zwei typische Nahtprofile und die entsprechenden
Zahnkronen bzw. Haltevorrichtungen.
– Bei Nähten ohne Außenrand nach Abb. 10.18 muß die
untere Aufnahme a nahe an die Naht reichen, um ein Aufweiten,
vor allem bei dünnen Wänden, zu vermeiden. Das
obere Kunststoffteil b wird vorteilhaft mit einem gerundeten
Rand versehen, der das Eingreifen der Zähne c erleichtern
soll. Bei Schwungmassewerkzeugen ist manchmal ein
Außenring d erforderlich, um ein genaues Zentrieren zu
gewährleisten. Dies kann der Fall sein, wenn das untere
Kunststoffteil zuviel Spiel in der Haltevorrichtung aufweist,
oder die Kolbenstangenführung zu ungenau ist.
d
b
1-2 mm
a
c
~ 4-8 ~ 3-6
Abb. 10.18 Halte- und Mitnehmer-Vorrichtungen
s
– Das untere Kunststoffteil kann sinngemäß mit einer gleichen
Zahnkrone (siehe Abb. 10.13 und 10.20) festgehalten
werden. An dem in Abb. 10.19 gezeigten Venturirohr wird
der seitliche Rohrstutzen zum Halten benutzt. Es ist klar,
daß diese Lösung ein automatisches Einlegen erschwert
oder gar unmöglich macht. Da der untere Rohrstutzen
etwa 200 mm lang ist, wäre eine Automatisierung allerdings
ohnehin zu aufwendig. Das in Abschnitt 6 betreffend
des erforderlichen minimalen Kolbenhubes Gesagte
kommt an diesem Beispiel besonders gut zum Ausdruck.
Da die totale Länge der verschweißten Teile etwa 300 mm
beträgt, müßte man mit einem Kolbenhub von 350 mm
rechnen. Eine derartige Maschine wäre unpraktisch und
aufwendig. Auch stellt die rotierende Schwungmasse an
der langen, ausgefahrenen Kolbenstange eine Gefahr dar.
Man könnte das Problem durch Verwendung eines Drehtisches
umgehen, doch wäre auch diese Lösung aufgrund
der großen Länge der Teile unpraktisch.
Abb. 10.19 Pneumatische Klemmvorrichtung für langes Venturirohr
– Die in Abb. 10.19 vorgeschlagene Anordnung besteht deshalb
darin, daß die Aufnahme a nur die Hälfte des Teils
umschließt, und daß Letzteres mittels einer pneumatischen
Vorrichtung b angedrückt wird. Dadurch kann der Kolbenhub
klein gehalten, und die Teile leicht eingelegt und herausgenommen
werden. Auch gestattet diese Lösung, die
Naht auf den ganzen Umfang zu stützen.
– Oft kann die Zahnkrone nicht direkt über der Naht angeordnet
werden. An dem in Abb. 10.20 gezeigten Schwimmer
ist das z.B. aus technischen Gründen unmöglich. In
solchen Fällen muß die Länge L, d.h. der Abstand von der
Naht zur Zahnkrone, in einem vernünftigen Verhältnis zur
Wandstärke stehen, damit das hohe Drehmoment und der
Schweißdruck ohne nennenswerte Deformation aufgenommen
werden können. Das gilt natürlich sinngemäß
auch für das untere Kunststoffteil.
– Die Auswahl der Nahtprofile und der Mitnahme- bzw.
der Haltevorrichtung ist oft von der Wandstärke abhängig.
a
b
99

Abb. 10.20 Antrieb und Aufnahme für Schwimmer ohne Außenrand
Antreiben durch Zahnkupplung
Anstelle einer Zahnkrone, die in den Kunststoff eingedrückt
werden muß, um das Drehmoment zu übertragen, werden
gelegentlich auch Zahnkupplungen verwendet. Das Prinzip
besteht darin, daß am Kunststoffteil geeignete Zähne angespritzt
werden. Dieselben können vorstehen, oder, wie in
Abb. 10.21 gezeigt, versenkt angeordnet sein, wodurch sie
weniger störend wirken.
Die Mitnahmevorrichtung a weist gleiche aber entgegengesetzt
gerichtete Zähne auf, die bei genügend großem Spindelvorschub
in das Kunststoffteil eingreifen, ohne es zu beschädigen.
Es ist vorteilhaft, innerhalb und außerhalb der Kupplung
Ringflächen b vorzusehen, die den Schweißdruck auf das Teil
ausüben, ohne daß die Zähne unten aufliegen. Letztere dienen
also nur der Übertragung des Drehmomentes. Ihre Anzahl
soll klein gehalten werden, um die Gefahr des Abschlagens
der Zahnspitzen zu verringern.
Die Zähne sollen nicht spitz ausgelegt werden, sondern eine
kleine Fläche c von 0,3-0,5 mm aufweisen.
Dieses Prinzip ist auch geeignet für zuvor beschriebene Drehzapfenwerkzeuge,
die mit geringeren Geschwindigkeiten
arbeiten als Drehmassewerkzeuge. Bei letzteren ist auf Grund
der hohen Umfangsgeschwindigkeit ein sauberes Eingreifen
der Zähne schwieriger.
a
100
b
-15°
Abb. 10.21 Reibschweißteil mit integrierter Zahnkrone
c
L
Antreiben durch Gießmassen
In gewissen Fällen besteht auch die Möglichkeit, das Antreiben
bzw. Festhalten der Teile durch Aufnahmen aus Elastomeren
zu verwirklichen. Zu diesem Zweck wird die Gießmasse
direkt in die Mitnehme- bzw. Haltevorrichtung gegossen,
wobei ein Kunststoffteil das Gegenstück bildet und somit die
entsprechende Oberflächenform direkt erzeugt.
Da die übertragbaren Drehmomente begrenzt sind, wie übrigens
auch der zulässige Flächendruck, ist diese Methode nur
für Teile in Betracht zu ziehen, die verhältnismäßig große
Auflageflächen bieten.
Konische Teile, wie die in Abb. 10.22 dargestellten, sind für
diese Lösung am besten geeignet, da bei gegebenem Schweißdruck
ein höheres Übertragungsmoment erzielt wird.
Wenn ein Schwungmassewerkzeug mit einer derartigen
Mitnahme ausgerüstet ist und das Kunststoffteil vom
ruhenden Zustand aus auf die erforderliche Schweißdrehzahl
bringen muß, so entsteht naturgemäß ein gewisser Schlupf.
Wenn dieser zu groß ist, kann an der Oberfläche ein unzulässiger
Temperaturanstieg auftreten.
Die Auswahl der korrekten Härte der Gießmasse ist deshalb
von größter Wichtigkeit und muß experimentell bestimmt
werden. Wie in Abb. 10.22 prinzipiell dargestellt, muß die
Gießmasse a selbstverständlich mittels Bolzen, Hinterschnitten
oder Ausfräsungen an den Metallteilen gut verankert
werden. Die Aussparungen b wurden nachträglich bearbeitet,
da ein Kontakt an diesen Stellen eher hinderlich ist.
Die Herstellung von Gießmasse-Mitnahmen erfordert Erfahrung
und entsprechende Einrichtungen. Auch sind die Gestehungskosten
verhältnismäßig hoch, weshalb diese Lösung in
der Praxis keine große Verbreitung gefunden hat.
Bei Drehtischmaschinen, die mehrere gleiche Mitnahmevorrichtungen
erfordern, kann dieses Verfahren indessen unter
Umständen wirtschaftlich interessant werden.
a
a
Abb. 10.22 Schweißvorrichtung mit Gießmasse-Mitnehmern
b
b

Schweißnahtprofile
Um einwandfreie Resultate in bezug auf Dichtigkeit und
mechanische Festigkeit zu gewährleisten, müssen die Nahtprofile
gewisse Bedingungen erfüllen. Da die Festigkeit der
Naht mindestens der allgemeinen Festigkeit der beiden verschweißten
Teile entsprechen soll, muß die Schweißfläche
etwa 2-2,5 mal dem Wandquerschnitt entsprechen.
Am besten bewährt haben sich die seit vielen Jahren angewendeten
V-Nähte, von denen zwei typische Beispiele in den
Abbildungen 10.23 a und 10.23 b gezeigt werden.
Das Profil in Abb. 10.23 a kommt für Teile mit gleichen
Innendurchmessern zur Anwendung und ebenfalls für solche,
die zum Antreiben bzw. Festhalten mit Außenschultern
versehen werden können (z.B. zylindrische Gehäuse oder
Druckbehälter, die wegen der großen Länge in der Mitte
geteilt werden müssen). Das Profil in Abb. 10.23 b ist für
aufgeschweißte Böden und Abschlußklappen besonders gut
geeignet (z.B. Butangaspatronen für Feuerzeuge, Feuerlöscher,
Aerosolflaschen).
Die als Funktion der Wanddicke eingetragenen Dimensionen
sind selbstverständlich als Vorschläge zu betrachten, die der
Teilkonstruktion entsprechend angepaßt werden können.
Immerhin darf die Schweißfläche nicht verkleinert werden.
Kunststoffe mit hohem Reibwert neigen überdies bei zu kleinen
Schrägungswinkeln zu Selbsthemmung, so daß die
Zahnkrone das Teil nicht drehen kann und nur Material
abfräst. Der Winkel von 15° darf deshalb nur in Sonderfällen
unterschritten werden.
Bei Nähten entsprechend Abb. 10.23 a soll zwischen den senkrecht
zur Teilachse liegenden Flächen im ungeschweißten
Zustand etwas Spiel vorhanden sein. Damit bezweckt man, den
ganzen Anpressdruck zuerst auf die Schrägflächen zu leiten, da
dieselben fast den ganzen Anteil an Festigkeit ausmachen.
An diesen Nähten ist das Austreten einer Schweißbraue nicht
zu vermeiden, was oft störend wirkt und eine Nacharbeit
erfordert. Bei verschweißten Gehäusen, die bewegte mechanische
Teile enthalten, kann das Abbröckeln der Schweißbraue
im Inneren die Funktion gefährden und muß deshalb unbedingt
verhindert werden.
Die Abbildungen 10.24 a bis 10.24 d zeigen vier Vorschläge
von Nahtformen, die mit Rillen zur Aufnahme der Schweißbraue
ausgerüstet sind.
Eine einfache Rille nach Abb. 10.24 a verdeckt zwar die
Braue nicht, verhindert aber ein Vorstehen derselben über
den Außendurchmesser, was in gewissen Fällen genügt.
Oft wird auch eine überlappte Lippe mit einem kleinen
Spalt entsprechend Abb. 10.24 b verwendet.
Bei Abb. 10.24 c sind die Rillen so angeordnet, daß sie am
Ende der Verschweißung abschließen.
Abb. 10.24 d zeigt innen eine leicht überlappende Lippe, die
die Rille völlig abschließt und jedes Austreten von Material
verhindert. Die äußere Lippe liegt nach dem Verschweißen
auf dem Gegenrand auf.
Die Naht in Abb. 10.23 b kann, sofern die Abschlußkappe
außen vorstehen darf, ebenfalls mit einem Rand versehen
werden.
t 0,1 t
15°
0,6 t
t 0,6 t (min. 1 mm)
0,4 t
15°
0,05 t
0,6 t
0,8 t 0,8 t
1,8 t
0,4 t
a b
Abb. 10.23 a. Nahtprofil mit Außenrand
b. Nahtprofil ohne Außenrand
Abb. 10.25 zeigt einen entsprechenden Vorschlag, wie er
gelegentlich an Butangaspatronen verwendet wird. Im allgemeinen
ist eine offene Rille ausreichend. Es besteht indessen
auch die Möglichkeit, eine dünne Lippe mit einem Hinterschnitt
entsprechend a vorzusehen, wodurch die Auffangrille
vollständig abgedeckt wird. Diese Lösung kann selbstverständlich
auch außen erwünscht sein. Sie erfordert indessen
eine etwas kompliziertere Werkzeugauslegung zum Auswerfen
und sollte deshalb auf die Fälle beschränkt bleiben, wo
sie unerläßlich ist.
1,8 t
0,5 t
5°
a b
c d
15° 0,5 t
Abb. 10.24 Nahtprofil mit Aufnahmerillen für die Schweißbraue
t
5°
1,5 t 0,2 t
30°
101

Berechnung von Schwungmasse-
Werkzeugen und Maschinen
Um einen Kunststoff vom festen in den flüssigen Zustand zu
bringen, ist eine gewisse, vom Material abhängige Wärmemenge
notwendig. In der Praxis machen sich die Unterschiede
innerhalb der technischen Kunststoffe indessen
wenig bemerkbar, so daß sie in den nachfolgenden Betrachtungen
vernachläßigt werden.
Die zum Schmelzen erforderliche Wärme wird durch die in
der rotierenden Masse enthaltene Energie erzeugt. Die beim
Zusammenpressen der Nahtoberflächen entstehende Reibung
bringt die Schwungmasse in weniger als einer Sekunde zum
Stehen.
Bei Kunststoffen, die einen engbegrenzten Schmelzpunkt
besitzen, wie z.B. DELRIN ® Acetalhomopolymer, sollte das
Werkzeug nach dem Aufsetzen kaum mehr als 1-2 Umdrehungen
ausführen. Ist der Anpreßdruck ungenügend, so
dreht die Schwungmasse zu lange durch und schert das im
Erstarren begriffene Material wieder ab. Dadurch entstehen
abgeschwächte oder undichte Nähte.
Für amorphe Kunststoffe ist diese Bedingung weniger wichtig,
da sie langsamer erstarren. Man arbeitet indessen bei
allen Kunststoffen vorteilhaft mit höheren Anpreßdrücken
als unbedingt notwendig, da die Qualität der Schweißnaht
darunter nicht leidet.
102
0,8 T
0,3 T
Abb. 10.25 Nahtprofil mit Außen- und Innenabdeckung
T
a
Um mit Schwungmasse-Werkzeugen gute Nähte zu erzielen,
müssen folgende Größen betrachtet werden.
– Umfangsgeschwindigkeit an der Schweißnaht
Sofern dies technisch möglich ist, sollte sie nicht unter
10 m/s liegen. Bei kleinen Teildurchmessern ist man indessen
gelegentlich gezwungen, zwischen 5 und 10 m/s zu
arbeiten, da sonst die Drehzahl zu hoch wird. Allgemein
kann man indessen sagen, daß hohe Umfangsgeschwindigkeiten
bessere Ergebnisse zeigen. Auch bezüglich der
Abmessungen der Schwungmasse ist es von Interesse, mit
möglichst hohen Drehzahlen zu arbeiten, da die Werkzeuge
für ein gegebenes Teil kleiner werden.
– Die Schwungmasse
Da die in der Schwungmasse enthaltene Energie eine Funktion
der Drehzahl und des Trägheitsmomentes ist, müssen
beide Größen in Abhängigkeit zueinander festgelegt werden.
Der Einfluß der Drehzahl erfolgt im Quadrat, so daß
schon geringe Veränderungsmöglichkeiten derselben eine
gute Anpassung an das gewünschte Resultat zulassen.
Für technische Kunststoffe kann man allgemein annehmen,
daß zum Verschweißen von 1 cm 2 projezierter Nahtoberfläche
50 Nm Arbeit notwendig sind.
Die Materialmenge, die geschmolzen werden muß, hängt
indessen noch zusätzlich von der Genauigkeit ab, mit der
die Nahtprofile aufeinander passen, also auch von den
Spritztoleranzen. Es wäre deshalb müßig, zu genaue
Berechnungen anzustellen, da man ohnehin meistens
mit einer Anpassung der Drehzahl rechnen muß.
– Der Anpreßdruck
Wie schon weiter oben erwähnt, ist der Anpreßdruck so
zu bemessen, daß das Werkzeug nach dem Aufsetzen nur
noch etwa 1–2 Umdrehungen macht.
Als Berechnungsgrundlage kann man annehmen, daß ein
spezifischer Druck von 5 MPa auf die projezierte Nahtfläche
erforderlich ist. Es genügt indessen nicht, den Kolbendurchmesser
und den Luftdruck entsprechend festzulegen.
Auch die Zufuhrleitungen und die Ventile müssen so
dimensioniert sein, daß der Kolbenvorschub schlagartig
erfolgt. Ist dies nicht der Fall, so fährt das Werkzeug zu
langsam nach unten, und der Druck im Zylinder baut sich
zu spät auf. Eine große Zahl fehlerhafter Schweißnähte in
der Praxis sind auf diese Fehler zurückzuführen.
– Der Nachdruck
Das sich im flüssigen Zustand befindliche Material braucht
eine gewisse Zeit zum Erstarren. Es ist deshalb unbedingt
notwendig, den Druck entsprechend lange aufrechtzuerhalten.
Die Zeitdauer hängt vom Kunststoff ab und wird
am besten durch Versuche ermittelt. Für DELRIN ® liegt sie
bei 0,5-1 Sekunde, während für amorphe Kunststoffe
etwas mehr Zeit benötigt wird.

Graphische Bestimmung
der Schweißgrößen
Das Nomogramm, Abb. 10.26, gestattet eine schnelle und
einfache Festlegung der wichtigsten Daten und ist für alle
technischen Kunststoffe durchaus geeignet.
Zuerst bestimmt man den mittleren Nahtdurchmesser d in
Abb. 10.27 sowie die projezierte Nahtfläche F.
ø D (mm)
120
110
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
20
10
8
6
5
4
3
2
1,5
1
0,8
0,6
0,4
0,3
0,2
F (cm2 )
4
L (mm)
30
40
506070
80
90 100
120
10000
5000
3000
2000
P (N)
1000
500
400
300
200
Abb. 10.26 Nomogramm zur Bestimmung der Schweißparameter
2
8000 t/min ød 25 mm
7000 28
6000 33
5000 40
4000 50
3500 57
3000 65
2500 80
2000 100
1800 110
1600 125
1400 140
1200 165
1000 200
3 1
Beim eingezeichneten Beispiel beträgt die Fläche F etwa 3 cm2 und der mittlere Nahtdurchmesser d 60 mm. Man fährt also
von der linken Skala von 3 cm2 ausgehend nach rechts bis zum
Schnittpunkt mit der Durchmesserlinie 60 (Punkt 1) und von
dort senkrecht nach oben. Dort wählt man dann einen Durchmesser
und die dazugehörende
Länge der Schwungmasse beliebig (Abb. 10.28). Immerhin
sollte der Durchmesser größer sein als die Länge, um die
Gesamthöhe des Werkzeuges klein zu halten.
Im gezeigten Beispiel hat man einen Durchmesser von 84 mm
gewählt, was eine Länge von 80 mm ergibt (Punkt 2).
Dem Nomogramm ist eine Umfangsgeschwindigkeit von
10 m/s zu Grunde gelegt, was für das gezeigte Beispiel
von 60 mm ∅ eine Drehzahl von etwa 3200 U/min ergibt.
Man kann indessen auch eine höhere Drehzahl, z.B. 4000,
wählen, welche den Schnittpunkt 3 ergibt. Wenn man von
diesem Punkt nach oben fährt, werden die Werkzeugabmessungen
selbstverständlich kleiner. Im gezeigten Fall
wurde auf Punkt 4 ein Durchmesser von 78 mm gewählt,
zu dem eine Länge von 70 mm gehört.
100
Wenn man von der Fläche 3 cm2 horizontal auf die rechte
Skala geht, findet man gleichzeitig den notwendigen
Anpreßkraft, der im gezeigten Beispiel etwa 1500 N beträgt.
Das Nomogramm berücksichtigt nur die Außenabmessungen
des Werkzeuges und vernachläßigt die Bohrungen. Diese
werden jedoch von der Aufnahmevorrichtung einigermaßen
kompensiert, so daß die Werte trotzdem genügend genau
sind.
Ø d
Abb. 10.27 Bestimmung des mittleren Nahtdurchmessers
L
Abb. 10.28 Schweißkopf-Abmessungen
Ø d
F F
P
Ø D
103

