DVS 2216-1-2007 Ultrasonic welding of plastic series parts - Process description machines and devices influencing variables design and quality assurance.pdf

1、File: D:Eigene DateienKundenDVSRi+Me22162216-1Nov20052216-1.fmNachdruckundKopie,auchauszugsweise,nurmitGenehmigungdesHerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: Verlag fr Schweien und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefo

2、n (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11) 1591-150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zurBeachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen

3、Fall anwendbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltigist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Fgen von Kunststoffen“Ultraschallschweien von Kunststoff-serienteilen Prozessbeschreibung,Maschin

4、en und Gerte, Einflussgren,Konstruktion, QualittssicherungErsetzt Ausgabe August 1992 und 2216-2 Ausgabe August 1992Inhalt: 1 Geltungsbereich2 Anwendungsgebiet der Fgetechnik durch Ultraschall3 Prozess3.1 Prozessbeschreibung3.2 Kenngren3.3 Prozessphasen3.3.1 Prozessphase 1, Anschmelzen des Energieri

5、chtungs-gebers (ERG)3.3.2 Prozessphase 2, instationre Schmelzebildung3.3.3 Prozessphase 3, quasistationre Abschmelzphase3.3.4 Prozessphase 4, Haltephase / Abkhlphase4 Maschinen, Gerte und Werkzeuge4.1 Aufbau und Wirkungsweise4.1.1 Schematischer Aufbau einer Ultraschallschweimaschine4.1.2 Ultraschall

6、generator4.1.3 Ultraschallwandler4.1.4 Transformationsstck4.1.5 Sonotrode4.1.6 Aufnahmewerkzeug4.2 Schweigerte- und Maschinenarten4.2.1 Anforderungen4.2.2 Gerte mit manuellem Antrieb4.2.3 Schweipressen mit pneumatischem Antrieb4.2.4 Schweipressen mit elektromotorischem Antrieb4.2.5 Sondermaschinen5

7、Sicherheitsmanahmen6 Einfluss der Werkstoffeigenschaften auf das Schwei-verhalten6.1 Schubmodul G und mechanischer Verlustfaktor tan in Abhngigkeit der Temperatur6.2 Spezifische Wrmekapazitt cpund der Wrmeinhalt6.3 Schmelztemperaturbereich6.4 Viskositt der Schmelze (MFR bzw. MVR)6.5 Verstrkungsstoff

8、e, Fllstoffe, andere Zustze7 Einfluss der Herstellungsbedingungen der Fgeteile auf das Schweiverhalten7.1 Anforderungen an die Fgeteile7.1.1 Einfluss von Feuchtigkeit7.1.2 Regenerat, Rezyklat7.1.3 Formtrennmittel7.1.4 Lagerung8 Konstruktive Gestaltung der Fgeteile8.1 Allgemeine konstruktive Merkmale

9、8.1.1 Ausrunden von Ecken und Kanten8.1.2 Lage der Fgeteile und die Entfernung zur Sonotrode (Nahfeld-, Fernfeldschweien)8.1.3 Gre und Ausbildung der Fgeflchen8.1.4 Energierichtungsgeber8.1.5 Zentrierung der Fgeteile8.1.6 Freier Einsinkweg des Oberteils8.1.7 Mitschwingen von Rippen, Laschen, Bolzen

10、und anderen Funktionselementen8.1.8 Lsen von Partikeln beim Schweien8.1.9 Lage im Aufnahmewerkzeug8.1.10 Ankopplungsflche der Sonotrode8.1.11 Fgeflchengeometrie8.1.12 Fgeflchenausbildung mit kegel- und noppenfrmigem Energierichtungsgeber8.1.13 Fgeflchenausbildung mit dachfrmigem Energierich-tungsgeb

11、er8.1.14 Fgeflchenausbildung mit Quetschnhten8.1.15 Punktschweien9 Prozessberwachung10 Qualittsberwachung an Fgeteilen nach dem Schweien11 Verfahrensschritte zum Einstellen und Optimieren der Prozessparameter12 Normen, Richtlinien und Vorschriften13 Anwendungsbeispiele1 GeltungsbereichDiese Richtlin

12、ie gilt fr das Fgen und Bearbeiten von Formteilenund Halbzeugen aus thermoplastischen Kunststoffen mit Ultra-schall, bevorzugt in der Serienfertigung.Unter dem Begriff Fgen“ sind alle stoffschlssigen und mecha-nischen Verbindungstechniken zu verstehen, z.B. Schweien,Nieten, Brdeln, Verkrallen, Verdm

