Protokoll. Praktikum Kunststoffverpackungen. Versuch: Ultraschallschweißen

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Imke Brinkerhoff
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1 Protokoll Praktikum Kunststoffverpackungen Angelika Merthan Matr.-Nr.: Manfred Klement Matr.-Nr.:

2 1. Einleitung 1.1 Definition Unter Schweißen versteht man das Erzeugen von Schmelze auf zu verbindenden Oberflächen von zwei thermoplastischen Teilen. Nach Beendigung der Ultraschallschwingung erstarrt das geschmolzene Material. Die resultierende Verbindungsnaht ist in der Festigkeit ähnlich dem Ausgangsmaterial: mit sauberem Verbindungsdesign. Ultraschall eignet sich als besonders wirtschaftliche Schweißtechnik für populäre Gebrauchs- und Konsumartikel, die in hohen Stückzahlen und für kurze Produktlebenszyklen hergestellt werden. Die Schweißzeiten bleiben unter einer Sekunde. Das Verfahren ist wartungsarm und umweltfreundlich, denn es werden keine Zusatz- oder Verbrauchsmaterialien beispielsweise Lösemittel oder Klebstoffe benötigt. 1.2 Die Funktionsweise des Ultraschweißens Die von einem Ultraschall-Generator erzeugten elektrischen Schwingungen werden durch den Ultraschall-Wandler (Konverter) in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umgewandelt. Dies geschieht durch das Ausdehnen und Zusammenziehen eines Kristalls im Inneren des Konverters. Dieser wird durch den Strom zu seiner mechanischen Bewegung gereizt. Die Schwingung wird über ein Transformationszwischenstück und der Sonotrode (Schweißwerkzeug) dem Werkstück zugeleitet. Durch die Einwirkung des Ultraschalls werden die zu verschweißenden Formteile an den Fügeflächen plastifiziert und unter Anwendung von Druck verschweißt. 1.3 Eingesetzte Materialien Duroplaste: Diese können nicht Ultraschall geschweißt werden, da sich der Kunststoff Nicht mehr aufschmelzen lässt. Amorphe Thermoplaste: Steife Kunststoffe haben günstigere Übertragungskoeffizienten. Somit können die Schwingungen besser übertragen werden. Des weiteren können die Schwingungen größere Entfernungen überwinden und sind somit besser an die Nahtstelle leitbar. 2

Teilkristalline Thermoplaste: Durch ihren hohen Dämpfungsfaktor wird die Energie, die Übertragen werden soll, gemindert. Somit kann bei diesen Kunststoffen nur im Nahfeld geschweißt werden.

3 Teilkristalline Thermoplaste: Durch ihren hohen Dämpfungsfaktor wird die Energie, die Übertragen werden soll, gemindert. Somit kann bei diesen Kunststoffen nur im Nahfeld geschweißt werden. Generell kann man sagen, dass man das beste Schweißergebnis nur unter identischen Thermoplasten erhält. Die Ausnahme hierbei ist nur, wenn ABS mit PMMA geschweißt wird. Auch diese Verbindung führt zu einem guten Ergebnis. 2. Versuchsdurchführung 2.1 Das Ultraschallschweißgerät 2.2 Schweißparameter: - Amplitude: Wird dem Kunststoff angepasst Amorphe Kunststoffe: geringe Amplitude: 10 bis 30 µm Teilkristalline Kunststoffe: hohe Amplitude: 25 bis 50 µm - Schweißzeit: Bestimmt wie lange der Kunststoff durch den Ultraschall geschmolzen wird 3

In dieser Zeit wird noch nicht geschweißt - Schweißkraft: Kraft, die während des Schweißvorgangs auf die Naht ausgeübt wird.

4 - Haltezeit: Zeit in der der Kunststoff Zeit hat abzukühlen. Das Zusammengefügte hält nach einer Haltezeit besser - Fügegeschwindigkeit - Triggerkraft: Der Anfanggsdruck, der auf den Kunststoff ausgeübt wird. In dieser Zeit wird noch nicht geschweißt - Schweißkraft: Kraft, die während des Schweißvorgangs auf die Naht ausgeübt wird. - Schweißtiefe: Wie weit die Schingung in den Kunststoff eindringt. Wenn die Schwingung mehr eintritt, kann mehr Kunststoff aufgeschmolzen weden und die Naht wird besser - Energie: Die zugeführte Energie bestimmt die Schweißzeit und Siegelnahtfestigkeit 3. Versuchsdurchführung: 3.1 Testobjekte: Getestet werden Kaffeesahnekännchen aus PP. Diese werden zuerst geschweißt und danach auf ihre Siegelnahtfestigkeit getestet. 4

