US-Schweisstechnik. Einführung Das Prinzip Der Ultraschall-Fügeprozess Aufbau einer US-Schweisspresse

Transkript

1 US-Schweisstechnik Einführung Das Prinzip Der Ultraschall-Fügeprozess Aufbau einer US-Schweisspresse Akustik Akustik in Metallkörpern Schallerzeugung Die Amplitudentransformation Das Schwingersystem Amplitudendiagramm Booster Sonotroden Inhalt 1 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

2 US-Schweisstechnik Generatoren und Steuerungen Übersicht Generatoren Funktionen Datenerfassung Automatisierung Periphere Systeme Schweissmaschinen / Pressen Aufgabe Flexibilität Arbeitssicherheit Der Schweissprozess in Phasen Pneumatikkonzept Inhalt 2 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

3 Das Prinzip Die US-Schweisstechnologie basiert auf der Physik der Schallwelle in Festkörpern, d.h. das Ultraschallwerkzeug setzt das Schweissobjekt kurzzeitig unter Schall, welcher den Kunststoff durch hochfrequente Kompression-Dekompression mittels des materialspezifischen inneren Verlustes in der Fügezone zum schmelzen bringt. Der Zyklusablauf: Das Oberwerkzeug, die sogenannte Sonotrode fährt auf das Schweissobjekt und verschweisst die Teile in je nach Objektgrösse 0.1 bis 0.5 [s] zusammen. Presse Einführung Sonotrode Oberwerkzeug (Sonotrode) Unterwerkzeug (Aufnahme) 3 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

4 Der Ultraschall-Fügeprozess Der Fügeprozess bedingt zwei Hauptkriterien: Die Plastifizierbedingung Kraft F (Zustellung der Presse) Amplitude A (Vibration der Sonotrode) Die Stopp-Bedingungen Zeit Weg (Schweisstiefe) Energie Einführung Die Stopp-Bedingungen werden Schweissmodi genannt. 4 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

5 Der Ultraschall-Fügeprozess Verfahrensgrenzen Die maximal zu verschweissende Teilegrösse mit einer Einkopfanlage beträgt ungefähr 200 x 200 mm, ist jedoch materialbedingt. Die zu verschweissenden Kunststoffe müssen thermoplastisch sein. Zudem setzt die Ultraschall-Schweisstechnik voraus, dass die zu verschweissenden Teile in der Fügezone nach spezifischen Anforderungen gestaltet werden. Kompatibilität von Thermoplasten Einführung Konstruktionsrichtlinien Ultraschallschweissen 5 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

6 Aufbau einer US-Schweisspresse Schweisspresse Konverter (Schallwandler) Generator und Steuerung Booster (Zwischenverstärker) Sonotrode (Schweisswerkzeug) Einführung Sonotrode Zweihandschaltung Aufnahmewerkzeug Sockel 6 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

7 Akustik in Metallkörpern Die Eigenschwingung (Resonanz) im Metallstab charakterisiert das Prinzip des Ultraschallsystems. Demo: Subjektiv: Die Tonfrequenz ist abhängig von der Stablänge und dem Material: Langer Stab = tiefer Ton Kurzer Stab = hoher Ton Die Länge des Stabes nennt man dessen Resonanzlänge der ersten harmonischen Grundschwingung. Akustik Physikalisch: Die hochfrequente Längenänderung oder Amplitude ist an den Enden maximal und in der Stabmitte minimal. Die Amplitude an den Stabenden beträgt wenige tausendstel Millimeter gemessen in Mikrometer[um] 7 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

8 Schallerzeugung Der Generator: Der Konverter: Die Sonotrode: Elektrische Schwingung Mechanische Schwingung Akustik Piezo Metall Der Generator überträgt seine Schwingung in Form von elektrischer Ladung auf die Piezoelemente des Konverters. Dadurch beginnt der Konverter vergleichbar mit dem beschriebenen Stab in seiner Eigenresonanz in Längsrichtung zu schwingen. Dies führt zu einer stehenden Welle mit maximaler Amplitude an den Endflächen. 8 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

