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Branson informiert über Kunststoffschweißen:

     


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Ultraschallschweißen
Vibrationsschweißen
Heizelementschweißen
Laserschweißen
Rotationsschweißen
Infrarotschweißen


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Ultraschallschweißen     


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Das Schweißen thermoplastischer Werkstoffe durch Ultraschall hat sich durch die kontinuierliche Entwicklung des Kunststoffmarktes und durch die saubere und einfache Handhabung rasch etabliert.
Auch hat das "Unlösbare" der Verbindung - also der bewusste Verzicht auf spätere Demontage und Reparatur - bei Gebrauchsartikeln dazu beigetragen. Nicht zu vergessen ist hier das wichtige Gebiet der Einmalverwendung aus hygienischen Gründen, beispielsweise in der Medizin.
Von der Erzeugung bis zur Nutzung des Ultraschalls lassen sich vereinfacht vier Stufen definieren:

- Der mit normalem 50-Hz-Netzstrom versorgte Generator erzeugt elektrische Ultraschallschwingungen in den Frequenzbereichen um 20 und 40 kHz.
- Ein nachgeschalteter Konverter wandelt die vom Generator gelieferten hochfrequenten elektrischen Schwingungen in mechanische
Schwingungen um – etwa vergleichbar mit einem ultraschnellen"Hämmern".
- Der sogenannte Booster paßt die vom Konverter abgegebene konstante Amplitude dem Anwendungsfall an.
- Die Sonotrode schließlich überträgt die hochfrequente Schwingungsenergie auf die Fügefläche.

Durch Grenzflächenreibung und Schallabsorption setzen sich die eingeleiteten Schwingungen bei gleichzeitig aufgebrachter Kraft in Schmelzwärme um: Das Material fließt innerhalb der Schweißzone der beidenTeile ineinander und bildet nach dem Erkalten eine fast homogene Verbindung. Über die Profilierung der Amplitude und/oder Kraft kann der Schmelzfluss und damit die resultierende Nahtfestigkeit günstig beeinflusst werden.
Nach diesem Prinzip arbeiten marktübliche Ultraschallsysteme: Kompaktgeräte, Standardmaschinen oder komplette und speziell konstruierte Spezialkonzepte für die moderne Serienfertigung.
Die Technik ist schnell, effizient und - da auf Hilfsmittel verzichtet werden kann - umweltgerecht.
Über das flächige Verschweißen hinaus kann mit dem Ultraschallprozess genietet, gebördelt, punktgeschweißt oder Metallbuchsen in das Material versenkt werden. Aber auch Schneiden und Kantenversiegeln von thermoplastischen Folien/Geweben sowie rückstandsfreies Schneiden von industriell verarbeiteten Lebensmitteln sind etablierte Techniken.


 


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Erläuterung zum Prozessverlauf

Phase1: Der Energierrichtungsgeber (ERG) wird kontinuierlich angeschmolzen, wobei durch die ständig breiter werdende Schmelzfläche des ERG die Abschmelzgeschwindigkeit abnimmt.

Phase 2: Bei dem Annähern der planen Fügeflächen bis zum vollständigen Ankoppeln zwischen Ober- und Unterteil sind die Schmelzbedingungen noch nicht homogen, somit ist die Abschmelzgeschwindigkeit im Phasenverlauf nicht ganz konstant.

Phase 3: Bei dem hier vorliegenden sog. Stationären Abschmelzverhalten kann sich in der Naht eine konstante Schmelzschichtdicke bilden und durch Amplituden- oder auch Kraftprofilierung im Interesse eine hohen Nahtfestigkeit optimierend beeinflusst werden.

Phase 4: Die Ultraschallbeaufschlagung wird gestoppt und die Schweißzone erstarrt.



