Ziel der Entwicklung

Ein aktueller und anhaltender Trend in der kunststoffverarbeitenden Industrie ist die zunehmende Funktionsintegration. Diese steigenden Forderungen an die Funktion aber auch an das Material der Bauteile, sind der Antrieb für neue Innovationen, da bisher vorhandene Technik an Grenzen stoßen. Eine Fertigung mit herkömmlichen Mitteln wird in vielen Bereichen kostenintensiv und sogar unmöglich.
Viele Kunststoffformteile sind in ihrer Komplexität so entwickelt, dass sie im Urformverfahren wie das Spritzgießen nicht in einem Prozessschritt hergestellt werden können. Dies bedeutet, dass mehrere einfache Formteile hergestellt werden, die dann miteinander verbunden werden müssen. Hierbei spielt die Schweißtechnik als Teil der Verbindungstechnik eine herausragende Rolle, da sie eine Verbindung in einer für eine Automatisierung sehr gut geeigneten kurzen Zykluszeit herstellen kann und damit zumeist hochwirtschaftlich ist. Die Verbindungsmethoden reichen hierbei von den verschiedenen klassischen Schweißverfahren als stoffschlüssige Verbindung bis hin zum Nieten als formschlüssige Verbindung.
Die Entwicklung neuer Werkstoffe mit ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten schaffen neue Herausforderungen in der Verbindungstechnik. In zunehmendem Maße werden Hochleistungskunststoffe wie beispielsweise PEEK, PEI, PES, PSU oder PPS eingesetzt. Diese Kunststoffe besitzen eine hohe Schmelztemperatur, was einen großen Einfluss auf die anzuwendende Verbindungstechnik hat. Der Einsatz heißer sowie temperierter Sonotroden bewirkt technisch/ technologische Vorteile für serielle Schweißprozesse für Formteile aus diesen Hochleistungskunststoffen:
- temperierte Sonotroden erlauben eine höhere Prozessstabilität, weil eine konstante Sonotrodentemperatur eingestellt werden kann;
- beheizte Sonotroden ermöglichen das Ultraschallnieten von technischen und Hochleistungskunststoffen mit reproduzierbar hohen Festigkeiten bei kurzen Prozesszeiten;
- beim Heizelementschweißen ermöglichen heiße Sonotroden (sie agieren gleichzeitig als Heizelement) das prozesssichere Schweißen von Formteilen aus technischen und Hochleistungskunststoffen bei reproduzierbar hoher Schweißnahtfestigkeit und -qualität, was auch Hart-Weich-Verbindungen beinhaltet, wobei kein zwischenzeitliches Reinigen der Heizelemente notwendig ist.
Für diese neuartigen Verfahren mit beheizten Sonotroden sind an den Prozess angepasste Schweißwerkzeuge notwendig. Eine große Herausforderung stellt hier die Beheizung von Sonotroden und die Kühlung von Ultraschallschweißkomponenten (Booster) dar. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um schwingbelastete Komponenten, bei denen die Anwendung konventioneller Techniken versagt. So ergibt sich die Notwendigkeit, für die Fertigung dieser Schweißwerkzeuge neue Technologien zu entwickeln und anzuwenden.
Die Technologie des selektiven Laserstrahlschmelzens (SLM) zur Fertigung von Werkzeugen für das Ultraschallschweißen anzuwenden, stellt eine interessante und vielversprechende Lösung zu deren Fertigung dar. Diese Geometriedetails wie Entlastungsschlitze oder -bohrungen/ gebogene Kühl- oder Heizgeometrien/ Geometriedetails für eine Amplitudenverstärkung insbesondere wenn innenliegend/ Geometriedetails für eine gleichmäßige Amplitudenverteilung stellen ein Problem in der Fertigung nach den konventionellen Methoden dar.
Ziel des Forschungsprojektes war es, die Anwendbarkeit des Verfahrens des selektiven Laserstrahlschmelzens auf die Fertigung von schwingenden Bauteilen (Sonotroden, Booster) für das Ultraschall-Schweißen zu untersuchen. Speziell die Analysen zu den für das Laserstrahlschmelzen typischen Werkstoffen (Stahl, Titan) sollte die Eignung des SLM nachweisen. Es war notwendig, die Parameter des SLM (Morphologie, Oberflächengüten, Maßhaltigkeiten, Fertigungsrichtung, Wärmebehandlung) in ihrem Einfluss auf die Schwingfähigkeit der Schweißwerkzeuge und Bauteile (Absorption, Eigenfrequenz, Amplitudenverteilung an der Schweißfläche) und mechanische Festigkeit zu untersuchen.