Motorantriebsleistung
Schwungmasse-Werkzeuge haben neben vielen anderen
positiven Eigenarten auch den Vorteil, daß zum Antrieb
nur geringe Leistungen benötigt werden.
Da die totale Zykluszeit bei einer halb- oder vollautomatischen
Anlage zwischen einer und zwei Sekunden liegt, hat
der Motor genügend Zeit, die Schwungmasse auf die
Betriebsdrehzahl zu beschleunigen. Die im Werkzeug enthaltene
kinetische Energie wird während des Schweißvorganges
in so kurzer Zeit in Wärme umgesetzt, daß dabei erhebliche
Leistungen auftreten.
Wenn z.B. die beiden auf dem Nomogramm (Abb. 10.26)
aufgeführten Werkzeuge in 0,05 s abgebremst werden, geben
sie während dieser Zeitdauer eine Leistung von etwa 3 kW
ab. Wenn sie bis zur nächsten Schweißung eine Sekunde Zeit
für die Wiederbeschleunigung haben, wäre dazu theoretisch
nur eine Leistung von 150 W notwendig.
Für die meisten in der Praxis anfallenden Teile genügen deshalb
Motorleistungen von 0,5 kW.
Wie schon bereits erwähnt, ist eine Anpassungsmöglichkeit
der Drehzahl wünschenswert. Handelt es sich indessen um
eine Produktionsanlage, auf der immer gleiche Teile verschweißt
werden, so erfolgt die Anpassung der Drehzahl
meistens durch Verändern der Riemenscheibendurchmesser.
Qualitätskontrolle geschweißter Teile
Um eine gleichmäßig gute Qualität zu erreichen, sollten die
Nähte am Profilprojektor zuerst auf Paßgenauigkeit untersucht
werden. Zu große Abweichungen der Profile sowie der
Durchmesser (Spritzgußtoleranzen) können den Schweißvorgang
erschweren und die Qualität vermindern. Korrekt dimensionierte
Nähte und gewissenhaft verarbeitete Teile erübrigen
ohne weiteres eine spätere systematische Kontrolle.
Stimmen beispielsweise die Winkel der beiden Profile schlecht
aufeinander, so entsteht nach Abb. 10.29 eine äußerst spitze
Kerbe, die unter Belastung unzulässige Spannungsspitzen
erzeugt, und damit die Festigkeit des ganzen Teils vermindert.
Auch muß zuviel Material weggeschmolzen werden.
Abb. 10.29 Profilfehler
104
Ausschlaggebend für die Beurteilung der Naht ist je nach der
Anwendung die mechanische Festigkeit, die Dichtigkeit
gegen flüssige oder gasförmige Stoffe oder beides zusammen.
Die möglichen Prüfverfahren können wie folgt
beschrieben werden:
– Eine visuelle Kontrolle der Nähte ist nur sehr begrenzt
möglich und gibt keine Auskunft betreffend der Festigkeit
und der Dichtigkeit. Sie kann nur an Teilen erfolgen, an
denen die Schweißbraue sichtbar ist. Wenn die Schweißbedingungen
korrekt sind, muß am ganzen Nahtumfang
eine kleine, gleichmäßige Braue austreten.
Ist sie unregelmäßig, zu groß oder gar nicht vorhanden,
so muß die Drehzahl korrigiert werden. Selbstverständlich
hat man kein Interesse, mehr Kunststoff wegzuschmelzen
als unbedingt erforderlich. Wenn indessen überhaupt kein
Material austritt, hat man keine Gewähr, daß die Naht
genügend gut verschweißt ist.
Das Aussehen der Schweißbraue hängt nicht nur vom
Kunststoff, sondern auch von der Viskosität und eventuellen
Zusätzen ab. So ergibt z.B. DELRIN ® 100 eher eine faserige
Braue, während DELRIN ® 500 einen verschmolzenen
Schweißgrat zeigt. Des weiteren hat auch die Umfangsgeschwindigkeit
einen Einfluß auf das Aussehen, so daß
daraus keine Schlüsse in bezug auf die Qualität gezogen
werden können.
– Festigkeitsprüfungen der Nähte bis zu deren Zerstörung
sind die einzige Möglichkeit, die Qualität der Schweißung
richtig beurteilen und daraus endgültige Schlüsse ziehen
zu können. Die weitaus meisten rotationsgeschweißten
Teile sind geschlossene Behälter, die unter dauerndem
oder kurzzeitigem Innen- oder Außendruck stehen (Feuerzeuge,
Gaspatronen, Feuerlöscher). Daneben gibt es eine
große Zahl Schwimmer, welche unbelastet sind und nur
eine dichte Schweißung aufweisen müssen. Alle derartigen
Teile wird man ungeachtet der im Betrieb tatsächlich
auftretenden Spannungen am besten und einfachsten mittels
langsam aber kontinuierlich ansteigendem Innendruck
zum Bersten bringen. Eine derartige Anlage sollte die
Möglichkeit bieten, die Teile während des Druckanstieges
beobachten zu können.
Aus sichtbaren, vor dem Bersten auftretenden Deformationen
können sehr oft wertvolle Rückschlüsse auf eventuelle
Konstruktionsfehler und daraus resultierende Schwachstellen
gezogen werden.
Nach dem Berstversuch sollen die Teile, vor allem aber
die Schweißnähte, gründlich untersucht werden. Wenn die
Naht korrekt dimensioniert und verschweißt ist, dürfen die
Profilflächen nicht sichtbar sein. Die Brüche müssen quer
durch die Naht oder an ihr entlang gehen. Im letzteren Fall
läßt sich allerdings nicht feststellen, ob die Naht direkte
Ursache des Bruches ist. Dies kann der Fall sein, wenn,
wie z.B. in Abb. 10.29 gezeigt, eine starke Kerbwirkung
vorhanden ist. Wenn es sich um Teile handelt, die im
Betrieb unter dauerndem Innendruck stehen und Temperaturschwankungen
ausgesetzt sind, so muß der Berstdruck
8-10 mal dem Betriebsdruck entsprechen. Nur dann hat
man Gewähr, daß sich das Teil über die ganze Lebensdauer
den Erwartungen entsprechend verhält (z.B. Butangas-Feuerzeuge).

Da es sich immer um zylindrische Körper handelt, ist es sehr
aufschlußreich, die Tangential-Bruchspannungen nachzurechnen
und sie mit der tatsächlichen Zugfestigkeit des Kunststoffes
zu vergleichen. Ist das Verhältnis schlecht, so muß die
Ursache nicht unbedingt in der Schweißnaht gesucht werden.
Konstruktionsfehler, Orientierung beim Füllen dünner Wände,
ungünstige Anordnung oder Dimensionierung des Anschnittes,
Schweißlinien oder seitliches Ausweichen des Kerns und
somit unregelmäßige Wanddicken können ebenfalls Gründe
dafür sein.
Bei glasfaserverstärkten Kunststoffen liegen die Verhältnisse
etwas anders. Mit zunehmendem Glasgehalt erhöht sich
einerseits die Festigkeit, andererseits wird der Anteil der
schweißbaren Oberfläche wegen der vorhandenen Glasfasern
kleiner. Somit wird das Verhältnis vom tatsächlichen zum
theoretischen Berstdruck ungünstiger und die Schweißnaht
kann in gewissen Fällen die schwächste Stelle werden.
Wie wichtig schon die konstruktive Gestaltung rotationsverschweißter
Druckbehälter ist, geht aus den folgenden zwei
Beispielen hervor:
Die beiden Patronen aus DELRIN ® 500 Acetalhomopolymer
nach Abb. 10.30 wurden nach dem Verschweißen unter
Innendruck geborsten und ergaben folgende Resultate:
Patrone A riß in der Ebene X-X, ohne daß der zylindrische
Teil oder die Schweißnaht beschädigt wurden. Dieser Bruch
ist zweifellos auf den flachen Boden und die scharfe Innenkante,
also einen Konstruktionsfehler, zurückzuführen.
Der Berstdruck betrug nur 37% des theoretisch möglichen.
X X
A (schlecht) B (gut)
Abb. 10.30 Schlecht und gut ausgelegte Druckkörper
Patrone B barst zuerst in der Fließrichtung des Zylinders
und anschließend der Naht entlang, ohne sie aufzureißen.
Der Berstdruck betrug 80% des theoretisch errechneten,
was als annehmbar betrachtet werden darf.
Aus den Werten der mechanischen Nahtfestigkeit kann man
allerdings keine Schlüsse in bezug auf die Dichtigkeit gegen
Flüssigkeiten oder Gase ziehen.
Druckbehälter und Schwimmer müssen deshalb noch zusätzlich
mit dem entsprechenden Medium geprüft werden. Unter
Innendruck stehende Gefäße wird man etwa mit dem halben
Berstdruck belasten, um schwache Stellen sicher ermitteln
zu können.
X
Schwimmer und andere geschlossene Behälter werden durch
Eintauchen in heißes Wasser auf Blasenbildung an der Naht
untersucht. Schneller und sicherer ist das Arbeiten mit
Unterdruck, wozu ein einfaches Gerät, wie es gelegentlich
zum Prüfen von wasserdichten Uhren verwendet wird,
genügt.
– Abb. 10.31 veranschaulicht ein solches Gerät und stellt
einen entsprechenden Vorgang dar.
Ein runder Glasbehälter a, dessen Größe den Teilen entsprechend
gewählt wird, ist mit einem lose aufgelegten
Deckel b über eine Weichgummidichtung verschlossen.
Ein Sieb c hält die Prüflinge unter Wasser. Da das Wasserniveau
bis nahe an den Gefäßrand reicht, muß nur ein
geringes Luftvolumen abgesaugt werden, um einen ausreichenden
Unterdruck zu erzeugen. Dazu genügt schon ein
einziger Kolbenhub einer handbetätigten Pumpe. Vorzugsweise
wird man das Gerät mit einem einstellbaren Ventil
versehen, um den Unterdruck zu begrenzen und damit
Blasenbildung durch Sieden zu vermeiden.
c
d
Abb. 10.31 Vakuum-Dichtigkeitsprüfgerät
Prüfung von Schweißnähten durch Mikrotomschnitte
Wenn die konstruktive Auslegung und die Schweißung korrekt
durchgeführt werden, sollten sich Mikrotomschnitte erübrigen.
Sie erfordern nicht nur einen erheblichen Aufwand
an Einrichtungen, sondern auch entsprechende Erfahrungen.
Immerhin läßt sich damit gelegentlich die Ursache undichter
Nähte feststellen, wie dies z.B. auf Abb. 10.32 der Fall ist.
Man sieht hier deutlich, wie die V-Rille durch die Schweißpressung
aufgedrückt und das Gegenprofil nicht bis auf den
Grund geschweißt wurde. Der offen gebliebene Hohlraum
mit der scharfen Ecke hat nicht nur eine Kerbwirkung, sondern
erhöht auch die Gefahr der Undichtheit.
Die Prüfung von Rotationsschweißnähten sollte nur zu Beginn
einer Produktion und später nur noch in Form von Stichproben
durchgeführt werden oder wenn die Gefahr besteht, daß sich
in der Verarbeitung oder im Schweißvorgang etwas verändert
hat. Die Ausschußquote bleibt bei richtigem Vorgehen klein
und rechtfertigt deshalb nicht die systematische Prüfung aller
Teile.
b
a
105

Abb. 10.32 Dünnschnitt-Kontrolle
Schweißen von Teilen mit Doppelnähten
Das gleichzeitige Schweißen von zwei Nähten, wie dies z.B.
für den Vergaserschwimmer nach Abb. 10.33 notwendig ist,
erfordert besondere Maßnahmen und vermehrte Sorgfalt. Die
Praxis hat gezeigt, daß keine guten Resultate erzielt werden
können, wenn die beiden Hälften mittels Zahnkronen angetrieben
bzw. gehalten werden. Es müssen deshalb auf jeden
Fall Vertiefungen oder Rippen vorgesehen werden. Weiterhin
ist es vorteilhaft, am Werkzeug die innere Auflagefläche
gegenüber der äußeren in der Höhe einstellbar vorzusehen,
um damit den Anpressdruck den Anforderungen entsprechend
auf die beiden Nähte verteilen zu können.
Die Schwungmasse und den Anpressdruck wird man in solchen
Fällen für die Summe der Nahtoberflächen bemessen.
Dagegen soll die Drehzahl dem kleineren Durchmesser entsprechend
gewählt werden.
Abb. 10.33 zeigt einen Doppelnaht-Schwimmer mit geeigneten,
einstellbaren Aufnahmen und kleinen Rippen zum
Antreiben bzw. Festhalten der Teile. Nach dem Schweißen
fährt die Spindel nicht ganz nach oben, um ein Einlegen des
Teils in das stehende Werkzeug zu ermöglichen.
Erst danach wird eingekuppelt und die Schwungmasse auf
Drehzahl gebracht.
Es ist empfehlenswert, die Kunststoffteile so zu dimensionieren,
daß man die innere Naht zuerst anfängt zu schweißen,
d.h. wenn die äußere noch etwa 0,2-0,3 mm Luft aufweist
(Abb. 10.34).
Das Schweißen von doppelten Nähten wird umso schwieriger,
je größer das Verhältnis der beiden Durchmesser ist. Obwohl
man in der Praxis Teile mit einem Außendurchmesser von
50 mm und einem Innendurchmesser von 10 mm noch verbinden
konnte, sind das doch Ausnahmefälle.
106
Abb. 10.33 Doppelnaht-Schweißung mit Antriebs- bzw. Halterippen
Abb. 10.34 Verzögerter Beginn der Außenhautschweißung
Abb. 10.35 Umgehen der Doppelschweißung mittels eines dritten
Teils (Zerlegung der Doppelnaht in zwei getrennte
Schweißungen)

Man darf derartige Konstruktionen nur mit größter Vorsicht
und nach entsprechender Beratung durch Fachleute ausführen.
Wenn man den sicheren Weg beschreiten und kein Risiko
eingehen will, wählt man besser eine Lösung entsprechend
Abb. 10.35. Hier ist die Doppelnaht in zwei einfache Schweißungen
getrennt, die nacheinander erfolgen und bei richtiger
Anpassung keine Probleme darstellen. Da bei dieser Lösung
die Teile normal mit Zahnkronen angetrieben werden können,
lassen sie sich leichter in eine vollautomatische Anlage
einfügen. Der Gesamtaufwand ist deshalb kaum größer als
für eine Doppelnaht, dagegen sind keine langwierigen und
kostspieligen Vorversuche notwendig
.
Das Verschweißen gefüllter
und verschiedenartiger Kunststoffe
Gefüllte Kunststoffe lassen sich im allgemeinen ebenso gut
rotationsschweißen wie ungefüllte. Wenn die Füllstoffe den
Reibwert vermindern, muß unter Umständen der Schweißdruck
erhöht werden, um die Abbremszeit der Schwungmasse
kurz zu halten.
Bei glasfasergefüllten Materialien wird die Nahtfestigkeit
theoretisch kleiner, da die Glasfasern die tatsächlich verschweißte
Fläche verringern. Diese Tatsache macht sich
in der Praxis indessen selten bemerkbar, da der schwächste
Punkt meistens ohnehin nicht in der Naht liegt. Falls erforderlich,
kann das Nahtprofil etwas vergrößert werden.
Glasfasern bewirken in allen Kunststoffen eine erhebliche
Verkleinerung der Bruchdehnung, so daß Spannungskonzentrationen
verheerend wirken. Diesem Umstand wird in der
Konstruktion viel zu wenig Rechnung getragen.
Gelegentlich steht man auch vor dem Problem, Kunststoffe
verschiedener Gruppen und ungleicher Schmelzpunkte verschweißen
zu müssen. Dies wird naturgemäß umso schwieriger,
je weiter die Schmelzpunkte auseinander liegen. Man
kann in solchen Fällen nicht mehr von einer eigentlichen
Verschweißung sprechen, da es sich mehr um ein mechanisches
Verhängen der Oberflächen handelt. Die Nahtfestigkeit
genügt dann nur noch geringen Anforderungen. Es kann auch
notwendig sein, spezielle Nahtprofile anzuwenden und mit
sehr hohen Schweißdrücken arbeiten zu müssen.
Die wenigen in der Praxis vorkommenden Verbindungen
dieser Art betreffen indessen ausschließlich unbelastete
Schweißnähte.
Als typische Beispiele dieser Art kann man Ölstandsanzeiger
und Schaugläser aus Polycarbonat erwähnen, die in Gehäuse
aus DELRIN ® eingeschweißt werden.
Nachfolgende Versuchsresultate sollen einige Anhaltspunkte
über mögliche Verbindungen von DELRIN ® mit anderen Kunststoffen
geben:
Der in Abb. 10.13 gezeigte Schwimmer aus DELRIN ® erreicht
einen Berstdruck von etwa 4 MPa.
Wird eine Abschlußkappe aus einem anderen Material auf
den Körper aus DELRIN ® geschweißt, so ergeben sich folgende
Berstdrücke:
ZYTEL ® 101 (Polyamid) 0,15–0,7 MPa
PC 1,2 –1,9 MPa
PMMA 2,2 –2,4 MPa
ABS 1,2 –1,6 MPa
Dabei ist zu beachten, daß bei allen erwähnten Verbindungen
die Schweißnaht schwächer ist als die Materialfestigkeit.
Rotationsschweißen von weichen
Thermoplasten und Elastomeren
Von wenigen Ausnahmen abgesehen (PTFE) hat ein Kunststoff
einen umso höheren Reibwert, je weicher er ist.
Das Rotationsschweißen wird deshalb aus drei Gründen mit
zunehmender Weichheit schwieriger oder sogar unmöglich.
– Der hohe Reibwert hat eine so starke Bremswirkung, daß
die Schwungmasse nicht im Stande ist, durch Reibung
Wärme zu erzeugen. Ein großer Teil der Energie wird
durch die Deformation des Teils absorbiert, ohne daß
genügend Relativbewegung auf den Schweißflächen stattfindet.
Erhöht man die Energie, so riskiert man eher eine
Beschädigung der Teile als eine Verbesserung der Verhältnisse.
Das Problem kann manchmal so gelöst werden, daß man
Schmierstoff auf die Nahtfläche sprüht (z.B. Silikon-
Formtrennmittel). Dadurch wird der Reibwert zuerst sehr
klein und die Drehung findet normal statt. Auf Grund der
hohen spezifischen Pressung wird der Schmierstoff jedoch
sehr schnell weggedrückt, wodurch der Reibwert ansteigt
und das Material zum Schmelzen kommt.
– Bei weichen Kunststoffen, die im Gegenteil einen sehr
niedrigen Reibwert aufweisen (PTFE), müßte der spezifische
Flächendruck sehr viel höher sein, um in kurzer Zeit
genügend Reibwärme zu erzeugen. Die meisten Teile wären
ohnehin nicht im Stande, den hohen Axialdruck ohne bleibende
Deformation aufzunehmen. Für diese Kunststoffe
gibt es gegenwärtig noch kein sicheres Vorgehen, um
befriedigende Rotationsschweißungen zu erzeugen.
– Teile aus weichen Kunststoffen können nur schwer in Aufnahmevorrichtungen
festgehalten bzw. gedreht werden. Die
Übertragung des hohen Drehmomentes wird deshalb ein
oft unlösbares Problem, vor allem auch, weil kaum Zahnkronen
verwendet werden können.
Zusammenfassend kann man deshalb sagen, daß derartige
Grenzfälle mit äußerster Vorsicht zu behandeln sind, und daß
die Entwicklungen entsprechende Vorversuche unumgänglich
machen.
Beispiele handelsüblicher
und experimenteller Schweißmaschinen
Die in Abb. 10.36-10.38 gezeigten Maschinen sollen einige
ausgewählte Beispiele aus der großen Zahl der in der Praxis
verwendeten Schweißvorrichtungen illustrieren.
107

Beispiele für handelsübliche Mecasonic Rotationsschweißmaschine sowie
für Versuchsmaschinen
Abb. 10.36 Handelsübliche Mecasonic Rotationsschweißmaschine
108

Abb. 10.37 Tisch-Rotationsschweißmaschine
In der Grundausführung, die das Bild zeigt, ist die Maschine mit einem Dreiphasen-Kurzschlußankermotor ausgerüstet.
Die Schwungmasse mit der Aufnahmevorrichtung ist direkt auf der Kolbenstange gelagert und entspricht dem in Abb. 10.12/10.13
gezeigten Prinzip. Die Maschine wird auch mit Drehtisch, regelbarer Drehzahl und vollautomatischer Zuführung verwendet.
109

Abb. 10.38 Rotationsschweißmaschine
110

Ultraschallschweißen
Einführung
Das Ultraschallschweißen ist ein schnelles und wirtschaftliches
Verfahren zur Verbindung von Kunststoffteilen und
eignet sich hervorragend zur Montage qualitativ hochwertiger,
in großen Stückzahlen hergestellter Kunststoffartikel.
Das Ultraschallschweißen ist ein relativ neues Verfahren, das
sich bei amorphen Kunststoffen wie Polystyrol, die eine niedrige
Erweichungstemperatur aufweisen, problemlos anwenden
läßt. Beim Verschweißen von amorphen Kunststoffen mit
höheren Erweichungstemperaturen, von kristallinen Kunststoffen
und von Kunststoffen mit geringer Steifheit erfordern
die Konstruktion sowie die Montage sorgfältige Planung und
Kontrolle.
Dieser Beitrag soll die theoretischen Grundlagen und die
praktischen Leitlinien für das Ultraschallschweißen von Teilen
aus technischen Kunststoffen von DuPont darstellen.
Das Ultraschall-Schweißverfahren
Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente Schwingungen
mit Hilfe eines vibrierenden Schweißwerkzeuges,
der sogenannten «Sonotrode», auf zwei zu verschweißende
Teile oder Werkstoffschichten übertragen. Die Verschweißung
tritt infolge der Wärme ein, die an den Berührungsflächen
der schwingenden Teile oder Schichten erzeugt wird.
Die zum Ultraschallschweißen benötigte Geräteausrüstung
besteht aus einer Haltevorrichtung zur Fixierung der Teile,
einer Sonotrode, einem elektromechanischen Wandler zur
Erregung der Sonotrode, einem Hochfrequenzgenerator und
einer Zeitsteuerung.
Wandler oder
Konverter
Sonotrode
Kunststoffteile
Haltevorrichtung
Hochfrequenzgenerator
Zeitsteuerung
Abb. 10.41 Aufbau eines Ultraschall-Schweißgerätes
Abb. 10.42 Typische Ultraschall-Schweißgeräte, b mit magnetostriktivem
Wandler, a mit piezoelektrischem Wandler
Das in Abb. 10.41 dargestellte Schweißgerät wird weiter unten
noch im einzelnen beschrieben. Typische handelsübliche Ultraschallschweißgeräte
sind in Abbildung 10.42 dargestellt.
Die durch die Sonotrode auf die zu verschweißenden Teile
übertragenen Schwingungen lassen sich als Wellen verschiedener
Arten beschreiben:
a. Längswellen breiten sich in jedem Material aus: in Gasen
und Flüssigkeiten ebenso wie in festen Stoffen. Sie pflanzen
sich in der Richtung der Achse der Schwingungsquelle
fort. Identische Schwingungszustände (d.h. Schwingungsphasen)
sind sowohl dimensional als auch longitudinal
von der Wellenlänge abhängig. Beim Betrieb mechanischer
Resonatoren spielt die Längswelle fast ausschließlich
die Rolle eines immateriellen Energieträgers
(Abb. 10.43a).
b. Im Gegensatz zur Längswelle kann die Transversalwelle
nur in festen Körpern erzeugt und weitergeleitet werden.
Transversalwellen sind hochfrequente elektromagnetische
Wellen, Licht usw. Scherspannungen sind erforderlich,
um eine Transversalwelle zu erzeugen. Letztere bewegt
sich in einer Richtung, die rechtwinklig zur Schwingungsquelle
verläuft (Transversalschwingung). Diese Art von
Wellen ist so weit wie möglich beim Ultraschallschweißen
zu unterdrücken, da nur die Grenzflächenschicht der
Sonotrode Schwingungen unterworfen ist und somit
keine Energie auf die Berührungsflächen der Energieverbraucher
übertragen wird (Abb. 10.43b).
a
b
111