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>mehr über Ultraschall-Schweißprinzip oder Ultraschall-Schweißsysteme in unserer Branson Website www.branson.de



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Vibrationsschweißen      


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Das Vibrationsschweißen ist wie das Ultraschallverfahren eine Verbindungstechnik, die ohne Hilfsmittel oder äußerer Wärmezufuhr auskommt, die also die erforderliche Schmelztemperatur durch vibrierendes Aneinanderreiben der beiden zu verbindenden Teile in der Nahtzone erreicht.



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Die erforderliche Vibration beim Linearen Vibrations-schweißen erzeugt ein Schwingkopfantrieb. Hierbei wird die vom normalen Stromnetz gelieferte Energie in elektromagnetische Spulen geleitet. Die Resonanzfrequenz baut wechselweise wirkende Magnetfelder auf und bringt so die angekoppelte obere Werkstückaufnahme zum Ausschwingen. Federpakete sorgen für die erforderliche Rückstell- und Anpresskraft. Das untere Werkstück ist über die Aufnahme dagegen starr im Hubtisch integriert, damit die Schwingbewegung in Verbindung mit dem aufgebrachten Anpressdruck verlustarm in Schmelzwärme umgesetzt werden kann.
Die Lineare Vibrationstechnik (LVS) zeichnet sich besonders dadurch aus, eine durchgängige Naht bei Großteilen mit entsprechend großer Schweißflächen zu plastifizieren. Auch die Verbindung von Thermoplasten mit niederviskoser Schmelze oder hohem Füllstoffanteil ist eine Domäne der Vibrationstechnik. Und - als eine besonders aktuelle Problemlösung - lässt sich das Verbinden von Thermoplasten mit duroplastischen Faserverbund-Werkstoffen bewerten. Der hier erzielte "Polymerverkrallung" übertrifft die konkurrierenden Verfahren technisch und wirtschaftlich.


 


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Das Orbitale Vibrationsschweißen (OVS) unterscheidet sich vom linearen Prinzip dadurch, dass das obere Werkzeug mit der oberen Werkstückhälfte von den Elektromagneten zu rotierenden Auslenkungen gezwungen wird. Diese Bewegungscharakteristik - durch die Steuerung entsprechend vorgegeben - kann von einer sehr flachen Ellipse bis zum Kreis reichen. Das Ergebnis ist jedoch immer eine konstante Reibgeschwindigkeit.
Die sich ergebenden Vorzüge im Vergleich zum Linearen Verfahren sind kurze Schweißzeiten und geringe Scherkräfte. Sie erlauben somit größere Freiheit bei der konstruktiven Auslegung der Schweißteile und lassen schmale Wandstärken zu.


 


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Erläuterung zum Prozessablauf

Phase 1: Durch Grenzflächenreibung -linear (LVS) bzw. bidirektional (OVS) - erhitzen sich die Teile in der Nahtzone bis zur Schmelztemperatur.

Pase 2: Die sog. Instationäre Schmelzfilmbildung zeichnet sich durch eine anwachsende Schmezfilmdicke mit progressiver Zunahme aus.

Phase 3: Bei dem sog. Stationären Schmelzefluss liegt annähernd Energiegleichgewicht vor, was zum linearen Anstieg des Fügeweges und der fetigkeitsentscheidenden konstanten Schmelzschichtdicke führt.

Phase 4: Die Reibbewegung schwingt aus und die Schweißzone erkaltet.



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> mehr über Lineares Vibrationsschweißprinzip oder Lineare Vibrationsschweißsysteme 100 Hz oder Lineares Vibrationsschweißsysteme 240 Hz,
über Orbitales Vibrationsschweißprinzip oder Orbitale Vibrationsschweißsysteme in unserer Branson Website www.branson.de



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Heizelementschweißen      


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Dieses Verfahren plastifiziert die Schweißzone durch äußere Wärmezufuhr. Verfahrenstechnisch handelt es sich um ein Mehrstufenverfahren, da Erwärmungs- und Fügephase zeitlich getrennt voneinander ablaufen.

