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Ultraschallschweißen Wie kürzere Taktzeiten beim Ultraschallschweißen erreicht werden können

| Autor / Redakteur: Andreas Hutterli* / Dorothee Quitter

Schweißen mit Ultraschall ist ein wirtschaftliches und bewährtes Fügeverfahren in der Automobilindustrie. Ein innovatives Kühlkonzept ermöglicht jetzt noch kürzere Taktzeiten.

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Bei der zum Patent angemeldeten Lösung für die Sonotroden-Kühlung werden mehrere physikalische Effekte zur effizienten Kühlung ausgenutzt.
Bei der zum Patent angemeldeten Lösung für die Sonotroden-Kühlung werden mehrere physikalische Effekte zur effizienten Kühlung ausgenutzt.
(Bild: Telsonic)

Wenn in der Automobilindustrie Einzelkomponenten zu größeren Modulen zusammengesetzt werden, ist Ultraschallschweißen meist das Mittel der Wahl. Wesentliche Vorteile sind, dass ohne Kleber, Verbindungselemente und Lösungsmittel gearbeitet wird. Dadurch ist das Verfahren sehr umweltfreundlich und effizient. Das gilt auch für Anwendungen, bei denen kurze Taktzeiten gefordert sind, z.B. wenn Roboter im Einsatz sind.

Beim Ultraschallschweißen wird der Kunststoff an der Berührungsstelle durch gezieltes Umwandeln von Ultraschallenergie in Wärme plastifiziert, unter Druck verformt und gepresst. So entstehen bei geringer thermischer Belastung von Produkt und Umgebung nach dem Erkalten der Schweißstellen hochfeste Fügeverbindungen. Um diesen Prozess zu beschleunigen und damit die Taktzeiten zu verkürzen, ist es üblich, die Ultraschallwerkzeuge, die sogenannten Sonotroden, zu kühlen. Dafür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die sich allerdings in ihrer Effizienz deutlich unterscheiden.

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Sonotroden effizient kühlen

Die Sonotrode lediglich mit Druckluft anzublasen ist eine Möglichkeit. Der Abkühlvorgang dauert aber recht lange und ist wegen des großen Druckluftverbrauchs keineswegs effizient. Inzwischen sind deshalb Sonotroden mit eingearbeiteten Kavitäten, also Hohlräumen üblich, die die Druckluft gezielt an die Spitze führen. Die kühlende Luft wird also genau dorthin geleitet, wo sie gebraucht wird. Das beschleunigt den Abkühlprozess und senkt den Druckluftverbrauch. Allerdings ist die Lösung konstruktiv aufwendig, vor allem dann, wenn die Sonotroden an einem Roboter angebaut sind. Der Druckluftanschluss muss direkt an der Sonotrode befestigt werden. Die Lösung ist dadurch unflexibel, weil sich die Sonotroden nicht mehr so einfach austauschen lassen. So müssen beispielsweise bei einem Produktwechsel auch jedes Mal die Druckluftleitungen gelöst und anschließend wieder befestigt werden. Zudem sind Sonotroden – trotz ihrer langen Standzeiten – immer auch Verschleißteile, die irgendwann ersetzt werden müssen.

Booster für die Kühlung nutzen

Die Ultraschallspezialisten der Telsonic AG haben deshalb für die Sonotroden-Kühlung ein anderes Konzept entwickelt. Bei der zum Patent angemeldeten Lösung sitzt der Druckluftanschluss nicht mehr an der Sonotrode, sondern am Booster. Prinzipiell besteht ein Ultraschallschweißsystem schließlich aus mehreren Komponenten: Dem Generator, der den Ultraschall erzeugt, einem Konverter, der mit Hilfe von Piezokeramiken den Ultraschall in mechanische Schwingungen umsetzt, die dann verstärkt vom Booster auf die Sonotrode übertragen werden. Den Booster für die Kühlung zu nutzen, bringt gleich zwei Vorteile. So muss bei einem Sonotrodenwechsel der Druckluftanschluss nicht gelöst werden und die Kühlung wird obendrein effizienter. Und so funktioniert der Vortex-Booster: Zunächst wird Druckluft (max. 10 bar) zum Booster geführt und vorgekühlt. Danach wird sie entspannt und der Joule-Thomson-Effekt genutzt, um die Temperatur der Luft weiter zu senken. Anschauliche Beispiele für dieses Verhalten finden sich auch im Alltag: die Abkühlung von Sodawasser, Softeis oder Schlagsahne beim Austritt aus einer Druckflasche oder wenn Schneekanonen Kunstschnee auf Skipisten werfen. Die zum Booster passenden Sonotroden haben speziell ausgeformte Kavitäten, die einem Ranque-Hilsch-Wirbelrohr entsprechen. Niedrigdruckzonen mit schneller Wirbelzirkulation trennen darin die kühle Luft in der Mitte von der wärmeren Luft an den Wandflächen der Sonotrode. Der kühle Luftstrahl aus der Sonotrodenmitte geht dann direkt zur Sonotrodenspitze. Dadurch erkaltet der Kunststoff schneller und die Kühleffizienz steigt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich durch das patentierte Kühlverfahren die Taktzeiten beim robotergestützen Ultraschallschweißen fast um die Hälfte, teilweise sogar auf unter zwei Sekunden reduzieren lassen. (qui)

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* Andreas Hutterli, Produktmanager Telsonic AG, Bronschhofen

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