Ultraschalltechnologie

Was ist Ultraschall?

Ultraschall ist eine mechanische Schwingung mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 10 GHz. Sie ist damit für den Menschen unhörbar, denn unser Hörvermögen ist auf Frequenzen zwischen 16 Hz und 20 kHz beschränkt.

Ultraschall wird aus hochfrequenter elektrischer Energie erzeug und in mechanische Energie umgewandelt. Als mechanische Schwingung breitet der Schall sich mit einer definierten Geschwindigkeit in der Luft und anderen Medien in Form einer Druckwelle aus. Die Frequenz ist dabei ein Mass dafür, wie schnell die Wiederholungen eines periodischen Vorgangs aufeinander folgen, zum Beispiel beim Auseinander- und Zusammenziehen unserer Ultraschallwerkzeuge. Ein Hertz steht dabei für eine Schwingung pro Sekunde.

Wie funktioniert das Ultraschallfüge- und -trennverfahren?

Für das Schweissen und Schneiden mit Ultraschall wird die in Schallwellen umgewandelte Energie genutzt, um den Kunststoff aufzuschmelzen. Je nach Anwendung kommt eine andere Frequenz zum Einsatz. Weil RINCO ULTRASONICS eine grosse Bandbreite der Frequenzen zwischen 20 und 70 kHz nutzt, können wir für jegliche Schweiss- und Schneidaufgaben die optimale und individuelle Ultraschalllösung anbieten.

Das Ultraschallverfahren

Wie der ganze Prozess genau abläuft, haben wir in diesem Video dargestellt.

Wie wird Strom aus der Steckdose zu Ultraschall?

Um elektrische Energie (Strom) in mechanische Schwingungen (Ultraschall) umzuwandeln, benötigt man einen Generator und einen Konverter. Der Generator wandelt zunächst die Energie der Netzspannung von 200/230 V und 50/60 Hz (Steckdose) in eine HF-Spannung mit einer definierten Frequenz von mindestens 20 kHz um. Möglich sind – je nach Anwendung – Frequenzen von 20 bis 70 kHz.

Im nachgeschalteten Konverter wird aus der hochfrequenten elektrischen Energie die mechanische Schwingung erzeugt. In seinem Inneren befinden sich Piezo-Scheiben, die durch die elektrische Energie angeregt werden und sich abwechselnd zusammenziehen und ausdehnen. Durch diese Bewegung wird der Konverter in Schwingung versetzt. Der Ultraschall besitzt dann eine durch den Generator vorgegebene Amplitude und Frequenz, welche vom Konverter an den nachgelagerten Booster und die Sonotrode weitergegeben werden.

Die Sonotrode ist das eigentliche Schweiss- oder Schneidwerkzeug, das Kontakt mit dem Werkstück hat.
Konverter, Booster und Sonotrode zusammen bezeichnet man häufig als Schwingersystem. Diese Komponenten müssen akustisch genau aufeinander abgestimmt sein, um effizient arbeiten zu können.

Wie lassen sich Kunststoffe, Textilien oder Lebensmittel mit Ultraschall schweissen oder schneiden?

Beim Ultraschallfügen oder Ultraschallschweissen werden mechanische Schwingungen, die im Konverter entstehen, über die Sonotrode an den Werkstoff übertragen. Sie regen durch Reibungswärme die Kunststoffmoleküle zum Schwingen an. Der Kunststoff schmilzt auf, er plastifiziert. Durch den anschliessenden Fügedruck kann er dann neu geformt werden. Das passiert nicht nur beim Schweissen, sondern auch beim Bördeln, Nieten, Umformen oder Einbetten, denn das Grundprinzip des Ultraschallschweissens ist für alle Fügevarianten dasselbe.

Beim Ultraschalltrennen oder Ultraschallschneiden wird die mechanische Schwingung durch eine Messerklinge auf das Material übertragen. Minimaler Druck und die entstehende Oberflächenreibung trennen Plastik, Textilien, Gummi und verschiedene Lebensmittel. Auch beim Ultraschallschneiden hat die Reibungswärme eine wichtige Aufgabe. Sie erleichtert den Trennprozess so, dass durch den minimalen Druck selbst weiche Lebensmittel ihre Form behalten. Ausserdem entstehen auf diese Weise besonders saubere Schnitte. Kunstfaser-Textilien werden dank des Wärmeeintrags nicht nur sauber getrennt, die Reibungswärme versiegelt auch direkt die Schnittkanten, sodass sie nicht ausfransen.

Wie sieht ein üblicher Ultraschall(schweiss)prozess aus?

Um das zu erkennen, muss man sehr genau hinsehen. Wir erklären hier den Prozess anhand eines Ultraschall-Schweisszyklus. Ein Ultraschall-Schweisszyklus dauert nur einen kurzen Augenblick. Er besteht meist aus sechs Schritten, die in einer Hubbewegung sehr schnell ineinander übergehen.

