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Das endlose schweissen mit Ultraschall kann neben der klassischen Verbindung von zwei Folien mit individuell ge-formten Nahtprofilen auch bei Cut & Seal (gleichzeitiges Trennen und Schweißen) und bei Aktivierung von Klebstoffen eingesetzt werden. Dabei können synthetische Textilien, Vliesstoffe und Kunststofffolien verarbeitet werden.
Beim kontinuierlichen Schweissverfahren drehen sich Sonotrode und Amboss-Rad synchron um ihre Achse, sodass die Umfangsgeschwindigkeit der beiden Räder gleich ist.
Während die Schweissung von Formteilen aus Kunststoff eine korrekte Gestaltung der Nahtstelle (Energierichtungsgeber, Quetschnaht usw.) voraussetzt, erfolgt bei der Verbindung flexibler Materialien die Übertragung der Energie durch ein Schweissmuster, welches an einem der beiden Räder, Amboss oder Sonotrode eingearbeitet ist.
Das Muster dient als Energierichtungsgeber, denn bei flachen Radpaarungen würde sich die Energie im Material unkontrolliert ausbreiten und somit verloren gehen.
Das Schwinger System besteht neben dem Ultraschall Generator aus Konverter, Booster und der Sonotrode (Ultraschall-Werkzeug). Vom Ultraschall-Konverter angeregt, wird die Energie bei der linearen Sonotrode direkt an der Schweissfläche abgegeben.
Die drehende Sonotrode kann in zwei Wirkungsbereiche, einer in Transducer-Richtung und einer vertikal dazu gerichteten aufgeteilt werden. Die Anregung der Sonotrode seitens des Transducers hat eine primäre Verformung der Booster zur Folge. Der Ausgleich des volumenmässig reduzierten Bereichs, findet in der Scheibe statt, da das Werkzeugvolumen konstant bleibt. Somit wird die Arbeitsfläche (oder Durchmesser) der Sonotrode wechselweise, bzw. in Arbeitsfrequenz, grösser oder kleiner. Die entstehende Auslenkung der Arbeitsfläche (Amplitude) ist eine entscheidende Arbeitsgrösse.
Bei allen Sonotroden sind Auslegung auf optimale Schwingungsform und Amplitudenverteilung Voraussetzungen für eine effizient schwingendes System. Die Grösse des Durchmessers ist weitgehend von der Frequenz und von der Breite der Arbeitsfläche abhängig.
Grundsätzlich gibt es zwei Bauarten von rotierenden Sonotroden. Das Werkzeug mit zentraler Sonotrode ist für höhere Belastungen ausgelegt, während das System mit seitlich angeordneter Sonotrode für Anwendungen konzipiert ist, bei welchen die Schweißzone z.B. für Materialhandling, Materialführungen etc. zugänglich sein muss.
Materialien:
Für Sonotroden werden grundsätzlich die Werkstoffe Aluminium, Titan und Stahl verwendet. Die Anwendung entscheidet vielfach über die Materialwahl.
Aluminium:
• Schwingt gut und bietet relativ gute Amplitudenverteilung.
• Gibt Wärme an die Umgebung ab, muss deshalb nicht stark gekühlt werden.
• Festigkeits- und Härteeigenschaften wenig geeignet für harten Einsatz. Deshalb ist mindestens eine
Oberflächenbehandlung der Schweissfläche notwendig.
• Anwendungen: Schweissen einfacher Materialien, aktivieren von Selbstklebebänder
Titan:
• Schwingt sehr gut, bei heutigen Behandlungen sind weniger Überraschungen betreffend Material-
Spannungen und Amplitudenverteilung zu erwarten.
• Gibt Wärme nur schwer an die Umgebung ab, muss deshalb stark gekühlt werden.
• Anwendungen: Alle Schweissungen, Schweissfläche Sonotrode muss eventuell oberflächenbehandelt
werden.
Stahl:
• Es wird vorzugsweise PM Stahl verwendet welches optimale Amplitudenverteilung bietet.
• Bei nicht zu hoher Leistungsanwendung auch für Dauerschweissungen einsetzbar.
• Muss stark gekühlt werden.
• Anwendungen: Besonders Schneid-Schweissoperationen, wenn Gegenrad dauerhaft mit der Sonotrode
in Kontakt bleiben muss.