c. Zirkularwellen werden ausschlielich durch die Längserregung
eines Teils hervorgerufen. Darüberhinaus setzt
die Entstehung solcher Wellen im Anwendungsbereich
von Ultraschall asymmetrische Massenverhältnisse voraus.
In dem Bereich, mit dem wir uns befassen, bringt
diese Wellenart erhebliche Probleme mit sich. Wie in
Abb. 10.43c dargestellt, werden an der Oberfläche des
benutzten Mediums Bereiche geschaffen, die hohen
Druckbelastungen ausgesetzt sind; es treten auch Bereiche
hoher Zugspannung auf, was bedeutet, daß partielle
Kräfte hoher Intensität erzeugt werden.
Übrigens werden bei der Übertragung der Ultraschallwellen
vom Wandler zur Sonotrode durch diese Wellen reziproke
Schwingungen vom piezoelektrischen Keramikinstrument
zum Wandler hervorgerufen, die zur Zerstörung der Piezoelemente
führen können.
Bei der Konstruktion von Sonotroden sollten diese Gegebenheiten
und die Unterdrückung zirkular polarisierter Wellen
sorgfältig beachtet werden.
Beim Schweißvorgang setzt die wirksame Verwendung der
Ultraschallenergie voraus, daß eine bestimmte Menge örtlich
begrenzter molekulärer Reibungswärme erzeugt wird, um
absichtlich eine gewisse «Ermüdung» der Werkstoffschicht
an der Nahtstelle oder Berührungsfläche zwischen den zu
verschweißenden Kunststoffteilen hervorzurufen.
Während des Schweißens wird in den zu verschweißenden Teilen
durchgängig Wärme erzeugt. Abb. 10.44 illustriert einen
Versuch, bei dem ein Stab von 10 × 10 mm Durchmesser und
60 mm Länge mit einem flachen Block aus einem ähnlichen
Kunststoff verschweißt wird. Zur Übertragung von Ultraschallschwingungen
auf den Stab wird an dessen oberem Ende ein
Ultraschall-Schweißwerkzeug angebracht.
112
Bewegungsrichtung
der Partikel
Schwingungsrichtung
der
Partikel
B A B A B A
(b)
�
(a)
Fortpflanzungsrichtung
der Wellen
�
Fortpflanzungsrichtung
der Wellen
Wellenlänge Bewegungsrichtung
der Partikel
�
(c)
Fortpflanzungsrichtung der Wellen
Abb. 10.43 a. Längswelle – b. Transversalwelle – c. Zirkularwelle
Der Block ruht auf einer festen Unterlage, die als Reflektor für
die Schallwellen dient, die durch den Stab und den Block wandern.
An verschiedenen Punkten entlang des Stabes werden
Thermoelemente angebracht. Ultraschall-Schwingungen werden
5 Sekunden lang zur Anwendung gebracht. Das Diagramm
zeigt die zeitabhängige Temperaturänderung an den 5 Meßpunkten
entlang des Stabes. Die höchsten Temperaturen sind
an der Berührungsfläche zwischen Schweißwerkzeug und Stab
sowie an der Berührungsfläche zwischen Stab und Block anzutreffen,
sie treten jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten auf.
Wenn an der Berührungsfläche zwischen den Teilen genügend
Wärme erzeugt wird, kommt es zur Erweichung und zum
Schmelzen der Kontaktflächen. Unter Druck entsteht eine
Schweißnaht.
Schweißgeräte
Die zum Ultraschallschweißen erforderlichen Geräte sind im
Vergleich zu der Ausrüstung, die für andere Schweißverfahren
wie Reibschweißen oder Heizelementschweißen benötigt
wird, relativ aufwendig und kompliziert. Zu einem kompletten
System gehören ein elektrischer Hochfrequenzgenerator,
Zeitsteuerungen, ein Wandler, der elektrische Energie in
mechanische Schwingungen umsetzt, eine Sonotrode und
eine – gegebenenfalls automatisierte – Haltevorrichtung
für die zu verschweißenden Teile.
a. Hochfrequenzgenerator
Bei den meisten handelsüblichen Geräten erzeugt die Generatoreinheit
eine Ausgangsfrequenz von 20 kHz mit einer
durchschnittlichen Nennleistung, die zwischen einigen hundert
und über tausend Watt liegen kann. In neuerer Zeit hergestellte
Generatoren sind volltransistoriert, arbeiten mit
niederigeren Spannungen als die früheren Röhrengeräte und
weisen Impedanzen auf, die denen der gebräuchlichsten
Wandler, die an den Generatorausgang angeschlossen werden,
recht nahe kommen.
b. Wandler
Die zum Ultraschallschweißen verwendeten Wandler sind
elektromechanische Vorrichtungen, die dazu dienen, hochfrequente
elektrische Impulse entweder nach dem piezoelektrischen
oder aber nach dem magnetostriktiven Prinzip in
hochfrequente mechanische Schwingungen umzuwandeln.
Piezoelektrische Werkstoffe ändern ihre Länge, wenn eine
elektrische Spannung angelegt wird. Sie können eine Kraft
auf alles ausüben, was sie daran zu hindern sucht, ihre
Abmessungen zu verändern – so zum Beispiel die Trägheit
einer an das piezoelektrische Material angrenzenden Masse.
c. Sonotrode
An den Ausgang des Wandlers wird eine Sonotrode angeschlossen.
Diese Sonotrode hat zwei Funktionen:
a. sie überträgt die Ultraschall-Schwingungen auf die zu
verschweißenden Teile;
b. sie erzeugt den Druck, der erforderlich ist, um eine
Schweißnaht zu bilden, sobald die Berührungsflächen
geschmolzen sind.

Sonotrode
15 15 15 15
Reflektor
(a)
N 1
N 2
N 3
N 4
N 5
Temperature, Temperatur, °C °C
200
100
0
20
t, s
(b)
Die Kunststoffteile stellen für den Wandler eine «Last» oder
Impedanz dar. Die Sonotrode dient zur Anpassung des Wandlers
an diese Last und wird deshalb manchmal auch als Impedanz-Anpassungstransformator
bezeichnet. Die Anpassung
erfolgt durch Vergrößerung der Amplitude (und damit auch
der Geschwindigkeit) der vom Wandler erzeugten Schwingungen.
Als Maß für die Verstärkung kann die Gesamtbewegung
oder doppelte Amplitude des Wandlerausgangs beispielsweise
ungefähr 0,013 mm betragen, während die für
den Schweißbereich geeigneten Schwingungen von 0,05 bis
0,15 mm reichen können. Die Verstärkung oder der «Gewinn»
ist einer der für die Konstruktion von Sonotroden ausschlaggebenden
Faktoren. Einige typische Sonotroden sind in
Abb. 10.45 dargestellt.
Sonotroden mit stufenförmigem, konischem, Exponential-,
Katenoid- oder Fourier-Profil und relativer Angabe der
Schwingungsamplitude (bzw. -geschwindigkeit) und der
sich daraus ergebenden Spannungsverteilung entlang des
Sonotrodenkörpers können an den «Spannungsbäuchen»,
die an den Enden eines jeden Halbwellen-Elements auftreten,
vgl. Abb. 10.46, kaskadenartig miteinander verbunden
werden.
Derart gekoppelte Sonotroden verstärken die Schwingungsamplitude
der letzten in Serie geschalteten Sonotrode (oder
schwächen sie ab, soweit erwünscht). Eine solche Anordnung
ist in Abb. 10.47 dargestellt. Die mittlere, zwischen
Wandler und Schweiß-Sonotroden angeordnete Sonotrode
wird üblicherweise als Booster bezeichnet und stellt eine
bequeme Methode dar, die Amplitude zu verändern, die
eine wichtige Variable beim Ultraschallschweißen
darstellt.
p
5
2
4
3
1
10
Schweißnaht
Temperature, Temperatur, °C °C
250
200
140
100
l, mm
30 40 0 15 30 45 60
Thermoelemente
N 1 N 2 N 3 N 4 N 5
(c)
Sonotroden
p
Reflektor
Abb. 10.44 Temperaturunterschiede entlang einem Kunststoffstab, der T-förmig durch Ultraschall mit einer Platte aus dem gleichen Werkstoff
verschweißt wurde. a. Schematische Darstellung des Wandlers, der zu verschweißenden Stücke und der Thermoelemente.
b. Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zeit an verschiedenen Punkten entlang des Stabes. c. Abgelesene Temperaturwerte
bei anliegender maximaler Schweißtemperatur (gestrichelte Linie) und im Stab erzeugte Spitzentemperaturen (durchgezogene Linie).
Bei der Kopplung von Sonotroden ist sorgfältig darauf zu achten,
daß die Schweiß-Sonotrode beim Betrieb nicht überlastet
wird, was zu ihrer Zerstörung infolge Ermüdung führt.
Einige Sonotroden-Werkstoffe sind anderen darin überlegen,
große Bewegungen ohne Zerstörung zu überstehen. Hochleistungs-Titanlegierungen
stehen insoweit an erster Stelle.
Andere geeignete Werkstoffe für Sonotroden sind Monel-
Metall, Edelstahl und Aluminium. Sonotrodenwerkstoffe
dürfen keine akustische Energie in Wärme umwandeln.
Kupfer, Blei, Nickel und Gußeisen sind als Werkstoffe
für Sonotroden ungeeignet. Die in Abb. 10.46 gezeigten
Sonotrodenkonstruktionen eignen sich nur zum Schweißen
kleinerer Teile aus technischen Kunststoffen von DuPont.
Abb. 10.45 Typische Sonotroden
240
113

Teile aus Werkstoffen wie Polystyrol mit einer Gesamtgröße,
die größer ist als der Endbereich einer Sonotrode, können
mit «Punkt»-Sonotroden verschweißt werden, wie sie in
Abb. 10.45 gezeigt sind.
Zum Verschweißen größerer Einzelteile aus technischen
Kunststoffen von Du Pont, deren Durchmesser 25 mm übersteigt,
sollte die Form des Sonotrodenendes der Auslegung
der Schweißverbindung entsprechen. Stab- und Hohlsonotroden,
wie sie in Abb. 10.47 dargestellt sind, eignen sich zum
Schweißen größerer rechteckiger bzw. kreisförmiger Stücke.
Weitere Einzelheiten dieser wichtigen Beziehung zwischen
der Konstruktion der Teile und der Gestaltung der Sonotrode
werden im Abschnitt Konstruktive Überlegungen ausführlicher
erörtert.
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Wandlereinheit
Booster-
Sonotrode
Schweißsonotrode
114
a.
b.
c.
A
N
A
N
A
A
A
Länge (mm)
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Abb. 10.46 Folgende Sonotrodenprofile dienen der Verstärkung der
Wandlerausgangsleitung: a. stufenförmig. b. konisch.
c. exponential. d. Katenoid. e. Fourier. Die Änderung der
Partikelgeschwindigkeit und der Spannung entlang der
Sonotrode ist unter dem jeweiligen Profil graphisch
dargestellt.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
25 µm � 0 � 25 µm
700 bars � � 700 bars
Abb. 10.47 Konische oder stufenförmige Sonotroden können kaskadenförmig
gekoppelt werden, um eine höhere Verstärkung
zu erzielen. Die Abbildung zeigt die Meßwerte
der Amplitude und der Spannung an verschiedenen
Punkten entlang des Systems. Schwingungsknoten und
Schwingungsbäuche treten jeweils an den mit N und A
gekennzeichneten Punkten auf.
d.
e.
�
Die Breite oder der Durchmesser stabförmiger oder hohler
Sonotroden ist in vielen Fällen auf Abmessungen beschränkt,
die 1 /4 der Wellenlänge des Ultraschalls im Sonotrodenwerkstoff
nicht übersteigen. Wenn die Breite einer Sonotrode diesen
Grenzwert überschreitet, werden seitliche Schwingungskomponenten
in der Sonotrode angeregt. Dadurch verringert sich
der Wirkungsgrad der Sonotrode. Für Titan-Sonotroden mit
Standard-Konstruktionen stellen Breiten von 65 bis 75 mm
die Obergrenze dar. Größere Sonotroden können mit Einkerbungen
hergestellt werden, durch die seitliche Abmessungen
von mehr als 1 /4 der Wellenlänge unterbrochen werden.
Große Teile können auch mit mehreren zusammengefaßten
Sonotroden verschweißt werden. Eine Methode besteht
darin, mehrere mit je einem Wandler versehene Sonotroden
gleichzeitig aus einzelnen Generatoren oder der Reihe nach
aus einem Generator zu speisen. Bei einer anderen Methode
wird eine Gruppe von Sonotroden an einen einzigen Wandler
angeschlossen, der, sobald er eingeschaltet wird, sämtliche
Sonotroden gleichzeitig erregt.
Wirksames Schweißen setzt voraus, daß die Sonotroden eine
Resonanzfrequenz aufweisen, die der Nennfrequenz des
Schweißgerätes von 20 kHz sehr nahe kommt. Deshalb stimmen
die Hersteller von Schweißgeräten die Sonotroden
elektronisch ab, indem sie minimale Veränderungen der Sonotrodenabmessungen
vornehmen, um ein optimales Leistungsverhalten
zu erzielen. Einfache stufenförmige Sonotroden aus
Aluminium lassen sich zwar ohne Schwierigkeiten im Labor
herstellen, um damit Prototypen von Schweißnähten auszuwerten;
solche Sonotroden versagen aber rasch infolge Ermüdung,
werden leicht schartig oder beschädigt und hinterlassen
häufig Spuren auf den verschweißten Teilen. Deshalb sollten
der Entwurf und die Anfertigung komplexer Sonotroden, oder
Sonotroden aus speziellen Werkstoffen, solchen Geräteherstellern
überlassen werden, die über die notwendigen Erfahrungen
und Kenntnisse für die analytische und empirische Konstruktion
von Sonotroden verfügen.
d. Haltevorrichtung
Haltevorrichtungen, mit denen die Teile ausgerichtet und
während des Schweißens festgehalten werden, sind ein wichtiger
Bestandteil des Schweißgerätes. Die Teile müssen zum
Ende der Sonotrode so ausgerichtet und fixiert werden, daß
während des Schweißvorganges ein gleichmäßiger Druck zwischen
den Teilen aufrechterhalten wird. Wenn das untere der
beiden zu verschweißenden Teile einfach auf den Schweißtisch
gelegt wird, können beide Teile während des Schweißens
unter der Sonotrode fortgleiten. Hochfrequente Schwingungen
verringern die Wirkung von Reibungskräften, die die Teile
unter normalen Umständen festhalten würden. Eine typische
Haltevorrichtung ist in Abb. 10.48 dargestellt.
Die am häufigsten verwendeten Haltevorrichtungen sind so
ausgebildet, daß sie das untere der zu verschweißenden Teile
aufnehmen und in der gewünschten Position sicher festhalten.
Die Frage, ob ein Teil während des Schweißens so gut
wie unbeweglich gehalten werden muß, ist bis heute noch
nicht durch geeignete, kontrollierte Versuche geklärt worden.
Einwandfreie Verschweißungen sind sowohl in Fällen
beobachtet worden, in denen die Teile positioniert wurden,
aber frei schwingen konnten, als auch in Fällen, in denen
die Teile starr eingeklemmt waren.

Abb. 10.48 Haltevorrichtung
Sonotrode
Kunststoffteile
Haltevorrichtung
Luftdruck-Auswurfvorrichtung
(beliebig)
Die Haltevorrichtung sollte starr sein, so daß sich eine relative
Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Amboß entwickelt
und die Bewegungsenergie auf diese Weise auf das
Kunststoffmaterial übertragen wird. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß man den Amboß kurz und massiv gestaltet oder
aber auf ein Viertel der Wellenlänge abstimmt. Probleme können
auftauchen, wenn der Anwender den Amboß ungewollt so
bemißt, daß seine Länge der halben Wellenlänge entspricht, so
daß er bei oder nahe bei 20 kHz in Resonanz gerät. Dies würde
bewirken, daß der Amboß sich im Takt mit der Sonotrode
bewegen kann und die dem Teil zugeführte Energie auf diese
Weise entscheidend reduziert wird. Wenn seine Resonanzfrequenz
geringfügig über oder unter 20 kHz liegt, treten unangenehme
kreischende und heulende Geräusche auf, sobald
die beiden Frequenzen sich zu überladen beginnen.
Unterschiedliche Abflachungen oder Wandstärken einiger
Formteile, die andernfalls eine gleichmäßige Verschweißung
verhindern könnten, lassen sich durch Haltevorrichtungen
ausgleichen, die mit elastomerem Material ausgekleidet sind.
Gummistreifen oder gegossener und gehärteter Silikonkautschuk
ermöglichen es, Teile in Haltevorrichtungen unter
normalem statischem Druck auszurichten; unter hochfrequenten
Schwingungen wirken sie jedoch wie starre Begrenzungen.
Eine Gummiauskleidung kann auch dazu beitragen,
unerwünschte Nebenschwingungen zu absorbieren, die häufig
zur Rißbildung oder zum Schmelzen von Teilen an von
der Schweißnaht entfernten Stellen führen. Eine andere
bequeme Vorrichtung zur erstmaligen Ausrichtung der Teile
und der Sonotrode ist ein einstellbarer Tisch, der in einer
zum Ende der Sonotrode parallelen Fläche in zwei Achsen
geneigt werden kann. Statt eines einstellbaren Tisches werden
häufig dünne Unterlegeblöcke verwendet.
Anwendungen mit hohen Produktionsmengen erfordern häufig
die Verwendung automatisierter Geräte zur Handhabung
und Fixierung der Teile. Für kleine Teile werden Rütteltrichter
und Füllrinnen eingesetzt, um die Teile auf einen Karusselltisch
zu befördern, der mit einer Vielzahl von Haltevorrichtungen
zur Fixierung der Teile ausgestattet ist. Nicht
selten werden mehrere Schweißvorgänge an verschiedenen,
aufeinanderfolgenden Positionen des Karusselltisches
ausgeführt.
Konstruktive Überlegungen
Die Konstruktion der Teile ist ein wichtiger Faktor, der häufig
vernachlässigt wird, bis die Werkzeuge zusammengestellt
und die ersten Schweißversuche mit Formteilen unternommen
worden sind.
a. Auslegung der Schweißnaht
Der wohl kritischste Aspekt der Konstruktion von Teilen für
das Ultraschallschweißen ist die Auslegung der Schweißnaht,
insbesondere bei Werkstoffen mit kristalliner Struktur und
hohem Schmelzpunkt, zu denen auch die technischen Kunststoffe
von Du Pont gehören. Für das Schweißen amorpher
Kunststoffe ist die Nahtauslegung weniger kritisch. Es gibt
zwei grundlegende Arten von Schweißnähten, die Schernaht
und die Stumpfschweißnaht.
Schernaht
Die Schernaht ist die beim Ultraschallschweißen bevorzugte
Verbindung. Sie wurde 1967 von Ingenieuren der Abteilung
Technische Kunststoffe von DuPont in Genf entwickelt und
wird seitdem weltweit mit großem Erfolg für die verschiedensten
Anwendungen eingesetzt. Die Grundform einer Schernaht
mit Standardabmessungen ist in den Abbildungen 10.49
und 10.50 dargestellt, vor und nach dem Schweißvorgang.
C E
B
A
B
D
B
Maß A: 0,2 bis 0,4 mm.
Maß B: Dies ist die allgemeine Wanddicke.
Maß C: 0,5 bis 0,8 mm. Diese Aussparung gewährleistet einen genau
passenden Sitz des Deckels.
Maß D: Diese Aussparung sollte vorgesehen werden, um einen guten
Kontakt mit der Sonotrode zu erzielen.
Maß E: Schweißtiefe. Sollte dem 1,25- bis 1,5fachen von B entsprechen,
um maximale Festigkeit der Schweißnaht zu erzielen.
Abb. 10.49 Abmessungen einer Schernaht
Abb. 10.51 zeigt verschiedene Ausführungen dieser Nahtform.
Wichtig ist, daß der anfängliche Kontakt auf einen kleinen
Bereich beschränkt wird, der üblicherweise in einer Vertiefung
oder Stufe eines der beiden zueinander auszurichtenden
Teile besteht. Die Verschweißung erfolgt, indem zunächst
die Berührungsflächen geschmolzen werden; in dem Maße,
in dem die Teile dann aufeinander zugleiten, setzt sich der
Schmelzvorgang entlang den vertikalen Wandungen fort.
Der Schmiereffekt an den beiden Schmelzflächen verhindert
Leck- und Hohlstellen, so daß dies die beste Schweißnaht für
feste, hermetisch abschließende Verbindungen ist.
115

C D
Von allen Schweißnähten erfordert die Schernaht den
geringsten Energieaufwand und die kürzeste Schweißzeit.
Dies beruht auf der geringen anfänglichen Kontaktfläche
und auf dem gleichmäßig fortschreitenden Schweißvorgang
beim Schmelzen des Kunststoffs und dem Zusammengleiten
der Teile. Die an der Nahtstelle erzeugte Wärme bleibt
erhalten, solange die Schwingungen andauern, weil der
geschmolzene Kunststoff während des Zusammengleitens
und Verschmierens nicht mit Luft in Berührung kommt, die
eine zu rasche Abkühlung bewirken würde.
Abb. 10.52 stellt eine Kurve dar, die typische Schweißergebnisse
bei Verwendung von Schernähten veranschaulicht. Sie
stellt das Verhältnis von Schweißzeit und Schweißtiefe bzw.
Festigkeit der Verschweißung dar. Schweißtiefe und Festigkeit
sind einander direkt proportional.
116
Vor dem Schweißen Während des
Schweißens
B
A
B 1
B 1 E
Schweißgrat
Haltevorrichtung
Naht
Abb. 10.50 Ablauf einer Schernahtschweißung
Nach dem
Schweißen
Abb. 10.51 Verschiedene Ausführungen von Schernähten
Brust Berstdruck, pressure, MPa MPa
Depth Schweißtiefe, of weld, mm
4
3
2
1
Abb. 10.52 Schernaht, typische Werte
Schweißgrat
0
0 0,4 0,8
1,2 1,6
100
50
Schweißzeit, Weld time, s
0
0 0,4 0,8
1,2 1,6
Schweißzeit, Weld time, s
Die Festigkeit der Schweißverbindung wird daher durch die
Tiefe des eingetauchten Schweißteils bestimmt, die wiederum
eine Funktion der Schweißzeit und der Konstruktion des Teiles
ist. Die Schweißnähte können stärker als die angrenzenden
Wandungen ausgebildet werden, indem man die Tiefe der
Eintauchung mit der 1,25- bis 1,5fachen Wandstärke bemißt,
um geringe Abweichungen der Formteile aufzufangen (siehe
Maß E in Abb. 10.49).
Verschiedene wichtige Aspekte der Schernaht müssen berücksichtigt
werden: das obere Teil sollte so flach wie möglich
sein, also nur einen Deckel darstellen. Die Wandungen des
unteren Schweißteils müssen an der Schweißnaht durch eine
enge Haltevorrichtung gestützt werden, um ein Ausdehnen
durch den Schweißdruck zu verhindern.
Nicht durchgängige oder qualitativ minderwertige Schweißnähte
entstehen, wenn das obere Teil seitlich verrutscht oder
vom unteren Teil abgleitet, der Rand des oberen Teils sich nach
innen biegt oder die stufenförmige Kontaktfläche zu klein ist.
Deshalb sollte die Passung zwischen den beiden Teilen vor
dem Schweißen so eng wie möglich sein, ohne daß die Teile
jedoch fest sitzen. Abgewandelte Auslegungen der Schweißnaht,
wie sie in Abbildung 10.53 dargestellt sind, sollten für
größere Teile wegen möglicher Maßabweichungen sowie für
Teile, bei denen das Oberteil tief und flexibel ist, in Betracht
gezogen werden. Die Sonotrode muß die Schweißnaht am
Flansch berühren (Nahfeld-Methode).
0,3 mm
Stütze
Abb. 10.53 Schernaht, Variante für große Teile
Abb. 10.54 Schernähte mit Schweißgratspeichern

