Ultraschallschweißen
Ultraschallschweißen: Hochpräzise und schnelle Verbindungstechnologie
Ultraschallschweißen ist ein Festkörper-Schweißverfahren, bei dem hochfrequente (>20 kHz) mechanische Schwingungen auf die Kontaktfläche der zu verbindenden Werkstoffe übertragen werden. Diese Methode wird insbesondere beim Schweißen von thermoplastischen Materialien und bestimmten Metallkombinationen bevorzugt und zeichnet sich in Produktionslinien durch kurze Zykluszeiten und reproduzierbare Qualität aus.
Wie funktioniert ein Ultraschallschweißsystem?
Das Ultraschallschweißen basiert auf der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingung und anschließend in Wärmeenergie. Diese Energiewandlung erfolgt über folgende Komponenten:
Grundkomponenten des Systems
Generator (Stromversorgung):
Wandelt Wechselstrom in ein elektrisches Signal im Betriebsfrequenzbereich des Systems (20–40 kHz) um.
Transducer (Konverter):
Wandelt mittels piezoelektrischer Kristalle das elektrische Signal in lineare mechanische Schwingungen um.
Booster:
Dient zur Verstärkung oder Reduzierung der mechanischen Amplitude und leitet die Schwingungen weiter.
Horn (Sonotrode):
Das letzte Element, das die Schwingungen auf die Schweißstelle überträgt. Es wird in der Regel auf die Resonanzfrequenz des Systems abgestimmt und in halber Wellenlänge (λ/2) konstruiert.
Z-Achsen-Pressmechanismus:
Fixiert die Teile und übt den notwendigen Druck aus (typischerweise 1–5 bar), was die Schweißqualität direkt beeinflusst.
Der Schweißprozess – Technische Betrachtung
Während des Ultraschallschweißens erzeugt die Vibrationsenergie lokale Wärme an der Kontaktfläche. Diese übersteigt die Glasübergangstemperatur (Tg) oder Schmelztemperatur (Tm) des Materials, wodurch molekulare Verbindungen zwischen den Oberflächen entstehen.
Der Schweißprozess besteht aus drei Hauptphasen:
Energieeintrag: Schwingungen beginnen, Reibung erzeugt Wärme.
Verschmelzen: Die Materialien erweichen lokal, die Oberfläche wird aufgebrochen.
Abkühlen und Erstarren: Schwingung stoppt, Teile bleiben fixiert, die Verbindung wird abgeschlossen.
Technische Vorteile des Ultraschallschweißens
| Merkmal | Beschreibung |
|---|---|
| Kurze Zykluszeiten | Schweißdauer von 0,1 – 1,0 Sekunden, ideal für Serienfertigung. |
| Berührungslose Energieübertragung | Wärme entsteht direkt an der Kontaktstelle – minimale Umwelteinwirkung. |
| Hohe Wiederholgenauigkeit | Mit korrekten Prozessparametern ±0,05 mm Präzision möglich. |
| Keine Chemikalien erforderlich | Kein Bedarf an Klebstoffen, Lösungsmitteln oder Schrauben. |
| Niedriger Energieverbrauch | Energieverbrauch nur am Schweißpunkt. |
Anwendungsbereiche des Ultraschallschweißens
Branchen und Anwendungsbeispiele:
Automobilindustrie
Luftkanäle aus ABS und PP
Sensorgehäuse
Filtergehäuse
Medizintechnik
Nonwoven-Masken und -Kittel
Luer-Verbindungssysteme
Filtersysteme
Elektronik
Batteriemodule
Gehäuse für Leiterplatten
Kabelbündelung
Verpackung und Lebensmittel
Ultraschallbeutelversiegelung
Dichte, sterile Verpackungen
Textilindustrie
Nahtlose Verbindung ohne Hitze
Ultraschall-Randversiegelung
Ultraschallhorn-Design und seine Bedeutung
Das Horn (Sonotrode) ist eine kritische Komponente, die die Schweißleistung maßgeblich beeinflusst. Es muss je nach Anwendung anhand folgender Parameter optimiert werden:
| Parameter | Technische Details |
|---|---|
| Material | Titan (Ti6Al4V), Aluminium 7075, Edelstahl |
| Betriebsfrequenz | 20, 30, 35, 40 kHz – abgestimmt auf die Systemresonanz |
| Amplitude | 10–50 μm, je nach Schweißmaterial einstellbar |
| Geometrie | Flach, gerillt, gezahnt oder individuell – mit FEM-Analyse optimiert |
| Oberflächenbearbeitung | Mikroraue Oberfläche (Rz 3–5 μm) zur Erhöhung des Reibungswiderstands |
Als Mikro Makina fertigen wir mit unserem 5-Achs-CNC-Equipment anwendungsspezifische, resonanzgetestete und ausbalancierte Ultraschallhörner. Unsere Hörner werden FEM-gestützt konstruiert, um Vibrationsverluste zu minimieren.
Qualitätskontrolle durch Prozessparameter
Für ein erfolgreiches Ultraschallschweißen müssen folgende Parameter präzise eingestellt werden:
Zeitgesteuertes Schweißen (Time-based Welding)
Energiegesteuertes Schweißen (Energy Mode)
Weggesteuertes Schweißen (Collapse Distance)
Der geeignete Schweißmodus richtet sich nach Geometrie und Materialeigenschaften des Werkstücks.
Fazit: Der neue Standard im industriellen Schweißen
Ultraschallschweißen ist gegenüber herkömmlichen Methoden schneller, sauberer und zuverlässiger. Mit präziser Frequenzabstimmung, optimiertem Horndesign und kontrolliertem Druck lässt sich Prozessstabilität sicherstellen. Als Mikro Makina verfügen wir über die Infrastruktur und das technische Know-how, um Ihre Anforderungen im Bereich der Ultraschalltechnologie umfassend zu erfüllen – insbesondere bei der Fertigung maßgeschneiderter Ultraschallhörner.
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