Beim Verbinden von Kunststoffen setzt sich das Ultraschallschweißen in vielen Branchen zunehmend durch. Es ist sicher, effizient, energiesparend, präzise, umweltfreundlich, nachhaltig und einiges mehr. Wir stellen Ihnen hier Neuheiten vor wie ein neues Verfahren in Kombination mit dem Thermosonic Bonding. Oder lesen Sie, wie es im Vergleich zum bisher überwiegend eingesetzten Heißversiegeln abschneidet und wie es die Qualität der Verbindung von kritischen Kunststoffteilen in der Karosseriefertigung sicherstellt.

MTH Ultraschallschweissen

 

Inhalt

Thermokompressionsbonden und Ultraschallschweißen Kombination

Ultraschallschweissen Tresky12.01.2023 | Beim Ultraschalschweißen lassen sich Temperatur und Bonddruck reduzieren. Das verbessert den Bondprozess, wovon besonders die Halbleiterfertigung profitiert. So ermöglicht zum Beispiel beim Flip-Chip Bonden die lötfreie Die-to-Die-Bondtechnologie Area-Array-Verbindungen. Mit diesem Verfahren lassen sich an der Unterseite eines ICs befindliches Array von Goldbumps mit vergoldeten Pads auf einem Substrat verbinden. Bei dieser einfachen, trockenen und sauberen Montage kommt das Thermokompressionsbonden zum Einsatz.

Das Thermosonic Bonding (TSB) beginnt mit einem auf einer beheizten Auflage befindlichen und durch Vakuum in Position gehaltenem Substrat. Der  Chip wird von einem Pick-and-place Werkzeug mit einer auf Thermosonic Bonding Anwendungen ausgelegten Die Collet gehalten. Sobald die Tresky Mustererkennung den Chip auf das Substrat ausgerichtet hat, werden die Gold-Stud-Bumps mit dem Substrat kontaktiert. Beim Erreichen der erforderlichen Haftkraft wird für eine definierte Zeitspanne der Strom vom Ultraschallschweißen angelegt.

Die Tresky Vertikaltechnologie garantiert eine stabile und genaue Koplanarität und Parallelität über den gesamten Hub der Z-Achse, wodurch sich exakt gebondete Chips herstellen lassen. „In Kombination mit der Kraftkontrolle lässt sich auf jeder Höhe ein hervorragendes Verbindungsergebnis erzielen, wobei sich entscheidende Parameter wie Kraft, Temperatur, Leistung des Ultraschallschweißens und Prozesszeit individuell programmieren lassen“, versichert Daniel Schultze, Geschäftsführer der Tresky GmbH.

Neben einer IP-Spannzange bietet sich der Einsatz einer zusätzlichen Kanalspannzange an, sobald der Werkzeug Zugang eingeschränkt ist oder es durch zwei Seiten des Spans auszurichten ist. Ob eine Spannzange für das TSB geeignet ist, zeigen Faktoren wie die zyklische Bewegung der Spannzange während des US-Prozesses, die empfindlichen Chip-Oberfläche und die Wärmeübertragung auf. Das neue Thermosonic Bonding erlaubt den Einsatz von US-Power und Spannzangen, mit denen sich eine hervorragende Verbindung zwischen Chip und Substrat umsetzen lässt.

Wie Ultraschallschweißen den ökologischen Fußabdruck verringert

11.10.2022 | Emerson UltraschallschweißenFür das Befestigen, Verbinden und Montieren von Kunststoffen gilt Schweißen bzw. die Heißversiegelung seit den 1950er Jahren bis heute als allgemein anerkannte Verbindungstechnik. Doch ist das umweltfreundlich genug und geeignet, um den CO2 Fußabdruck zu reduzieren?

Patrick O’Sullivan, Product Specialist bei Emerson, Branson Welding and Assembly empfiehlt stattdessen das Ultraschallschweißen: „Das Ultraschallschweißen gibt es seit den 1960er Jahren und damit fast ebenso lange. Es ist zuverlässig und geht schnell.“

Vorteile des Ultraschallschweißens

Zudem bietet Ultraschallschweißen im Hinblick auf Nachhaltigkeit viele Vorteile. Und das sind folgende:

  • weniger Stromverbrauch
  • weniger Kunststoffmaterial für einen zuverlässigen Verschluss
  • effizientere Versiegelung von biologisch hergestellten und recycelten Materialien
  • weniger Abfall
  • keine Klebstoffe, Lösungsmittel oder andere Verbrauchsmaterialien erforderlich.


Zusammengenommen ergibt sich beim Ultraschallschweißen einer Montagelinie ein um 25 % reduzierter CO2 Fußabdruck.

