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Das Ultraschallschweißen hat sich als Fügeverfahren seit Jahren in der Medizinbranche bewährt. Eingesetzt wird es für die Produktion unterschiedlicher Anwendungen, wie etwa Dialysefilter, Infusionsleitungen, Infusionssets und Pumpen für Diabetes-Patienten. Beim Schweißen mit Ultraschall werden Kunststoffteile mittels Reibung unter minimaler Krafteinwirkung verbunden. Dafür erzeugt ein Ultraschall-Generator eine Frequenz zwischen 20 und 35 kHz, die durch einen Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt wird. Über das Schweißwerkzeug – die Sonotrode – werden diese Vibrationen auf einen der beiden Fügepartner übertragen. An vorher festgelegten Kontaktstellen der beiden Bauteile kommt es zu Reibungen. Während der kurzen Schweißzeit von wenigen hundertstel Sekunden entsteht an diesen Stellen Hitze – und der Kunststoff schmilzt.
Ultraschallschweißen auch für empfindliche Bauteile geeignet
Der Vorteil: Durch die Schmelze werden hochfeste und dichte Verbindungen auf molekularer Ebene erzeugt. Das schützt das Innere der Applikationen vor Verunreinigungen und anderen äußeren Umwelteinflüssen. Die Bauteile selbst bleiben nahezu frei von thermischer oder mechanischer Belastung, wodurch sich das Ultraschallschweißen auch für empfindliche Geräte und Inhalte eignet.
Solche Verbindungen ohne zusätzliche Fügemittel sind auch von Vorteil für Anwendungen, die direkt am Körper getragen werden, wie etwa Blutzuckermessgeräte oder Insulinpumpen. Die dort häufig noch verwendeten, Isobornylacrylat (IBOA)-haltigen Klebstoffe können den Tragekomfort einschränken oder zu Hautirritationen führen. Ohne die Chemikalien der Klebstoffe verbessert sich die Hautverträglichkeit enorm.
Mit Ultraschall auch aufwendige Geometrien sauber und sicher verbinden
Präzise Steuerung der Energie über Parameter
Auch die Umweltbilanz des Produkts profitiert vom klebefreien Verfahren. Denn neben den zusätzlichen Verbrauchsstoffen entfallen auch energieintensive Prozesse wie das Aufheizen oder Abkühlen des Klebstoffs. So wird Energie nur dort eingesetzt, wo sie benötigt wird: an der Schweißnaht der Bauteile.
Die eingetragene Energie kann während des Prozesses präzise gesteuert werden, ebenso wie die übrigen Schweißparameter, die zuvor in Versuchen im Labor ermittelt wurden. Zentrale Parameter für das Schweißen von Kunststoffen sind Frequenz, Amplitude, Schweißkraft, Energie sowie Schweißweg und -geschwindigkeit. Die Parameter beeinflussen sich gegenseitig. Die genaue Definition der richtigen Schweißparameter ist deshalb einer der wichtigsten Schritte in der Entwicklung des Ultraschall-Schweißprozesses. Sind sie einmal gefunden, können sie zuverlässig reproduziert werden. Das sorgt für konsistente, sichere Schweißergebnisse.
Da die Schweißwerkzeuge während des Verbindens direkten Kontakt zu den Kunststoff-Bauteilen aufnehmen, wird über diese Berührung wertvolles Feedback in Form von Daten gesammelt. Insgesamt können bis zu 150 Daten pro Schweißung erfasst, gespeichert und ausgewertet werden. Diese Informationen liefern nicht nur einen wichtigen Beitrag zur Qualitätskontrolle. Sie geben entscheidende Anhaltspunkte, wie der Prozess weiter optimiert werden kann, um Geschwindigkeit, Ausschuss und Energieverbrauch zu optimieren.
Softwaretools verbessern Schweißprozess bei der Beatmungsgerätemontage
Fertigungsprozess mit hohem Automatisierungspotenzial
Aufgrund der genauen Steuerungsmöglichkeiten sowie der kurzen Prozesszeiten wird Ultraschall im Medizin-Bereich vor allem dort eingesetzt, wo hohe Stückzahlen mit konstanten Ergebnissen produziert werden. Je nach Anwendung dauert der Schweißprozess zwischen 80 und 500 ms. Gerade kleinere Anwendungen, wie Konnektoren von Infusionssets, benötigen häufig nur rund 150 ms. Zudem ist die Integration einzelner Ultraschall-Komponenten bei kollaborativen Robotern oder Multihead-Maschinen möglich. Für kleinere Stückzahlen, die ebenfalls zuverlässig und mit gleichbleibender Qualität gefertigt werden sollen, eignet sich die Nutzung von Handarbeitsplätzen.
Um von den Vorteilen des Ultraschallschweißens profitieren zu können, müssen die Bauteile entsprechend gestaltet sein. So lassen sich nahezu alle thermoplastische Kunststoffe mit Ultraschall verbinden. Dazu zählen auch die gängigsten Kunststoffe in der Medizinbranche, wie etwa Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).
Für das Ultraschallschweißen können Bauteile auch filigran oder in komplexen 3D-Formen gestaltet sein. Sogar geringste Wandstärken um 1 mm sind damit umsetzbar. Darüber hinaus benötigen die Bauteile eine spezielle Nahtgestaltung an der Kontaktstelle der Fügepartner. Über einen so genannten Energierichtungsgeber kann gewährleistet werden, dass die Schmelze des Kunststoffs nur an der gewünschten Stelle entsteht. Die passende Nahtgestaltung für das Bauteil und die Anforderungen des Kunden sind weitere Erfolgsfaktoren für das Schweißen mit Ultraschall. Deshalb ist es von Vorteil, wenn der Ultraschall-Anbieter bereits in die Entwicklung des Produkts eingebunden ist. Mit der entsprechenden Erfahrung kann er bei der Materialauswahl sowie der Gestaltung des Bauteils beraten.
Auf der Fakuma: Halle A4, Stand 4108