Im 1. Schritt fährt der Vorschub mit dem Schwingersystem von der Start- zur Abbremsposition. Die Bewegung im ersten Schritt ist sehr dynamisch und verlangsamt sich in Schritt 2, um die Sonotrode möglichst schonend auf das Werkstück aufzusetzen. In Schritt 3 wird der Druck bis zu einem vordefinierten Wert (Triggerpunkt) aufgebaut, bevor in Schritt 4 der Ultraschall in die Werkstücke eingeleitet wird – das ist der eigentliche Schweissprozess, der oft nur einen Bruchteil einer Sekunde dauert. Anschliessend bleibt der Druck für die Abkühlphase bestehen (Schritt 5), bevor der Vorschub in Schritt 6 wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt.

Diese sechs Positionen lassen sich durch verschiedene Modi und diverse Parameter exakt an die Anwendung und ihr Material anpassen, um jedes Kunststoffteil sicher zu fügen. Dieser Ablauf gilt für das Schweissen und Umformen. Beim Stanzen fällt lediglich die Abkühlphase unter Druck weg. Wie der Ablauf beim Schneiden funktioniert, erklären wir genauer im Submenü Ultraschallschneiden.

Welche Anforderungen lassen sich mit der Ultraschalltechnologie erfüllen?

Die Ultraschalltechnologie wird als energieeffizient, schnell und sauber bezeichnet. Sie eignet sich besonders gut, wenn es auf kurze Prozesszeiten bei hoher Prozesssicherheit ankommt. Aber auch bei Anforderungen wie hohe Nahtqualität und Ästhetik, hohe Festigkeit und exakte Reproduzierbarkeit sollte man die Ultraschalltechnologie unbedingt in Betracht ziehen. Darüber hinaus passt sie besonders gut ins Anforderungsprofil, wenn keine weiteren Komponenten, Zusatzstoffe oder Klebstoffe verwendet werden dürfen oder sollen.

Die Ultraschallkomponenten lassen sich gut in bestehende Anlagen integrieren.

Welche Anforderungen die diversen Ultraschallverfahren erfüllen, zeigen wir in den entsprechenden Submenüs auf.

Was kann mit Ultraschall gefügt oder getrennt werden?

Die Ultraschalltechnologie ist ein schnelles, aber auch ein energie- und materialsparendes Fügeverfahren. Zudem ist es sehr vielseitig. Zum Fügen eignet es sich immer dann, wenn Thermoplaste im Spiel sind. So können beispielsweise Formteile aus thermoplastischem Kunststoff mit Ultraschall sehr einfach gefügt werden. Dieses Verfahren ist gerade in der Automobil-, der High-Tech- und der Medizinalindustrie sehr verbreitet. Folien lassen sich dicht und sicher verschweissen oder versiegeln. Aber auch technische Textilien und Vliese mit einem thermoplastischen Anteil lassen sich effizient fügen oder trennen.

Vor allem in der Lebensmittelindustrie wird Ultraschall nicht nur zum Versiegeln von Verpackungen, sondern auch zum Portionieren und Schneiden eingesetzt. Süsswaren, Backwaren, Käse, Gemüse oder Wraps landen mit Ultraschall in gleichmässige Portionen geteilt, in ansprechender Form und mit sauberer Schnittkante in der Verpackung.

Welche Materialien können gefügt oder getrennt werden?

Das Ultraschallfügen eignet sich grundsätzlich für alle thermoplastischen Kunststoffe. Diese werden in teilkristalline Thermoplaste – POM, CA, LCP, PEEK, PA, PBT, PE, PPS, PP, PTFE – und amorphe Thermoplaste unterteilt. Zu den amorphen Thermoplasten gehören beispielsweise ABS, MABS, PMMA, PC, PET, PS oder PVC. Sehr gut kann ist in der Regel Gleiches mit Gleichem verschweisst werden - aber auch unter den verschiedenen Materialien gibt es schweissbare Paarungen. Hier können Sie sich darüber informieren.

Ebenso wie sich Kunststoff fügen lässt, können auch Stoffe durch Ultraschall getrennt werden. Neben Plastik, Gummi, Non-wovens oder technischen Textilien wird das Ultraschalltrennen auch gerne für das Schneiden und Portionieren vieler Lebensmittel eingesetzt. Bestechender Vorteil hier ist, dass die Schnittkanten sehr sauber sind und keine Messer gereinigt werden müssen.