13、men, Umbugen usw. Die Be-zeichnung Schweien“ wird nur bei stoffschlssigen Verbindun-gen angewandt. In der Richtlinie beschriebene technologischeZusammenhnge gelten sinngem fr das Schweien, Fgenund Bearbeiten mittels Ultraschall.Beschrieben werden der Verfahrensablauf (Prozess), Maschi-nen, Gerte und

14、 Werkzeuge, Sicherheitsmanahmen, Einflussvon Werkstoffeigenschaften und Herstellbedingungen der Fge-teile auf das Schweiverhalten, konstruktive Gestaltung der F-geteile, Prozessberwachung, Qualittssicherung, Literaturhin-weise.2 Anwendungsgebiet der Fgetechnik durch UltraschallDie Ultraschalltechnol

15、ogie wird fr folgende Fgeverfahren ein-gesetzt:Ultraschallschweien, Ultraschallpunktschweien, Ultraschall-brdeln und -verdmmen Ultraschallnieten, Ultraschallverkrallen,Ultraschalleinsenken, Ultraschallnhen, sowie Ultaschallschnei-den.Mit Ultraschall geschweit werden vorwiegend spritzgegosseneFgeteil

16、e sowie Fgeteile die durch Blasformen, Warmformenoder Extrudieren hergestellt sind.Mit Ultraschall sind grundstzlich alle thermoplastischen Kunst-stoffe schweibar. Das gilt auch fr eine Reihe von thermoplasti-schen Elastomeren und fr Polymerblends (modifizierte ein- odermehrphasige Polymerverbindung

17、en, die mindestens zwei unter-schiedliche Kunststoffarten beinhalten). Es knnen auch mit Ver-strkungs- oder Fllstoffen versehene Kunststoffe untereinanderoder mit unverstrkten bzw. ungefllten Kunststoffen geschweitwerden.April 2007RichtlinieDVS 2216-1B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF836

18、8C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 2216-13Prozess3.1 ProzessbeschreibungBeim Ultraschallschweien werden Fgeteile aus thermoplasti-schen Kunststoffen durch mechanische Schwingungen im Ultra-schallbereich miteinander verschweit.Die vo

19、n einem Generator erzeugten elektrischen Schwingungenwerden im Ultraschallwandler (Schallkopf, Konverter) in mecha-nische Schwingungen gleicher Frequenz umgewandelt und berdas Transformationsstck (Booster) und die Sonotrode (Horn)den Fgeflchen zugeleitet.Durch Absorption der mechanischen Schwingunge

20、n, Reflexion inder Fgezone und durch die Grenzflchenreibung der Fgefl-chen schmilzt der Kunststoff im Fgebereich. Die Fgeteile sin-ken durch die aufgebrachte Schweikraft nach und die Schwei-ung tritt ein. In der anschlieenden Haltephase setzt die Abkh-lung des Schmelzefilms ein. Zusatzstoffe sind ni

21、cht erforderlich.Zum Erzielen einer reproduzierbaren guten Schweiqualitt sindneben der richtigen Auswahl des Ultraschallschweigertes dierohstoffbedingten Einflsse der thermoplastischen Kunststoffe,die Herstell- und Lagerbedingungen und die konstruktive Gestal-tung der Fgeteile sowie die Prozessparam

22、eter beim Schweienvon wesentlichem Einfluss.In Bild 1 sind der prinzipielle Verlauf von Schweikraft, Fgewegund Amplitude fr das Schweien mit Energierichtungsgeber(ERG) dargestellt. Die whrend des Schweiprozesses auftre-tenden Phasen und geometrische Gegebenheiten sind ebenfallseingezeichnet und werd

23、en unter Abschnitt 3.3 beschrieben.3.2 KenngrenIm Folgenden sind die Kenngren beim Ultraschallschweienund ihre Dimensionen aufgefhrt.Bild 1.Prinzipieller Verlauf von Kraft, Weg und Amplitudeals Funktion der Zeit beim Ultraschallschweienvon Fgeteilen mit Energierichtungsgeber. Phase 1:Anschmelzen des

24、 Energierichtungsgebers Phase 2:Instationre Schmelzebildung Phase 3:Quasistationre Abschmelzphase Phase 4:Haltephase / AbkhlphaseB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 2216-1Tabelle 1. Ke

25、nngren beim Ultraschallschweien.3.3 Prozessphasen3.3.1 Prozessphase 1, Anschmelzen des Energierichtungs-gebers (ERG)In der ersten Phase wird die Schweikraft bzw. der in der Fge-flche wirkende Schweidruck aufgebracht und der Energierich-tungsgeber unter Einwirkung der Ultraschallschwingungen ange-sch