5 4. Messergebnisse Die folgenden Parametereinstellungen sind der Ausgangspunkt für die unterschiedlichen Parameterveränderungen: Haltezeit 2,0s Tiggerkraft 400 N Schweißkraft 600 N Schweiß-Weg Soll 0,65 mm Berstdruck 788 mbar Interpretation des Berstdrucks Die Naht hat fast an allen Stellen gehalten Folgende Parameter sind bei jeder Messung unverändert: Schweißzeit min. 0,0s Schweißzeit max. 1,0s Weg min. 0,45mm Weg max. 0,90mm Probe Haltezeit 1,5s 1,0s 0,5s 2,0s 2,0s 2,0s 2,0s Tiggerkraft 400N 400N 400N 200N 300N 500N 600N Schweißkraft 600N 600N 600N 400N 500N 700N 800N Schweiß- Weg Soll 0,65mm 0,65mm 0,65mm 0,65mm 0,65mm 0,65mm 0,65mm Berstdruck 970 mbar 960 mbar 1346 mbar 1341 mbar 921 mbar 1395 mbar 1404 mbar Interpretation Naht hält Naht hält fast Material des Becher Teilweise Becher Becher des Berstdrucks durchgehend durchgehend Becher zerplatzt platzt; Naht hält Naht zu schwach platzt, Naht hält platzt, Naht hält Optik der Gut und Gut und Gut und Gut und Gut und Gut und Gut und Siegelnaht Optisch: Art des Bruchs sauber sauber sauber sauber sauber sauber sauber B A C C A C C 5

8 9 10 11 12 Haltezeit 2,0s 2,0s 2,0s 2,0s 2,0s Tiggerkraft 400N 400N 400N 400N 400N Schweißkraft 600N 600N 600N 600N 600N Schweiß- Weg Soll 0,50mm 0,55mm 0,60mm 0,70mm 0,75mm Berstdruck 650 mbar 865

6 Haltezeit 2,0s 2,0s 2,0s 2,0s 2,0s Tiggerkraft 400N 400N 400N 400N 400N Schweißkraft 600N 600N 600N 600N 600N Schweiß- Weg Soll 0,50mm 0,55mm 0,60mm 0,70mm 0,75mm Berstdruck 650 mbar 865 mbar 810 mbar 929 mbar 1485 Interpretation des Berstdrucks Optik der Siegelnaht Optisch: Art des Bruchs Becher ist am Einstichsloch aufgerissen Gut und sauber Naht hält fast durchgehend Gut und sauber Naht hält fast durchgehend Gut und sauber Becher ist am Einstichsloch aufgerissen Schlecht; Material quillt an den Rändern heraus mbar Becher platzt; Naht hält Schlecht; Material quillt an den Rändern heraus E D A E C 5. Optische Darstellung der Bruchstellen am Becher A: Es ist zu erkennen, das das Material größtenteils unterhalb der Naht bricht. Die Naht selbst ist bis auf eine Stelle dicht 6

B: Durch schätzungsweise einen Materialfehler erhält das

verliert C: Der Druck ist so groß, dass das Material

Der Becher bricht an vielen Stellen D: Die Naht hält

Das Material gibt zuerst am Boden, nahe dem Einstichsloch

7 B: Durch schätzungsweise einen Materialfehler erhält das Material an einer kleinen Stelle ein Leck, wo es Luft verliert C: Der Druck ist so groß, dass das Material förmlich explodiert. Der Becher bricht an vielen Stellen D: Die Naht hält durchgehend. Das Material gibt zuerst am Boden, nahe dem Einstichsloch nach E: Das Einstichsloch ist durch falsche Handhabe oder zu hohe Belastung aufgerissen. Dort entweicht die Luft. Somit sind diese Messungen ungültig 7

8 6. Auswertung Eine optimale Schweißnaht wird durch sehr viele Faktoren Beeinflusst. Deren Wirkungsweise konnte nur anhand des Berstdrucks, d.h. der Schweißnahtfestigkeit ermittelt werden. Anhand der Messergebnisse lässt sich sagen, dass der Schweißweg- Soll nicht zu gering oder zu hoch gewählt werden darf. Zu gering bedeutet, dass der Kunststoff nicht genügend aufgeschmolzen werden kann und hoch bedeutet, dass der geschmolzene Kunststoff an den Rändern herausquillt und eine unsauberen Schweißrand bildet. Bei der Interpretation bezüglich der veränderten Kraft und der veränderten Haltezeit lässt sich nur sagen, dass die Messungen keine eindeutigen Ergebnisse liefern. 8

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