Beschichtungen:
Speziell bei Sonotroden aus Aluminium, aber auch Titan sind die Arbeitsflächen einem relativ hohen Abrieb ausgesetzt und sollten geschützt werden. Gute Erfahrungen bei Aluminium Sonotroden wurde mit Wolframkarbid Beschichtung gesammelt, welches mittels Flammspritzen aufgetragen wird. Vorsicht ist beim Auftragen von höheren Beschichtungsdicken geboten, denn die Schwingung der Sonotrode wird mit zunehmender Schicht schlechter bis sie irgendwann nicht mehr schwingt. (Zangeneffekt).
Fertigung:
Während Konstruktion und Berechnung im eigenen Haus durchgeführt wird, übergibt man die Fertigung ausgewählten Partnern. Materialbeschaffung und Einlaufprozeduren werden bei Tec-B durchgeführt. Sonotroden mit erhöhten Genauigkeitsanforderungen an Koaxialität erhalten, typischerweise vor der Beschichtung, eine abschliessende Überarbeitung der Schweissfläche in montiertem Zustand.
Aktuatoren:
Basierend auf den zwei Sonotroden Typen wurden Aktuatoren konzipiert, welche als Baugruppen in Maschinen für kontinuierliche Ultraschallschweißapplikationen eingesetzt werden können. Standardmässig ist seitlich ein Antrieb mittels Getriebemotor vorgesehen. Es kann aber auch ein kundenspezifisches Antriebsystem, abgehend vom Zahnriemen der Sonotrode gestaltet werden.
Schweisssystem:
Die Zusammensetzung eines Schweisssystems mit rotierenden Sonotrode und Gegenrad, bedarf der Berücksichtigung einiger Details. Während die Sonotrode die Vibrationen zur Erzeugung der Wärme liefert, ist das Gegenrad verantwortlich für den Schweissdruck und einem gewissen Exzentrizitätsausgleich der entgegenwirkenden Räder.
Die Funktion eines Gegenrads kann auch von einer Maschinenwalze übernommen werden. Die Integration des Rotorkopfes muss dann so vorgenommen werden, dass sich unter Nutzung natürlicher Grössen (Schwerkraft, Gegengewicht) und entsprechender Sensorik ein guter Wirkungsgrad des Systems halten lässt. Der zu wählende Lösungsansatz ist abhängig von den gestellten Rahmenbedingungen der Maschine.
Ultraschallsysteme sollten möglichst wenig Schwingungen an die übrigen Maschinenteile übertragen, was Lärm generiert und die eingebrachte Energie vernichtet. Dies kann limitiert werden, indem man eine massive Bauart der Maschinenelemente mit entsprechender Dimensionierung wählt.
Wichtig bei der Gestaltung der Schweisseinheit ist, Möglichkeiten vorzusehen, um die Parallelität der Schweissfläche zur Fläche des Gegenrades auszurichten. Generell werden Einstellmöglichkeiten vom Benutzer immer geschätzt.
Wo Ultraschall eingesetzt wird, entsteht Wärme, welche einerseits beim Transducer sowohl als auch bei der Sonotrode abgeführt werden muss. Massgebend für die Entwicklung der Wärmemenge sind die eingesetzten Werkstoffe an Transducer und Werkzeug, die Höhe der Schweissleistung und die Art des Prozesses (Dauerleistung oder Start-Stopp Zyklen). Die Wärmeentwicklung kann mit einem korrekt ausgelegten Schwinger-System eingeschränkt, aber nicht eliminiert werden.
Die Kühlung des Transducers kann entweder mit einem Gebläse mit genügend Luftdurchsatz oder mit direkter Druckluftzufuhr erfolgen. Beim Einsatz von Druckluft muss darauf geachtet werden, dass nur trockene Luft zum Einsatz kommt.
Zwecks Wärmeabfuhr an den Sonotroden, sind in den Aktuatoren standardmässig verschieden grosse Ventilatoren installiert, was in vielen Fällen nicht ausreichend ist und eine zusätzliche Kühlung nachgerüstet werden muss. An den Sonotroden entwickelt sich die Wärme an zwei Punkten, am Zentrum und an der Schweissstelle. Die Zuführung von Druckluft an diese Punkte ist durch entsprechende Bohrungen gesichert, während die Düsen in vorbereitete Bohrungen eingesetzt werden können. Dem Einsatz von Vortec ähnlicher Produkte zur Effizienzerhöhung der Kühlung ist nichts entgegenzusetzen, sofern die kritischen Stellen an der Sonotrode direkt angeblasen werden.
Kühlungsmöglichkeiten an der seitlichen Sonotrode, wie Einbau eines Kühlbalkens mit verschieden ausgerichteten Düsen oder der Anbau einer Flachstrahl Luftkühldüse oberhalb des Sonotrodenzentrum wurden positiv getestet.