Bei der Auslegung der Schweißnaht sollte Vorsorge getroffen
werden, daß der beim Schweißen verdrängte geschmolzene
Werkstoff fließen kann. Wenn eine Gratbildung aus ästhetischen
oder funktionellen Gründen vermieden werden muß,
können Schweißgratspeicher in die Schweißnaht integriert
werden, wie dies aus Abb. 10.54 ersichtlich ist.
Stumpfschweißnaht
Die zweite Grundform der Verbindung ist die Stumpfschweißnaht,
die – mit Abwandlungen – in den Abbildungen 10.55,
10.56 und 10.57 dargestellt ist. Von diesen weist die Nut-
und Federverbindung die höchste mechanische Festigkeit
auf. Obwohl die Stumpfschweißnaht recht einfach zu konstruieren
ist, ist es außergewöhnlich schwierig, feste oder
hermetisch schließende Schweißnähte in kristallinen Kunststoffen
zu erzielen. Feste Verbindungen lassen sich dagegen
mit amorphen Kunststoffen erzielen; bei komplexen Teilen
kann es jedoch schwierig werden, hermetische Dichtungen
zu erreichen.
B A
Maß A: 0,4 mm für B-Maße von 1,5 bis 3 mm und entsprechend größer
oder kleiner bei anderen Wandstärken.
Maß B: Allgemeine Wanddicke.
Maß C: Empfohlene Aussparung, um einen genau passenden Sitz des
Deckels zu gewährleisten.
Maß D: Spiel pro Seite 0,05 bis 0,15 mm.
0,5 B
B A 0,5 B
A
0,4 B
B
1,4 B
0,6 B
0,6 B
0,6 B
Maß A: 0,4 mm für B-Maße von 1,5 bis 3 mm und entsprechend größer
oder kleiner bei anderen Wandstärken.
Maß B: Allgemeine Wanddicke.
Maß C: Empfohlene Aussparung, um einen genau passenden Sitz des
Deckels zu gewährleisten.
B C
Abb. 10.55 Stumpfschweißnaht mit Energieleiter
Abb. 10.56 Nut- und Federverbindung
1,5 B B C
D
10°
90°
10°
60°
Abb. 10.57 Verschiedene Ausführungen von Stumpfschweißnähten
Das Hauptmerkmal der Stumpfschweißnaht ist eine V-förmige
Schweißraupe auf einer der beiden Berührungsflächen, der
sogenannte Energieleiter, welcher die Energie konzentriert
und den anfänglichen Kontakt auf eine sehr kleine Fläche
begrenzt, um eine rasche Erwärmung und ein rasches Schmelzen
zu bewirken. Sobald der schmale Bereich weich zu werden
und zu schmelzen beginnt, sinkt die Impedanz, und der
weitere Schmelzvorgang erfolgt mit höherer Geschwindigkeit.
Der Kunststoff im Energieleiter schmilzt zuerst und verteilt
sich über die zu verschweißenden Flächen. Amorphe Kunststoffe
zeichnen sich durch einen weiten, nicht genau definierten
Erweichungstemperaturbereich statt eines präzisen
Schmelzpunktes aus. Wenn der Kunststoff fließt, behält die
Schmelze genügend Wärme, um eine gute Verschweißung
über die gesamte Breite der Schweißnaht hervorzurufen.
DELRIN ® , ZYTEL ® , MINLON ® und RYNITE ® sind kristalline
Kunststoffe ohne Erweichung vor dem Schmelzen und einem
genau definierten Schmelzpunkt; sie verhalten sich anders
als amorphe Kunststoffe. Wenn der Energieleiter schmilzt
und über die Berührungsflächen fließt, kann die der Luft
ausgesetzte Schmelze kristallisieren, bevor genügend Wärme
erzeugt ist, um die volle Breite der Naht zu verschweißen. Es
ist daher erforderlich, die gesamte Kontaktfläche zu schmelzen,
bevor eine nennenswerte Festigkeit erzielt werden kann.
(Im Falle von ZYTEL ® kann der Kontakt der erhitzten
Schmelze mit der Luft zu oxidativem Abbau führen, der
spröde Schweißverbindungen zur Folge hat.) Diese Phase
des Schweißzyklus ist sehr lang, wie aus Abbildungen 10.58
und 10.59 ersichtlich ist, in denen Kurven abgebildet sind,
die typische Schweißsequenzen für Teile aus DELRIN ® und
ZYTEL ® bei Verwendung der Grundform der Stumpfschweißnaht
darstellen.
Brust Berstdruck, pressure, MPa
MPa
15
12,5
10
7,5
5
2,5
DELRIN® 500 und 900F
DELRIN® 100
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Schweißzeit, s Weld time, s
Abb. 10.58 Leistungsmerkmale von Stumpfschweißnähten.
Berstdruck in Abhängigkeit von der Schweißzeit
117

Die gestrichelten Linien geben die Schweißzeit an, bei der
übermäßig viel Schweißgrat auftritt. Dieser Schweißgrat stellt
einen einschränkenden Faktor für die meisten Anwendungen
dar. Bei Überschreitung dieser Zeit fallen die Ergebnisse
äußerst unterschiedlich aus, vor allem bei ZYTEL ® .
b. Gestaltung der Teile
Der Einfluß der allgemeinen Gestaltung der Teile auf das
Ultraschallschweißen ist noch nicht abschließend geklärt.
Einige allgemeingültige Regeln für die Konstruktion von
Teilen und ihren Einfluß auf das Schweißergebnis lassen
sich jedoch aufstellen.
Die Festlegung der Berührungsfläche der Sonotrode auf das
Teil ist ein sehr wichtiger Aspekt für die Konstruktion der
Teile. Einige hierfür maßgebliche Gesichtspunkte sind bereits
bei den verschiedenen Schweißnahtformen erwähnt worden.
Es gibt zwei Schweißmethoden, die Nahfeld- und die Fernfeldmethode,
die in Abb. 10.60 veranschaulicht sind. Sie
unterscheiden sich durch die Entfernung zwischen der Kontaktstelle
der Sonotrode und der Schweißnaht. Die besten
Ergebnisse werden bei allen Kunststoffen mit der Nahfeldmethode
erzielt. Deshalb sollten Teile nach Möglichkeit so
konstruiert werden, daß die Sonotrode unmittelbar von oben
und so nahe wie möglich an der Schweißnaht auftritt.
118
Brust Berstdruck, pressure, MPa
MPa
12,5
10
7,5
5
2,5
ZYTEL® 101 (trocken)
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Schweißzeit, Weld time, s
Abb. 10.59 Leistungsmerkmale von Stumpfschweißnähten.
Berstdruck in Abhängigkeit von der Schweißzeit
Sonotrode
Nahfeld Fernfeld
Abb. 10.60 Nahfeld- und Fernfeldschweißverfahren
Bei der Fernfeldmethode trifft die Sonotrode in einer größeren
Entfernung von der Schweißnaht auf das obere Teil auf und
überträgt über den Kunststoff die Schwingungen zur Schweißnaht.
Steife, amorphe Kunststoffe übertragen die Ultraschallenergie
sehr gut. Steife Kunststoffe wie DELRIN ® , ZYTEL ® ,
MINLON ® und RYNITE ® weisen eine kristalline Struktur auf. Sie
können Schwingungen ohne nennenswerte Wärmeerzeugung
absorbieren statt sie weiterzuleiten. Es ist daher schwieriger,
sie nach der Fernfeldmethode zu verschweißen.
Weiche Kunststoffe wie zum Beispiel Polyethylen lassen
sich nur mit der Nahfeldmethode verschweißen. Da sie einen
hohen akustischen Dämpfungsfaktor aufweisen, schwächen
sie die Ultraschallschwingungen beim Eintritt in den Werkstoff
stark ab. Bei großer Entfernung der Schweißnaht zur
Sonotrode gelangt die Energie nicht bis zur Schweißnaht.
Der Kunststoff schmilzt stattdessen an der Berührungsfläche
mit der Sonotrode.
Kunststoffe sind schlechte Leiter für Scherwellen. Diese
Tatsache erschwert bei verwickelter Geometrie des oberen
Teils das Schweißen. Schwingungen werden insbesondere
an Krümmungen, Abschrägungen und Unterbrechungen wie
Löchern in der geometrischen Struktur zwischen der Sonotrode
und der Schweißnaht abgeschwächt oder vernichtet.
Solche Konstruktionen sollten vermieden werden.
Um die Fortpflanzung der Schwingungen zu maximieren,
sollten die Teile mit einer ebenen Kontaktfläche für die
Sonotrode konstruiert werden. Diese Oberfläche sollte so
breit wie möglich sein und im Bereich der Schweißnaht keine
Unterbrechungen aufweisen. Unterbrechungen des Kontaktes
der Sonotrode mit dem Teil könnten zu diskontinuierlicher
Verschweißung führen.
Für alle Teile, die mit Ultraschall geschweißt werden, sind
Abrundungen an scharfen Kanten empfehlenswert. Da die
gesamte Struktur der beiden miteinander zu verschweißenden
Teile Schwingungen ausgesetzt ist, treten an scharfen
Innenkanten sehr hohe Belastungen auf.
Dies führt häufig zum Bruch oder zu sporadischem Schmelzen.
Rundungsradien, die auch spritztechnisch und konstruktiv
den allgemein anerkannten technischen Grundregeln entsprechen,
werden empfohlen.
Wegen durchgängiger Schwingungen ist beim Schweißen
von Teilen mit frei abstehenden Profilen und großen Spannweiten
Vorsicht geboten. Die Schwingungen können sich als
stark genug erweisen, um zum Beispiel eine freitragende
Feder, die aus der Wandung eines Teils herausragt, regelrecht
aufzulösen. Maßnahmen wie mit Gummi ausgekleidete
Haltevorrichtungen oder ein an der Sonotrode angebrachter
Gummidämpfer lassen sich zur Verringerung solcher Schwingungen
einsetzen. Dieses Phänomen kann aber auch nutzbringend
angewandt werden: Versuche haben gezeigt, daß
Formteile mit glatter Oberfläche sich rasch von Angüssen
befreien lassen, wenn man die Angußverteiler mit Ultraschall
beaufschlagt.

Maßgebliche Faktoren
für das Ultraschallschweißen
Die wichtigsten Faktoren beim Ultraschallschweißen sind
Schweißzeit, Haltezeit, Druck und Schwingungsamplitude.
a. Schweißzeit
Die Schweißzeit ist die Zeitspanne, während derer Schwingungen
eingesetzt werden. Die richtige Schweißzeit ist für
jede Anwendung durch praktische Versuche zu ermitteln.
Es ist wichtig, ein Überschweißen zu vermeiden. Abgesehen
vom Auftreten übermäßiger Schweißgrate, die eine Nachbearbeitung
erforderlich machen können, können zu lange
Schweißzeiten die Güte der Verschweißung beeinträchtigen
und zu Leckstellen in Teilen führen, die einen hermetischen
Abschluß benötigen. Zudem kann die Sonotrode die Oberfläche
beschädigen. Auch können, wie schon in Abb. 10.44
gezeigt, bei längeren Schweißzeiten andere vom Bereich der
Schweißnaht entfernte Bereiche schmelzen oder brechen,
vor allem im Bereich von Bohrungen, Schweißlinien und
scharfen Kanten.
b. Haltezeit
Als Haltezeit wird die Zeitspanne nach dem Schweißen
bezeichnet, während derer die Teile zusammengehalten
werden, damit sie unter Druck, aber ohne Schwingungen
erhärten können. Sie stellt bei den meisten Anwendungen
keine kritische Größe dar ; 0,3 bis 0,5 Sekunden reichen für
die meisten Anwendungen aus, es sei denn, daß eine innere
Kraft die miteinander verschweißten Teile auseinanderzutreiben
versucht, wie zum Beispiel bei einer Feder, die vor
dem Schweißen zusammengedrückt wurde.
c. Schwingungsamplitude
Die physikalische Amplitude der auf die zu verschweißenden
Teile übertragenen Schwingungen ist eine wichtige Prozeßvariable.
Eine hohe – doppelte – Schwingungsamplitude von
ca. 0,10 bis 0,15 mm ist erforderlich, um eine wirksame und
rasche Energiezufuhr in technische Kunststoffe von DuPont
zu bewirken. Da der zugrundeliegende Wandler seine Energie
mit hohem Druck und geringer Amplitude abgibt, muß die
Amplitude stufenweise erhöht werden, bevor sie zur Spitze
der Sonotrode gelangt. Die Konstruktion der Sonotrode sieht
in der Regel eine Amplitudentransformation vor, die sich daraus
ergibt, daß sich das Profil der Sonotrode stufenförmig
oder konisch bis zu einem schmalen Durchmesser verjüngt.
Wenn die Geometrie der Teile eine große oder kompliziert
geformte Sonotrodenspitze erfordert, ist es unter Umständen
nicht möglich, solch eine Verstärkung in der Sonotrode selbst
zu erzielen. In diesem Fall kann die Verstärkung bei den meisten
handelsüblichen Systemen recht einfach durch Verwendung
eines abgestimmten Zwischenstücks erreicht werden,
das als Booster bezeichnet wird. Booster mit Verstärkungen
bis zu 2,5: 1 sind im Handel erhältlich. Negative Booster bis
zu 0,4: 1 für Sonotroden, deren Amplitude für eine gegebene
Anwendung zu hoch ist, stehen ebenfalls zur Verfügung.
In der Regel werden Booster mit einem Verstärkungsfaktor
von 2: 1 oder 2,5: 1 benötigt; eine Ausnahme bilden Teile,
die so klein sind, daß sie die Verwendung von Sonotroden
mit hoher Verstärkung gestatten.
Eine Vergrößerung der Amplitude verbessert die Güte der
Verschweißung von Teilen mit Schernähten. Auch bei
Stumpfschweißnähten nimmt die Güte der Verschweißung
mit steigender Amplitude zu; zugleich verringert sich die
Schweißzeit.
d. Druck
Der Schweißdruck liefert die statische Kraft, die erforderlich
ist, die Sonotrode mit den Kunststoffteilen mechanisch zu
«koppeln», so daß die Schwingungen auf sie übertragen werden
können. Die gleiche statische Kraft gewährleistet, daß
die Teile unter Druck zusammengehalten werden, wenn der
geschmolzene Werkstoff in der Schweißnaht während der
Haltezeit erhärtet. Die Ermittlung des optimalen Drucks ist
für eine gute Verschweißung von entscheidender Bedeutung.
Ist der Druck zu gering, arbeitet das Gerät wenig effektiv, was
unnötig lange Schweißzyklen zur Folge hat. Ist der Druck hingegen
im Verhältnis zur Amplitude an der Sonotrodenspitze
zu hoch, kann eine Überlastung auftreten, die die Sonotrode
blockiert und die Schwingungen dämpft. Der kumulierte
Amplitudengewinn, der durch den Booster und die Sonotrode
erzielt wird, ist der Lastanpassung vergleichbar, die sich bei
einem Kraftwagen aus dem Übersetzungsverhältnis zwischen
Motor und Antriebsrädern ergibt. Beim Ultraschallschweißen
wird geringer Druck bei einer hohen Amplitude und hoher
Druck bei einer geringen Amplitude benötigt.
Dies zeigt die Kurve in Abbildung 10.61. Sie stellt das Verhältnis
von Schweißeffektivität und Schweißdruck für drei
Amplitudenpegel dar, die durch die angegebenen Booster
erzielt werden. Es gibt mehrere Methoden, die Schweißeffektivität
zu messen; sie werden im nächsten Kapitel ausführlich
behandelt. Über das Verhältnis von Amplitude und
Druck hinaus wird ein weiterer sehr wichtiger Effekt verdeutlicht:
mit zunehmender Amplitude verengt sich der Bereich
geeigneten Drucks. Deshalb ist die Ermittlung des optimalen
Drucks von allerhöchster Bedeutung, wenn hohe Amplituden
eingesetzt werden.
Schweißleistung
Booster 2 : 1
Booster 1,5 : 1
Schweißdruck
ohne Booster
Abb. 10.61 Schweißleistung in Abhängigkeit von Amplitude
und Druck
119

Anleitung zum Einsatz der Ausrüstung
Eine einwandfreie Arbeitsweise des Schweißgerätes ist
ausschlaggebend für den Erfolg des Ultraschallschweißens.
Die folgenden Hinweise sollen als Leitfaden für den Einsatz
von Ultraschall-Schweißgeräten in Verbindung mit technischen
Kunststoffen von DuPont dienen.
a. Aufbau eines Ultraschall-Schweißgerätes
Installation der Sonotrode
Der Wandler, die Sonotrode und (sofern erforderlich) der
Booster müssen fest miteinander verschraubt werden, um eine
wirksame Übertragung der Schwingungen vom Wandler auf
die Teile sicherzustellen. Die Endflächen des Wandlerausgangs
und der Sonotroden sind üblicherweise bis auf wenige Mikrons
plangeschliffen. Um jedoch eine wirksame Kopplung sicherzustellen,
wird schweres Silikonfett oder eine 0,05 bis 0,08 mm
dünne Messing- oder Kupferunterlegscheibe zwischen den
Sonotroden eingesetzt. Zum Festziehen der Sonotroden werden
lange Schraubenschlüssel benutzt. Es ist sorgfältig darauf
zu achten, daß beim Festziehen das Ausgangsende des Wandlers
nicht verdreht wird. Ein solches Verdrehen könnte zum
Abriß der Anschlußdrähte des Wandlers führen.
Ist die Sonotrode installiert, muß der Hochfrequenzgenerator
bei manchen Schweißgeräten von Hand abgestimmt werden.
Durch geringfügige, aber wichtige Veränderungen der Generatorfrequenz
wird eine genaue Abgleichung mit der Resonanzfrequenz
der Sonotrode erzielt. Einige Schweißgeräte nehmen
diesen Feinabgleich automatisch vor. Die Bedienungsanleitungen
der jeweiligen Schweißgeräte sollten eine Beschreibung
der erforderlichen Abgleichprozedur enthalten. Diese Abgleichung
muß stets bei einer Auswechslung einer Sonotrode oder
eines Boosters neu vorgenommen werden.
Ist die Schwingungsamplitude einer Sonotrode unbekannt,
kann sie relativ einfach entweder mit einem Mikroskop oder
mit einer Skalenlehre ermittelt werden. Ein Booster sollte
nicht verwendet werden, wenn allein die Amplitude der
Sonotrode ermittelt werden soll. Ein Mikroskop mit einer
Vergrößerung von 100× und einem geeichten Fadenkreuz im
Okular eignet sich für optische Messungen. In der Vergrößerung
sieht die geschliffene Oberfläche der Sonotrode wie
eine Landschaft aus hellen und dunklen Höhen und Tälern
aus. Schwingt die Sonotrode, verschwimmt eine solche Spitze
zu einem Streifen. Die Länge dieses Streifens entspricht der
doppelten Amplitude bzw. der Gesamtablenkung des Endes
der Sonotrode nach oben und unten.
Eine Maschinenschlosser-Skalenlehre kann ebenfalls Verwendung
finden, um die einfache Amplitude bzw. die halbe Bewegung
der Sonotrode zu messen. Die Skalenlehre wird so angebracht,
daß eine ihrer Spitzen die untere Fläche der Sonotrode
berührt, und zwar dergestalt, daß die Spitze sich in vertikaler
Richtung bewegt. Bei stillstehender Sonotrode wird die Skalenlehre
auf Null eingestellt. Wenn die Sonotrode schwingt,
lenkt sie die Spitze der Skalenlehre nach unten ab. Da die
Skalenlehre der schnellen Bewegung der Sonotrode nicht zu
folgen vermag, verharrt ihre Spitze in dieser unteren Position
und mißt auf diese Weise exakt die Halbwellenamplitude der
Sonotrode. Diese Messungen werden vorgenommen, ohne
daß die Sonotrode ein Teil verschweißt.
120
Obwohl die Schwingungsamplitude unter maximalem Schweißdruck
etwas reduziert wird, stellt die «im Leerlauf» gemessene
Amplitude immer noch ein brauchbares Maß für diesen wichtigen
Schweißparameter dar.
Ausrichtung des Teils und der Haltevorrichtung
Die Teile, die Haltevorrichtung und die Sonotrode müssen
so ausgerichtet sein, daß der Druck und die Schwingungen
gleichförmig und reproduzierbar wirksam werden. Wie schon
aus Abb. 10.41 ersichtlich, wird der Ultraschallwandler an
einem Stativ befestigt. Das Wandleraggregat gleitet an der
Stativsäule auf und ab und wird durch einen pneumatischen
Zylinder bewegt. Wenn der Druck verringert wird, läßt sich
die Wandlereinheit leicht von Hand heben und senken. Sobald
die zu verschweissenden Teile sich in einer geeigneten Haltevorrichtung
befinden, wird die Sonotrode von Hand heruntergezogen,
während die Haltevorrichtung positioniert und arretiert
wird.
Die Ausrichtung der Teile und der Haltevorrichtung in einer
zur Endfläche der Sonotrode parallelen Ebene kann auf
verschiedene Weise erreicht werden. Eine Methode besteht
darin, ein Blatt unbenutztes Kohlepapier mit der Schichtseite
auf ein Blatt Schreibpapier und beide Blätter sodann zwischen
die Sonotrode und die zu verschweissenden Teile zu
legen. Die «Schweißzeit» wird auf den geringstmöglichen
Wert eingestellt. Vibriert die Sonotrode gegen die Teile,
bildet sich ein Abdruck auf dem Schreibpapier, dessen unterschiedliche
Schwärzung die Druckunterschiede anzeigt.
Diese Methode kann sowohl bei Scher- als auch bei Stumpfschweißnähten
angewandt werden.
Die Parallelausrichtung ist bei Schernähten weniger kritisch
als bei Stumpfschweißnähten. Wegen der Tiefe der Schweißnaht
beeinflussen kleinere Abweichungen weder die Festigkeit
noch die Dichteigenschaften der Schweißnaht. Aus dem
gleichen Grunde kann bei dieser Schweißnaht ein größeres
Ausmaß konkaver oder konvexer Verformung der Teile
hingenommen werden. Die Parallelausrichtung gewinnt
jedoch an Bedeutung, je kritischer die Dimensionen der zu
verschweißenden Teile sind.
Für Stumpfschweißnähte kann eine andere Technik angewandt
werden. Zunächst wird die Schweißzeit so eingestellt, daß
das Schweißgerät an der Nahtstelle der Teile einen geringen
Schweißgrat hervorruft. Die Haltevorrichtung wird dann
anschließend so eingestellt oder mit Einlegekeilen versehen,
daß ein gleichmäßiger Grat rund um die Schweißnaht entsteht.
Alle Schweißmaschinen verfügen über eine Vorrichtung,
mit der die Höhe der Wandlereinheit über dem Arbeitstisch
variiert werden kann. Die Höhe ist so einzustellen, daß die
Abwärtsbewegung der Wandlereinheit geringer ist als die
mit der Schweißmaschine erreichbare maximale Höhendifferenz,
da andernfalls während des Schweißvorgangs ein ungenügender
oder fehlerhafter Druck auftreten würde.
Bei einigen Schweißmaschinen ist ein Auslöseschalter zu
betätigen, sobald die Sonotroden installiert und die Teile
und die Haltevorrichtung ausgerichtet sind. Ein solcher
Auslöseschalter schließt den Stromkreis, der dem Wandler
Energie zuführt, und startet zugleich die Zeitsteuerung für
die Schweißzeit.