Aufbau einer typischen Ultraschall-Schweissmaschine

Ultraschallschweissmaschinen bestehen aus einem Generator mit Steuerung, einer Pressesäule, einem Vorschub und dem Schwingersystem. Dieses wiederum setzt sich zusammen aus dem Konverter, dem Booster und der Sonotrode. Ausserdem gehören dazu eine Aufnahme für das Werkstück, eine Grundplatte sowie für Einzel-Arbeitsplätze eine Auslöseeinheit.

Generator (1)
Gleich mehrere Funktionen erfüllt der Ultraschallgenerator. Er wandelt den Wechselstrom aus der Steckdose um und erzeugt daraus die notwendige Hochspannung mit einer Frequenz von 20 bis 70 kHz. Ausserdem regelt er die Amplitude über die Spannung und versorgt den Konverter mit elektrischer Energie. Die Generatoren bietet Rinco Ultrasonics in vielen verschiedenen Leistungsstufen an. Die Gerätesteuerung ist meist im gleichen Gehäuse untergebracht. Bedient werden die Ultraschall-Schweissgeräte meistens über ein lokales oder ein externes Touchdisplay. Erhältlich sind die Generatoren mit Gehäuse oder auch als reines Ultraschallgenerator-Modul ohne Gehäuse.

Pressesäule (2)
An der Pressesäule ist der Vorschub montiert. Sie ist für die Stabilität der Maschine verantwortlich.

Vorschub (3)
Der Vorschub übernimmt die Hubbewegung. Der Antrieb dieses beweglichen Bauteils des Ultraschallgeräts kann pneumatisch oder elektrisch ausgeführt sein. Am Vorschub wird das Schwingersystem befestigt.

Schwingersystem (4)
Das am Vorschub befestigte Schwingersystem ist das Herzstück der Ultraschallmaschine, denn hier entsteht die Ultraschallschwingung.
Es besteht aus einem Konverter, einem Booster und der Sonotrode.

Konverter (5)
Der Ultraschallkonverter – auch Schallwandler genannt oder Transducer – konvertiert die elektrische Energie in mechanische Schwingungen. Diese Schwingungen entstehen beim Einbringen der hochfrequenten Spannung in die Piezokristalle der Piezo-Scheiben.

Booster (6)
Der Booster verstärkt die erzeugten Ultraschallschwingungen durch seine Bauform auf physikalische Weise. Er vergrössert ihre Amplitude.
Das gesamte Schwingersystem wird mittels Booster in der Maschine oder am Roboterarm befestigt.

Sonotrode (7)
Die Sonotrode ist das eigentliche Werkzeug zum Schweissen oder Schneiden. Sie leitet die Ultraschallschwingung in das Werkstück. Es schmilzt durch den Ultraschall auf und verfestigt sich beim Abkühlen.

Die Sonotrode ist am Booster befestigt und besteht aus Aluminium, Titan oder Stahl. Jede Sonotrode erhält ihre eigene dem Werkstück angepasste Form – sie wird also kundenspezifisch gefertigt. Um eine perfekte Schweissverbindung zu erzielen, muss die Sonotrode mit höchster Genauigkeit gefertigt und zudem genau auf die anwendungsspezifische Frequenz abgestimmt sein.

Aufnahme (8)
Damit das Werkstück beim Ultraschallschweissen nicht verrutscht und optimal abgestützt ist, wird es in eine Halterung gelegt. Diese wird häufig auch als Aufnahme, Amboss oder Werkstückaufnahme bezeichnet.

Grundplatte (9)
Befestigt ist die Werkstückaufnahme auf der Grundplatte. Diese lässt sich nivellieren und so genau auf die Sonotrode ausrichten, um eine hochpräzise Schweissnaht zu erzielen..

Auslöseeinheit (10)
Durch die Auslöseeinheit wird der eigentliche Ultraschallschweissprozess in Gang gesetzt. Um eine maximale Sicherheit für den Maschinenbediener zu gewährleisten, ist der Start des Ultraschall-Schweissprozesses nur mit zwei Händen möglich. Weitere Sicherheit gibt ein Not-Halt-Taster, der ebenfalls an der Auslöseeinheit befestigt ist.

Welche Vorteile haben das Ultraschallfügen und Ultraschalltrennen im praktischen Betrieb?

Sowohl das Ultraschallfügen als auch das Ultraschalltrennen sind vielseitig einsetzbar und gleichzeitig ebenso ökonomisch wie ökologisch.

Feste Verbindungen

Durch das Ultraschallschweissen lassen sich besonders feste Verbindungen erzielen.

Da sich die Thermoplaste durch den Energieeintrag des Ultraschalls auf molekularer Ebene verbinden, entsteht eine mechanisch feste Verbindung. Diese ist formstabil und/oder hermetisch dicht.

