Herrmann Ultraschall: Neuer multi-funktionaler Probekörper für die Prüfung beim Ultraschallschweißen – Kooperation mit Barlog

Schnitt neuer Probekörper aus ABS mit Nut-/Feder-Naht im Fernfeld.

Schweißspezialist Herrmann Ultraschall hat zusammen mit der Barlog-Gruppe einen multi-funktionalen Probekörper entwickelt und bietet ein neues Dienstleistungspaket an, welches das Unternehmen zur K 2016 vorgestellt hat.

Bei der konstruktiven Auslegung von neuen Kunststoffbauteilen fühlen sich viele Hersteller oft unsicher oder in ihren Prüfmöglichkeiten eingeschränkt. Ein Bauteil muss alle Anforderungen für den späteren Einsatz erfüllen. Hierfür bieten die Kunststoff-Materialhersteller entsprechende Auswahltabellen, aber oft fehlt die Information zum Verhalten der Bauteile nach dem Fügeprozess.

Um beim Ultraschallschweißen neuer Bauteile zügig zu aussagefähigen, seriennahen Ergebnissen zu gelangen, können nun beim Maschinenbauer Herrmann Ultraschall Probeschweißungen in jedem gewünschten Material oder Materialkombination und mit allen gängigen Nahtgestaltungen durchgeführt werden. Hierzu werden Probekörper gemäß der benötigten Materialspezifikation eigens für die Versuchsreihen hergestellt. Die neugestalteten Probekörper sind so universell ausgelegt, dass entweder im Nah- oder im Fernfeld geschweißt werden kann, je nachdem wie weit die Sonotroden-Ankoppelfläche beim späteren Kunststoffbauteil von der Fügenaht entfernt sein wird. Dabei werden Schmelzverlauf und mögliche Kerbwirkungen mit der Hochgeschwindigkeitskamera untersucht sowie Zugfestigkeit ermittelt und Torsionsbelastungen getestet.

Der neue Probekörper biete auch die Möglichkeit, das Verschweißen von Membranen zu testen, erklärt Johannes Greb, Leiter des Anwendungstechnikums bei Herrmann Ultraschall. Das Dienstleistungspaket erleichtere die vom Kunden geforderte Prozessvalidierung bei der Materialauswahl bzw. Materialwechsel und neuen Schweißnaht-Geometrien, so Greb weiter.

Energierichtungsgeber fokussiert die Ultraschallwellen
Ein Vorteil des Ultraschallschweißens ist die gezielte Energie-Einleitung. Um die Ultraschall-Wellen zu fokussieren, haben viele Bauteile sogenannte Energierichtungsgeber, das sind Spitzen oder Kanten, die von Anfang an einkonstruiert und mitgespritzt werden. Der Punkt- bzw. Linienkontakt verhindert flächiges Ankoppeln. Die Schmelze wird an den Kontaktstellen der Energierichtungsgeber direkt zwischen den Bauteilen gebildet. Bei vielen Bauteilen ist die korrekte Nahtgestaltung zur zuverlässigen Prozessführung zwingend notwendig. Welche Nahtgestaltung eingesetzt wird, ist abhängig von:

Bauteilgeometrie (Wandstärke)
Materialeigenschaften (amorph oder teilkristallin)
Füllstoffen (z.B. Glasfasern)
Anforderungen an Festigkeit und Berstdruck
Sichtflächen und empfindlichen Oberflächen

Alle Nahtgestaltungen werden umgesetzt

Schnitt neuer Probekörper aus PA66 mit Quetschnaht im Nahfeld.

