Schweißen Anspruchsvolle 3D-Geometrien Ultraschallschweißen – so funktioniert`s

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Wie lassen sich Schwierigkeiten bei der Umsetzung von Sonotrodenkonturen in Verbindung mit 3D-Schweißkonturen im ersten Anlauf lösen? Diese Fragestellung stand am Anfang des Projekts „Probekörper für das Ultraschallschweißen anspruchsvoller 3D Geometrien“, das Barlog Plastics für die Herrmann Ultraschalltechnik GmbH Co KG umgesetzt hat.

Bei Herrmann Ultraschalltechnik traten regelmäßig Bauteildefizite auf. Nur das nachträgliche Anpassen der Sonotrodenkonturen konnte diese Defizite kompensieren: Um diese Schwierigkeiten in den Griff zu bekommen, war die Idee zum Projekt „Probekörper für das Ultraschallschweißen anspruchsvoller 3D Geometrien“ entstanden.

Das Ultraschallschweißen von 3D-Geometrien gilt zwar in der Produktion als ein sicheres und benutzerfreundliches Verfahren – ist in seiner Anwendung dennoch komplex: Der Unterschied zum herkömmlichen Verschweißen von 2D-Geometrien ist, dass die Sonotrode das komplette Bauteil aufnehmen muss. Hierbei wird die Sonotrodenkontur auf Basis von CAD-Daten eingebracht. Das physische Kunststoffbauteil weicht jedoch häufig in Größe und Geometrie (durch Schwindung und Verzug) vom CAD-Modell ab.

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Dies führt zu einer ungleichmäßigen Schweißung sowie unerwünschten Druck oder Glanzstellen auf der Oberfläche des Bauteils. Diese Defizite der Bauteile können durch Konturkorrekturen, die eben diese Defizite berücksichtigen, an der Sonotrode kompensiert werden. In manchen Fällen ist jedoch eine händische Nachbesserung der Sonotrodenkontur notwendig, um ein ideales Schweißergebnis zu gewährleisten. Dadurch verzögert sich die Entwicklungsdauer des Schweißprozesses.

Projektstart: Eine geeignete 3D-Geometrie finden

Um für die Demonstration der Ultraschall Schweißtechnologie nicht von Kundenbauteilen abhängig zu sein, wurden für Herrmann Ultraschall eigene Probekörper entwickelt. Hierbei entschied man sich für einen Delfin, der unter anderem als Give-away für Messen geplant war.

Im Laufe der Entwicklungsphase wurde in agiler Zusammenarbeit mit Herrmann Ultraschall das Design des Delfins weiter perfektioniert. Im Fokus stand hierbei, die optische Erwartung mit der kunststoffgerechten Auslegung zu vereinen. Nachdem das finale 3D-Modell erstellt war, wurde eine Spritzgusssimulation beider zu verschweißenden Halbteile des Delfins durchgeführt. Dieser Prozessschritt war wichtig, um eine Prognose über mögliche auftretende Spritzgießfehler und Verzug bei Erkaltung des Materials abzugeben. Unschöne Bindenähte oder auch mögliche Verbrennungen, sollten damit vermieden werden.

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Simulationsergebnis: Wandstärken anpassen

Das Simulationsergebnis zeigte Handlungsbedarf in der ersten Iterationsschleife. Besonders der Bereich der Rückenflosse war sowohl von Bindenähten, als auch von möglichen Lufteinschlüssen betroffen. Die Lösung war eine Anpassung der jeweiligen Wandstärken. Die innenliegende Wand der Rückenflosse wurde seitlich reduziert:die Schmelze in diesem Bereich konnte so über eine Fließbremse verlangsamt werden. Gleichzeitig konnte ein gleichmäßiger Schmelzefluss erzeugt werden. Somit konnten Lufteinschlüsse verhindert und die auftretende Bindenaht auf ein Minimum reduziert werden. „Wir freuen uns, dass die Anpassungen der Wandstärken auf Grundlage der Simulationsergebnisse eine beschleunigte Bauteilentwicklung ermöglicht hat“, sagt Jonathan Böker, Projektmanager bei Barlog Plastics.

Startschuss zum Bau des Werkzeugs und Beginn der Produktion

Nachdem die Anpassungen aus den Simulationsergebnissen umgesetzt waren, erfolgte die Freigabe der Daten und somit der Startschuss für die Herstellung der Spritzgießwerkzeuge. Das Ziel: Innerhalb von vier Wochen rund 2000 Delfine an Herrmann Ultraschall liefern. Hierbei setzt der Kunststoff Experte auf Aluminium Werkzeugeinsätze, die unkompliziert in einem eigenen Stammformsystem eingebaut werden. Dadurch ist ein schneller Rüstprozess der Spritzgießwerkzeuge möglich und sorgt im rasanten Prototypengeschäft für den gewünschten Wettbewerbsvorteil.

Die Aluminiumwerkzeuge lassen sich einfach bearbeiten und ermöglichten, zusammen mit der virtuellen Produktentwicklung im Voraus, dass innerhalb von nur drei Wochen funktionale Muster schon bei Erstmusterung hergestellt werden konnten.

Die Bedenken, die Delfine innerhalb kürzester Zeit an die Sonotrodengeometrie anpassen zu müssen, konnten nach Eingang dieser ersten Muster beiseite geschoben werden. Die Bauteile passten auf Anhieb perfekt zusammen, so dass keinerlei Anpassung mehr an die Sonotrode nötig war. „Schon die Wahl des richtigen Anspritzpunkts führte zu einem reduzierten Schwindungs und Verzugsverhalten und sorgte in Kombination mit der Optimierung am digitalen Zwilling für passgenaue Bauteile“, sagt Jonathan Böker . „Dies sparte wertvolle Zeit im Produktionsprozess. Aufgrund der Simulationsergebnisse konnten die Werkzeuge schnell sowie effektiv gebaut, die Time-to-market signifikant reduziert und die Fehlerquellen im Spritzgussprozess eliminiert werden“, ergänzt er abschließend. Aufgrund der weiterhin großen Nachfrage nach den Delfinen, besteht nun sogar die Möglichkeit zukünftig mit Arburg und einem weiteren Partner den Delfin mit hinterspritzten Folien in einem vollautomatisierten Prozess inklusive Verschweißung herzustellen. 

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