Effizient, wirtschaftlich, kurze Taktzeiten

Das Ultraschallverfahren ist material- und zeiteffizient sowie eine wirtschaftliche Technologie. Die Taktzeiten sind sehr kurz. Sehr kurze Fügezeiten oder eine schnelle Trenngeschwindigkeit sind mit dem Ultraschallverfahren jederzeit zu erreichen. Die reine Fügezeit beträgt meist nur einen Bruchteil einer Sekunde. Dabei benötigen Ultraschallmaschinen nur wenig Energie.

Präzise Technologie

Beim Fügen oder Trennen mit Ultraschall handelt es sich um eine sehr genaue Technologie. Die Schweissparameter können für das Ultraschallfügen präzise eingestellt werden. Vor allem mit den elektrisch betriebenen Ultraschall-Schweissgeräten können besonders exakte Schweissresultate erzielt werden.

Auch beim Ultraschalltrennen zeigt sich die Präzision der Ultraschall-Technologie. Die Schnitte sind exakt und die Schnittkanten sind in der Regel besonders sauber.

Ästhetische Schweissresultate

Die Präzision beim Ultraschallschweissen geht einher mit optisch ansprechenden Resultaten. Denn dank der präzisen Technologie können jegliche ästhetische Anforderungen erfüllt werden, seien es eine optisch ansprechende Naht und Nietverbindung oder markierungslose Oberflächen.

Dass Ultraschall besonders ästhetische Ergebnisse liefert, zeigt sich ebenso beim Lebensmittelschneiden. Durch das Ultraschalltrennen können Lebensmittel ohne Deformierung geschnitten werden, auch wenn diese – wie beispielsweise bei einer Cremeschnitte – aus unterschiedlichen weichen und härteren Schichten bestehen.

Ökonomisch und schnell einsatzbereit

Eine kurze Prozesszeit spart Kosten. Die Maschinen für das Ultraschallschweissen und die Geräte für das Ultraschallschneiden sind ohne Aufwärmzeit sofort einsatzbereit. Das ist ein wichtiger Unterschied zu thermischen Fügeverfahren wie Heissverstemmen oder Heizelementschweissen.

Da sich auch das zu verarbeitende Werkstück nur geringfügig erwärmt, ist nach dem Schweisszyklus ebenfalls nur ein kurzes Zeitintervall von unter einer Sekunde notwendig, bis die Schweissnaht belastungsfest erstarrt ist.

Schonendes Verfahren für empfindliche Produkte

Die Ultraschalltechnologie eignet sich bestens für temperaturempfindliche Produkte.
Da beim Kunststoffschweissen mit Ultraschall lediglich die Schweissnaht beziehungsweise beim Ultraschalltrennen die Schneidfläche selbst leicht erwärmt wird, eignet sich die Technologie für viele Anwendungen.

Besonders empfehlenswert ist das Ultraschallversiegeln für Verpackungen wärmempfindlicher Produkte wie Kosmetika, Medikamente oder Lebensmittel.

Sauberes, umweltfreundliches und nachhaltiges Fügen und Trennen

Das Ultraschallfügen und das Ultraschalltrennen zählen per se zu den nachhaltigen und umweltfreundlichen Füge- und Trennverfahren.
Für das Fügen zweier thermoplastischer Kunststoffe sind beim Ultraschallverfahren keine Zusatzstoffe notwendig. Auf Klebstoffe oder Verschraubungen kann gänzlich verzichtet werden. Da keine Zusatzstoffe oder zusätzlichen Komponenten verwendet werden, ermöglicht das Kunststoff-Ultraschallschweissen ein sortenreines Recycling und spart langfristig Ressourcen.
Da nur dort Wärme entsteht, wo sie gebraucht wird, kann der Energieverbrauch minimiert werden. Auch die Kunststoffteile selbst brauchen keine Vorbehandlung. Auch das schont die Umwelt. Da keine Zusatzstoffe notwendig sind, ist auch die Handhabung sauber und einfach.

Ultraschall ist Grundlage für eine vielfältig einsetzbare Technologie

Mit Hilfe der Ultraschalltechnologie sind viele verschiedenen Verfahren möglich: Schweissen, Schneiden und Trennschweissen, Stanzen, Versiegeln, Umformen, Nieten, Bördeln oder Einbetten.

Welche Ultraschallverfahren gibt es?

Die Ultraschalltechnologie eignet sich für sehr unterschiedliche Fertigungsprozesse und Verfahren. So kann auch eine ganze Reihe von Kunststoffen und Textilien oder auch Lebensmittel verarbeitet werden.

Am häufigsten werden bei RINCO ULTRASONICS Geräte für das Ultraschallschweissen nachgefragt. Wegen der kurzen Taktzeiten wird das Kunststoffschweissen mit Ultraschall vor allem in der Produktion und Verarbeitung von Teilen für die Automobilbranche eingesetzt.

Fragen und Antworten zur Ultraschalltechnologie