Anwendung des Ultraschall-Schneide- und Schweißprinzips für Gewebe

Prinzip des Ultraschallschneidens und -schweißens

Ultraschallschneiden und -schweißen ist ein Teilgebiet der Ultraschallanwendungen in der Industrie und wird aufgrund seiner umweltfreundlichen, effizienten und ästhetisch ansprechenden Eigenschaften immer häufiger eingesetzt.

Ultraschall-Schneid- und Schweißprinzip

Das Ultraschall-Gurtbandschneiden und -schweißen nutzt hochfrequente mechanische Schwingungen von 20–40 kHz, deren Energie über den Schweißkopf auf die Kontaktfläche des Gurtbandes übertragen wird. 1. Energieumwandlung: Der Ultraschallgenerator wandelt elektrische Energie in hochfrequente mechanische Schwingungen um, die durch den Amplitudentransformator verstärkt und anschließend an den Schweißkopf weitergeleitet werden. 2. Reibungswärmeerzeugung: Der Schweißkopf presst gegen das Gurtband und erzeugt so hochfrequente Reibung zwischen den Fasern im Gurtband. Dadurch entstehen lokal hohe Temperaturen von 500–1000 °C. 3. Gleichzeitiges Schweißen und Schneiden: Die hohe Temperatur schmilzt die Gurtbandfasern (z. B. Nylon und Polyester), während der Druck des Schweißkopfes das geschmolzene Material verdichtet und so eine starke Schweißnaht bildet. In Kombination mit einem speziellen Schneidkanten-Schweißkopf kann das Gurtband durch die hohe Temperatur gleichzeitig geschnitten werden, wodurch ein integriertes „Schneiden + Schweißen“ erreicht wird. 4. Kühlung und Formgebung: Nach dem Stoppen der Vibration wird der Druck für 0,1–0,5 Sekunden aufrechterhalten, wodurch der Schweißbereich schnell abkühlt und erstarrt und der Schneid- und Schweißprozess abgeschlossen wird. (Pneumatische Systeme sorgen für Dämpfung und gewährleisten gleichzeitig Kühlung und Formgebung während des Schneid- und Schweißprozesses.)

Zusammensetzung des Ultraschallschneid- und Schweißsystems

Das üblicherweise verwendete Ultraschall-Kunststoffschweißsystem besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Ultraschallgenerator (elektrischer Kasten). ein Ultraschallwandler (Vibrator) und eine Ultraschallform (Formkopf, Schweißkopf, Horn).

Ultraschallgenerator (Elektrokasten), Ultraschallwandler (Vibratoren), Ultraschallformen (Formköpfe, Schweißköpfe, Hörner)

1. Ultraschallgenerator (Elektrokasten): Wandelt Netzstrom in eine stabile Hochfrequenz-Hochspannungsausgabe um.

2. Ultraschallwandler (Oszillator): Ein akustisches Gerät, das Energie umwandelt, indem es elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt.

3. Verstärker: Die Amplitude der mechanischen Schwingung des Wandlers wird über ein vordefiniertes Verstärkungsverhältnis verändert.

4. Formen (Schweißköpfe, Hörner): Die Abmessungen sind speziell auf die Bedürfnisse von Schweiß- und Schneidanwendungen zugeschnitten, und die akustischen Eigenschaften sind so ausgelegt, dass sie den Resonanzanforderungen des Ultraschallsystems entsprechen. Im Folgenden werden anhand einiger Formeln die Parameteroptimierung in verschiedenen Anwendungen erläutert.

Energie = Amplitude * Druck * Zeit * Konstante K = Leistung * Zeit

Die obigen Formeln zeigen, dass beim Schweißen und Schneiden die Amplitude der Ultraschallwelle (einstellbar am Generator), der Druck (Luftdruck oder Drehmoment des elektrischen Zylinders sowie die Steifigkeit und Härte des Bauteils) und die Wellenaussendungszeit positiv mit dem Schweiß- bzw. Schneidergebnis korrelieren. Mit anderen Worten: Bei unzureichendem Schnittergebnis können diese Parameter positiv angepasst werden. Heißt das, je höher diese Parameter sind, desto besser? Natürlich nicht!