Eine direkte Kühlung der Schweissstelle ist empfehlenswert, da eine limitierte Wärmeentwicklung an diesem Punkt konstante Schweissergebnisse und eine Schonung der im Umfeld liegenden Baugruppen fördert.
Historischer Abriss der Entwicklungen:
Ab 2003: Erste Schweissmaschine mit Rotor-Sonotrode, ausgeführt mit Einzelantrieb, Übertragung Drehbewegung auf Gegenrad mit Zahnriemen
Ab 2005: Schweissmaschine mit zwei Sonotroden für obere und untere Schweissung einer mit einem gefalteten Band eingefassten Kante.
Ab 2008: Labor-Nähmaschine mit den Modulen Sonotrode und Gegenrad.
Ab 2015: Beide Versionen der Rotorköpfe CWC & CWL haben geschlossene Deckel. Zeitweise wurden ohne grossen Erfolg auch Sonotroden mit kleinerem Durchmesser eingesetzt. Die Zuverlässigkeit konnte aus Zeitgründen nicht ausreichend getrimmt werden. Das farbliche Anodisieren wurde wegen immer wieder aufkommenden, materialbedingten Fehlern im farblosen Eloxieren eingeführt.
Anwendungsbeispiele:
Plissierte Filter
Maschine zur Verschweissung von plissierten Filterelementen zu runden Produkten durch Verbindung der entsprechenden Endstücke. Sensoren überwachen Anfang und Ende des in der Maschine befindlichen Filters.
Klebstoffaktivierung
Stoffbahnen, welche mit einem klebstoffbeschichteten Band eingefasst werden müssen, werden im Sandwich zusammengefügt und zwischen Sonotrode und Gegenrad zusammengeschweisst.
Medizinaltechnisches Verpackungsmaterial
Maschine zur Verschweissung und Einfassen von verschiedener Materialien zur Verpackung medizinal- technischer Instrumente nach der Sterilisation. Zuschnitt und Verpackung erfolgen nach dem Schweissprozess.
Fertigung von Kissen Innensack
Ablängen, Falten, Einsetzen von Verstärkungselementen ausgehend von zwei Stoffbahnen in einer vollautomatischen Anlage. 10 Schweissstationen verbinden die Stoffelemente. Durch das durchgängige Laufen der Maschine gibt es Abschnitte, bei welchen das Gegenrad ohne Material auf der Sonotrode läuft. Deshalb wurden Stahlsonotroden eingesetzt.
Doppelschweissung einer eingefassten Kante
In einer Flüssigkeitsverpackung aus plastifiziertem Karton sollte ein 8mm breites, gefaltetes Band Folie mittels Ultraschall zwecks einer Dicht-Funktion aufgebracht werden. Die Verbindung wurde mittels zwei spiegelbildlich montierten Rotorkopf-Amboss Einheiten realisiert. Durch die Schweissung von zwei Seiten können die Schweißparameter individuell angepasst werden.
Formen, Verschweissen Abfüllen und Verschliessen von Silikagel Beutel
In der automatischen Abfüllanlage wird ein Schlauch geformt und mittels einer kontinuierlichen Ultraschall Schweissung verschlossen. Die Querverschliessung mit folgendem Schneiden des Schlauches erfolgt mittels Ultraschall beim Start einer vertikalen Bewegung. Während dieser fliesst das Granulat dosiert in den nächst entstandenen Beutel. Die kontinuierliche Längsverschweissung erfordert eine wesentliche Leistung, weshalb der Transducer eine starke Kühlung erfordert.
Festigkeit bei Cut & Seal Anwendungen
Bei den Cut & Seal Anwendungen ist der Winkel des Schneidrades massgebend für die Festigkeit der Schweissnaht. Je grösser der Winkel (Standard 60°, 90°, 120°) desto grösser der Widerstand der Naht aber die Schweissgeschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Winkel ab. Die im Bild gezeigte Kombination ist ein Versuch die Grenzen abzutasten.
ETFE Folien schweissen
Folienbahnen 3x 2m plus gelochte Seitenfolien werden in einer speziell dafür gebaute Anlage zusammengeschweisst. Die Folien dienen zur Verkleidung von sehr grossen Sonnenkollektoren. Da der notwendige Schweissdruck sehr niedrig ist, wurden die Schweissköpfe pendelnd aufgehängt und der Schweissdruck mit einem Linearmotor erzeugt. Die Schweissung wurde mit überlappenden Kanten ausgeführt, eine Gratbildung wurde verhindert.
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Tec-B GmbH