Zuerst plastifiziert das zwischen die Schweißflächen positionierte Heizelement die Berührungszonen, hebt dann ab und fährt zurück, um das nachfolgende Aufeinanderpressen der angeschmolzenen Flächen freizugeben. Nach dem Erkalten der Nahtzone liegt eine maßgenaue und reproduzierbare Schweißverbindung vor.

Die Schweißzeiten sind verhältnismäßig lang. Diese können etwa erheblich positiv beeinflusst werden durch Simultanbewegung der Antriebe und unterschiedlicher Geschwindigkeit beim Zustellhub und Fügehub.

Bei der Gestaltung des Werkstücks ist größtmögliche Konstruktionsfreiheit gegeben, da Schweißteildimensionen und -geometrien kaum Einschränkungen unterworfen sind. Nahezu sämtliche Thermoplaste und besonders Teile aus relativ weichem Kunststoff sind mit diesem Verfahren schweißbar.

Bei Einsatz eines Doppel-Heizelements ist die getrennte Temperaturführung möglich und somit individuelles Eingehen auf jedes Material und Wanddicke der zu verschweißenden Teile. Geringe oder unterschiedliche Wandstärken sind problemlos.


 


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Erläuterung zum Prozessablauf

Phase 1: Es erfolgt das Angleichen der Fügeflächen durch Andrücken an des Heizelement und Beginn der Schmelzung.

Phase 2: Druckloser Schmelzvorgang bis zur Erreichung einer ausreichenden Schmelzschichtdicke - ein Garant für gute Nahtfestigkeit.

Phase 3: Hier wird das Heizelement aus der Fügezone herausgefahren.

Phase 4: Eine hohe kraft- oder wegabhängig gesteuerte Fügegeschwindigkeit ist ein weiteres Kriterium für gute Schweißqualität.

Phase 5: Bei einem nahezu linearen Zusammenhang zwischen Weg und Zeit erstarrt
der aufgeschmolzene Nahtbereich.



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>mehr über Heizelementschweißprinzip oder Heizelementschweißsysteme in unserer Branson Website www.branson.de



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Laserschweißen      


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Das Laserstrahlschweißen von Kunststoffen basiert auf dem sogenannten Durchstrahlverfahren. Dabei durchdringt der Laser die Formteilhälfte aus einem für die Strahlung transparenten Werkstoff und schmilzt dann das absorbierende Material des zweiten Fügepartners auf.

Mittels Wärmeleitung plastifiziert die durchsichtige Komponente bei gutem mechanischen Kontakt ebenfalls
Beim Simultanschweißverfahren wird die gesamte Kontur durch eine Anordnung von Dioden und geeigneten Strahlführungen (Glasfasern, Linsenoptiken) gleichzeitig erwärmt. Dadurch steht eine hohe Leistungsdichte zur Verfügung, was bei teilkristallinen Kunststoffen (z.B. PP, PBT oder PA) und verstärkten Thermoplasten ein reproduzierbares Abschmelzen sowie kurze Schweißzeiten ermöglicht.

Beim sogenannten Quasi-Simultan-Schweißen werden ein zentraler Diodenlaser und eine schnelle Spiegeloptik verwendet, wodurch die Fügezone mit hoher Geschwindigkeit vielfach abgescannt wird. Dies führt ebenfalls zu einem gleichmäßigen Plastifizieren, lässt durch entsprechende Programmierung des Strahlführungssystems aber eine wesentlich höhere Anwendungsflexibilität zu.
Die thermomechanischen und optischen Eigenschaften der zu verbindenden Kunststoffe spielen eine wichtige Rolle. Durch spezielle Zusätze oder Farbpigmente lässt sich die Optik und damit das Absorptionsvermögen beeinflussen. Die Schmelzpunkte beider Materialien müssen etwa gleich sein.
Bei stimmigen Schweißbedingungen entstehen optisch unauffällige Nähte ohne Fusselbildung. Thermisch-dynamische Belastungen sind gering, was empfindlichen oder komplexen vormontierten Bauteilen entgegenkommt.