Der Auslöseschalter ist so einzustellen, daß die Maschine kurz
vor Berührung der Sonotrode mit den zu verschweißenden
Teilen eingeschaltet wird. Versucht man die Maschine unter
vollem Druck zu starten, könnte das System blockieren. Die
meisten modernen Schweißmaschinen werden durch einen
auf Druck reagierenden Schalter aktiviert, so daß die Höheneinstellung
eines Auslöseschalters nicht mehr erforderlich ist.
b. Optimierung des Schweißzyklus
Amplitude, Schweißdruck und Schweißzeit sind für jede
Anwendung einzustellen und zu optimieren. Jede Variable
wird einzeln untersucht, indem mehrere Teile bei einer Reihe
verschiedener Einstellungen geschweißt werden, wobei alle
anderen Variablen konstant gehalten werden. Die Ergebnisse
einer jeden Schweißung werden gemessen und aufgezeichnet
und daraus der optimale Wert ermittelt.
Es gibt mehrere Maßstäbe für die Schweißqualität oder
Schweißeffektivität, die zur Optimierung der Schweißbedingungen
benutzt werden können. Dazu gehören Messungen
der Schweißtiefe (bei Schernähten), physikalische Tests an
geschweißten Teilen wie z.B. die Bruch- oder Reißfestigkeit
sowie die Kontrolle der Belastung des Hochfrequenzgenerators
oder der Einsatz von Leistungsmeßgeräten. Für welchen
Maßstab man sich entscheidet, wird von den Anforderungen
abhängen, die durch den Verwendungszweck der Teile vorgegeben
sind.
Kommt es auf größtmögliche Genauigkeit an, sollten physikalische
Tests in Betracht gezogen werden. Dies gilt insbesondere
für unter Druck stehende Behälter wie Tanks von
Gasfeuerzeugen und Aerosolbehälter, bei denen Berstfestigkeitstests
von ausschlaggebender Bedeutung sind. Diese
Tests sind zeitaufwendig sowie arbeitsintensiv und sollten
daher nur bei Bedarf durchgeführt werden.
Die Tiefe der Schweißnaht (oder Differenzhöhe der verschweißten
Teile) kann beim Schweißen von Schernähten
gemessen werden. Dies ist eine weniger kostspielige und
zeitaufwendige Methode, die hinreichend genau ist, um die
Bedingungen zu optimieren. Zwischen Schweißtiefe und
Festigkeit der Schweißung ist eine ausgezeichnete Korrelation
festgestellt worden.
Die meisten Hochfrequenzgeneratoren sind mit Leistungsmeßgeräten
ausgestattet, die Aufschluß über die Effektivität
der Schweißung geben können. Den Ausschlag dieses Meßgerätes
während des Schweißens zu beobachten ist eine einfache
Technik, die allerdings die geringste Genauigkeit liefert.
Druck und Amplitude
Der erste Schritt zur Optimierung der Bedingungen besteht
darin, eine Kombination von Sonotrode und Booster oder
Kopplungszwischenstück auszuwählen, die die erforderliche
Amplitude (doppelte Amplitude) liefert. Es ist hilfreich, aber
nicht unbedingt erforderlich, die spezifische Amplitude der
Sonotrode oder der Sonotrodenkombination zu kennen.
Um die optimalen Druck- und Amplitudenbedingungen zu
ermitteln, sollte die Schweißzeit konstant gehalten werden. Für
Schernähte wird eine relativ kurze Zeit (0,03 bis 0,6 Sekunden)
empfohlen. Für Stumpfschweißnähte empfiehlt sich eine lange
Schweißzeit. Die Haltezeit sollte ebenfalls konstant gehalten
werden.
Sie stellt eine unkritische Variable dar. Der gleiche Wert
kann für alle Schweißungen während der Einstell- und der
Produktionsphase benutzt werden.
Eine Reihe von Teilen wird bei unterschiedlichen Schweißdruck-Einstellungen,
zum Beispiel 0,15 - 0,20 - 0,25 - 0,30 -
0,35 MPa verschweißt. Die Werte für die Schweißeffektivität
(Leistungsmessung, Schweißtiefenmessung oder physikalische
Testmethode) können wie aus Abb. 10.61 ersichtlich
grafisch aufgezeichnet werden, um den optimalen Druck für
die ausgewählte Amplitude zu ermitteln. Unter realen Bedingungen
wird die grafische Darstellung keine Kurve ergeben,
sondern ein schmales Band, das einen Streubereich der Werte
darstellt. Der optimale Druck wird durch den höchsten und
am schärfsten definierten Bereich der Werte bestimmt. Um
den optimalen Druck noch genauer einzugrenzen, ist es empfehlenswert,
weitere Probestücke im Bereich dieser Druckwerte
zu verschweißen. Liegt der Spitzenwert zum Beispiel
zwischen 0,15 und 0,25 MPa, sollten zusätzlich Proben bei
0,18 und 0,22 MPa verschweißt werden.
Die optimale Amplitude wird ermittelt, indem man die vorstehenden
Schritte wiederholt und dabei Amplituden einsetzt,
die größer bzw. geringer als die Ausgangsamplitude sind.
Dies läßt sich am einfachsten durch Auswechseln der Booster
erreichen. Bestehen zwischen den Spitzenwerten verschiedener
Amplituden geringe oder keine Unterschiede (was der Fall
sein kann, wenn bei Schernähten die Schweißtiefe gemessen
wird), wählen Sie die höchste Amplitude.
Schweißzeit
Die richtige Schweißzeit ist die letzte Einstellung, die zu
ermitteln ist. Unter Verwendung der ausgewählten Amplitude
und des für diese Amplitude optimalen Drucks werden die
Teile bei Schweißzeit-Einstellungen geschweißt, die höher
bzw. niedriger als der ursprüngliche Wert sind, bis die erforderliche
Schweißtiefe, Festigkeit der Schweißnaht oder das
erwünschte Aussehen erzielt wird.
Für die Auswahl der Schweißbedingungen ist häufig das Aussehen
der Teile wichtig. In vielen Fällen läßt sich eine hohe
Festigkeit aber nicht ohne die Bildung sichtbarer äußerer
Schweißgrate erzielen, es sei denn, daß man Schweißgratspeicher
in die Naht einkonstruiert (siehe den Abschnitt über die
Auslegung von Schweißnähten). Bei manchen Anwendungen
kann ein mechanisches Abgraten erforderlich werden.
Das Verfahren zur Optimierung der Schweißbedingungen
läßt sich anhand von Erfahrungen mit früheren Schweißanwendungen
erheblich verkürzen.
Schweißergebnisse
a. Einfluß von Materialeigenschaften
Die Eigenschaften der Kunststoffe beeinflussen den Erfolg
des Ultraschallschweißens. Eigenschaften, die für die Auswahl
des Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung den
Ausschlag geben, erschweren häufig das Schweißen, wie
zum Beispiel hohe Schmelztemperaturen oder Kristallinität.
Die Steifheit des zu verschweißenden Materials ist eine
wichtige Eigenschaft, die durch die Temperatur und Feuchtigkeit
der Umgebung beeinflußt werden kann.
121

Von noch größerer Bedeutung sind die Einflüße von Pigmenten,
Formentrennmitteln, Glasfaserzusätzen und Verstärkungsmitteln.
DELRIN ® Polyacetale
DELRIN ® ist ein hochkristalliner Kunststoff mit einem hohen,
scharf definierten Schmelzpunkt sowie hoher Festigkeit, Härte
und Steifheit bei höheren Temperaturen. Von den beiden
DELRIN ® -Einstellungen mit unterschiedlichen Fließeigenschaften
lassen sich Teile aus DELRIN ® 500 leichter schweißen als
Teile aus DELRIN ® 100, das eine höhere Viskosität der Schmelze
aufweist. Der Unterschied ist bei der Schernaht sehr gering,
bei der Stumpfschweißnaht aber ausgeprägter. DELRIN ® 570,
eine glasfaserverstärkte Einstellung, eignet sich ebenfalls
zum Ultraschallschweißen. Gleitmittel und Pigmente beeinträchtigen
die Schweißung, wie nachstehend erörtert wird.
Höhere Luftfeuchtigkeit scheint das Verschweißen von Teilen
aus DELRIN ® hingegen nicht zu beeinträchtigen.
ZYTEL ® Polyamide
ZYTEL ® Polyamide sind ebenfalls kristalline Kunststoffe mit
hohen Schmelzpunkten. Bei den verschiedenen Familien von
ZYTEL ® Kunststoffen sind unterschiedliche Schweißergebnisse
beobachtet worden. Teile aus ZYTEL ® 101 und anderen
6.6 Grundpolyamiden lassen sich ebenso einfach verschweißen
wie Teile aus DELRIN ® . Eine zusätzliche Voraussetzung ist
allerdings, daß sich die Teile in «spritztrockenem» Zustand
befinden. Der Einfluß von Feuchtigkeit auf das Schweißen von
Teilen aus ZYTEL ® wird nachstehend eingehender erörtert.
Formteile aus ZYTEL ® 408 und anderen modifizierten 6.6 Polyamiden
lassen sich ebenfalls mit Ultraschall verschweißen,
allerdings etwas schwieriger als ZYTEL ® 101. Die etwas
geringere Steifheit dieser Kunststoffe kann einige Probleme
in Gestalt von Oberflächenbeschädigungen und Gratbildung
unter der Sonotrode mit sich bringen.
Infolge der geringen Steifheit auch in spritztrockenem Zustand
lassen sich aus ZYTEL ® 151 und anderen aus 612 Polyamiden
gespritzte Teile etwas schwieriger als ZYTEL ® 101 schweißen.
Da diese Kunststoffe sich durch ihre sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme
auszeichnen, ist es – von besonders kritischen
Anwendungen abgesehen – nicht erforderlich, die Teile vor
dem Schweißen zu trocknen oder trocken zu halten.
Teile aus glasfaserverstärktem ZYTEL ® Polyamid können
ebenfalls mit Ultraschall verschweißt werden; manchmal
sogar einfacher als unverstärktes Material. Mit Kunststoffen
aus den ZYTEL ® -Serien 79G und 70G lassen sich beim
Schweißen nur Festigkeiten erzielen, die denen des zugrundeliegenden
unverstärkten Kunststoffs entsprechen, weil an
der Schweißnaht keine Glasfaserverstärkung wirksam wird.
Wenn die Festigkeit der Schweißnaht derjenigen des verstärkten
Kunststoffs entsprechen muß, ist es daher erforderlich,
den Nahtbereich im Verhältnis zur Wandstärke zu vergrößern.
Dies läßt sich mit der Schernaht leicht erreichen.
Von allen glasfaserverstärkten ZYTEL ® Kunststoffen läßt sich
ZYTEL ® 79G13 am schwierigsten verschweißen. Bei einem
Glasfaseranteil von 13% können immer noch übermäßige
Oberflächenbeschädigungen und Schweißgrate unter der
Sonotrode auftreten.
122
MINLON ® thermoplastische Konstruktionswerkstoffe
Die vorgehenden Anmerkungen zu glasfaserverstärktem
ZYTEL ® gelten auch für MINLON ® , da die Grundmaterialien
dieser Kunststoffe gleich sind. MINLON ® enthält 40% Mineralzusatz,
der eine hervorragende Schweißgeschwindigkeit
zuläßt (30 bis 50% schneller als DELRIN ® 500). Jedoch ist
eine gewisse Empfindlichkeit der Spritzteile gegenüber
scharfen Kanten, schlecht abgeschnittenen Angüssen und
allen sonstigen Schwachstellen festzustellen, die unter Ultraschalleinwirkung
brechen können, so daß der Konstruktion
der Teile besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte,
insbesondere bei MINLON ® 10B140.
RYNITE ® thermoplastische Polyester
Dank seiner hohen Steifheit ist dieser glasfaserverstärkte
Polyester leicht zu verschweißen. Es empfiehlt sich, stets
eine stufenförmige Schweißnaht für diesen Kunststoff vorzusehen,
der häufig für sehr anspruchsvolle Anwendungen
(manchmal sogar bei hohen Temperaturen) verwendet wird.
Eine Überschreitung der Schweißzeit kann zu verbranntem
Werkstoff im Bereich der Sonotrode führen.
Festigkeit der Schweißnaht, MPa
Weld strength, MPa
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 1 10 100
Verweilzeit, Exposure time, Std.
h
Abb. 10.62 Auswirkungen auf die Festigkeit der Verschweißung
in Abhängigkeit von der Verweilzeit
(vor dem Verschweißen) in Luft bei 23°C, 50% rel.
Luftfeuchtigkeit, für ZYTEL ® 101 NC010 Polyamid.
b. Einfluß von Feuchtigkeit auf ZYTEL ®
Polyamide nehmen nach dem Spritzen etwas mehr Luftfeuchtigkeit
auf als die meisten anderen Kunststoffe. Wenn während
des Schweißens aus einander berührenden Flächen Feuchtigkeit
austritt, verursacht sie eine schlechte Schweißqualität.
Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollten Teile aus ZYTEL ®
entweder unmittelbar nach dem Spritzgießen ultraschallgeschweißt
oder vor dem Schweißen in spritztrockenem Zustand
gehalten werden. Wenn ZYTEL ® einen oder zwei Tage lang
50% relativer Luftfeuchtigkeit bei 23° C ausgesetzt wird,
genügt dies, die Güte der Verschweißung um 50% oder mehr
zu senken, wie dies aus Abb. 10.62 hervorgeht. Werden die
Teile mit längeren als normalen Schweißzeiten verschweißt,
kann der Verlust an Schweißqualität ausgeglichen werden;
häufig muß dann aber eine erhebliche Schweißgratbildung und
Oberflächenzerstörung unter der Sonotrode hingenommen
werden. Wie aus Abb. 10.44 ersichtlich, nähert sich beim
Schweißen die Temperatur des Teils in der Nähe der Sonotrode
derjenigen an der Schweißnaht, so daß eine Verlängerung der
Schweißzyklen ernsthafte Probleme mit sich bringen kann.

Die Teile können über Zeitspannen von bis zu mehreren
Wochen trocken gehalten werden, indem man sie unmittelbar
nach dem Spritzgießen luftdicht in Polyethylensäcken verschließt.
Für längere Zeiträume sind weitergehende Schutzmaßnahmen
zu ergreifen wie die Verwendung von Glasgefäßen,
Dosen oder heißsiegelbaren Säcken mit Feuchtigkeitssperre.
Teile, die Feuchtigkeit aufgenommen haben, können
vor dem Schweißen in einem Trockenofen getrocknet werden.
Die entsprechenden Verfahren sind in den Konstruktions-
und Verarbeitungsanleitungen für ZYTEL ® erläutert.
c. Pigmente, Gleitmittel, Formentrennmittel
Der Einfluß von Pigmentsystemen auf das Ultraschallschweißen
kann beträchtlich sein. Die meisten Pigmente
sind anorganische Compoundmassen, die typischerweise in
Konzentrationen von 0,5% bis 2% verwendet werden. Bei
Schweißgeräten, die auf Bedingungen eingestellt sind, welche
qualitativ einwandfreie Schweißergebnisse bei unpigmentierten
Teilen ergeben, kann die Güte der Verschweißung
pigmentierter Teile deutlich geringer ausfallen. Schlechte
Schweißqualität äußert sich in Schweißnähten durch geringere
Festigkeit und größere Sprödigkeit.
Die Mechanismen, durch die Pigmente das Schweißen
beeinflussen, sind bis jetzt nicht entschlüsselt worden. Das
Vorhandensein von Pigmenten scheint den Vorgang der Wärmeerzeugung
an der Schweißnaht zu beeinträchtigen. Häufig
läßt sich eine mindere Schweißqualität dadurch ausgleichen,
daß pigmentierte Teile mit längeren Schweißzeiten verschweißt
werden als den für nicht pigmentierte Teile ermittelten. Eine
Verlängerung der Schweißzeiten um 50% oder mehr kann
erforderlich werden. Diese längeren Schweißzeiten können
jedoch unerwünschte Nebenwirkungen wie die Bildung übermäßiger
Schweißgrate und Oberflächenbeschädigungen unter
den Sonotroden zur Folge haben.
Wird das Ultraschallschweißen zur Montage von Teilen eingesetzt,
die aus pigmentiertem Werkstoff gespritzt werden
müssen, empfehlen sich Probeschweißungen mit Prototyp-
Spritzlingen, um festzustellen, ob die beabsichtigte Anwendung
realisierbar ist. Bei zahlreichen kommerziellen Anwendungen
sind Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht
unkritische Erfordernisse. Die Verwendung von Färbemittelsystemen,
die das Ultraschallschweißen nicht nennenswert
beeinflussen, bietet sich als Alternativlösung an.
Die vorstehenden Hinweise gelten auch für das Verschweißen
von Werkstoffen mit eingearbeiteten oder nachträglich zugefügten
Gleitmitteln und Formentrennmitteln. Schon relativ
geringfügige Mengen dieser Stoffe scheinen den Vorgang
der Wärmeerzeugung an der Schweißnaht während des
Schweißens zu beeinträchtigen.
Metall- oder Kunststoffteil
Kunststoffteil
Abrundung 0,25
D
1,6 D
Abb. 10.63 Ultraschall-Nieten
Nietsonotrode
Austauschbare Spitze
0,5 D
2 D
0,5 D
Obwohl eine Verlängerung der Schweißzeit diesen Einfluß bis
zu einem gewissen Grade ausgleichen kann, können die oben
angeführten Folgeerscheinungen problematisch werden. Wenn
beim Spritzgießen ansonsten gleitmittelfreier Werkstoffe-Formentrenn-Sprays
verwendet werden, sollten die Teile vor dem
Verschweißen sorgfältig gereinigt werden.
Andere Ultraschall-Verbindungstechniken
a. Ultraschallnieten
Ultraschallgeräte können auch zum Nieten oder Meißelnieten
benutzt werden, um Teile aus technischen Kunststoffen von
DuPont mit Teilen aus andersartigen Werkstoffen, üblicherweise
Metall, fest zu verbinden. Aus dem unteren Kunststoffteil
ragt ein Stift durch eine Bohrung des zweiten Teils.
Eine besonders geformte Sonotrode berührt die Spitze des
Stiftes, schmilzt sie und formt einen nietenförmigen Kopf.
Dies bewirkt eine feste Verbindung, weil keine elastische
Erholung wie beim Kaltstauchen auftritt.
Empfohlene Sonotroden- und Teilekonstruktionen sind in
Abb. 10.63 dargestellt. Das Volumen des verdrängten
Kunststoffs entspricht der Vertiefung in der Sonotrode.
Zur Anpassung an spezifische Anwendungen sind zahlreiche
Abwandlungen der Konstruktion möglich. Nach Möglichkeit
sollten eine ringförmige Hinterschneidung an der
Stiftwurzel und eine Abrundung am Loch des zu befestigenden
Teiles vorgesehen werden. Dies erhöht die Festigkeit
und Zähigkeit der genieteten Verbindung. Ein dünneres
als das gezeigte Kopfprofil wird nicht empfohlen.
b. Stiftschweißen
Ultraschall-Stiftschweißen, eine Abwandlung der Schernahttechnik,
eignet sich zur Verbindung von Kunststoffteilen an
einem oder an mehreren Punkten.
B
C
D
Maß A: 0,25 bis 0,4 mm für D bis 13 mm.
Maß B: Schweißtiefe B = 0,5 D für höchste Festigkeit (Schweißnaht fester
als der Stift selbst).
Maß C: 0,04 mm minimale Einführung.
Maß D: Stiftdurchmesser.
Abb. 10.64 Ultraschall-Stiftschweißen
A
Vor dem Schweißen Während des Schweißens Nach dem Schweißen
Für viele Anwendungen, die eine dauerhafte Montage erfordern,
ist eine durchgängige Schweißnaht nicht erforderlich.
Häufig setzen die Größe und Komplexität der Teile enge
Grenzen für die Anordnung der Befestigungspunkte oder die
Position der Schweißnaht. Bei verschiedenartigen Werkstoffen
wird diese Art der Verbindung üblicherweise entweder
durch Kaltstauchen, Ultraschallnieten oder durch Verwendung
von Metallnieten oder Schrauben bewerkstelligt.
123