26、molzen. In dieser Phase ist eine gute Zentrierung der beidenFgeteile gegen seitliches Verschieben notwendig. Das fort-schreitende Abschmelzen des Energierichtungsgebers wieder-um ergibt trotz konstanter Schweikraft einen sich stetig verrin-gernden Schweidruck infolge der grer werdenden Fgefl-che. Di

27、e Fgegeschwindigkeit nimmt mit Fortschreiten derSchweizeit in Phase 1 ab. Phasenspezifische Schweiparameter: Amplitude a Geschwindigkeit der Sonotrode v Kraft-, Weg- oder ZeittriggerungSchweikraft FSeinschl. Geschwindigkeit der Kraftaufbrin-gung3.3.2 Prozessphase 2, instationre SchmelzebildungIn der

28、 zweiten Phase erfolgt eine vollstndige Ankopplung zwi-schen Ober- und Unterteil ber die Schmelzeschicht. DieSchmelzebildung ist noch instationr, da der Energierichtungsge-ber noch als Reststumpf vorhanden ist. Der effektive Fgedruckverringert sich nochmals bis die Fgeteile vollstndig ber dengesamte

29、n Nahtquerschnitt angekoppelt sind.Phasenspezifische Schweiparameter: Amplitude a Geschwindigkeit der Sonotrode vSchweikraft FSbzw. Schweidruck3.3.3 Prozessphase 3, quasistationre AbschmelzphaseIn der dritten Phase liegen konstante rheologische und thermi-sche Bedingungen vor. Es stellt sich eine ko

30、nstante Fgege-schwindigkeit verbunden mit einer ebenfalls konstanten Schmel-zetemperatur und Schmelzeschichtdicke ein. Die Schweiflchehat den maximalen und der Schweidruck seinen minimalenWert erreicht.Wird in der zweiten Hlfte dieser Phase die Schweikraft redu-ziert, sinkt der Fgedruck und die Schm

31、elzeschichtdicke wirdgrer. Damit verbunden ist meist eine hhere Schweinahtfes-tigkeit. Nach Erreichen des Abschaltkriteriums z.B. Schweizeit,Schweiweg usw. wird der Ultraschall abgeschaltet.Das Absenken der Amplitude in der zweiten Hlfte dieser Phasereduziert die Scherbelastung des Kunststoffs und f

32、hrt dadurchtendenziell zu einer hheren Schweinahtfestigkeit verbundenmit geringerem Schmelzeaustrieb. Phasenspezifische Schweiparameter: Amplitude a, Amplitudenprofil Geschwindigkeit der Sonotrode v Schweikraft FS, Schweidruck pS bzw. Kraftprofil Schweiweg sS Schweizeit tS3.3.4 Prozessphase 4, Halte

33、phase / AbkhlphaseIn der Haltephase, Phase 4, findet mit Ausnahme des im Allge-meinen zu vernachlssigenden Ausschwingvorganges der Sono-trode keine Energiezufuhr mehr statt. Zu Beginn der Haltephase entsteht ein Quetschflieen derSchmelze unter Einwirkung der Haltekraft. Durch diesen Einflussund durc

34、h die Schwindung des thermoplastischen Kunststoffswhrend des Abkhlvorganges sinkt die Sonotrode geringfgignach. Die Haltephase ist beendet, wenn die Fliegrenztempera-tur bei der vorliegenden Haltekraft unterschritten wird. Das Ein-Kenngre Kurzform Dimension BemerkungAmplitude a m halbe Schwingweite;

35、 Profil; EinstellgreEnergie E Joule BetriebsartFgeflche A mmFrequenz f Hz, kHzFgeweg sFmm Max. Fgeweg = sS + sHAbsenkgeschwindigkeit der Sonotrode beim Fgen v mm/s Einstellgre bei motorischem AntriebHaltedruck pHMPa wirkt in der FgeflcheHaltekraft FHN EinstellgreHalteweg sHmmHaltezeit tHs Einstellgr

36、eLeistung P WattProzesszeit tPsSchwingweite m doppelte Amplitude; Wert Spitze zu SpitzeSchweidruck pSMPa wirkt in der Fgeflche; pS= FS/ ASchweikraft FSN Einstellgre; ProfilSchweiweg sSmm Betriebsart; EinstellgreSchweizeit tSs Betriebsart; Einstellgre; Wirkzeit des UltraschallsSchallgeschwindigkeit c

