Ultraschallschweißen – Die führende Verbindungstechnologie

Viele fürchten jedoch das Ultraschallschweißen, da die Schwingung andere Bauteile des Produktes zu Schwingungen anregen kann, sodass diese brechen oder beschädigt werden. Insbesondere Techniker:innen und Ingenieur:innen, die mit den physikalischen Grundlagen der Schwingungen nicht vertraut sind, scheuen somit diese Technologie.

Bevor man also das Ultraschallschweißen für ein Produkt in Erwägung zieht, sind vorab einige Fragen während der Konzeptentwicklung zu klären.

Material: Welche Festigkeiten müssen für die Verbindung erreicht werden? Können die Fügepartner chemisch/physikalisch überhaupt eine feste Verbindung eingehen? Besitzt das Material die richtigen Eigenschaften für das Ultraschallschweißen?

Geometrie: Sind die Verbindungsstellen mit einer Sonotrode überhaupt erreichbar? Hat der Schweißpunkt einen ausreichenden Querschnitt, um die notwendige Festigkeit sicher zu erreichen? Gibt es filigrane Bauteile in der Nähe der Schweißstelle, die durch Schwingungen beschädigt werden können?

Prozess: Gibt es potentielle Schweißanalgen, die den geforderten Querschnitt verarbeiten können? Welche Erfahrungen gibt es mit den Schweißanlagen? Welche Festigkeiten und Fähigkeiten können mit den Anlagen erreicht werden?

Zur Beantwortung dieser Fragen reicht häufig auch schon ein Beratungsgespräch mit einem möglichen Anlagenlieferanten. Viele sind auch bereit, erste Prototypenmuster testweise zu schweißen. An diesen Prototypen kann man erste Materialanalysen vornehmen. Dazu können Zugtests, Schertests, Schliffbilder, Temperatur-Schock-Tests und weitere Methoden genutzt werden. Je mehr Daten und Fakten Sie zu Beginn sammeln, um so fundierter ist Ihre Entscheidungsgrundlage für weitere Schritte.

Sofern das Risiko besteht, dass filigrane Bauteile durch Ultraschallschwingungen beschädigt werden können, muss eine tiefere Analyse erfolgen. Theoretisch kann man die Resonanzfrequenz eines Bauteils bei bekannter Geometrie und Dichte vorab berechnen oder die Schwingungen sogar in FEM-Analysen simulieren. In jedem Fall sollten diese theoretischen Vorhersagen durch reale Tests bestätigt werden. Wer hier auf Nummer sicher gehen möchte, schweißt nicht nur einfach ein paar Teile und schaut, ob diese intakt bleiben, sondern misst die Schwingungen an den Teilen selbst. Die Amplitude kann in manchen Fällen mittels eines Tasters gemessen werden. Besser ist jedoch ein Laservibrometer, welches die Amplitude, die Frequenz und die Phase der schwingenden Teile bestimmt. Ich selbst habe viele Stunden mit großer Freude solche Analysen durchgeführt.

Sofern tatsächlich im Rahmen der Vorentwicklung ein potentielles Risiko für Beschädigungen identifiziert wurde, gibt es prinzipiell 3 Möglichkeiten dies zu lösen.

1. Senken der Amplitude des Schweißprozesses, sofern dadurch nicht die Festigkeit der Schweißverbindung zu stark leidet.

2. Dämpfen der schädlichen Schwingungen am Bauteil.

3. Veränderung der Resonanzfrequenz (Verstimmen) der Bauteile.

Ich selbst habe mit Hilfe diese Vorgehens viele Prozesse des Ultraschallschweißens für neue Produktekonzepte ertüchtigt. Dies öffnete den Markt für weiteren Umsatz von mehreren 100 Millionen Euro.