Bei Verwendung einander ähnlicher Kunststoffe kann das
Ultraschall-Stiftschweißen diese Aufgabe einfacher und preisgünstiger
erfüllen. Der Energiebedarf ist wegen der kleinen
Schweißfläche gering und der Schweißzyklus ist kurz, fast
immer weniger als eine halbe Sekunde.
Zu den zahlreichen Anwendungen, die sich für das Ultraschall-
Stiftschweißen eignen, zählen Uhrengehäuse, Kurzzeitmesser,
elektromechanische Teile, elektrische Verbindungsstecker und
Schaufelräder für Pumpen.
Abb. 10.64 zeigt die Grundform der Stiftschweißverbindung
vor, während und nach dem Schweißen. Die Schweißverbindung
entsteht entlang des Stiftumfangs. Die Festigkeit der
Schweißverbindung ist eine Funktion des Stiftdurchmessers
und der Schweißtiefe. Maximale Zugfestigkeit wird erzielt,
wenn die Schweißtiefe dem halben Durchmesser entspricht.
In diesem Falle ist die Schweißverbindung stärker als der Stift.
Das radiale Übermaß A muß gleichförmig sein und sollte bei
Stiften mit einem Durchmesser von 13 mm oder weniger im
allgemeinen 0,25 bis 0,4 mm betragen. Versuche haben ergeben,
daß ein größeres Übermaß nicht die Festigkeit der Verbindung,
wohl aber die Schweißzeit erhöht. So benötigen
beispielsweise Stifte mit einem Durchmesser von 5 mm und
0,4 mm Übermaß die vierfache Schweißzeit von Stiften mit
0,25 mm Übermaß, die bis zur gleichen Tiefe geschweißt
werden. Das Loch sollte genügend Abstand von der Kante
haben, um ein Ausbrechen zu verhindern.
An der Verbindungsstelle kann sich die Vertiefung am Ende
des Stiftes oder an der Öffnung des Lochs befinden, wie dies
bei mehreren der gezeigten Beispiele ersichtlich ist. Bei Verwendung
der zweiten Alternative kann eine leichte Abschrägung
vorgesehen werden, um eine rasche Ausrichtung zu
ermöglichen.
Um eine Spannungskonzentration während des Schweißens
und beim späteren Gebrauch zu vermeiden, sollte am Fuße
des Stiftes eine Abrundung mit großzügig bemessenem
Radius vorgesehen werden.
124
A B
vorher nachher vorher nachher
Abb. 10.65 Stiftschweißungen – Verschiedene Ausführungen
vorher
nachher
B
A – Blindloch B – Doppelt abgestuft
Abb. 10.66 Stiftschweißen – Varianten
vorher
nachher
2 B
Eine Hinterschneidung der Abrundung unterhalb der Oberfläche
dient als Schweißgratspeicher, der einen sauber
abschließenden Kontakt der Teile ermöglicht.
Andere Einsatzmöglichkeiten des Stiftschweißens sind in
Abb. 10.65 dargestellt. Ein drittes Teil aus einem andersartigen
Werkstoff kann wie in Ansicht A dargestellt fixiert werden.
Ansicht B zeigt getrennt gespritzte Nieten statt selbstschneidender
Metallschrauben oder Nieten, die – anders als
Metallbefestigungen – eine relativ spannungsfreie Montage
ergeben.
T
0,4 mm
T = Wanddicke
vorher nachher vorher nachher
0,25 mm
Abb. 10.67 Stiftschweißen – Stopfen in dünnwandigen Teilen
Abb. 10.66A zeigt eine Abwandlung, die Verwendung findet,
falls es auf das Aussehen ankommt oder eine unterbrechungsfreie
Oberfläche erforderlich ist. Der Stift wird in einen Wulst
hineingeschweißt. Der Außendurchmesser des Wulstes sollte
mindestens dem doppelten Stiftdurchmesser entsprechen. Wird
der Stift in ein Blindloch hineingeschweißt, kann es erforderlich
werden, für einen Luftauslaß zu sorgen. Hier bieten sich zwei
Methoden an: ein Mittelloch durch den Stift oder ein kleiner,
schmaler Schlitz in der Innenwand des Wulstes.
Werden der beim Schweißen auftretenden relativen Bewegung
der beiden miteinander zu verbindenden Teile Grenzen gesetzt,
wie zum Beispiel beim Positionieren von Getrieben sowie
anderen inneren Bauteilen, sollte eine doppelt abgestufte
Stiftschweißung erwogen werden, wie sie in Abb. 10.66B
dargestellt ist. Dies reduziert die Bewegung um 50%,
während die Schweißfläche und die Festigkeit der Schweißverbindung
unverändert bleiben.
Diese Abwandlung ist auch sinnvoll, wenn Stopfen in dünne
Wände von 1,5 mm hineingeschweißt werden, dargestellt in
Abb. 10.67. Bei der einfachen Stiftverbindung reduziert die
erforderliche Einführung die verfügbare Fläche und Festigkeit.
Standard-Sonotroden ohne spezielle Ausgestaltung der Spitze
(wie sie für das Ultraschallnieten benötigt werden) finden
Verwendung. Im allgemeinen sind Sonotroden mit großer
Amplitude oder Kombinationen aus Sonotrode und Booster
erforderlich. Die besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn
die Sonotrode das Teil unmittelbar über dem Stift und seitlich
möglichst nahe an der Verbindungsstelle berührt. Werden
mehrere Stifte eines einzelnen Teils verschweißt, genügt
häufig die Verwendung einer einzigen Sonotrode. Weisen
die Stifte aber größeren Abstand voneinander auf (mehr als
75 mm zwischen den am weitesten auseinanderliegenden
Stiften), so müssen in der Regel mehrere kleine, simultan
erregte Sonotroden verwendet werden. Einige Schweißgeräte,
die dazu in der Lage sind, sind bereits an früherer
Stelle beschrieben worden.
0,5 T
0,2 mm
0,4 mm

Sonotrode
Einlegeteil aus
Metall
Kunststoff
c. Einsetzen von Teilen durch Ultraschall
Metallteile können mit Ultraschall in Teile aus technischen
Kunststoffen von Du Pont eingesetzt werden und so umspritzte
oder eingepreßte Einlegeteile ersetzen. Gegenüber umspritzten
Einlegeteilen ergeben sich mehrere Vorteile:
– Vermeidung von Verschleiß und Veränderung der Formen,
– Vermeidung des Vorwärmens sowie der manuellen
Zuführung der Einlegeteile,
– verkürzte Taktzeiten beim Spritzgießen,
– weniger kritische Maßtoleranzen der Einlegeteile,
– erheblich reduzierte innere Spannungen.
Wie in Abb. 10.68 gezeigt wird, können die Einlegeteile mit
Ultraschall entweder in ein Spritzgußteil eingesetzt werden,
oder das Spritzgußteil kann um das Einlegeteil herum montiert
werden.
Im Handel sind verschiedene Arten von Ultraschall-Einlegeteilen
erhältlich, deren Konstruktionsprinzipien einander
sehr ähnlich sind.
Der Druck und die Ultraschallschwingung des Einlegeteils
schmelzen den Kunststoff an der Berührungsfläche zwischen
Metall und Kunststoff und treiben das Einlegeteil in ein
vorgeformtes oder vorgebohrtes Loch. Der geschmolzene
Kunststoff fließt in eine oder mehrere Aussparungen des
Einlegeteils. Nach Erhärtung des Kunststoffes ist dadurch
das Einlegeteil fixiert. Das Volumen des verdrängten Werkstoffs
sollte dem Volumen der Aussparungen des Einlegeteils
entsprechen oder geringfügig übersteigen. Die Einlegeteile
sind mit Abflachungen, Kerben oder axialen Auszackungen
versehen, um ein Verdrehen infolge auftretender Torsionskräfte
zu verhindern.
Sicherheit
vorher
Abb. 10.68 Einsetzen von Teilen durch Ultraschall
nachher
Ultraschallschweißen ist ein unfallsicheres Verfahren.
Gewisse Vorsichtsmaßnahmen sollten jedoch getroffen
werden, um die Sicherheit zu gewährleisten.
a. Ultraschall-Schweißmaschinen sollten mit Doppelbetätigungsschaltern
ausgestattet sein, um sicherzustellen, daß
die Hände der Bedienungskraft der Sonotrode fernbleiben.
Abschalt- oder Sicherheits-Unterbrechungsschalter sollten
ebenfalls installiert sein, um die Schweißmaschinen zu
jedem beliebigen Zeitpunkt während des Schweißzyklus
sowie ihrer Abwärtsbewegung anzuhalten.
b. Schwingende Sonotroden sollten weder zusammengedrückt
noch festgehalten werden; ebensowenig sollte
die Einheit von Hand herabgesenkt werden, solange der
pneumatische Zylinder aktiviert ist. Ersteres kann zu
leichten Hautverbrennungen, letzteres zu schweren Verbrennungen
sowie mechanischen Quetschungen führen.
Abb. 10.69 Lärmschutzabdeckung
c. Schweißgeräte arbeiten mit einer Frequenz von 20000
Schwingungen pro Sekunde, also außerhalb des normalen
Hörbereiches der meisten Menschen. Manche Menschen
werden jedoch durch diese Frequenz und durch Schwingungen
niedrigerer Frequenz, die sich im Stativ und in
den zu verschweißenden Teilen bilden, geschädigt. Eine
mit schalldämpfendem Material ausgekleidete Umhüllung,
ähnlich der in Abb. 10.69 gezeigten, kann dazu beitragen,
die Geräuschentwicklung und andere mögliche Auswirkungen
der Schwing-ungen zu reduzieren. Die Umhüllung
sollte umfassend sein und nicht nur aus einer Trennscheibe
bestehen. Wo dies nicht möglich ist, sollten alle
Bedienungspersonen und sonstigen in der Nähe der
Schweißanlage arbeitenden Personen Ohrschützer tragen.
Labortechniker, die nur gelegentlich mit Ultraschall-Schweißgeräten
arbeiten, sollten Ohrschützer tragen, wenn sie die
von der Schweißmaschine erzeugten Geräusche als unangenehm
empfinden. Einige Sonotroden mit Formen, die sehr
stark einer Glocke ähneln, können unter ungünstigen
Betriebsbedingungen starke Schallwellen erzeugen. Diese
Schwingungen können Übelkeit, Schwindel und sogar die
Gefahr bleibender Gehörschäden verursachen.
125

Vibrationsschweißen
Einführung
Das Vibrationsschweißen ist eine seit vielen Jahren bekannte
Fügetechnik, die in einigen speziellen Bereichen eingesetzt
wird. Du Pont hat jedoch diese Technik weiterentwickelt und
so weit verbessert, daß sie mit einer breiten Palette an technischen
Kunststoffmaterialien eingesetzt werden kann. Zudem
war Du Pont das erste Unternehmen, das geeignete Prototypen
der Maschinen hergestellt hat, um die Durchführbarkeit
und Brauchbarkeit dieser Methode für das Verbinden
von technischen Kunststoffteilen zu demonstrieren.
Das Vibrationsschweißen ist eine einfache Technik und
erfordert keine hochentwickelte mechanische oder elektrische
Ausstattung. Der Schweißzyklus läßt sich in folgende
Schritte unterteilen:
1. Die beiden Teile werden in entsprechend geformten
Haltevorrichtungen an der Maschine befestigt.
2. Die Vorrichtungen laufen aufeinander zu, um die Verbindungsflächen
unter ständigem Druck aufeinander
zu bringen.
3. Mit einem Getriebe oder einem Elektromagneten erzeugte
Vibrationen werden auf die Haltevorrichtungen übertragen
und über diese auf die Berührungsflächen. Die beiden
Teile bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen und
erzeugen so eine relative Geschwindigkeit an den Kontaktflächen.
Aufgrund der Reibung steigt die Temperatur
sofort an und erreicht in der Regel in weniger als einer
Sekunde den Schmelzpunkt des Kunststoffes.
4. Nach einer vorgewählten Zeit bremst eine elektrische
Kontrollvorrichtung die Vibrationen ab, während der
Druck auf der Schweißfläche erhalten bleibt. Gleichzeitig
werden die Teile korrekt ausgerichtet.
5. Der Druck wird einige Sekunden aufrecht erhalten, damit
die Schmelze erstarren kann. Dann öffnen sich die
Vorrichtungen und die verschweißten Teile werden
ausgeworfen.
Grundprinzip
Die verschiedenen Schweißtechniken für das Verbinden von
Teilen aus thermoplastischem Material unterscheiden sich
wesentlich in der Methode, wie Wärme an den Verbindungsflächen
aufgebaut wird.
Die gegenwärtig bekannten Verfahren lassen sich grundsätzlich
in zwei Hauptgruppen unterteilen:
1. Die zum Erreichen der Schmelzetemperatur erforderliche
Wärme wird durch eine Fremdquelle zugeführt. Dies ist
der Fall beim Heizelementschweißen, Induktionsschweißen
und Heißluftschweißen.
2. Die erforderliche Wärme wird direkt an den Verbindungsflächen
durch Reibung erzeugt. Die bekanntesten
Methoden, die mit diesem Verfahren arbeiten, sind das
Rotations- und Ultraschallschweißen.
126
Sie bieten den offensichtlichen Vorteil, daß der geschmolzene
Kunststoff nicht der Umgebungsluft ausgesetzt und so
Zersetzung oder Oxydation verhindert wird, was für einige
Kunststoffe unbedingt erforderlich ist. Das Rotationsschweißen
ist jedoch auf kreisrunde Teile begrenzt, die
außerdem keine Positionierung erfordern. Wenn die zwei
Teile exakt aufeinander ausgerichtet werden müssen, wird
das Rotationsschweißen sehr kostenaufwendig, da keine
einfachen mechanischen Mittel verfügbar sind, um diese
Anforderung zu erfüllen.
Das Vibrationsschweißen gehört zu der zweiten Gruppe,
da es Wärme durch Reibung der zwei Berührungsflächen
erzeugt. Im Gegensatz zum Rotationsschweißverfahren
ist das Vibrationsschweißen nicht auf kreisförmige Teile
begrenzt. Es läßt sich für fast jede Form einsetzen, falls
die Auslegung der Teile ein freies Vibrieren innerhalb
einer gegebenen Amplitude erlaubt.
Definition des Bewegungszentrums
Das Zentrum, um das die zwei Teile vibrieren, kann folgendermaßen
angeordnet werden:
a. innerhalb der Schweißfläche;
b. außerhalb der Schweißfläche;
c. in einer unbegrenzten Distanz. In diesem Fall wird die
Bewegung linear.
Auf dieser Basis lassen sich zwei verschiedene Varianten
definieren: Winkel- und Linearschweißen
a. Bewegungszentrum innerhalb der Schweißfläche
Alle Teile, die eine kreisrunde Schweißnaht aufweisen,
würden logischerweise um ihr eigenes Zentrum vibrieren,
wie in Abb. 10.71A gezeigt wird. Solche Teile können mit
einer V-förmigen Schweißnaht versehen werden, wie im
Kapitel «kreisförmige Teile» beschrieben wird. Alle Teile,
die keine kreisförmige Form haben, müssen natürlich eine
flache Schweißfläche aufweisen. Hat die Schweißfläche
eine unregelmäßige Form wie z.B. in Abb. 10.71B, kann
das Teil immer noch um ein Innenzentrum schwingen.
Letzteres würde jedoch an einer Stelle gewählt, die die
geringstmögliche Differenz der Umfangsgeschwindigkeit
erzeugt.
Versuchsreihen ergaben, daß das Bewegungszentrum
außerhalb der Schweißfläche angeordnet werden muß,
wenn das Verhältnis von X/Y ~1,5 übersteigt.
X = max. Abstand bis Bewegungszentrum
Y = min. Abstand
X
A B
Abb. 10.71 Schweißnahtprofile
Y

Formteile mit einer rechteckigen Schweißfläche, ähnlich
wie in Abb. 10.72A, können ebenso um ihr eigenes Zentrum
vibrieren, falls das oben genannte Verhältnis ~1,5 bis
1,0 nicht übersteigt.
Bei einer Form, wie sie in Abb. 10.72B gezeigt wird,
müßte das Bewegungszentrum außerhalb angeordnet
werden, um ähnliche Schweißgeschwindigkeiten auf
der gesamten Schweißfläche zu erhalten.
b. Bewegungszentrum außerhalb der Schweißfläche
Werden die oben beschriebenen Bedingungen nicht
erfüllt, müssen die Teile weit genug vom Bewegungszentrum
entfernt angeordnet werden, um ein Verhältnis von
X/Y < 1,5 zu erhalten, wie in Abb. 10.73A gezeigt wird.
Diese Anordnung erlaubt das gleichzeitige Schweißen
von zwei oder mehreren Teilen. Es ist außerdem möglich,
Teile mit unterschiedlichen Größen und Formen gleichzeitig
zu verschweißen. Sie müssen jedoch symmetrisch
in der Vibrationsvorrichtung angeordnet werden, um den
gleichen Oberflächendruck auf alle Verbindungen zu
erhalten, wie in Abb. 10.73B gezeigt wird.
c. Linearschweißen
Teile, die aufgrund ihrer Form oder Größe nicht in eine
runde Vorrichtung passen, lassen sich linear verschweißen.
Diese Methode eignet sich besonders für großvolumige,
nichtrunde Teile mit einer Länge von über 100-150 mm.
Es ist jedoch auch möglich, mehrere Teile gleichzeitig
zu verschweißen, wenn sie sich an den Vibrationsplatten
befestigen lassen.
X
X
Y
A B
Y
+
Typische Vorrichtungen
für das Erzeugen von Vibrationen
Obwohl Vibrationen mit Wechselstrommagneten erzeugt
werden können, wurden alle verfügbaren Maschinen bisher
mit mechanischen Vibratoren ausgestattet.
Abb. 10.74 zeigt schematisch die Funktion einer Linearschweißmaschine,
wie sie von Du Pont zuerst optimiert wurde.
Die Vibrationen werden von zwei Exzenterscheiben «a»
erzeugt, die sich um das Zentrum «b» drehen und über Stangen
«d» auf Vorrichtungen «c» übertragen werden. Die unteren
Vorrichtungen gleiten in zwei Kugellagerschienen, die eine
freie Bewegung in Längsrichtung erlauben. Die obere Vorrichtung
wird von vier pneumatisch betätigten Hebeln «e»
heruntergedrückt. Es ist äußerst wichtig, die Bewegungen
der Hebel mechanisch zu synchronisieren, um eine perfekte
Parallelität der zu schweißenden Teile zu erreichen.
Am Ende des Schweißzyklusses wird die Bewegungsübertragung
abgestellt, worauf beide Teile in ihre Endposition
gebracht werden. Der Druck bleibt kurzfristig aufrecht erhalten,
damit der geschmolzene Kunststoff erstarren kann.
Das gleiche Grundprinzip gilt für eine Winkelschweißmaschine,
Abb. 10.75. In diesem Fall werden Vibrationen auf
obere und untere Vorrichtungen «a» übertragen, die sich auf
Kugellagern drehen. Die obere Vorrichtung wird direkt auf
der Kolbenstange «b» montiert, um den Druck zu liefern.
Theoretisch könnte das gleiche Schweißergebnis mit einem
feststehenden und einem vibrierenden Teil erreicht werden,
das bei doppelter Frequenz vibriert.
Abb. 10.72 Ermittlung des Bewegungszentrums Abb. 10.74 Prinzip der Linearschweißmaschine
A B
Abb. 10.73 Simultanschweißen von mehreren Teilen
c
e
a
Abb. 10.75 Prinzip der Winkelschweißmaschine
b
e
d
a
b
f
127

Erfahrungen haben jedoch gezeigt, daß diese Methode aus verschiedenen
Gründen unzufriedenstellend ist. Wie in Abb.
10.74 und 10.75 veranschaulicht wird, heben sich die beträchtlichen
Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte auf, wenn
das Gewicht der oberen Vorrichtung mit Kunststoffteil dem
Gewicht der unteren Vorrichtung mit Kunststoffteil entspricht.
(Beim Winkelschweißen müssen die beiden Trägheitsmomente
identisch sein, um gleiche und entgegengesetzte Trägheitskräfte
zu erzielen).
Falls nur ein Teil bei doppelter Frequenz vibriert, sind die
Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte viermal höher
und müßten über eine zusätzliche und regelbare Vorrichtung
kompensiert werden. Das gesamte Getriebe würde somit
weitaus schwerer und teurer für eine Maschine mit gleicher
Kapazität. Außerdem haben Erfahrung gezeigt, daß sich eine
gute und feste Verbindung leichter erhalten läßt, wenn beide
Teile schwingen.
Schweißbedingungen
Um den Schmelzpunkt des Materials zu erreichen, müssen die
zwei Teile zusammengepreßt werden und bei einer bestimmten
Frequenz und Amplitude schwingen. Diese Bedingungen
können als PV-Werte definiert werden, wobei «P» der spezifische
Kontaktdruck in MPa und «V» die Flächengeschwindigkeit
in m/s ist.
Die zwei Exzenterscheiben erzeugen eine sinusförmige
Geschwindigkeitskurve wie in Abb. 10.76. Da sie in entgegengesetzte
Richtungen laufen, beträgt die maximale relative
Geschwindigkeit des einen Teils gegenüber dem anderen
Teil 2 W. Die resultierende relative Geschwindigkeit liegt
somit beim 1,27fachen des maximalen Wertes «W».
Beispiel: Eine Maschine, die Acetalpolymer schweißt, wie
in Abb. 10.74 hat einen Exzenterabstand «f» von 3 mm
und läuft bei einer Geschwindigkeit von 5000 U/min.
Die Umfangsgeschwindigkeit ist somit wie folgt:
V = f × � × n = 0,003 m × � × 5000 = 0,78 m /s
60
W W
128
Y = 0,635 W 2 Y = 1,27 W
Y Y
1 Umdrehung
W = maximale Geschwindigkeit jedes Teils
Y = Durchschnittsgeschwindigkeit jedes Teils
Abb. 10.76 Geschwindigkeitskurven beim Vibrationsschweißen
2 Y
2 W
Dies entspricht der maximalen Geschwindigkeit «W» in
Abb. 10.76. Die durchschnittliche relative Geschwindigkeit
eines Teils gegen das andere wäre dann:
1,27 × 0,78 = 1 m / s
Bei einem spezifischen Kontaktdruck von 3 MPa wird der
resultierende PV-Wert:
3 × 1 = 3 MPa × m/s
Da die erzeugte Wärme außerdem eine Funktion des Reibungskoeffizienten
ist, muß der obige PV-Wert auf das zu
schweißende Material bezogen werden. Glasfaserverstärkte
Polyamide wurden zum Beispiel erfolgreich bei einem PV-
Wert von 1,3 verschweißt. Hieraus läßt sich folgern, daß bei
einer Maschine, die verschiedene Materialien und Formteilgrößen
verschweißen soll, Druck, Drehzahl und Amplitude
verstellbar sein müssen. Sobald die optimalen Arbeitsbedingungen
für ein gegebenes Teil festgelegt sind, dürfte die
Maschine jedoch mit Ausnahme des Druckes keine weiteren
Einstellungen erfordern.
Die Schweißzeit ist das Produkt von Geschwindigkeit, Druck
und Amplitude. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß die
Schweißnahtfestigkeit oberhalb eines bestimmten Druckes
eher abnimmt – möglicherweise aufgrund von ausgequetschtem
geschmolzenem Kunststoff. Auf der anderen Seite legen
die resultierenden mechanischen Belastung des Getriebes
Beschränkungen auf. So vervierfacht eine Verdopplung der
Geschwindigkeit die Beschleunigungskräfte der vibrierenden
Massen.
Umfangreiche Tests haben ergeben, daß sich eine Frequenz
von etwa 100 Hz für kleine und mittelgroße Teile sehr
gut eignet, während größere, schwere Formteile bei einer
Frequenz von 70-80 Hz verschweißt werden.
So wurden auch große Teile wie Ansaugrohre erfolgreich,
mit Frequenzen bis zu 250 Hz, verschweißt. Siehe auch
Abb. 10.79D.
Bei Linearmaschinen sollte der Abstand der beiden Exzenterscheiben
(«f» in Abb. 10.74) so eingestellt werden, daß
eine relative Bewegung von etwa 0,9 × Schweißnahtbreite
erzielt wird, siehe Abb. 10.77.
Der spezifische Oberflächendruck, der die höchste Schweißnahtfestigkeit
ergibt, muß über Tests ermittelt werden. Als
Faustregel gilt, daß eine Maschine einen Druck von 4 MPa
auf die zu schweißende Fläche erzeugen muß.
W
� 0,9 W
Abb. 10.77 Relative Bewegung – Schweißnahtbreite