9 Die Amplitudentransformation Die vom Konverter erzeugte Amplitude ist für einen Kunststoff-Schweissprozess zu klein. Sie muss erhöht werden. Die Amplitude als Längenänderung des Metallstückes wird durch eine gestufte Form asymmetrisch d.h. sie wird am dünneren Ende A2 umgekehrt proportional zum Stirnflächenverhältnis A1 / A2 erhöht. Bizylindrischer Metallkörper als Amplitudenverstärker: Akustik Zwischenverstärker oder Booster: Sonotrode: 9 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

10 Das Schwingersystem Konverter Booster (1:2) Akustik Sonotrode (1:2) 10 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

11 Amplitudendiagramm Amplitude [µm] % % % % % % % % 2 1 Amplituden Amplituden Generatoren GM 2020kHz PCSII / SLH 9 100% % % % W 2000W 1500W 1000W 9 100% % % % % % % % 2 1 Akustik 1:4 1:3 1:2 1:1.5 1:1 1:3 Sonotroden Booster Verstärkung 1:2.5 1:2 1:1.5 1:1 V P.W. 11 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

12 Booster Booster 20 khz / 35 khz : Akustik Verschiedene Verstärkungsverhältnisse in Aluminium und Titan 12 / 33 Copyright by RINCO ULTRASONICS AG

13 Sonotroden Zur Frequenzabstimmung von Sonotroden wird deren Steifigkeit und Masse korrigiert d.h. nicht nur die Länge, sondern auch die Form des Körpers gilt bestimmend für dessen Resonanzfrequenz. Damit kann erreicht werden, dass Sonotroden unterschiedlicher Länge trotzdem bei gleicher Frequenz arbeiten. Block Akustik Zylindrische Sonotroden Rechteck-Sonotroden Spitze Zusammengesetzte Sonotroden zur Abbildung freier Formen 13 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

14 Sonotroden Die Formgebung wird auf leistungsstarken Rechenanlagen mittels der FEM-Technologie (Finite Element Method) analytisch vorausbestimmt. Akustik 14 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

15 Sonotroden Sonotroden werden mittels messtechnischer Analyse werksintern in ihrer Lauffähigkeit bestätigt. Akustik 15 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

16 RL ADG 16 / 33 RL Twin ACU Copyright by RINCO ULTRASONICS AG SL SL Twin AGM Generatoren und Steuerungen Übersicht Generatoren

17 Funktionen Die Funktion eines Generators: Automatische Frequenznachführung Amplituden-Konstantregelung Amplitudenwahl Schutz gegen Zerstörung Die Funktion einer Steuerung: Interaktive Programmierung durch prozessgerechte Menustruktur der Plastifizier- und Stopp-Kriterien Datenbankmanagement Kommunikation zu übergeordneter Steuerung und peripheren Systemen zur statistischen Prozessevaluation Kontrolle des Schweisszyklus Generatoren und Steuerungen 17 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

18 Datenerfassung Die Übertragung der Schweissdaten erfolgt über Schnittstellen wie RS232, Ethernet, RS485 oder CanOpen. Ausgewertet werden die Schweissdaten auf einem betriebseigenen QS-System oder mit der RINCO-Software ACUcapture. RS232 Ethernet Generatoren und Steuerungen 18 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

19 Automatisierung Die Kommunikation mit einer übergeordneter Steuerung (SPS) bei automatisiertem Betrieb erfolg über Digital I/O. Digital I/O Generatoren und Steuerungen 19 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

20 Periphere Systeme Die Schweissprozessoptimierung erfolgt durch ACUcapture, die Software von RINCO ULTRASONICS AG. Generatoren und Steuerungen 20 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

21 Periphere Systeme Die externe Systemprogrammierung, Datentransferierung und Prozessüberwachung erfolgt durch ACUremote, entwickelt von RINCO ULTRASONICS AG. Generatoren und Steuerungen 21 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

22 Übersicht Schweissmaschinen Die Aufgabe einer Ultraschall-Schweisspresse ist das Verschweissen von Kunststoffen durch Steuerung von Weg, Geschwindigkeit und Kraft während des Schweissprozesses. Zudem werden aller sicherheitsrelevanten Funktionen auch während des Einrichtbetriebes von der Schweissmaschine gewährleistet. Schweissmaschinen / Pressen Dynamic 3000 Dynamic 745 Standard 3000 Standard 745 Standard / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