P = K∗A∗f∗δ, wobei P die Schweißleistung in W darstellt;

K Es handelt sich um eine Konstante, deren Größe mit der Schallleitung und der Energiedissipation des Materials zusammenhängt. Das bedeutet, dass man üblicherweise sagt, dass verschiedene Materialien unterschiedliche Parameteranpassungen erfordern, um die Anforderungen zu erfüllen.

A Die Fläche des Schweißschnitts wird in Quadratmetern (m²) gemessen. Es handelt sich um die Kontaktfläche des Schweißschnitts, daher bestimmen Länge und Winkel der Schneide diese Fläche üblicherweise.

F Die Ultraschallfrequenz wird als Frequenz bezeichnet. Theoretisch lassen sich höhere Frequenzen leichter schweißen. Akustisch betrachtet ist es jedoch umso schwieriger, mit steigender Frequenz eine große Amplitude zu erzielen; die Einheit ist Hz.

D Die Amplitude wird in Metern (m) gemessen. Theoretisch führt eine größere Amplitude zu besseren Schweiß- und Schneidergebnissen. Die Dauerfestigkeit metallischer Werkstoffe hängt jedoch von Frequenz, Materialeigenschaften, Spannung, Zeit, Druck und Härte ab und wird daher von weiteren Parametern beeinflusst.

Sechs Faktoren, die die Ergebnisse beim Ultraschallschneiden und -schweißen beeinflussen:

Druck + Zeit + Mechanische Struktur + Produktmaterialien + Fehlerbehebung

1. Ultraschallschweißdruck

Durch Anlegen eines geeigneten Drucks auf die Schweißfläche geht das Schweißmaterial vom elastischen in den plastischen Zustand über, die molekulare Interdiffusion wird gefördert und Restluft aus der Schweißnaht verdrängt, wodurch die Dichtwirkung der Schweißfläche verbessert wird. Der Druck beträgt in der Regel maximal 0,5 MPa.

2. Ultraschallschweiß-/Schneidzeit (Wellenemissionszeit)

Eine angemessene Schmelz- und Abkühlzeit ist unerlässlich. Bei gleichbleibender Wärmeleistung führt eine zu kurze Schmelzzeit zu unvollständiger Schweißung, während eine zu lange Schmelzzeit Verformungen des Schweißguts, Schlackenüberlauf und mitunter Hotspots (Verfärbungen) in nicht verschweißten Bereichen verursacht. Es ist entscheidend, dass die Schweißnahtoberfläche ausreichend Wärme aufnimmt, um vollständig zu schmelzen und so eine ausreichende Moleküldiffusion und Verschmelzung zu gewährleisten. Gleichzeitig ist eine ausreichende Abkühlzeit notwendig, damit die Schweißnaht die erforderliche Festigkeit erreicht.

3. Ultraschallamplitude

4. Mechanische Struktur

Die Präzision und Stabilität der Rahmenfertigung beeinflussen direkt das Schweißergebnis, insbesondere bei einigen Präzisionsprodukten, bei denen die mechanische Struktur der Präzision des Produkts entsprechen muss.

5. Produktmaterialien

Faktoren wie das Material der zu verschweißenden Teile, deren Struktur, Dicke und Druckbeständigkeit beeinflussen das Schweißergebnis ebenfalls direkt.

6. Geräte-Debugging

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für optimale Ergebnisse beim Ultraschallschneiden und -schweißen die korrekte Einstellung der Geräte unerlässlich ist. Die flexible Abstimmung und Anpassung verschiedener Parameter sowie die Inbetriebnahme vor Ort durch unsere Techniker spielen dabei eine wichtige Rolle.