a b c d e
c
Abb. 10.78 Schweißnahtprofile – runde Teile
Auslegung von Schweißnähten
a
b
a. Kreisförmige Teile
Kreisförmige Teile sollten – wie beim Rotationsschweißen –
immer mit einer V-förmigen Schweißnaht versehen werden.
Eine solche Auslegung erlaubt nicht nur eine perfekte Ausrichtung
der beiden Hälften, sondern die Schweißfläche kann
vergrößert werden und so die Festigkeit der Wandfläche
erreichen. Während des Schweißbetriebes baut sich eine
bestimmte Menge an Grat an beiden Seiten der Schweißnaht
auf. Bei bestimmten Anwendungen muß dies vermieden
werden, entweder aus ästhetischen Gründen oder weil er eine
Fehlerquelle für innenliegende mechanische Teile darstellen
kann. In solchen Fällen sollten Verbindungen mit Gratspeichern
versehen werden.
Um Vibrationen mit dem geringstmöglichen Verlust auf die
Kontaktfläche zu übertragen, müssen die Kunststoffteile fest
in den Haltevorrichtungen eingespannt werden. Es ist oft
ratsam, die Schweißfläche mit 5 oder 8 Mitnehmerrippen zu
versehen. Das gilt besonders bei dünnwandigen Behältern
aus weichen Materialien.
Eine typische Schweißnahtauslegung mit einem externen
Gratspeicher und Mitnehmerrippen direkt auf der Schulter
wird in Abb. 10.78a gezeigt. Einige grundsätzliche Anforderungen
sind dabei zu beachten:
– Vor dem Schweißen sollten die flachen Flächen durch
einen Spalt «a» getrennt werden, der etwa das 0,1fache
der Wandstärke beträgt.
– Der Winkel «b» sollte mindestens 30° betragen, um einen
selbsthemmenden Effekt zu verhindern.
– Die Schweißnahtlänge «c–d» muß, abhängig von der
gewünschten Festigkeit, mindestens das 2,5fache der
Wandstärke betragen. Da einige Kunststoffe sich schwerer
verschweißen lassen als andere, sollte dieser Wert entsprechend
erhöht werden.
Abbildungen 10.78b und 10.78c zeigen weitere mögliche
Anordnungen für externe Gratspeicher.
a
d
Bei Teilen, für die ästhetische Aspekte nicht so wichtig sind,
reicht häufig eine einfache Rille aus, siehe Abb. 10.78d.
Sie verdeckt zwar den Grat nicht, er verbleibt jedoch im
Bereich des Außendurchmessers.
Falls sowohl interne als auch externe Gratspeicher erforderlich
sind, können sie wie in Abb. 10.78e ausgelegt werden.
b. Nicht kreisförmige Teile
Teile, die nicht kreisförmig sind, können mit flachen Schweißflächen
auf Winkel- oder Linearmaschinen verschweißt werden,
siehe Abb. 10.79A. Die Schweißnahtbreite «B» sollte
mindestens das zweifache der Wandstärke betragen, abhängig
von den Festigkeitsanforderungen und dem verwendeten
Kunststoff. Die Festigkeit steigt aufgrund ungleichmäßiger
Spannungsverteilung (siehe auch Abb. 10.81) über einem
B/D-Verhältnis von 2,5-3,0 nicht beträchtlich .
Quadratische und rechteckige Teile, besonders solche mit
dünnen Wandstärken oder aus weichen Kunststoffen, sind
nicht steif genug, um Vibrationen ohne Verlust zu übertragen.
Sie müssen daher eine Schweißnaht mit einer Rille um
den gesamten Umfang aufweisen, Abb. 10.79B. Diese Rille
paßt in eine Schweißraupe an der Vorrichtung «a», um zu
verhindern, daß die Wände nach innen zusammenfallen. Es
ist äußerst wichtig, die Verbindung an beiden Flächen «b»
und «c» zu stützen, um eine perfekte Schweißdruckverteilung
zu erzielen.
Ein möglicher Weg zum Anbringen von Gratspeichern an
Stumpfschweißnähten wird in Abb. 10.79C gezeigt. Der Spalt
«a» muß angepaßt werden, damit sich die beiden Außenlippen
nach dem Schweißen vollständig schließen. Die Auslegung
reduziert die effektive Schweißfläche und kann breitere
Schweißnähte für eine gegebene Festigkeit erfordern.
Eine andere Auslegung der Schweißnähte mit Rillen ist in
Abb. 10.79D dargestellt. Diese Schweißnaht wurde erfolgreich
für einen vibrationsgeschweißten Deckel eines Ansaugrohrs
mit einer Frequenz bis zu 280 Hz und einer Amplitude
von 1,2 mm angewendet.
129

Abb. 10.79 Schweißnahtauslegung, nicht kreisförmige Teile
130
��������
���
�
� �
� � ��� �
�
������
� �
���
�
�
Deckel
���
���
���
�
Ansaugrohr
�
������
���
���
���
��� �
���
���
��� ���
�
��
���
�
�
Aufnahmevorrichtung
Amplitude: 0,9 – 1,2 mm
�������
Zu entwickelnde
Schweißtiefe
�
Frequenz: 240 – 280 Hz
Testergebnisse
bei winkelverschweißten Stumpfnähten
Der in Abb. 10.80 rechteckig geschweißte Kasten wurde für
umfangreiche Druckprüfungen aus verschiedenen
DuPont Materialien verwendet. Der Berstdruck jedes Behälters
wird von drei Hauptfaktoren beeinflußt:
– Gesamtauslegung.
– Verschweißbarkeit des Materials.
– Schweißnahtauslegung.
Die unten beschriebenen erzielten Resultate sollten daher
sorgfältig auf Formteile mit unterschiedlichen Formen und
Funktionen übertragen werden. Das gleiche Formteil wird
ein sehr unterschiedliches Verhalten aufweisen, wenn es aus
verschiedenen Kunststoffen hergestellt wird. Während die
Schweißnaht in einigen Fällen der schwächste Punkt sein
kann, ist sie bei anderen technischen Kunststoffen eventuell
fester als das Teil selbst.
Schweißnahtfestigkeit
in Abhängigkeit von der Schweißfläche
Abb. 10.81 zeigt die Zugfestigkeit als Funktion von der
Schweißnahtbreite, die von dem in Abb. 10.80 gezeigten
Behälter erhalten wurde. Ein linearer Festigkeitsanstieg kann
bis zu einem B/D-Verhältnis von ca. 2,5 beobachtet werden.
Oberhalb dieses Werts flacht die Kurve ab und eine Verbreiterung
bleibt ohne Einfluß auf die Festigkeit.
36
45
Abb. 10.80 Berstdruck Prüfteil
Berstdruck
BB
D
1 1,5 2 2,5 3
Verhältnis B
D
Abb. 10.81 Schweißnahtfestigkeit in Abhängigkeit
von der Nahtgröße
7 cm 2

Schweißnahtfestigkeit in Abhängigkeit
vom spezifischen Schweißdruck
Wie bereits erwähnt, sollte der geeignete spezifische Schweißdruck
für jeden Kunsstoff mit Versuchen ermittelt werden.
Für DELRIN ® 500 ergab sich zum Beispiel ein Druck von etwa
3,3 MPa, wie die Kurve in Abb. 10.82 zeigt. Es scheint, daß
ein zu hoher Druck die Nahtfestigkeit ebenso reduziert wie ein
zu niedriger Druck.
Berstdruck
2 3 4
Schweißnahtfestigkeit in Abhängigkeit vom spezifischem Schweißdruck
Abb. 10.82 Spezifischer Schweißdruck
Alle DELRIN ® Typen eignen sich für das Vibrationsschweißen.
DELRIN ® 500P zeigt die besten Ergebnisse, wohingegen
DELRIN ® 100 etwas schwächer ist. Schweißnähte in Teilen aus
DELRIN ® 100 sind in der Regel der schwächste Bereich aufgrund
der hohen Dehnung dieses Kunststoffes. Dies galt auch
für den Prüfbehälter in Abb. 10.80. Das gleiche Teil aus glasfaserverstärktem
DELRIN ® bricht nicht an der Schweißnaht,
sondern wegen seiner geringeren Dehnung an einer Ecke.
Es muß außerdem beachtet werden, daß eingefärbte Einstellungen
eine niedrigere Schweißnahtfestigkeit erzeugen als die
gleichen ungefärbten Typen. Dies gilt für alle Kunststoffe.
Pigmentanteile haben einen leichten negativen Einfluß auf
die Eigenschaften. Obwohl die durchschnittlichen Festigkeitswerte
von Typ zu Typ leicht variieren, ist es überraschend
festzustellen, daß die obere Grenze bei 14 MPa Zugfestigkeit
für die meisten Typen liegt.
Das Vibrationsschweißen eignet sich außerdem für alle
ZYTEL ® Polyamidtypen. Es erlaubt viele neue und attraktive
Anwendungen, für die keine andere Fügetechnik in Frage
käme. Besonders die Automobilindustrie braucht verschiedene
eckige Behälter im Kühlkreislauf und für Emissionskontrollfilter.
Der Wasseraufnahme muß vor dem Schweißen keine besondere
Beachtung geschenkt werden, falls die Teile bei einer
relativen Feuchtigkeit von maximal 50% gelagert werden.
Stumpfnähte in Formteilen aus unverstärktem Polyamid sind
in der Regel fester als das Teil selbst. Füllstoffe und Glasfasern
reduzieren die Nahtfestigkeit je nach der Materialqualität.
So bewirkt ein Glasfaseranteil von 30% eine Reduzierung
der Festigkeit um 50%. Teile aus diesem Kunststoff
müssen sorgfältig ausgelegt werden.
Anwendungsbeispiele
Abb. 10.83. Eine typische Auslegung einer Zentrifugalpumpe
mit einem winkelverschweißten Spiralgehäuse aus
DELRIN ® .
Abb. 10.83 Zentrifugalpumpe
Abb. 10.84. Ein Automobiltank aus ZYTEL ® Polyamid 66.
Die Schweißnaht ist mit einem Gratspeicher versehen, um
Nachbearbeitungs- und Entgratungsgänge zu vermeiden.
Abb. 10.84 Automobiltank
131

Abb. 10.85. Ein linearverschweißter Kraftstofftank eines
Motorrades aus ZYTEL ® . Die Rille in der Schweißnaht sammelt
den Grat und anschließend wird ein PVC-Profil über
dem Flansch schnappverbunden. Dies ist eine Lösung, die
die gesamte Schweißnaht effektiv verdeckt.
Abb. 10.85 Motorradtank
Abb. 10.86a. Ein winkelverschweißtes, rechteckig geformtes
Kraftstoff-Filtergehäuse aus ZYTEL ® . Die Naht ist mit einer
Fuge versehen, um die dünnen Wände in den Vorrichtungen
zu halten und somit ein Zusammenfallen während des
Schweißens zu verhindern.
Abb. 10.86b. Ein winkelverschweißter Behälter aus ZYTEL ® .
Verbindungen an Körper und Abdeckung müssen in der gegebenen
Position orientiert werden. Eine klassische Reibungsschweißnaht
mit einem externen Gratspeicher wurde für diese
Vibrationsschweißtechnik verwendet.
Abb. 10.87. Gummimembranbaugruppen können ebenso mit
Winkelvibrationen verschweißt werden. Es müssen jedoch
Vorkehrungen getroffen werden, die verhindern, daß das
obere Teil direkt auf das Gummi Vibrationen überträgt. Dies
kann mit einer sehr dünnen Unterlegscheibe aus Polyamid,
mit Grafitpulver oder einem Öltropfen auf der Membrane
erreicht werden.
132
a b
Abb. 10.86 Winkelverschweißte Teile
Bei dem hier gezeigten Magnetventil aus glasfaserverstärktem
ZYTEL ® Polyamid liegt der Berstdruck bei 8-9 MPa.
Ein bedeutender Vorteil gegenüber selbstschneidenden Schrauben
liegt darin, daß ein verschweißter Körper bis zum Berstdruck
dicht bleibt.
Abb. 10.87 Membrangehäuse
Vergleich mit anderen Schweißtechniken
Das Vibrationsschweißen überschneidet sich in der Praxis
nicht mit dem Ultraschallschweißverfahren, obwohl sie in
einigen Fällen beide anwendbar sind. Das Magnetventil
in Abb. 10.87 läßt sich zum Beispiel leicht ultraschallverschweißen.
Die hohe Frequenz kann jedoch die dünne Metallfeder
brechen. In diesem Fall wird das gesamte Gehäuse
unbrauchbar. Manchmal verhindert eine komplexe Teilegeometrie,
daß eine Sonotrode nicht nahe genug an die
Schweißnaht kommt. Zudem erfordern gas- und luftdichte
Ultraschallschweißnähte enge Toleranzen, die sich nicht
immer erreichen lassen.
Dünnwandige Behälter wie Taschenlampen können niemals
mit einer Schweißnaht versehen werden, die groß genug ist,
um den erforderlichen Berstdruck zu erreichen. Daher wäre
es unklug, sie auf Vibrationsmaschinen zu verschweißen. Hier
ist das Ultraschallverfahren zu bevorzugen.
Das Vibrationsschweißen kann in vielen Anwendungen in
Konkurrenz zum Heizelementschweißen stehen. Hier bietet
es einige wichtige Vorteile:
– sehr viel kürzerer Gesamtzyklus;
– geringere Verzugsempfindlichkeit, da der relativ hohe
Schweißdruck das Teil abflacht;
– da der geschmolzene Kunststoff nicht der Umgebungsluft
ausgesetzt wird, eignet sich das Verfahren für alle Kunststofftypen.
Das Vibrationsschweißen steht nicht in Konkurrenz zum reinen
Rotationsschweißen. Für alle kreisförmigen Teile, die
keine festgelegte Positionierung erfordern, ist das Rotationsschweißen
immer noch die günstigste und schnellste Fügetechnik.

Konstruktive Erwägungen
für vibrationsverschweißte Teile
Teile, die für ein Verbinden mit der Vibrationsschweißtechnik
gedacht sind, müssen korrekt ausgelegt werden, um Fehler
und Ausschüsse zu vermeiden. Es ist unbedingt erforderlich,
daß die Verbindungsflächen aneinander anschliessen.
Der erste Schritt ist die Wahl einer geeigneten Schweißnaht
mit der erforderlichen Festigkeit und Dichte. In dieser
Entwicklungsphase sollte entschieden werden, ob Gratspeicher
oder Mittel zur Verdeckung oder zum Verstecken
der Schweißnaht erforderlich sind.
Wichtig ist es, den Schweißflansch um das Teil herum zu
stützen, um einen gleichmäßigen Druck über der gesamten
Schweißfläche aufrecht zu erhalten.
Falls, wie in Abb. 10.88 gezeigt wird, die Vorrichtung diese
Anforderung aufgrund einer Unterbrechung nicht erfüllen
kann, sind Schwachstellen oder Leckstellen zu erwarten.
Dünne Rippen sind jedoch zulässig, falls ihre Dicke etwa
80% des Wandquerschnittes (Abb. 10.89) nicht überschreitet.
Besondere Sorgfalt muß darauf verwendet werden, daß die
Vibrationen von der Vorrichtung auf das Teil mit so wenig
Energieverlust wie möglich übertragen werden müssen.
Solcher Verlust kann von einem zu großem Spiel in der
Vorrichtung herrühren oder weil das Teil zu weit von der
Schweißnaht entfernt gehalten wird.
Kreisförmige Teile ohne Vorsprünge, die ein festes Einspannen
erlauben, müssen mit Rippen versehen werden, wie in
Abb. 10.78a gezeigt wird.
Bei Teilen mit relativ dünnen Wänden oder Teile aus weichen
Materialien sollten Vibrationen auf das Formtteil so
nahe wie möglich an der Schweißfläche übertragen werden.
Bei nicht kreisförmigen Teilen ist dies häufig nur möglich
mit einer Auslegung, die der in Abb. 10.79B ähnelt, ungeachtet
ob es sich um eine Linear- oder Winkelschweißnaht
handelt.
Abb. 10.88 Schlechte Schweißnahtauslegung
L = 0,8 T T
Abb. 10.89 Rippen in vibrationsverschweißten Teilen
Einige Materialien mit einem hohen Reibungskoeffizienten
wie zum Beispiel Elastomere, erfordern eine anfängliche
Oberflächenschmierung, bevor sie zufriedenstellend im
Vibrationsschweißverfahren verschweißt werden können.
Die während des Vibrationszyklusses erzeugte Menge an
geschmolzenem Kunststoff steht in direkter Beziehung zur
Flachheit der Oberfläche. Steife Teile, besonders aus glasfaserverstärkten
Kunststoffen, flachen möglicherweise nicht
vollständig durch den Schweißdruck ab und erfordern somit
längere Vibrationszyklen, um eine gute Schweißnaht zu
erhalten. Bei der Auslegung und Herstellung solcher Teile
ist somit zu beachten, daß die gesamte Montagezeit teilweise
von der Planheit der Schweißnaht abhängt, die wiederum mit
einer entsprechenden Auslegung verbessert werden kann.
Abb. 10.90a Vibrationsschweißmaschine
133

Abb. 10.90b Kommerzielle Linear- und Winkelschweißmaschine
Hersteller: Mecasonic SA, Zone industrielle,
Rue de Foran, Ville-la-Grand, Case postale 218,
74104 Annemasse Cédex, Frankreich.
134
Abb. 10.90c Kommerzielle Linearschweißmaschine.

Heizelementschweißen
Einleitung
Beim Heizelementschweißen werden Teile aus thermoplastischen
Kunststoffen miteinander verbunden. Diese Verbindungstechnik
eignet sich für nicht-symmetrische Teile mit
empfindlichen Einbaukomponenten, die man dem Vibrations-
oder Ultraschallschweißen nicht aussetzen kann.
Die Verbindung der Teile aus Thermoplasten wird dadurch
bewirkt, daß man ihre Verbindungsflächen mit einem Heizelement
in Berührung bringt, das mit TEFLON ® PTFE
beschichtet und elektrisch aufgeheizt ist. Anschließend werden
die Kontaktflächen zusammengepreßt. Beim Einsatz von
speziell konstruierten Schweißmaschinen können die Verbindungsflächen
auch durch Strahlung erwärmt werden.
Schweißzyklus
I II III
IV V VI
Abb. 10.91 Heizelement-Schweißzyklus
1
2
3
Die Abb. 10.91 zeigt einen typischen Schweißzyklus, bei
dem ein elektrisch erwärmtes, mit TEFLON ® PTFE beschichtetes
Heizelement zum Schmelzen der Verbindungsflächen
benutzt wird.
Konstruktion der Schweißnaht
Beim Heizelementschweißen von Konstruktionswerkstoffen
sollte die Schweißfläche «W» mindestens 2,5 × Wanddicke
«T» betragen (Abb. 10.92a).
Abb. 10.92b-c zeigen Möglichkeiten, durch Materialaufnahmerillen
den entstehenden Grat zu verdecken. Spalt «a» muß
so ausgebildet sein, daß sich die äußeren Lippen nach dem
Schweißen vollständig schließen. Da diese Lösung die wirksame
Schweißfläche reduziert, kann es nötig sein, breitere
Kontaktflächen vorzusehen, um die Festigkeit einer einfachen
Schweißnaht zu erreichen.
a b
W = 2,5 T
T
c d
W = 3 T
T
0,5 T
Abb. 10.92 Auslegung der Schweißnaht für Heizelementschweißen
Dünnwandige Teile können eine Führungsaufnahme erforderlich
machen, wie zum Beispiel «a» in Abb. 10.92d.
So wird sichergestellt, daß ein gleichmäßiger Druck auf die
ganze Schweißfläche wirkt.
Man beachte in diesem Beispiel die durch Rippen verstärkte
Schweißfläche und die Unterstützung durch die Aufnahme
an den Punkten «b» und «c», die eine gute Schweißdruckverteilung
bewirken.
Konstruktionshinweise
für das Heizelementschweißen
Die Teile müssen so konstruiert sein, daß kein Ausschuß
entsteht. Es ist unbedingt erforderlich, daß die Verbindungsflächen
plan sind, deshalb sollten die Gestaltungsprinzipien
für Konstruktionswerkstoffe strikt eingehalten werden.
Gleichmäßige Wanddicken und ausgerundete Ecken sind
absolut notwendig.
b
T
3-3,5 T
1,2 T
c
a
3 T
a
135