Der neue Probekörper ist derzeit erhältlich mit der weit verbreiteten Nut-/Feder-Naht sowie der Quetschnahtgeometrie. Dünnwand- und Stufennaht werden sukzessive umgesetzt, sobald sie angefragt werden. Eine gut eingekapselte Schweißnaht ist dicht und austriebsfrei. Die Festigkeit wird erhöht, wenn sich die Schmelze in der Naht gleichmäßig verteilt und die beiden Fügepartner eine homogene Verbindung eingehen. Amorphe Kunststoffe können aufgrund ihrer zähen Schmelze bei entsprechender Wandstärke auch ohne Kapselung fest verschweißt werden. Wenn es spritzgusstechnisch schwierig wird, gilt: eine einseitige Kapselung ist besser als keine. Die Probeschweißung kann wahlweise im Fernfeld oder Nahfeld durchgeführt werden. Idealerweise fährt die Sonotrode (das Schweißwerkzeug) nahe an die Fügezone heran, schweißt also im Nahfeld (kleiner 6mm). Ist dies aufgrund der Bauteilgeometrie nicht möglich, sind auch Schweißungen bis zu einer bestimmten Entfernung im Fernfeld möglich.

Mit einer Nut-/Feder-Naht-Verbindung werden üblicherweise die höchsten Festigkeiten erreicht. Durch eng tolerierte Spaltmaße entsteht ein Kapillareffekt, wobei die erzeugte Schmelze den kompletten Nahtbereich ausfüllt. Diese Nahtgestaltung erfordert entsprechend große Wandstärken und wird bei passenden Rahmenbedingungen grundsätzlich empfohlen. Für teilkristalline Kunststoffe in Verbindung mit dünnen Wandstärken hat sich die von Herrmann Ultraschall entwickelte Quetschnaht bewährt. Mit dieser Nahtvariante lassen sich dichte und hochfeste Schweißungen auch bei großen Fügewegen erzielen.

Deckel neuer Probekörper für Testschweißung Membrane.

In vielen Branchen wie der Automobil- und Medizintechnik wächst der Anteil an integrierten Membranen, die als Filtermedien oder Druckausgleichselemente agieren. Die Verarbeitung von vorkonfektionierten Membranen ist aufwändig und kostenintensiv. Mit dem neuen MPW-System von Herrmann Ultraschall kann man die Membrane in einem Arbeitsschritt stanzen und mit Ultraschall aufschweißen. Das bedeutet laut Anbieter im Klartext den Umstieg von teuren vorkonfektionierten Membranen auf ein kostengünstigeres Membran-Materialband. Membrandurchmesser zwischen acht und 22 mm lassen sich demnach realisieren, und Taktzeiten auf unter zwei Sekunden pro Schweißzyklus reduzieren, was eine erhebliche Steigerung der OEE (Overall Equipment Efficiency) bedeute. Das Deckelbauteil des neuen Probekörpers bietet die Möglichkeit, verschiedene Membrangrößen und Werkzeugkonturen zu testen.

Prüfverfahren mit Mikroskopie und High-Speed-Kamera
Mit der High-Speed-Kamera werden im Herrmann Ultraschall-Labor Antworten auf folgende Fragen visualisiert:

Wie wird die Schweißenergie eingeleitet?
Wo wirken die Schweißkräfte?
Wie viel Schmelze entsteht und wo genau?

In den anschließenden Zug- und Berstversuchen wird die Festigkeit und Dichtheit der Schweißung überprüft. Danach wird die Schweißung aufgeschnitten, um eine mikroskopische Aufnahme oder einen Mikrotomschnitt zu erstellen. Diese zeigen detailliert die Güte der Verschweißung.

Ab Ende 2016 plant Herrmann Ultraschall den weltweiten Einsatz des neuen Probekörpers, der bei Barlog hergestellt wird, einem Full-Service-Anbieter rund um die Kunststofftechnik. Das kann für global aufgestellte Kunden den Vorteil der Prozess-Egalisierung trotz unterschiedlicher Produktionsstandorte bedeuten.

Weitere Informationen: www.herrmannultraschall.com, www.barlog.de

K 2016, 19.–26.10.2016, Düsseldorf

Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG, Karlsbad

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