Sichere Nähte dank Ultraschall

Das Ultraschallschweißen ist ein wirtschaftliches, weil schnelles Verfahren zum Siegeln flexibler Verpackungsmaterialien für den Pharma- und Medizintechnikbereich. Elektrische Spannung wird in mechanische Vibrationen in einer Ultraschallfrequenz zwischen 20 und 35 kHz umgewandelt und über ein Schweißwerkzeug, die sogenannte Sonotrode, in die Folie eingeleitet. 20 kHz bedeuten 20 000 Bewegungen in der Sekunde. Das Verpackungsmaterial wird durch die entstehende Wärme buchstäblich zusammengeschweißt. Es entsteht eine molekulare Verbindung mit hoher Festigkeit und hermetischem Verschluss.

Ultraschallsiegelnähte sind schmaler als Wärmekontakt-Siegelnähte, jedoch genau so dicht und fest. Dadurch kann Packstoff eingespart werden. Die Energiefokussierung zum zielgerichteten Aufschmelzen des Materials erfolgt über die Amboss- oder Sonotrodenkontur. Die Auflagefläche auf dem Amboss definiert die Siegelzone.

Der digitale Ultraschall-Generator erfasst 10 000 Mal pro Sekunde mehr als zwanzig Messwerte wie Spannung, Strom, Amplitude sowie daraus abgeleitete Größen. Über diese Messwertrückmeldungen wird der Ultraschallschweißprozess laufend überwacht und optimiert. Zur leichteren Prozess-Beurteilung und Optimierung sind neben der Leistungskurve auch Amplituden- und Frequenzverlauf grafisch darstellbar. Durch die Möglichkeiten der dynamischen Parameteranpassung können Variationen innerhalb der Siegel-Schichtdicke, beim Feuchtigkeitsgehalt und Temperaturunterschiede in gewissen Grenzen kompensiert werden.

Der Ultraschallgenerator speichert die Schweißparameter jedes Siegelvorgangs digital und ermöglicht so eine umfassende Nachverfolgbarkeit. Zur Sicherstellung der Nahtqualität wird diese Rückmeldung pro Siegelung mit im Generator gespeicherten Sollwerten verglichen: Liegt die Siegelung außerhalb festgelegter Qualitätsgrenzen, sendet die Maschinensteuerung eine Nachricht, und die Beutel werden automatisch ausgesondert oder die Anlage angehalten.

Das Ultraschallsiegeln ist durch einen großen energetischen Wirkungsgrad gekennzeichnet, da nur während der eigentlichen Schalleinleitung Energie benötigt wird und bei den üblichen Schweißzeiten zwischen 80 und 200 ms jeweils nur kurzzeitig Leistung abgegeben wird. Diese Eigenschaft ist vor allem bei dicken Packstoffen oder Verbindungen zwischen spritzgegossenen Packmitteln und Folien von Vorteil.

Im Vergleich zu dauerbeheizten Wärmekontaktverfahren sind Ultraschallsysteme unmittelbar nach dem Einschalten des Ultraschallgenerators einsatzbereit. Einricht- und Wechselzeiten werden optimiert, da die beim Heißsiegeln erforderlichen Aufwärm- und Abkühlzeiten von 10 bis 45 min entfallen. Im Speicher des Ultraschallgenerators kann eine Vielzahl unterschiedlicher Parametersätze abgelegt werden. Dadurch ist eine automatische Rezept-Umschaltung möglich, die sofort mit dem Start des nächsten Siegelvorgangs wirksam wird. Ein Maschinenstillstand ist nicht erforderlich.

Da die Ultraschallsiegelwerkzeuge nicht heiß werden, besteht keine thermische Belastung für Packstoff und Füllgut. Die zum Aufschmelzen benötigte Wärme wird nur in der Fügezone, sprich innerhalb der Siegelschicht, erzeugt. Die Trägerschicht bleibt nahezu kalt, und nach Beendigung des Energieeintrages fließt die Wärme aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Trägerschicht und Siegelschicht zügig nach außen ab – dadurch entfällt die Problematik der reduzierten Warmnahtfestigkeit beim Heißsiegeln. Im Vergleich ist auch der Reinigungsaufwand deutlich geringer. Auf den Einsatz von Antihaftschutz wie Teflonbänder kann komplett verzichtet werden.

Beides ist möglich: Als Spezialist für Ultraschall-Schweißtechnologie hat die Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG, Karlsbad, Integrationsrichtlinien entwickelt und koope- riert direkt mit ausgewählten, namhaften Herstellern von Verpackungsmaschinen. Zur Sicherstellung der zielgerichteten Energieeinleitung beim Ultraschallschweißen sind die Anforderungen an die Verpackungsmaschinen hoch, insbesondere an die Qualität der Führungselemente, die Parallelität der Siegelwerkzeuge und die Konstanz und Einstellbarkeit des Siegelkraftaufbaus.

Zusätzlich zum bisherigen Komponentengeschäft hat das Unternehmen autarke Siegelstationen entwickelt, die aufgrund eines geschlossenen Kraftaufbausystems mit eigener Bewegung, integriertem Antrieb und Steuerung ein eigenständig arbeitender Bestandteil von Verpackungslinien sind.

Ultraschallsiegelsysteme sind teurer als Heißsiegelsysteme. Aufgrund der Einsparungen, die durch weniger Verpackungsmaterial, Abfallverringerung, Produktivitätszuwachs und Senkung des Energieverbrauchs entstehen, können sie sich jedoch innerhalb von 6 bis 18 Monaten amortisieren. Dazu verringert sich der Personalaufwand für die Überprüfung der Siegelqualität, Beseitigung und Behandlung von Ausschuss sowie die Reinigung von Rückständen auf den Siegelbacken. Die Gesamtbetriebskosten (TCO = Total Cost of Ownership), die immer mehr zum Schlüsselfaktor bei Kaufentscheidungen werden, können durch die Ultraschall-Technologie gesenkt werden, vor allem bei Massenproduktion im Mehrschichtbetrieb.

Thomas Herrmann Herrmann Ultraschalltechnik, Karlsbad

Einsparungen bei Energie und Verpackungsmaterial