Vorteile und Lösungen

Ein wichtiges anwendungstechnisches Ziel war die Neuentwicklung eines energieeffizienten Kühlboosters. Es sollte untersucht werden, inwieweit das SLM-Verfahren für die Konstruktion und Auslegung des Boosters dreidimensionale Kühlgeometrien zulässt.
Ergebnisse: Das für den Sonotroden- und Boosterbau neuartige Fertigungsverfahren des SLM konnte für die praxisnahen Untersuchungen zur Anwendung gebracht werden. Mit einer Vielzahl von Sonotroden- und Boostervarianten wurden sowohl werkstoffliche als auch geometrische Aspekte untersucht. Unterstützt wurden die Untersuchungen durch den Aufbau und die Verwendung eines Dauerschwingversuchstandes und eines Durchfluss- und Amplitudenmessplatzes, auf dem die Vielzahl der Sonotroden- und Boostervarianten getestet werden konnten.
Die Analysen zum Schwingverhalten der speziell gefertigten Sonotroden konnten über Simulationsrechnungen vor der Sonotrodenfertigung durchgeführt werden.
Die Untersuchungen ergaben die Eignung bestimmter für den SLM-Prozess handelsüblicher Werkstoffe für den Sonotroden- und Boosterbau aus Titan und Stahl. Die Vielzahl der erfolgreich getesteten geometrischen Varianten untermauern die Aussage der Eignung des Fertigungsverfahrens.
Die Gegenüberstellung konventionell gefertigter und SLM-gefertigter Kühlbooster ergab ebenfalls die Eignung des Fertigungsverfahrens zum Kühlboosterbau. Die SLM gefertigten Kühlbooster vereinfachen den Herstellungsprozess und bieten weiterhin die Möglichkeit, eine optimierte und feiner strukturierte Kühlgeometrie zu fertigen. Begünstigend auf den Markteintritt der Fertigungstechnik für Schweißwerkzeuge wirken sich folgende Vorteile für die zukünftigen Anwender aus:
- Machbarkeit von Schweiß- und Nietverbindungen aus Hochleistungskunststoffen
- Verbesserung der Qualität und Reproduzierbarkeit der Schweißverbindungen
- deutliche Reduzierung von Materialschädigungen durch geringere Leistungen
- kürzere Zykluszeiten durch die Entwicklung optimal dimensionierter Komponenten in der Verbindungstechnik
- energieeffiziente Kühlung von Schweißwerkzeugen und damit Kostenersparnis
- Optimierung bei der Beheizung von Sonotroden
- optimierte Wärmeverteilung an den Schweißwerkzeugen
- Möglichkeit der Reparatur von konventionellen Schweißwerkzeugen oder solchen die über das SLM-Verfahren hergestellt wurden.
Somit bietet die Entwicklung eine bessere Herstelltechnologie und damit optimierte Wettbewerbsbedingungen.
Durch die Konjunkturphase in der Kunststoff verarbeitenden Industrie werden die Markteintrittschancen sehr positiv bewertet. Der Hauptnutzen liegt in den Verarbeitungsbetrieben und den Firmen des Schweißwerkzeugbaus, die sich einem hohen Qualitätsanspruch bei der Verbindung von Kunststoffteilen stellen müssen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit dem Verfahren des SLM ist es möglich, praxistaugliche Ultraschall-Schweißwerkzeuge aus verschiedenen Materialien und in verschiedenen Geometrien herzustellen und einzusetzen. Speziell durch die gegenüber konventionellen Fertigungstechniken neuen Möglichkeiten zur innerern Gestaltung der Schweißwerkzeuge werden neue Möglichkeiten in der Sonotroden- und Boostergestaltung und darüber hinaus in neuen Verfahren und Verfahrenskombinationen in der Schweißtechnik eröffnet.
Perspektivisch sind bei den neuartigen luftdurchströmten Sonotroden- und Boostervarianten schallabsorbierende Lösungen anzustreben, damit ein komfortabler Dauereinsatz der Schweißwerkzeuge möglich wird.