Vergleich Heißversiegelung und Ultraschallschweißen

Beim Heißversiegeln werden die Oberflächen der Bauteile zusammengehalten. Auf einer oder beiden Seiten werden beheizte Versiegelungsleisten angebracht. Die Wärme fließt (Konduktion) von den Leisten durch das Material zur Versiegelungsfläche. Hier schmelzen die sich berührenden Oberflächen, um eine Verbindung zu bilden. Die Steuerung der Konduktionsversiegelung ist simpel: Der Schweißer wählt Temperatur, Druck und Verweilzeit auf der Grundlage der Schmelzeigenschaften der zu verbindenden Kunststoffe aus.

Beim Ultraschallschweißen werden Wärme und Druck anders erzeugt und eingesetzt. Die Vibration mit präziser Frequenz und Amplitude erzeugt Wärme zwischen den Oberflächen der thermoplastischen Schichten. Die Parameter Kraft, Druck und Geschwindigkeit werden kontrolliert und die Schweißergebnisse auf Basis der Ergebnisse optimiert. Die Reibungshitze schmilzt das Innere dieser Oberflächen. Unter dem Druck entsteht die dauerhafte Verbindung.

Vergleich Energieverbrauch Ultraschall vs. Heißversieglung 

Da die für das Heißversiegeln benötigte Wärme durch eine widerstandsbeheizte Leiste erzeugt wird, werden die Schweißelemente zu 100 % der Zeit auf Betriebstemperatur gehalten. Dabei entsteht viel Wärme, die nicht nur in die Schweißzone, sondern auch in die Umgebung des Versiegelungsgerätes übertragen wird und im Grunde genommen verloren geht.


PIL UltraschallsensorUltraschallsensoren für Distanz, Abstand und Füllstand


Beim Ultraschallschweißen hingegen wird die Wärme durch die hochfrequente Reibung erzeugt und die Versiegelung ist in nur 100 ms abgeschlossen. Außer während dieser kurzen Zeit bleibt das Werkzeug kühl. Für die Widerstandserwärmung wird viel mehr Energie benötigt als für die Erzeugung der Ultraschallvibrationen. Tabelle 1 zeigt ein Einsparpotenzial von 25 % beim Stromverbrauch.

Vergleich Materialverbrauch Ultraschallschweißen vs. Heißversiegelung

Um einen qualitativ hochwertigen Verschluss zu gewährleisten, wird beim Heißversiegeln im Allgemeinen eine 0,5 Zoll Schweißnaht erzeugt. Angenommen, eine Verpackung erhält oben und unten eine 0,5-Zoll-Schweißnaht. Dann wird ein ganzer Zoll Material (2,5 Zentimeter) allein für die Schweißfläche verbraucht.

Andererseits benötigen zwei vergleichbare Ultraschallschweißnähte nur 0,25 Zoll von der Gesamtlänge der Verpackung (jeweils 0,125 Zoll an der Ober- und der Unterseite), was eine Einsparung von 0,75 Zoll (1,9 cm) pro Verpackung bedeutet. Tabelle 2 zeigt die möglichen Materialeinsparungen am Beispiel eines 6-Zoll-Beutels (15 cm).

Weitere wichtige Faktoren

Wärmeempfindliche, biobasierte und recycelte Materialien: Bei wärmeempfindlichen Materialien, zu denen Biopolymere auf Basis nichtfossiler Ausgangsstoffe und einige recycelte Materialien gehören, können die hohen Temperaturen und längeren Zykluszeiten beim Heißversiegeln zu Materialschäden führen. Dieses Problem entfällt bei der Ultraschalltechnik, da die Erwärmung minimal und kurzzeitig ist und von der Schweißsteuerung sehr präzise gesteuert werden kann.

Weniger Abfall: Im Gegensatz zu Heißversiegelungsgeräten werden Ultraschallschweißgeräte nicht durch Verunreinigungen auf der Schweißfläche beeinträchtigt. Produktreste oder Restöle, die sich während des Abfüllvorgangs im Schweißbereich befinden, werden beim Zusammendrücken der Verpackung und der Anwendung der Ultraschallenergie hinausgepresst. Beim Heißversiegeln kann die Unversehrtheit der Versiegelung beeinträchtigt werden. In diesem Fall müssen die gesamte Verpackung und ihr Inhalt entsorgt werden.

