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Ultraschall verbindet auch aufwendig gestaltete Bauteile absolut dicht

Ultraschallschweißen von Kunststoff
Mit Ultraschall auch aufwendige Geometrien sauber und sicher verbinden

Um eine anspruchsvolle Geometrie dicht zu bekommen, setzte ein Hersteller von Biochip-Systemen – nachdem alle Klebeversuche scheiterten – auf die Expertise von Herrmann Ultraschall. Das methodische Herangehen an den Schweißprozess im Labor des Ultraschall-Spezialisten rettete das Projekt.

Carsten Handt
Herrmann Ultraschall, Karlsbad

Absolut dicht müssen die Testkammern für das Biochip-System Chip Foodguide sein, um damit Nahrungsmittelunverträglichkeiten anhand einer Blutprobe nachzuweisen. Das System wollte die R-Biopharm AG aus Darmstadt aus teilkristallinem Kunststoff herstellen. Die große Herausforderung dabei: Das Oberteil mit den Testkammern muss absolut dicht auf einen Träger aufgebracht werden. Drei Jahre Entwicklungszeit steckten schon in dem Projekt. Dann stieß R-Biopharm auf eine technische Lösung, die Ultraschall-Schweißtechnik der Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co KG aus Karlsbad. Gegenüber Klebstoffen hat der Ultraschall entscheidende Vorteile. Das Verfahren ist schnell und sauber und beeinträchtigt die biologischen Bestandteile des Tests nicht.

Allerdings war der Weg zur Lösung auch hier nicht einfach. Bei den Tests zur Machbarkeit zeigte sich, dass das klarsichtige Kunststoff-Material gut auf die Ultraschallwellen reagiert, sich also gut verschweißen lässt. Aber der Rida Chip Foodguide besteht aus einem Trägerteil mit 24 Öffnungen; aufgeschweißt werden drei Teststreifen mit je acht Testkammern. Somit handelt es sich um eine Nahtlänge von 670 mm, die in 24 Kammern aufgeteilt, mit einem Schweißweg von 0,25 mm dicht verschweißt werden muss. Eine solche Geometrie ist eine große Herausforderung an die Verbindungstechnik.

Die Prozessentwicklung für die letztendliche Dichtschweißung dauerte insgesamt fast 24 Monate und wurde in mehreren Besuchs- und Versuchsschleifen durchgeführt. Eine nicht unwichtige Rolle bei der Parameterentwicklung spielte das Kühlverhalten des Kunststoffes. Für die Produktion wurde empfohlen, dass die Einzelteile mit Vorlauf produziert werden, so dass sie entsprechend auskristallisiert sind. Ansonsten kann möglicherweise über die Verschweißung Verzug oder Spannung „eingefroren“ werden und zu Undichtigkeiten führen.

Design von Schweißwerkzeug und Energierichtungsgeber

Bei der Fügezonengestaltung war es wichtig, einen Energierichtungsgeber einzubringen, der bis dato fehlte. Dazu konnte das Spritzgießwerkzeug nachträglich geändert werden und musste nicht neu erstellt werden – es wurde auserodiert und mechanisch spanend nachbearbeitet. Die Nahtgestaltung bei Spritzgussteilen besteht aus geeigneten Schweißgeometrien mit Spitzen oder Kanten in der Fügezone – diese so genannten Energierichtungsgeber fokussieren den Schall und definieren den Ort der Schmelzebildung. Die Ultraschallwellen werden dabei von den Bauteilen bis hin zur Verbindungsstelle übertragen. Die Nahtgestaltung ist notwendig zur zuverlässigen Prozessführung.

Eine weitere Schwierigkeit war die Auflagefläche für das Schweißwerkzeug, die Sonotrode, die auf den Stegen der Kammern aufsetzt. Über eine negative Bauteilaussparung in der Sonotrodenfläche konnte hier, anders als bei vielen anderen Anwendungen, nicht vorgegangen werden – die Werkzeugfläche musste plan sein. Um Anschmelzungen am falschen Ort zu verhindern, wurde die Oberfläche der Sonotrode aus Titan nicht gefräst, sondern geschliffen. Fräsriefen können bei solch feinen Geometrien wie Energierichtungsgeber wirken, was sich über das Schleifen und Polieren verhindern lässt. Die Werkstückaufnahmen wurden aus reinraumtauglichem Edelstahl gefertigt, und zwar aus einem Stück, um die erforderliche Maßhaltigkeit zu gewährleisten.

Bauteilzentrierung über Schnittbildvermessung

Bei der Prozess-Einrichtung war die Zentrierung des Bauteiles schwierig; sie ist aber notwendig für die Dichtschweißung. Die Lösung war hier eine Bauteilvermittlung. Über eine genaue 3D-technische Vermessung des Schnittbildes konnte dies sichtbar gemacht werden. Zentriernoppen im Kammerinnern stellen die Positionierung der Bauteile zueinander sicher. Dies war eine der Maßnahmen, um die Bauteile innerhalb der geforderten Toleranz zu zentrieren und die Produktion sicherzustellen. Zum Abschluss der Entwicklungsarbeiten im Labor stellte die Beurteilung der Fügegüte im Lichtmikroskop die Schweißqualität sicher.

www.herrmannultraschall.com

Auf der Messe K: Halle 1, Stand F28


Kontakt zum Experten für Ultraschalltechnik:

Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG
Descostr. 3-11
76307 Karlsbad
www.herrmannultraschall.com



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