 


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Erläuterung zum Prozessverlauf
Bereich 1: Laser durchdringt "lasertransparentes" Material ohne Absorption, wobei jedoch Reflexion und Streuung vor Erreichen der Fügezone leichte Leistungsverluste bewirken.

Bereich 2: Beim Auftreffen der Strahlung auf die Oberfläche des strahlungsabsorbierenden Materials nimmt die Strahlintensität stark ab, bewirkt also eine schlagartige Temperaturerhöhung bis zur Schmelzebildung.

Bereich 3: Die Strahlintensität geht gegen null, so dass eine Materialerwärmung unmittelbar außerhalb der Fügezone ausbleibt.



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>mehr.über Laserschweißprinzip oderLaserschweißsysteme in unserer Branson Website www.branson.de



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Rotationsschweißen      


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Das Schweißen von Rohrsegmenten mit technisch verhältnismäßig einfachen Rotatiossystemen ist seit langem bekannt. Erst der Einsatz von modernen Maschinen- und Steuerkomponenten mit entsprechend präziseren Funktionsweisen verhalfen dieser Reibschweißmethode zu einem erweiterten Anwendungsfeld. Die Schweißergebnisse sind mit dem Ultraschweißen vergleichbar, die Palette der verschweißbaren Materialien ist beim Rotationsverfahren jedoch größer.
Nach wie vor gilt jedoch: Rotationsschweißen setzt voraus, daß es sich um rotationssymmetrische Teile handeln muß. Denn durch das rotierende Aneinandereiben des aufzuschweißenden Teils gegenüber dem verdrehsicher fixierten Werktück wird zusammen mit dem aufgebrachten Vertikaldruck die erforderliche Schmelzwärme in der Nahtzone erreicht.
Beim Rotationschweißanwendungen mit hohem Qualitätsanspruch bieten sich Systeme mit Servoantrieb an. Die Registrierung des Drehmomentes und einstellbare Grenzwertfenster sowie das rasche Abbremsen auf eine definierte Endposition sind einige Gründe. Zusammen mit der Möglichkeit, den Vertikaldruck in jeder Schweißphase ändern zu können, kann individuell auf das Material und konstruktive Besonderheiten eingegangen werden. Reproduzierbare Einstellungen sowohl der Rotationsdaten als auch der Druckstufen machen das System auch Großseriensicher.


 


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Erläuterung zum Prozessablauf

Phase 1: Die Fügeflächen gleichen sich an und erreichen Schmelztemperatur.

Phase 2: Es bildet sich eine Schmelzschicht mit zunehmender Dicke

Phase 3: Es stellt sich der stationäre Schmelzezustand ein - erkennbar an einem gleichmäßig zunehmenden Abschmelzweg bzw. einer konstanten Abschmelzgeschwindigkeit.

Phase 4: Antrieb wird abgeschaltet und stark abgebremst, damit die Fügezone unter Beibehaltung des Vertikaldrucks zu einer festen Verbindung erstarren kann.



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Infrarotschweißen      


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Neben dem reinen Infrarotschweißen von Kunststoffen werden breitbandige Infrarotstrahler auch erfolgreich zur Vorwärmung bzw. Vorplastifizierung in Kombination mit dem Vibrationsschweißen eingesetzt.


 


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Der Verfahrensablauf des Infrarotschweißens ähnelt dem Heizelementschweißen. Hier werden jedoch die Schweißzonen beider Fügepartner lediglich berührungslos durch die Absorption der Strahlungsenergie erwärmt – ein Materialrückstand durch Anhaften der Schmelze am Heizelement ist somit nicht möglich. Da es aber keine Angleichphase gibt, ist es andererseits kaum möglich, Formteiltoleranzen etwa durch Abschmelzen auszugleichen. Sind also die Fügeflächen toleranzbedingt uneben und dadurch der Abstand einzelner Segmente zum Strahler ungleichmäßig, erfolgt eine inhomogene Erwärmung der Fügezone. Geringe Toleranzen können jedoch durch Erhöhung des Strahlerabstandes zur Fügefläche kompensiert werden, was aber auch die Anschmelzphase verlängert.