Ultraschall im Vergleich zu Klebstoffen: Bis jetzt haben wir uns in diesem Artikel mit den Unterschieden zwischen Ultraschallschweißen und Heißversiegeln befasst. Wollen wir jedoch die Nachhaltigkeit des Ultraschallversiegelungsprozesses und seinen gesamten CO2-Fußabdruck betrachten, ist es sinnvoll, eine andere häufig verwendete Versiegelungsmethode zu betrachten, die Verwendung von Klebstoffen und Lösungsmitteln. Die Ultraschalltechnik erfordert keine zusätzlichen Verbrauchsmaterialien. Außerdem stellt der Umgang mit Lösungsmitteln – die manchmal zum Verkleben von Kunststoffen oder zur Reinigung von Klebstoffauftragsgeräten verwendet werden – zwangsläufig ein erhebliches Umweltproblem dar, das nach Möglichkeit vermieden werden sollte.


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Das Ultraschallschweißen bietet gegenüber der Heißversiegelung und anderen Techniken eindeutig wichtige Vorteile in Bezug auf Umwelt und Nachhaltigkeit. Dennoch ist nicht immer von vornherein klar, welche Technik die ideale Lösung für eine bestimmte Fertigungsanwendung darstellt. Emerson und seine Marke Branson (TM) für Schweiß- und Montagesysteme bieten Unterstützung und Hilfe bei der Enscheidungsfindung. 

Emerson Branson Welding and Assembly stellt aus auf der K 2022.

Automatisiert Ultraschallschweißen von kleinen Karosserie Serien

MTH Osbra


29.01.2021 | Beim Tunen von Autos geht es entweder um eine optische Aufwertung oder um mehr Motorleistung. Nur einige Tuner verbinden beides optimal miteinander, wie es global anerkannte Veredelungsbetriebe für gehobene Marken tun. Bei einer Kooperation mit Osbra Formteile gelingt mittels Ultraschallschweißen von MTH die qualitativ hochwertige und automatisierte Verbindung der kritischen Kunststoff Bauteile.

Die Produktion lackierter Karosserie Anbauteile für die Automobilindustrie zählt zu den Kern Kompetenzen der Osbra Formteile GmbH. Der Systempartner für Lösungen aus Kunststoffen stellt u. a. Stoßfänger, Kotflügel, Kühlerblenden, Schweller, Diffusoren, Radverbreiterungen und andere Verkleidungen her.

Die Anwendungen von Osbra sind in den Bereichen Pkw und Lkw zu finden. Die Kunden beziehen hochwertige Komponenten in Wagenfarbe. Die Interieur- und Exterieur Formteile des gefragten Zulieferers von kleineren und mittleren Serien weisen eine derartige Qualität auf, dass sie zur Veredelung und Individualisierung hochwertiger Fahrzeuge entscheidend beitragen. Allein für die Veredelung hat Osbra 2014 eine Halle mit 1500 m² Produktionsfläche gebaut.

Alle angebotenen Technologien sind vor Ort durchführbar. Das Ultraschallschweißen gehört neben CNC-Fräsen, Stanztechnik, Heißprägen sowie weiterer Klebetechnik und Fügetechnologien dazu. Beim Ultraschallschweißen arbeitet der Formteilspezialist mit der Maschinenbau Technologie Herrde, kurz MTH, zusammen.

Auf automatisiertes Ultraschallschweißen umgestellt

MTH Ultraschall SchweissanlageBis 2018 hat Osbra die Schweißarbeiten an Komponenten wie Kühlerverkleidungen und Radlaufverbreiterungen noch in Handarbeit umgesetzt. Während das in Uhrenproduktion oder Möbelindustrie als Gütekriterium gilt, ist die Wertschätzung in der Automobilindustrie eine andere.

Laut Sebastian Ohler, Leiter Veredelung bei Osbra, gilt das auch für die Zulieferindustrie. „Die Handverschweißung ist nicht nur deutlich zeitaufwändiger als die automatisierte, sie ist auch nicht prozesssicher. Seit der Umstellung auf das automatisierte Schweißen mit Ultraschall haben wir über 100.000 verschweißte Radverbreiterungen und Scheinwerfermasken ausgeliefert. Dieser Schritt war genau der richtige, um die hohen Qualitätsanforderungen unserer Kunden bei steigenden Stückzahlen zu erfüllen.“

Da es bis 2018 bei Osbra noch keine Expertise für Sondermaschinen im Verfahren mit Ultraschallschweißen gab, zogen die Verantwortlichen MTH hinzu. Seit über 25 Jahren gilt der Maschinenbauer dank Made in Germany als bewährter Partner für Anwendungen beim Fügen und Verbinden von Kunststoffen in Automobilproduktion, Medizintechnik, Industrietechnik sowie Textilindustrie.

Mit den Serien- und Sonderlösungen aus dem schleswig-holsteinischen Henstedt-Ulzburg lassen sich die Kunststoff Bauteile schnell, einfach und nachhaltig bearbeiten. Eine Basis des Erfolgs von MTH sind Handschweißgeräte. Angeschlossen an einen Ultraschallgenerator lassen sich mit den Geräten in Pistolenform die thermoplastischen Kunststoffteile mittels Ultraschallschweißen zusammen fügen.