37、 m/sTriggerkraft FTrN EinstellgreUltraschallzeit tUSs Betriebsart; Einstellgre; Wirkzeit des UltraschallsWellenlnge l mm, cm Sonotrodenlnge bevorzugt /2B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 4 zu

38、DVS 2216-1sinken (Verkrzen) der Fgeteile in der Haltephase wird als Hal-teweg bezeichnet.Phasenspezifische Schweiparameter: Haltekraft FH Halteweg sH Haltezeit tH4 Maschinen, Gerte und Werkzeuge4.1 Aufbau und Wirkungsweise4.1.1 Schematischer Aufbau einer Ultraschallschwei-maschineEine Ultraschallsch

39、weimaschine, Bild 2, besteht im Wesentli-chen aus: Aufnahmewerkzeug (Amboss, Teileaufnahme) Schweipresse Sonotrode (Horn) Steuerung Transformationsstck (Booster) Ultraschallgenerator Ultraschallwandler VorschubeinheitDie fr den Schweivorgang erforderliche Kraft wird durch denAntrieb erzeugt.4.1.2 Ul

40、traschallgeneratorDer Ultraschallgenerator formt die niederfrequente elektrischeEnergie des Wechselstromnetzes in hochfrequente elektrischeEnergie des Ultraschallbereiches um. Dies kann sowohl mit deranalogen als auch der digitalen Generatortechnologie realisiertwerden.Die verwendeten Betriebsfreque

41、nzen liegen blicherweise zwi-schen 20 kHz und 70 kHz. Die Leistungen der zum Einsatz kom-menden Generatoren betragen zwischen 0,1 kW und 6 kW.4.1.3 UltraschallwandlerDer Ultraschallwandler setzt die hochfrequente elektrische Ener-gie in mechanische Schwingungsenergie gleicher Frequenz um.Die handels

42、blichen piezoelektrischen Ultraschallwandlerschwingen fast stets longitudinal, das bedeutet, dass die schall-abstrahlende Flche des Schwingers sinusfrmig um die Ruhela-ge der Flche schwingt. Das Schwingverhalten einer mechani-schen Resonanzeinheit zeigt Bild 3. Die Darstellung und Berech-nung der We

43、llenlnge geht aus Bild 4 hervor. Die Gre dermechanischen Amplitude kann durch den Generator bzw. dieSteuerung und/oder durch Wechseln des Transformationsst-ckes verndert werden.Bild 3. Schwingverhalten der mechanischen Resonanzeinheit desUltraschallsystems.4.1.4 TransformationsstckDas Transformation

44、sstck (Booster) bertrgt die vom Ultra-schallwandler abgegebenen Schwingungen auf den an der So-notrode fr die jeweilige Aufgabenstellung bentigten Amplitu-denwert und leitet die mechanische Schwingungsenergie zur So-notrode.4.1.5 SonotrodeDie Sonotrode muss der Frequenz des Ultraschallgenerators und

45、an der Ankoppelflche dem Werkstck angepasst sein und hatfolgende wesentlichen Aufgaben zu erfllen: Transformation der Schwingungen bertragung der Schwingungsenergie auf das Werkstck bertragung der Anpresskraft Formgebung bei Umformaufgaben (Nieten, Brdeln, Umbugen, Verdmmen) Schneidfunktion beim Tre

46、nnenDer Abstand zwischen zwei gleichen Schwingungszustndenwird als (Wellenlnge) bezeichnet, Bild 4. Aus Gleichung (1)lsst sich errechnen:(1) = Wellenlngec = Schallgeschwindigkeit (material- und formabhngig)f = Frequenzcf-=Bild 2. Schematischer Aufbau einer Ultraschall-schweimaschine.B974908A824A6748

47、CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 5 zu DVS 2216-1Bild 4. Darstellung der Wellenlnge.4.1.6 AufnahmewerkzeugDas Aufnahmewerkzeug (Amboss) ist das Gegenlager zur Sono-trode und bernimmt die Untersttzung und Pos

48、itionierung derFgeteile.4.2 Schweigerte- und Maschinenarten4.2.1 AnforderungenDie jeweilige Aufgabenstellung bestimmt die Wahl der Gerteartsowie deren Steuerungs- und Regelmglichkeit.Die nachfolgende Auflistung stellt eine Zusammenfassung derwichtigsten Anforderungsmerkmale dar: Amplitude / Amplitudenprofil Anpresskraft / Kraftprofil Dokumentationsmglichkeit und Auswertung der Prozessda-ten Energie Einstellbare Absenk-, Aufsetz- und Schweigeschwindigkeit Qualittssicherung Regelsysteme fr Amplitudenkonstanz Regelsysteme z