23 Flexibilität Der problemlose und einfache Ein-und Ausbau des Schweisswerkzeuges und der Schwingereinheit sind ein sehr wichtiges Kriterium einer Ultraschall-Schweissanlage. Ein tischseitiger Ausrichtmechanismus lässt ein schnelles Einstellen des Unterwerkzeuges (Aufnahme) zu. Das maschinen- und prozessorientierte Steuerungsdesign ermöglicht einen schnellen Funktionszugriff. 23 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

24 Arbeitssicherheit Die Sicherheit ist auch im Einrichtbetrieb mit dem Zweihandsteuermodul gewährleistet d.h. die Presse kann nur mit der Zweihandauslösung in die untere Ruheposition gebracht werden. Schallquellen wie die einer 20 khz Ultraschall-Anlage sind sehr intensiv und bedingen in den meisten Fällen eine zusätzliche Schutzmassnahme. Ultraschall-Anlagen werden in zwei Bereichen klassiert. Dem hörbaren Bereich mit einem zulässigen Grenzwert von 85 dba und dem nicht hörbaren Bereich mit dem Grenzwert 140 dba. Um die reale Belastung zu beschreiben, werden sowohl das Einzelereignis wie auch die wiederkehrende Mehrfachbelastung durch ein berechnetes Equivalent [Leq] beurteilt. Schallschutzmassnahmen können durch persönlichen Schutz mit Ohrenschutz, oder generell mittels maschinenspezifischer Schallschutzkabine realisiert werden. Schweissmaschinen / Pressen 24 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

25 Der Schweissprozess in Phasen 1. Werkzeugzustellung Vorfahren, abbremsen und aufsetzen der Sonotrode auf das Schweissobjekt. 2. Kraftaufbau Zunahme der Anpresskraft bis zum Ultraschall-Auslösepunkt (Triggerkraft). 3. Anschmelzen Beginnende Plastifizierung des Polymeres unter Kraft und Amplitude. Schweissmaschinen / Pressen 25 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

26 Der Schweissprozess in Phasen 4. Abschmelzen Weitertreiben der Kunststoffschmelze ohne Überhitzung. Diese Phase macht sich hauptsächlich bei sehr niedrigviskosem Polymerschmelzen bemerkbar und kann mit Maschinen der Dynamic Series während des Schweissprozesses beeinflusst werden. 5. Erstarren Verfestigen der Schweissung unter Kraft. 6. Rückhub Zurückfahren der Sonotrode in die obere Ruhelage. Schweissmaschinen / Pressen 26 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

27 Pneumatikkonzept Es werden zwei verschiedene Pressensteuerungen unterschieden: Einfache manuell einstellbare Pneumatikschweisspresse Proportionalpneumatische Schweisspresse MV DP VD Schweissmaschinen / Pressen Einfache Pneumatikschweisspresse Proportionalpneumatische Schweisspresse 27 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

28 Pneumatikkonzept Einfache Pneumatikschweisspresse: Geschwindigkeit und Kraftaufbau sind gegeben durch manuelles Stellen der Präzisionsdrossel VD. Der Ultraschallstart (Trigger) erfolgt durch den Differential Drucksensor DP. Die Zustellbewegung erfolgt durch das Magnetventil MV. Zustellbewegung (Vorfahren, Abbremesen) MV DP Schweissprozess (Zeitlicher Kraftaufbau) MV DP Schweissmaschinen / Pressen VD VD 28 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

29 Pneumatikkonzept Zustellbewegung (Vorfahren, Abbremsen) Schweissmaschinen / Pressen 29 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

30 Pneumatikkonzept Schweissprozess (Zeitlicher Kraftaufbau) Schweissmaschinen / Pressen 30 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

31 Pneumatikkonzept Schweissprozess (Zeitlicher Kraftaufbau) Pu (t) Po (t) Schweissmaschinen / Pressen 31 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

32 Pneumatikkonzept Proportionalpneumatische Presse: Geschwindigkeits-und Kraftprofil frei programmierbar. Regelung durch den Kraftsensor KS und Proportionalventile PV. KS PV PV Schweissmaschinen / Pressen 32 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG

33 Pneumatikkonzept Abschmelzen: Weg s(t) Kraft F(t) Leistung P(t) Schweissmaschinen / Pressen 33 / 33 Copyright cby RINCO ULTRASONICS AG