Vibrationsschweißen passt sich den wechselnden Anforderungen an

Viele Automobilingenieure haben Albträume über Probleme mit Lärm, Vibration und Härte (NVH). Ironischerweise wird einer dieser Schädlinge – Vibrationen – häufig bei der Montage vieler Arten von Kunststoff-Autoteilen eingesetzt.

Vibrationsschweißen, ein Verwandter des Ultraschallschweißens, ist ein beliebtes Montageverfahren, da es viele Vorteile bietet. Es kann ähnliche und unterschiedliche Thermoplaste verbinden. Durch Vibrationsschweißen können auch Teile zusammengefügt werden, die auf unterschiedliche Weise hergestellt wurden, beispielsweise durch Blasformen, Spritzgießen oder 3D-Druck.

Darüber hinaus können beim Vibrationsschweißen große Teile mit komplexen Formen geschweißt werden. Es handelt sich um ein relativ schnelles Verfahren zum Fügen großer Kunststoffteile. Und da vor der Hitze Druck ausgeübt wird, kann eine gewisse Teilverformung ausgeglichen werden.

Vibrationsschweißgeräte können praktisch alle Thermoplaste verbinden, einschließlich vieler Arten von Nylon, Polyamiden, Polycarbonaten und Polypropylenen. Das 50 Jahre alte Fügeverfahren verträgt auch Zusatzstoffe, Farbstoffe, Füllstoffe und Verunreinigungen.

Die meisten Vibrationsschweißgeräte verwenden heute elektrische Servos und lineare elektromagnetische Antriebssysteme. Die Servobetätigung reduziert den Wartungsaufwand, erhöht die Betriebszeit und verbraucht mehr als 30 Prozent weniger Energie als hydraulische Maschinen.

„Beim linearen Vibrationsschweißen wird eines von zwei Teilen physikalisch horizontal unter Druck bewegt, wodurch durch Oberflächenreibung Wärme entsteht, die die Teile schmilzt und zusammenschweißt“, sagt Phil Sandow, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei Telsonic Ultraschall Inc., das ein komplettes Sortiment an Produkten anbietet Hoch- und Niederfrequenz-Vibrationsschweißgeräte.

„Im Vergleich zum Ultraschallschweißen arbeitet das Vibrationsschweißen mit viel niedrigeren Frequenzen, höheren Amplituden und einer viel größeren Klemmkraft, wodurch große versiegelte Schweißbereiche entstehen“, erklärt Sandow. „Elektromagnetische Köpfe eliminieren den Verschleiß und die Schmierung der Lagerflächen. Elektrische Servos ermöglichen es uns, den Druck zu steuern und während des Einschmelzens engere Toleranzen zu erreichen.“

Vibrationsschweißen ist ein bewährtes Montageverfahren, das auf eine Vielzahl von Teilegeometrien und Materialien anwendbar ist und sich daher ideal für die Herstellung von Teilen eignet, die in allen Bereichen verwendet werden, vom Automobil bis zur Waschmaschine.

„Einer der Hauptvorteile des Vibrationsschweißens besteht darin, dass es für sehr große Teile eingesetzt werden kann“, sagt Miranda Marcus, leitende Ingenieurin für Polymerverbindungen bei EWI. „Teile mit einer Länge von bis zu 1,80 m können verbunden werden. Im Vergleich dazu ist das Ultraschallschweißen normalerweise auf eine Würfelgröße von etwa 12 Quadratzoll beschränkt und selbst dann ergibt sich keine durchgehende Schweißnaht.“

„Die einzige wirkliche Einschränkung der Größe der Teile, die geschweißt werden können, ist die Kosteneffizienz beim Bau größerer Maschinen“, erklärt Marcus. „Fünf bis sechs Fuß ist die Grenze für derzeit hergestellte Geräte. Derzeit gibt es keinen finanziellen Anreiz, größer zu bauen, da es nur sehr wenige Kunststoffbaugruppen mit einer Größe von mehr als 60 x 150 cm gibt, die vom Vibrationsschweißen profitieren würden.