Nach Erreichen der gewünschten Schmelzeschichtdicke beginnt die Umstellphase, also die Umstellung von der Erwärm- auf die Fügephase. Dabei wird das Strahlerelement aus der Fügeebene herausbewegt. Ein Zurückfahren der Werkstücke - beim Heizelementschweißen zur Trennung von den Heizelementoberflächen immer erforderlich - entfällt hier bei ebenen Teilen (2D-Fügefläche).

Die Fügephase beginnt mit der gegenseitigen Berührung der Fügeflächen und ist vom Ablauf her mit der Fügephase beim Heizelementschweißen identisch.



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Erläuterung zum Prozessablauf

Phase 1: Es erfolgt das Erwärmen und Schmelzen der Formteiloberflächen.

Phase 2: Hier wird das Heizelement aus der Fügezone herausgefahren.

Phase 3: Eine hohe kraft- oder wegabhängig gesteuerte Fügegeschwindigkeit ist ein Kriterium für gute Schweißqualität.

Phase 4: Bei einem nahezu linearen Zusammenhang zwischen Weg und Zeit erstarrt
der aufgeschmolzene Nahtbereich.



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Beim Infrarotschweißen kommen je nach Anwendung folgende Strahlerarten zum Einsatz:
— kurzwellige Strahler mit Wellenlänge 1,6 µm (etwa Halogenstrahler),
— mittelwellige Strahler im Wellenlängenbereich zwischen 1,6µm und 3,5 µm (etwa Metallfolienstrahler),
— langwellige Strahler, mit Wellenlängenbereich oberhalb 3,5 µm (etwa Quarzstrahler).

(Zum besseren Verständnis sei bemerkt, dass sich Laserstrahlen als fokussierte und monochrome Strahlen im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,1 µm bewegen.)

Ein thermischer Strahler emittiert die Strahlung nicht bei genau einer Wellenlänge, sondern vielmehr in einem Wellenlängenspektrum. Auch die Absorptionseigenschaft von Kunststoffen und damit die Erwärmung der Fügezone kann sehr unterschiedlich sein, denn diese wird durch den makromolekularen Aufbau und gegebenenfalls durch vorhandene absorbierende Zusatzstoffe bestimmt. Kritisch ist die Gefahr einer thermischen Materialschädigung der Fügezone, wenn auf der Fügefläche die Zersetzungstemperatur überschritten wird, bevor eine ausreichende Schmelzeschichtdicke erreicht ist. Versuchsschweißungen zum Ermitteln der optimalen Parameter sind bei neuen Werkstoffen in der Regel angebracht.



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Keine Materialanhaftung am Strahler, da kein Kontakt zwischen Schweißteilen und Infrarotemitter besteht
Kürzere Zykluszeit als Heizelementschweißen, da kürzere Plastifizierungsphase
Optisch verbesserte Schweißnaht im Vergleich zum Heizelementschweißen
Erwärmung erfolgt nur in der Fügezone durch konturangepasstes Design des Infrarotstrahlers
Preiswerte Alternative zum Laserschweißen


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Eine interessante Variante des Einsatzes von Infrarotstrahlern ist die eingangs erwähnte Vorwärmung bzw. Vorplastifizierung der Fügezone von Thermoplasten direkt vor dem Vibrationsschweißzyklus.

Sie vermindert ganz erheblich den partikel- und fusselförmigen Austrieb und erhöht die langzeitige Nahtfestigkeit. Gleichzeitig verringert sich die für den jeweiligen Werkstoff erforderliche Reibleistung und Schweißzeit.



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>mehr über Vibrationsschweißen mit Infraroterwärmung in unserer Branson Website www.branson.de



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