Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

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).
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