„Während viele andere Verfahren große Teile schweißen können, etwa das Heizplatten-, Laser- und Infrarotschweißen, ist das Vibrationsschweißen in der Regel viel schneller“, betont Marcus. „Der Nachteil besteht darin, dass es tendenziell zur Bildung von Partikeln (Kunststoffstaub) kommt, was für einige Anwendungen nicht akzeptabel ist. Darüber hinaus erfordert das Vibrationsschweißen eine ebenere Oberfläche als das Heizplatten-, Laser- und Infrarotschweißen.“

Beim Vibrationsschweißen beträgt die durchschnittliche Schweißzeit 10 bis 15 Sekunden und die Haltezeit etwa 15 Sekunden. Laut Marcus haben Montageprozesse, mit denen Teile ungefähr der gleichen Größe geschweißt werden können, wie z. B. Heizplatte und Infrarot, eine Gesamtzykluszeit von 45 Sekunden und mehr. Das Laserschweißen kann genauso schnell sein wie das Vibrationsschweißen, ist jedoch bei größeren Teilen mit deutlich höheren Kosten verbunden.

„Vibrationsschweißen funktioniert am besten mit Materialien, die ziemlich steif sind und einen hohen Oberflächenreibungskoeffizienten haben“, sagt Marcus. „Beispiele hierfür sind Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid, Polycarbonat und Polybutadienterephthalat. Polypropylen lässt sich gut vibrationsschweißen, wenn die Teile dicke Wände haben oder wenn etwas Glasfüllung hinzugefügt wird.“

„Polytetrafluorethylen (Teflon) eignet sich aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten nicht gut zum Vibrationsschweißen“, warnt Marcus. „Alternativ hat thermoplastisches Urethan zwar einen hohen Reibungskoeffizienten, ist aber zu weich zum Vibrationsschweißen.

„Durch Vibrationsschweißen lassen sich Verbindungen zwischen unterschiedlichen Teilen oft besser herstellen als mit anderen Verfahren“, erklärt Marcus. „Das kann an der erhöhten mechanischen Störung der Schmelze während des Prozesses aufgrund der Vibrationen mit hoher Amplitude entlang der Schweißebene liegen. Im Allgemeinen verbinden sich teilkristalline Kunststoffe jedoch nicht mit unterschiedlichen teilkristallinen Kunststoffen.“

„Typischerweise wird beim Vibrationsschweißen eine Stoßverbindung verwendet“, sagt Marcus. „Es ist wichtig, dass in der Verbindung genügend Stegfläche und Freiraum vorhanden ist, um die beim Schweißen auftretenden Vibrationen aufzunehmen.

„Wenn die Fugenbreite kleiner ist als die Amplitude der Vibration, können die Teile irgendwann während der Schweißung den Kontakt verlieren, was zu Verformungen oder Schäden führen kann“, fügt Marcus hinzu. „Wenn es auf das Aussehen ankommt, kann eine Flammenfalle hinzugefügt werden, um die Schmelze zu verbergen, die beim Schweißen austritt.“

Während Vibrationsschweißen in vielen Industriezweigen zur Montage einer Vielzahl von Kunststoffprodukten eingesetzt wird, wird es traditionell mit Automobilanwendungen in Verbindung gebracht.

„Das Verfahren wird von OEMs und Tier-1-Zulieferern zur Massenproduktion von Airbagschächten und -rahmen, Scheinwerfern, Rücklichtern, Kombiinstrumenten und Instrumententafeln eingesetzt“, sagt Priyank Kishor, globaler Produktmanager für Nicht-Ultraschall bei Emerson Automation Solutions. „Viele Arten von Teilen unter der Motorhaube werden ebenfalls durch Vibrationsschweißen zusammengebaut, darunter Filter, Flüssigkeitstanks und Verteiler.“

Insbesondere Luftansaugkrümmer, Kohlebehälter und Resonatoren treiben seit Jahrzehnten die Nachfrage nach Vibrationsschweißgeräten an. Tatsächlich wurde das Vibrationsschweißen in den frühen 1970er Jahren entwickelt, um Kohlenstoffbehälter in Massenproduktion herzustellen und neue Emissionsanforderungen zu erfüllen.

