Beim Ultraschallschweißen werden Kunststoffprodukte oder Verpackungen dauerhaft miteinander verbunden. Vor allem die Medizintechnik profitiert von der Schweiß- und Siegelqualität. Voraussetzung sind optimal gestaltete Fügeteile.
Medizinische Bauteile und Verpackungen sowie Hygieneprodukte werden zunehmend aus Kunststoffen hergestellt und mit Ultraschall verschweißt. Vor allem bei anspruchsvollen Anwendungen in der Medizintechnik mit hohen Qualitätsanforderungen, erweist sich Ultraschall als schnelle und reproduzierbare Schweißtechnologie. Die Herrmann Ultraschall GmbH aus Karlsbad hat sich auf den Bereich des Ultraschallschweißens spezialisiert.
Aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeiten und reproduzierbaren Schweißergebnissen wird die Technologie in der Medizintechnik für medizinische Bauteile wie Membranen, Adapter und Konnektoren, Funktionsbauteile, Blutfilter oder chirurgische Instrumente eingesetzt. Aber auch medizinische Verpackungen und Produkte für die medizinische Wundheilung und Hygiene stellen besondere Anforderungen an die Schweiß- und Siegelqualität. „Die guten Schweißresultate hinsichtlich Festigkeit, Dichtigkeit und optisch gutem Eindruck lassen sich aber nur dann erreichen, wenn die Fügeteile verfahrens- und werkstoffgerecht gestaltet wurden“, erklärt Geschäftsführer Thomas Herrmann. Deshalb sei es wichtig, dass der Konstrukteur der zu fügenden Teile von Beginn an „ultraschallgerecht“ denke. „So kann er schon im Vorfeld Probleme bei der Werkstückproduktion vermeiden.“ Aber auch für Konstrukteure von Spritzgießwerkzeugen sind schweißtechnische Überlegungen unabdingbar. „Nachträgliche Werkzeugänderungen können teuer werden und führen häufig aus Zeitnot zu einem Kompromiss“, so Herrmann. Ultraschallgerechte Konstruktionen setzen nicht nur Kenntnisse der Fügeverfahren und -techniken, sondern auch der Werkstoffeigenschaften voraus. „Letztere sind elementar für die Fügeteilgestaltung“, bekräftigt der Ultraschall-Experte.
Während des Schweißprozesses werden mechanische Schwingungen einer Ultraschallfrequenz in die zu schweißenden Materialien mit einer spezifischen Amplitude, Kraft und Dauer eingeleitet. Durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht Wärme, die den Dämpfungskoeffizienten des Materials anwachsen lässt. Am Energierichtungsgeber beginnt der Kunststoff zu schmelzen. Da der Dämpfungsfaktor des plastifizierten Materials zunimmt, wird ein größerer Anteil der Schwingungsenergie in Wärme umgesetzt. Diese Reaktion beschleunigt sich von selbst. Nach Beenden der Schalleinleitung ist eine kurze Abkühlphase unter dem noch anstehenden Fügedruck notwendig, um das zuvor plastifizierte Material homogen zu verfestigen. Anschließend sind die verbundenen Teile sofort weiter bearbeitbar.
Herzstück des Ultraschall-Schweißsystems ist das Schwinggebilde. Es besteht aus dem piezoelektrischen Konverter, dem Amplitudentransformationsstück (Ampli) und der Sonotrode. Das Schwinggebilde kontrahiert und expandiert in der Ultraschallfrequenz. Die Schwingungen, die entstehen, sind Longitudinalwellen. Die Bewegung des Schweißwerkzeugs, also der Abstand zwischen dem Umkehrpunkt und der Ruhelage, nennt man Amplitude – sie liegt beim Ultraschallschweißen zwischen 5 und 50 μm. Als Vergleich nennt Thomas Herrmann das menschliche Haar mit einem Durchmesser von gerade einmal 100 μm: „Sehen kann man die Bewegung deshalb nicht, jedoch fühlen und hören.“
Grundsätzlich haben harte, amorphe Kunststoffe wie PC oder ABS günstige Übertragungseigenschaften für Ultraschallenergie. Die Schwingungen lassen sich über größere Strecken bis zur Nahtstelle weiterleiten. Teilkristalline Kunststoffe wie PA oder POM haben dagegen einen hohen akustischen Dämpfungsfaktor, der die eingeleiteten Schwingungen stark abschwächt. Diese Materialien sind nur im unmittelbaren Nahfeld zur Sonotrode schweißbar. Auch hinsichtlich des Energiebedarfs unterscheiden sich die Werkstofffamilien: Amorphe Thermoplaste haben keinen definierten Schmelzpunkt und benötigen generell weniger Energie. Mit zunehmender Temperatur geht die Schweißzone in einen plastischen Zustand über, bevor sich Schmelze bildet.
Dünne Membranen oder Folien bei Adaptern und Konnektoren aufzuschweißen oder einzubetten, ist eine der Herausforderungen, die das Ultraschallschweißen meistert. Dazu gewährleistet die Technik Funktionalität, Dichtheit und Partikelfreiheit bei hohen Stückzahlen. Weitere Anwendungsfelder sind chirurgische Instrumente, Funktionsbauteile oder Wundauflagen. Durch eine weiche Verschweißung mit Ultraschall erhalten Mundschutzmasken einen besonderen Tragekomfort. Ein fester Verbund des mehrlagigen Aufbaus und eine gute Atmungsdurchlässigkeit werden durch die kontinuierliche Verarbeitung auch bei hohen Produktionsraten ermöglicht. Beim Versiegeln medizinischer Verpackungen sorgt Ultraschall für dichte Nähte trotz pulvriger oder pastöser Inhalte, denn die Ultraschallvibration verdrängt Produktreste aus der Siegelzone. Bei Funktionsbauteilen schweißt Ultraschall schnell und sicher beispielsweise Ausgießer auf Folie. Da keine Heißsiegelschichten benötigt werden, lässt sich auch kostengünstige Folie verwenden. su
Ihr Stichwort
- Ultraschallschweißen
- Schnelle und reproduzierbare Verbindungstechnik für Kunststoffe
- Geeignet für Medizinische Bauteile, Verpackungen und Hygieneprodukte
- Hohe Festigkeit, sichere Dichtheit
Auf den Punkt gebracht
Die großen Vorteile der Ultraschall-Verbindungstechnik sind die Bündelung des Ultraschalls sowie die gezielte Energieeinleitung, die ein definiertes und zeitlich kontrolliertes Aufschmelzen ermöglichen. Großflächige Kontaktbereiche sind hier kontraproduktiv; sie erfordern hohe Leistung und erzielen nur eine undefinierbare Flächenfügung mit schlechter Festigkeit. Um die Energie dort zu fokussieren, wo die Schmelze entstehen soll, braucht das Bauteil so genannte Energierichtungsgeber, in Form einer Linie oder Kante mit spitzer Geometrie. An dieser minimalen Auflagefläche beginnt wegen der hohen Flächenpressung die Plastifizierung. Der Punktkontakt verhindert ein flächiges Ankoppeln der Bauteile und einen unkontrollierten Schallübergang. Deshalb sollte schon bei der Konstruktion der Kunststoff-Bauteile auf die Anforderungen des Ultraschallschweißens geachtet werden.
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