So funktioniert das Ultraschallschweißen mit Sonotrode

Beim Ultraschallschweiß Verfahren werden durch das Einleiten von hochfrequenten, mechanischen Schwingungen sogenannte Sonotroden bzw. Werkzeuge in Resonanzschwingungen versetzt. Die Sonotroden übertragen dann die Schwingungen unter Druck auf das Werkstück, was eine Reibungswärme erzeugt. Dank der Sonotrode werden die Kunststoffteile kurzzeitig viskos.


Minebea selbstfahrende AutosSelbstfahrende Autos aus Sicht eines Automobilzulieferes


Wieder erkaltet sind die thermoplastischen Kunststoff Bauteile punktgenau miteinander verbunden. Bei Sondermaschinen von MTH ist das Arbeitsprinzip gleich, aber die Verbindung der Kunststoffe erfolgt voll automatisiert nach vorgegebenen Parametern. So lässt sich in kurzer Zeit eine vordefinierte Anzahl Schweißpunkte an den in der Anlage zugeführten Bauteilen millimetergenau anbringen.

Firmengründer Mathias Herrde vertraut bei den zugehörigen Antriebs- und Steuerungstechnik ebenfalls auf Made in Germany. Damit lässt sich ein Verrutschen der Teile ausschließen. Die Verschweißung entsteht selbst nach Hunderttausenden von Zyklen punktgenau.

Maßgeschneiderte Ultraschallschweißanlagen

MTH Mathias HerrdeMit den individuell gefertigten Ultraschallschweißanlagen lassen sich auch höchste Anforderungen der bekannten deutschen Premium Automobilmarken erfüllen. Eine seit über 40 Jahren für erstklassige Geländewagen bekannte Marke legte für die neuen Radlaufverbreiterungen und den Kühlergrill einer modernisierten Erfolgsserie die Messlatte für die Zulieferer sehr hoch hinsichtlich Qualität und Abnahmemenge.

Dr. Thomas Freudenberg, Geschäftsführer und Mehrheitseigentümer von Osbra und sein Team wollten daher neue Wege in der Produktion gehen. Die Automotive-Referenzen von MTH sorgten für das nötige Vertrauen zum Start der neuen Zusammenarbeit und überwogen auch die 800 km weite Entfernung zwischen beiden Standorten.

„Die Zusammenarbeit mit MTH war so, wie wir uns das erhofft haben. Herr Herrde und sein Team haben uns nicht nur mit Know-how unterstützt, sondern waren auch in der Lage, innerhalb kürzester Zeit auf im Prozess geänderte Qualitätsstandards zu reagieren“, so Sebastian Ohler.

Vertrauen dank Qualität bei Abnahme

MTH Ultraschallschweissen Profibus


Nachdem die Abnahme der ersten Anlage zum Ultraschallschweißen noch durch beide Unternehmen vor Ort im hohen Norden erfolgte, verzichtete man beim zweiten Auftrag auf diesen Schritt und ließ sich die Ultraschallschweißanlage für die Kühlerverkleidungen direkt per Spediteur ins Allgäu liefern.

Mathias Herrde erinnert sich: „Wir haben alles gegeben, dass der Spezialtransport so früh wie möglich hier in Henstedt auf die A7 auffahren konnte. Als 12 Stunden später von Herrn Ohlers Team der Anruf kam, alles sei gut am anderen Ende der A7 angekommen und heil abgeladen, waren wir überglücklich.“

Beide Ultraschall Schweißanlagen laufen problemlos seit Inbetriebnahme im Zwei- bzw. Dreischichtbetrieb. „Aufgrund einiger Änderungen und neuer Qualitätsstandards seitens unseres Kunden waren nach und nach einige Modifikationen an beiden Maschinen auszuführen. Diese erfolgten aber dank der Zusammenarbeit und Unterstützung durch MTH problemlos und ließen sich schnell umsetzen“, so Sebastian Ohler.

Auch der ehemalige Rallyepilot Mathias Herrde ist stolz auf die Partnerschaft: „Wir konnten erneut zeigen, dass MTH nicht nur bei Handschweißgeräten Maßstäbe in Werkstätten für die Reparatur von Kunststoff Bauteilen setzt. Neben unseren Sondermaschinen für die Serienfertigung von Motorraumabdeckungen, Airbagkappen oder Handschuhfächern belegen die Arbeiten von Osbra, dass man mit automatisiertem Ultraschall Schweißen von MTH auch bei der Veredelung von Nobelfahrzeugen in der ersten Liga mitspielt.“

 

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