Mit dem Ultraschallschweißen konnte Apra-Plast, Daun, bei der Bestückung eines Kunststoffrahmens Taktzeiten und Kosten deutlich minimieren – trotz geringer Stückzahlen. Das Know-how dazu lieferte Herrmann Engineering.

Durch die Nutzung einer speziellen Messer-Sonotrode beim Einsetzen von Messingbuchsen in einen Rahmen konnten die notwendigen Arbeitsschritte von 18 auf vier reduziert werden. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Mit Produktionszeiten von mehr als drei Minuten pro Bauteil war die Bestückung eines Kunststoffrahmens für die in Daun beheimatete Apra-Plast Kunststoffgehäusesysteme bisher eine zeitaufwendige Aufgabe. Grund für die langen Taktzeiten waren die insgesamt 18 Messingbuchsen, die mittels Wärme einzeln in den Rahmen eingesenkt werden mussten. Ein automatisiertes Verfahren rechnete sich aufgrund der geringen Stückzahl nicht. Auch das Umspritzen der Buchsen als alternativer Prozess schied aufgrund hoher Kosten aus. Das Unternehmen Herrmann Ultraschall erfuhr in einem der regelmäßigen Austausche mit Apra-Plast von der Herausforderung und kam mit einer Idee für ein effizienteres Verfahren auf den langjährigen Geschäftspartner zu. Gemeinsam konnte eine spezielle Ultraschall-Schweißlösung entwickelt werden. Das Ergebnis: Die Produktionszeiten des Bauteils wurden deutlich verkürzt und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses gesteigert.

Die Fügeaufgabe bestand darin, mit Hilfe von Ultraschall mehrere Messingbuchsen gleichzeitig in den Kunststoffrahmen aus Polycarbonat einzusenken. Dafür wurde zunächst eine spezielle Sonotrode entwickelt, die alle Buchsen pro Rahmenseite gleichzeitig präzise einsenken kann. Die bisher notwendigen 18 Arbeitsschritte für den Komplettrahmen konnten auf vier verringert werden, wodurch sich die Taktzeit auf knapp 40 s senkte – das entspricht nur noch einem Fünftel der ursprünglichen Dauer.

Während des Schweißvorgangs selbst liegt die sogenannte Messer-Sonotrode über eine ganze Rahmenlänge auf allen Messingbuchsen dieser Seite gleichzeitig auf. Die Buchsen werden durch den Ultraschall zum Schwingen angeregt, übertragen den Schall auf den Kunststoffrahmen und leiten den Schmelzvorgang ein. Die Schmelze fließt in die Hinterschnitte der Buchsen ein, wodurch eine feste Verbindung erzeugt wird. Durch dieses Vorgehen können die Messingbuchsen vollständig in den Rahmen eingebettet werden, während gleichzeitig dessen Material geschont wird. So entsteht ein optisch einwandfreies Ergebnis. Beim Schweißprozess ist das vollständige und gleichmäßige Einsenken der Buchsen essenziell, da der Rahmen für die Herstellung des Endprodukts, ein Steuergerät, mit einem Gegenstück verschraubt wird. Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, wie etwa durch hervorstehende Buchsen, könnten dafür sorgen, dass beide Teile des Kunststoffgehäuses später nicht dicht miteinander verbunden werden.

Um ein gleichmäßige Einsenken der Buchsen gewährleisten zu können, muss das Bauteil während des Schweißvorgangs in der Maschine vollständig plan liegen und bewegungsfrei fixiert werden können. Hierfür wurde eine spezielle Werkstückaufnahme mit Einfräsungen entwickelt. Sie ermöglicht es dem Anwender, das Bauteil sicher in der Werkstückaufnahme einzulegen, festzuspannen und die erste Rahmenseite zu schweißen. Danach wird das Teil gedreht und mit der zweiten Rahmenseite neu fixiert und ebenfalls verschweißt. Mit insgesamt vier Schritten sind alle 18 Buchsen eingebettet. Im Projektentwicklungsprozess war es schließlich die Kombination aus speziell gestalteter Sonotrode und Werkstückaufnahme, die für den langen Rahmen mit 310 mm Kantenlänge einen prozesssicheren Ultraschall-Schweiß- beziehungsweise Einsenkvorgang ermöglichte.

Um die Amortisationszeit der Ultraschall-Schweißmaschine zu reduzieren, schlug das Engineering Team von Herrmann anhand der aktuellen Projekte des Produzenten weitere Einsatzmöglichkeiten vor. Durch das Schnellwechselsystem für die Schweißwerkzeuge kann die Schweißmaschine in wenigen Minuten für eine andere Anwendung umgerüstet werden. Zusätzlich zum Rahmen wurde ein weiteres Projekt umgesetzt, das ebenfalls in Kleinserie gefertigt wird.