Heutzutage verwenden einige große Automobilzulieferer wie Mann+Hummel und Marelli Tausende von Vibrationsschweißgeräten, um Teile in Massenproduktion herzustellen, die den Antriebsstrang von Verbrennungsmotoren (ICE) unterstützen.

Da sich die Automobilindustrie jedoch weiterhin in Richtung elektrischer Antriebsstränge weiterentwickelt, werden die traditionellen Produktionsmengen für Krümmer und andere Verbrennungsmotorteile in den nächsten zwei Jahrzehnten zurückgehen. Es überrascht nicht, dass viele Hersteller, die in der Vergangenheit stark auf Vibrationsschweißen setzten, ihr Augenmerk nun auf E-Mobilitätstechnologien wie Batterien und Brennstoffzellen richten.

„Obwohl das traditionelle Marktwachstum stagniert, verkaufen wir immer noch viele Vibrationsschweißgeräte und Werkzeuge“, sagt Ray Laflamme, weltweiter Automotive-Marketingmanager bei Dukane Corp. „Und Elektrofahrzeuge bieten mehrere neue Anwendungen für das Vibrationsschweißen.“

„Batteriegehäuse stellen einen aufstrebenden Markt dar“, bemerkt Laflamme. „Kühlkanäle sind eine weitere Anwendung. Genau wie Luftansaugkrümmer an einem Verbrennungsmotor müssen Elektrofahrzeuge gekühlt werden. Vibrationsschweißen ist aus den gleichen Gründen ideal: Es ist eine effektive Möglichkeit, große Teile in Massenproduktion herzustellen, die hermetisch abgedichtet werden müssen.“ Und In den meisten Anwendungen werden teilkristalline Materialien verwendet.

„Viele Instrumententafeln werden mittlerweile mit Niederfrequenz-Vibrationsschweißgeräten zusammengebaut, und dieser Trend dürfte sich bei Elektrofahrzeugen fortsetzen“, erklärt Laflamme. „Tatsächlich rechnen wir aufgrund der Leichtbaubemühungen mit weniger Metallteilen in künftigen Instrumententafeln. Automobilingenieure möchten mehr Kunststoffstrukturen verwenden, um den Crash- und Aufprallanforderungen gerecht zu werden.“

„Auch in der Automobilindustrie gibt es aufgrund der Leichtbaubemühungen einen Trend zur Verwendung größerer Kunststoffteile“, sagt Laflamme. „Da in Zukunft weniger Metall verwendet wird, könnte sich das Vibrationsschweißen bei der Montage von Karosserieblechen und anderen Strukturteilen durchsetzen.“

Über Automobilanwendungen hinaus investieren Gerätehersteller weiterhin in Vibrationsschweißtechnologie, um alles von Kunststoff-Sprüharmen für Geschirrspüler bis hin zu Waschmaschinenwannen zusammenzubauen.

„Wir sehen immer mehr Anwendungen, bei denen durchsichtige Türen zum Einsatz kommen“, erklärt Laflamme. „Wenn Ingenieure sie nicht mit Befestigungselementen und Dichtungen zusammenbauen können, greifen sie auf Vibrationsschweißen zurück, um eine hermetische Abdichtung zu erreichen.

„Wir sehen auch einige interessante Anwendungen in der Medizingeräteindustrie, etwa Katheter, Filter und Behälter, die Körperflüssigkeiten sammeln“, fügt Laflamme hinzu. „Ein weiterer aufstrebender Markt ist die Verpackungsindustrie. Da einige neue Arten von wiederverwendbaren Kunststoffbehältern und -gestellen groß sind, werden sie mit Vibrationsschweißtechnologie hergestellt.“