Grenzen des Heizelementschweißens
– Polyamide eignen sich nicht für das Heizelementschweißen,
da die Schmelze während des Schweißvorganges oxidiert.
Das oxidierte Material läßt sich nicht zufriedenstellend
verschweißen.
– Verglichen mit anderen Schweißverfahren, sind die
Zyklen beim Heizelementschweißen lang (im Bereich
von 30-45 s).
– Es können Probleme dadurch auftreten, daß das Polymer
an dem Heizelement haftet. Eine Beschichtung des Heizelementes
mit TEFLON ® PTFE verringert dieses Problem
erheblich.
– Bei dieser Methode können nur Materialien mit ähnlicher
Struktur verschweißt werden.
Anwendungsbeispiele
Anwendungsbeispiele für das Heizelementschweißen werden
in Abb. 10.93 gezeigt.
Abb. 10.93 a – Teile für Gaszähler
136
b – Abfluß
c – Feuerzeug
Heizelementschweißen von ZYTEL ®
Zwei der Hauptprobleme beim Verschweißen von ZYTEL ®
Polyamid 66 sind Oxidation und Kristallisationsgeschwindigkeit.
Im Gegensatz zu den Schernähten beim Ultraschallverschweißen
oder den Schweißnähten beim Vibrationsverfahren
wird die Nahtfläche kalter Luft ausgesetzt, sobald die
Heizelemente entfernt werden, um die beiden Teile miteinander
zu verbinden. Während dieser Zeit weist der Kunststoff
eine hohe Oxidationsneigung auf, wodurch sich die
Schweißnahtfestigkeit verschlechtert.
Doch bei sorgfältiger Beachtung gewisser Parameter lassen
sich mit dem Heizelementverfahren Schweißnähte mit hoher
Festigkeit erzielen – ausgehend von der Festigkeit des Grundmaterials.
ZYTEL ® muß sich im spritztrockenen Zustand befinden. Ideal
ist ein Verschweißen direkt nach dem Formgebungsprozeß,
obwohl auch nach 48 Stunden noch akzeptable Ergebnisse
erzielt werden. Falls dies nicht durchführbar ist, müssen die
Teile auf einen Feuchtegehalt von unter 0,2% heruntergetrocknet
werden. Die Feuchtigkeit beeinflußt die Schweißnahtqualität
in großem Maße. Ein schaumartiger Schweißwulst
deutet darauf hin, daß «feuchtes» Material verwendet
wurde. Feuchtigkeit wird die Oxidationsneigung und Porösität
der Schweißnaht erhöhen und so die Schweißnahtfestigkeit
um bis zu 50% reduzieren.
Füllstoffe im Kunststoff beeinträchtigen ebenso die Schweißnahtfestigkeit.
Die stärkste Naht wird mit ungefärbtem, unverstärktem
Polyamid erreicht. Da sich Glasfasern nicht verschweißen
lassen und über die Naht legen, wird die Schweißnaht
ähnlich schwach wie in einem Formteil: die Festigkeit
wird um bis zu 50% reduziert. Die Nahtfestigkeit steht im
umgekehrt proportionalen Verhältnis zum Glasfaseranteil.
Mehr Glasfasern = niedrigere Festigkeit. Ruß beeinträchtigt
ebenso die Schweißnahtqualität.
Heizplattentemperatur. Als allgemeine Richtlinie gilt eine
Temperatureinstellung der Platte auf +20° C über der
Schmelzentemperatur des zu schweißenden Kunststoffs.
Bei ZYTEL ® PA66 mit einer Schmelzentemperatur von 262°C
läge die Plattentemperatur bei etwa 285° C. Dabei ist auf
TEFLON ® oder PTFE-Beschichtungen der Platten zuachten,

die ein Festkleben verhindern sollen, da sich die TEFLON ®
Versiegelung bei dieser Temperatur aufzulösen beginnt.
Bei einer Temperatur von 270-275° C beginnt TEFLON ® zu
verdampfen und das PTFE-Band zeigt sichtbare Blasen. Um
diese Problem zu vermeiden, sollte die Temperatur der Platte
265-270°C betragen. Da sie somit unterhalb der –20°C-Regel
liegt, ist eine längere Durchwärmzeit erforderlich, um die
niedrigere Temperatur auszugleichen. Ein weiteres Schweißproblem
bei hohen Temperaturen ist ein Verzug der Aluminiumplatte
bei etwa 275° C. Hier sollten Aluminium-Bronze-
Platten verwendet werden, die bis 500° C beständig sind.
Die Einspannposition der beiden Teile ist äußerst wichtig. Falls
der Halter aus Metall besteht und das Teil bis in Schweißnahtnähe
umfaßt, wirkt er wie ein starker Wärmeabzug, da er
die während der Durchwärmzeit im Teil aufgebaute Wärme
entzieht. Eine schnelle Kühlung der Teile führt zu einer
hohen Kristallisationsrate, die ein zufriedenstellendes Verschweißen
der Teile verhindert. Eine langsame Kühlung ist
generell von Vorteil. Dieses Problem kann mit nichtmetallischen
Haltern gelöst werden.
Abb. 10.94 Heizelement-Schweißmaschine.
Andere Parameter
Durchwärmzeit, abhängig vom Teil und von der Naht,
normalerweise im Bereich von min. 15 Sekunden.
Kühl-/Haltezeit, ähnlich wie Durchwärmzeit.
Drücke während der Schweißphase von
0,5 bis 2 MPa = 5 – 20 bar.
Nahtauslegung, als Faustregel gilt:
Nahtabmessung = 2,5 × Dicke. Tests ergaben, daß die
Schweißnaht bei einer generellen Wandstärke von 2 mm
5 mm dick sein sollte. Je nach Einsatzbedingungen des Teils,
ist eine maximale Festigkeit unter Umständen nicht erforderlich.
Für ein kleines Entlüftungsrohr zum Beispiel wäre keine
so hohe Nahtfestigkeit erforderlich wie für eine Befestigungsschelle.
So kann mit einer dünneren Schweißnaht gearbeitet
werden, 1,5 bis 2 × T.
Das Durchwärmen einer kleineren Oberfläche beschleunigt
die Schweißzyklen.
137

Transmissions-
Laserstrahlschweißen
Zwei Teile, von denen eines aus einem durchlässigen Material
bestehen muß, werden mit Laserlicht verschweißt, wodurch
beide Materialien an den Grenzflächen verschmolzen werden.
Das Wort «LASER» ist ein Akronym und steht für:
Light Amplification by the Stimulated Emission
of Radiation
(Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission)
Das Laserkonzept wurde erstmals 1917 von Albert Einstein
eingeführt, doch erst 1960 stellte Edward Teller den ersten
Laser her. In nur 40 Jahren sind Laser zu einem Teil unseres
alltäglichen Lebens geworden – in Druckern, CD-Playern,
Barcode-Scannern, in der Chirurgie und in Kommunikationsgeräten.
Ein Laser erzeugt und verstärkt einen intensiv gebündelten
Strahl aus kohärentem Licht. Elektronen emittieren Strahlung
und normalerweise streut ihr Licht zufällig in beliebige Richtungen.
Das Ergebnis ist inkohärentes Licht – ein Fachbegriff
für ein Gewimmel von Photonen, die sich in alle Richtungen
zerstreuen. Der Trick bei der Erzeugung von kohärentem Licht
liegt darin, die richtigen Atome mit den richtigen inneren
Speichermechanismen zu finden und ein Umfeld zu erzeugen,
in dem sie alle kooperieren, um ihr Licht zur richtigen
Zeit in nur eine Richtung abzustrahlen.
In dem Laser von Ed Teller werden Atome oder Moleküle
eines Rubins in einem sogenannten Laser-Resonator erregt.
Aufgrund von Spiegeln an beiden Enden des Resonators wird
Energie hin und her reflektiert und bei jedem Durchgang aufgebaut,
bis der Prozeß an einem bestimmten Punkt einen
plötzlichen Ausbruch an kohärenter Strahlung erzeugt, da
sich alle Atome in einer schnellen Kettenreaktion entladen
= der Laserstrahl.
Atome verschiedener Materialien erzeugen Laserstrahlen
unterschiedlicher Wellenlängen. Lichtwellenlängen sind
sehr klein und werden gewöhnlich in Nanometern gemessen,
wobei 1 nm = 0,000001 mm ist.
Sichtbare Strahlung (Licht) für das menschliche Auge hat
eine Wellenlänge zwischen 300 nm und 780 nm.
Verschiedene Lasertypen
Einige der herkömmlichsten Laser sind unten aufgelistet:
CO2 Kohlendioxidmoleküle, emittieren Infrarotlicht.
Nd:YAG Neodymium: Yttrium Aluminium Garnet synthetischer
Kristall.
Diode Halbleiter.
Excimer Gasgemisch, emittiert ultraviolettes Licht.
Tabelle 10.01 Verschiedene Lasertypen
CO2 Nd:YAG Diode Excimer
Wellenlänge nm 10,600 1,060 800-1,000 150-350
Leistung KW 45 4 4 1
Effizienz % 10 3 30 1
Ca. Preis $ 30,000* 60,000* 15,000* 120,000*
(*pro 100 W)
138
Laser werden in der Industrie seit einiger Zeit für das Schneiden
von Werkstoffen verwendet. Wenn er Stahl bei sehr hohen
Temperaturen schmelzen kann, so schlußfolgerte man, müsse
ein leistungsschwächerer Laser auch Kunststoffe schneiden
können, ohne die gesamte Probe zu verdampfen. Dann wurde
entdeckt, daß einige Kunststoffe in der Wellenlänge eines
Laserlichts durchlässig erscheinen, während andere die
Energie absorbieren und Hitze erzeugen.
Angesichts dieses Konzepts wurde das Verfahren des Transmissions-Laserschweißens
(TLW) entwickelt.
durchlässiges oberes
Material
Fig. 10.95a Transmissions-Laserschweißkonzept
gebündelter
Laserstrahl
Absorbierendes
unteres Material
Der Laserstrahl passiert das obere Material ohne Energieverluste
oder Beschädigung des Kunststoffes. Der Strahl wird
dann vom unteren Material absorbiert und verursacht ein
schnelles Aufheizen. Dieser thermische Effekt schmilzt das
untere Material auf, welches wiederum das obere Material
erwärmt und eine Schweißstelle erzeugt. Tabelle 10.01 zeigt,
warum der Diodenlaser aufgrund seiner hohen Effizienz
gegenüber anderen Lasertypen in der Industrie für diese
Schweißtechnik bevorzugt wird.
Vorteile des TLW
– Hohe Schweißgeschwindigkeiten, 15 m/min. nachgewiesen.
– Laserkosten sind heute gegenüber anderen Fügetechniken
konkurrenzfähig.
– Niedrige Laserenergie erforderlich,

Begrenzungen
– Materialien mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften
für Laserenergie sind erforderlich.
– Enger Kontakt an der Naht erforderlich, kein Teileverzug,
sehr geringe Fugenfüllfähigkeit.
– Einschränkungen der Nahtauslegung, Laser muß die Naht
sehen.
– Füllstoffe können Probleme erzeugen, d.h. Mineralien,
Glasfasern, Kohlenstoffe.
Für TLW erforderliche Materialeigenschaften
Das obere transparente Material muß eine gute Durchlässigkeit
aufweisen, um ein wirksames Schweißen zu ermöglichen.
Vorhandene Glasfasern, Füllstoffe usw. wirken wie kleine
Reflektoren, die den Laserstrahl zerstreuen und so die Energie
an der Grenzfläche reduzieren. Die meisten ungefärbten
Typen (NC) von DuPont weisen mit wenigen Ausnahmen,
z.B. ZENITE ® , eine ausreichende Durchlässigkeit für das
Laserschweißen auf.
Das untere absorbierende Material muß die Laserenergie
aufnehmen, jedoch nicht zu schnell. Das einfachste Additiv
für eine Absorption ist Kohlenstoff, daher absorbieren fast
alle unseren schwarzen Kunststoffe die Laserenergie. Falls
das Material zu viel Kohlenstoff enthält, verbrennt es eventuell
zu schnell, bevor eine gute Schmelzzone erreicht werden
kann. Zu wenig Kohlenstoff läßt den Laserstrahl das
Material passieren, ohne eine ausreichende Hitze zu erzeugen,
die ein Schmelzen an der Grenzfläche bewirkt. Eine
sorgfältige Balance ist erforderlich.
Materialfarben
Erste Tests wurden mit ungefärbten Kunststoffen (NC) auf
einem mit Kohlenstoff gefärbten Kunststoff durchgeführt.
In bestimmten Anwendungen ist diese Schwarz-Weiß-Optik
akzeptabel, in anderen Segmenten ist eine völlig schwarze
Baugruppe erforderlich – vor allem in Automobilanwendungen.
Dies kann durch den Einsatz spezieller Pigmente erreicht
werden. Sie sorgen dafür, daß die Transparenz des oberen
Teils vom Laser aus betrachtet mit ihrem ungefärbten
Zustand identisch ist, für das menschliche Auge jedoch
absorbiert das Material das Licht und erscheint schwarz.
100
Transparenz,
%
0
sichtbare Zone
UV IR
400 780
Wellenlänge, nm
800-950
Abb. 10.05b Wellenlängenbereich, in dem ein schwarzes Material
transparent wird
Eigenschaften von Materialien von DuPont
Tabelle 10.02 zeigt eine Reihe von NC-Typen von DuPont.
Mit diesen Werten läßt sich bestimmen, ob ein Kunststoff
im Laserverfahren verschweißt werden kann.
Tabelle 10.02 Mittlere Infrarot-Analyse bei 940 nm Wellenlänge
% Durchlässigkeit % Reflektion % Absorption
DELRIN ® 500P 45,14 47,81 7,05
HYTREL ® G4774 29,96 52,14 17,9
HYTREL ® G5544 27,74 56,55 15,71
HYTREL ® 4078W 34,7 42,8 22,5
HYTREL ® 4556 33,32 45,53 21,15
HYTREL ® 5556 28,38 53,92 17,7
RYNITE ® 530 5 42 53
RYNITE ® FR515 5,9 64,43 29,67
CRASTIN ® SK605 8 59 33
ZYTEL ® 101 80,61 9,64 9,75
ZYTEL ® 73G30 48,28 12,72 39
ZYTEL ® 70G33 36,8 23,68 39,52
ZYTEL ® HTN51G35 19,15 29,48 51,37
ZENITE ® 6330 0,65 76 23,35
ZENITE ® 7130 0,13 69 30,87
Zu sehen ist, daß ZENITE ® einen Großteil der Laserenergie
reflektiert und daher nicht verschweißt werden kann. Auch
RYNITE ® hat eine geringe Transparenz und erfordert hohe
Laserenergien, um eine Schweißnaht zu erzeugen.
Schweißnahtfestigkeit
Die Schweißnahtfestigkeit kann auf vielfältigen Wegen
gemessen werden. Häufig wird sie aufgrund einer Zugprüfung
in «MPa» angegeben. Diese Einheit kann mit ISO-Daten für
ungeschweißte Prüfstäbe verglichen werden und ist unabhängig
von der Schweißnahtgröße. Dies ist dann übertragbar in
einen Schweißfaktor, d.h. die Schweißnahtfestigkeit (MPa)
geteilt durch die Festigkeit des Grundmaterials. Beträgt ein
Schweißfaktor somit 1, bedeutet dies, daß die Schweißnahtfestigkeit
identisch ist mit der Festigkeit des Grundmaterials.
Dies ist eine wirksame Methode, um Materialien mit der gleichen
Nahtgröße zu vergleichen.
Mit dem Laserstrahlschweißverfahren kann die Nahtgröße
durch eine Anpassung der Schweißzone leicht verändert
werden, indem der Laserabstand zur Schweißnaht ganz einfach
vergrößert oder verkleinert wird. Die maximale Festigkeit
(gemessen in N) der Schweißnaht kann dann für einen
gegebenen Materialtyp erhöht werden.
Mit einer guten Nahtauslegung und guten Verarbeitungsparametern
tritt ein Versagen häufig im Grundmaterial von der
Naht entfernt auf.
139

Typische Nahtauslegungen
Abb. 10.95c Unterschiedliche Auslegung von Laser-Schweißnähten
Maschinenlieferanten und Institute
Verschiedene bekannte Hersteller von Fügeanlagen sind im
TLW-Bereich tätig. Branson und Bielomatik aus Deutschland
bieten kommerzielle Laserschweißanlagen an, zielen
jedoch nicht auf den Ersatz von Vibrations-, Heizelementund
Ultraschallschweißgeräten ab, sondern auf eine Erweiterung
durch alternative Verfahren. Ihre Maschinen haben einen
Leistungsbereich bis zu 50 W.
Institute wie das TWI in Großbritannien und das Fraunhofer
Institut in Deutschland verfügen ebenso über große Erfahrungen
und haben Zugang zu leistungsfähigeren Lasern. Andere
Maschinenhersteller sind Herfurth aus Großbritannien und
Leister aus der Schweiz.
140
Eine Dioden-Lasermaschine von Leister ist in Meyrin installiert
und weist folgende Merkmale auf:
Lasertyp = Diode-Laser
Wellenlänge λ = 940 nm
Max. Leistung = 35 W
Max. Lichtregeldurchmesser = ∅ 0,6 mm bis ∅ 3 mm
Max. Geschwindigkeit = 150 mm/s
Positioniergenauigkeit = 2 mm
Ebenso verfügbar innerhalb der Organisation von DuPont ist
ein 500 W Diodenlaser in Japan.

Abb. 10.95d Laserstrahlschweißmaschine
141

Nieten
Nietmaschinen
Nieten ist eine vorteilhafte und kostengünstige Montagetechnik
zur festen, dauerhaften mechanischen Verbindung von
Teilen. Sie beruht auf der bleibenden Verformung oder Dehnung
eines Niets, eines Zapfens oder eines ähnlichen Teils
bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen.
Stauchen erfolgt durch Druckbelastung des Endes eines Nietschafts,
während der Teilkörper eingespannt und umschlossen
wird. Ein Nietkopf wird durch Fließen des Kunststoffs
gebildet, wenn die Druckbelastung die Streckspannung übersteigt.
Die verwendete Ausrüstung reicht von einer einfachen Dornpresse
und einem Handschraubstock bis zu einem Stanzwerkzeug
mit einer automatischen Aufspannvorrichtung für komplexes
Mehrfachstauchen. Beispiele für Werkzeuge zum
Stauchen von Nieten sind in Abbildungen 10.96 und 10.97
dargestellt. Wenn das Werkzeug mit den zu verbindenden
Teilen in Kontakt gebracht wird, wird der Bereich um den
vorstehenden Nietschaft mit einer federgespannten Schafthülse
vorbelastet, um eine exakte Passung der Teile zu gewährleisten.
Der Stauchstempel des Werkzeugs staucht dann
das Ende des Nietschafts und schafft eine feste, dauerhafte
mechanische Verbindung.
Das Stauchen eignet sich für viele Anwendungen. Die nachstehenden
Leitlinien sollten bei der Konstruktion berücksichtigt
werden.
Die verschiedenen Stufen eines Nietvorganges werden in
Abb. 10.98 gezeigt.
Werkzeughub
Stützplatte
Stauchwerkzeug
Abb. 10.96 Stauchwerkzeug
142
D
d
Stauchwerkzeug
Pilot
D>d
Vorspannfeder
Vorlast-
Schafthülse
Kunststoff-
Formstück
0,7 t
0,2 t
t
0,7 t
0,1 t
90 °
Abb. 10.97 Stauchwerkzeug
1. Ausrichten des
Werkzeuges
Abb. 10.98 Nietvorgang
Der Nietvorgang
Ø 1,0 t
Ø 1,4 t
Ø 2,5 t
Ø 1,5 t
Ø t
r 0,1 t
Vorspannfeder
Stauchwerkzeug
Pilot-Schafthülse
Die plastische Verformung wird durch Druck und nicht
durch Schlag verursacht.
Die folgende Tabelle zeigt die empfohlene Werkzeugkraft
und Federvorspannung für verschiedene Nietdurchmesser.
t 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 8 mm 10 mm
Federvor-
Spannung
20 kg 45 kg 80 kg 120 kg 200 kg 300 kg 500 kg
Werkzeug- 40 kg
kraft (min.)
90 kg 160 kg 240 kg 400 kg 600 kg 1000 kg
1,5 t
2. Nieten 3. Geformter Kopf

Relaxation von Niet und Nietkopf
Die Neigung eines geformten Nietkopfes, seine ursprüngliche
Form wieder einzunehmen, hängt von den Relaxationseigenschaften
des eingesetzten Materials und der Umgebungstemperatur
ab.
Anwendungsbeispiele
Abb. 10.99 zeigt Beispiele von genieteten Teilen.
a – Turbinenrad
Abb. 10.99 Anwendungsbeispiele für das Nieten
Besondere Hinweise
– Wird unmodifiziertes ZYTEL ® Polyamid genietet, so ist es
ratsam, das Teil auf Gleichgewichtszustand bei 50% rel.
Luftfeuchte zu konditionieren. Im spritztrockenen Zustand
ist das Material zu spröde. Schlagfeste Kunststoffe, wie
z.B. ZYTEL ® ST und ZYTEL ® 408 Polyamide, können in
spritztrockenem Zustand genietet werden.
– Beim Nieten auf Blech ist es notwendig, alle Bohrungen
zu entgraten, um das Abscheren des Kopfes zu vermeiden.
Um sicherzustellen, daß die Verbindung von Blech und
Thermoplasten sich nicht löst, sollte in diesem Fall das
Ultraschall-Nieten angewandt werden.
b – Turbinenrad c – Gehäuse für Untersetzungsgetriebe
143

Konstruieren von lösbaren Verbindungen
Um die Recyclingfähigkeit von Kunststoffteilen zu verbessern,
sollten Bauteile so konstruiert werden, daß eine
Demontage möglich ist. In diesem Zusammenhang sind
folgende Aspekte zu berücksichtigen:
Verwenden Sie soweit wie möglich Standardmaterialien
• Werden mehrere Materialien in einem Teil verwendet,
nutzen Sie Verbindungsarten, die sich zu einem späteren
Zeitpunkt leicht lösen lassen, siehe auch Tabelle 10.03.
Tabelle 10.03 Verbindungstechniken für Kunststoffteile im Vergleich
144
• Eine Demontage sollte möglichst durch Roboter erfolgen
können.
Die Konstruktion sieht eine einfache Reinigung und
Wiederverwertung des Teils vor.
• Das Material ist durch eine Teilecodierung identifizierbar,
beispielsweise >PA66-35GF< für PA66 mit 35% Glasfaserverstärkung.
• Einsätze (andere Materialien) sind leicht entfernbar,
beispielsweise durch «Ausbrechtechniken».
Verbindungstechnik Materialpaarung Recyclingfähigkeit Lösbarkeit
Schrauben beliebig gut gut, aber zeitaufwendig
Schnapphaken beliebig sehr gut gut, wenn korrekt
konstruiert
Pressen beliebig gut mangelhaft bis befriedigend
Schweißen Typen einer Serie sehr gut nicht lösbar (nicht immer
anwendbar)
Kleben beliebig mangelhaft mangelhaft
Umspritzen beliebig befriedigend mangelhaft