Bei diesem Produkt handelt es sich um das Kunststoffgehäuse eines Messgeräts, in das ein Sichtfenster aus Plexiglas (PMMA) eingelassen wird. Die Scheibe wurde bisher von Hand geklebt, was jedoch mehrere Nachteile mit sich brachte. So muss die Verbindung zwischen den Bauteilen wasserdicht sein, um die reibungslose Funktionalität des Endprodukts zu gewährleisten. Durch den Einsatz von Kleber kam es jedoch immer wieder zu Lufteinschlüssen, die die Dichtheit gefährdeten. Zudem konnten die Bauteile durch den händischen Klebevorgang verrutschen, worunter nicht nur die Dichtheit, sondern auch die Optik des Endprodukts leiden.

Erste Tests ergaben, dass der Einsatz von Ultraschall hier zu einer Steigerung der Produktqualität beitragen konnte. Das Sichtfenster wird durch das Ultraschallschweißen absolut dicht mit dem Kunststoffgehäuse verbunden. Der Verzicht auf Kleber wiederum sichert auch ein optisch einwandfreies Ergebnis und schafft eine umweltverträgliche Verbindung ganz ohne Zusatzstoffe. Ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz der Ultraschall-Schweißtechnologie bestand auch in der Möglichkeit der Prozessüberwachung: Indem jeder einzelne Schweißvorgang genau überwacht und validiert werden kann, sorgt die Maschine für eine bisher unerreichte Prozesssicherheit.

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Mit diesen beiden entwickelten Lösungen arbeitet das Unternehmen zum ersten Mal mit der Ultraschall-Schweißtechnologie. Ausschlaggebend für die Entscheidung war eine eingehende Grundlagenschulung zum Ultraschallschweißen sowie Beratung hinsichtlich der finanziellen als auch der technischen Machbarkeit des Projekts. Mit einer Leihmaschine konnten auch Tests unter realen Produktionsbedingungen im eigenen Haus durchgeführt werden.

Die entwickelte Schweißlösung verdeutlicht, dass sich der Einsatz von Ultraschall auch bei kleinen Losgrößen lohnen kann. Voraussetzung hierfür ist eine eingehende Betreuung über die gesamte Projektdauer hinweg, sodass eine vielseitig anwendbare Maschine entwickelt werden kann. Gerade händischen Fügeverfahren gegenüber bietet das Ultraschallschweißen den großen Vorteil von schnelleren Produktionszeiten und einer Steigerung der Produktqualität, sodass ganze Herstellungsprozesse wirtschaftlicher, effizienter und auch nachhaltiger gestaltet werden können.

Platz 7: Dürr mit einem Umsatz von 593 Mio. Euro. Das deutsche Unternehmen entwickelt Robotertechnologien für den automatischen Auftrag von Lack sowie Dicht- und Klebstoffen. (Bild: Dürr AG)

Platz 6: Kuka mit einem Robotik-Umsatz von 1.159 Mio. Euro. Die Robotik-Sparte des Unternehmens baut Roboter für verschiedenste Anwendungen, zum Beispiel auch für die robotische Fertigung in der Architektur, wie im Bild zu sehen. (Bild: Kuka)

Platz 5: Yaskawa mit einem Robotik-Umsatz von 1.277 Mio. Euro. Der Hersteller baut vor allem Roboter, die auf das Schweißen optimiert sind. Jedes Jahr produziert der Konzern 25.000 Roboter. Auf dem Foto zu sehen ist ein Teil des Produktportfolios. (Bild: Nördinger)

Platz 4: Kawasaki mit einem Robotik-Umsatz von 1.358 Mio. Euro. Seit mehr als 50 Jahren entwickelt das Unternehmen Roboter für einen weiten Bereich von Anwendungen: von Robotern fürs Punktschweißen über Handhabungsroboter für Reinräume hin zu Robotern für übergroße Traglasten. (Bild: Kawasaki)

Platz 3: Fanuc mit einem Robotik-Umsatz von 1.749 Mio. Euro. Auf dem Foto zu sehen ist ein Teil der Produktrange im Bereich kollaborierender Roboter. Insgesamt hat Fanuc über 100 Roboter-Modelle im Sortiment. (Bild: Fanuc)

Platz 2: ABB Robotics mit einem Robotik-Umsatz von 5.727 Mio. Euro. Das Unternehmen aus der Schweiz hat bereits über 300.000 Roboter installiert. (Bild: ABB)

Platz 1: Mitsubishi Electric mit einem Robotik-Umsatz von 11.348 Mio. Euro. Die Roboter des Unternehmens sind unter anderem geeignet für Montagearbeiten und Microhandling. (Bild: Mitsubishi Electric)

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Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

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