Kunststoffschweißen

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Was ist Kunststoffschweißen?

Kunststoffschweißen bezeichnet das Schweißen und Fügen von Kunststoffen. Dabei wird durch das Verschmelzen von Fügepartnern eine dauerhafte Verbindung geschaffen. Bei diesem Verfahren des Fügens wird jedes Stück erhitzt, bis es weich oder flüssig wird. Nach dem Abkühlen werden chemische Verbindungen zwischen den einzelnen Teilen geschaffen. Für das Kunststoffschweißen gibt es mehrere Verfahren wie das Laserschweißen. Neben den thermischen Verfahren existiert auch das mechanische Verfügen. Dieses wird bei der Kunststoffverarbeitung aber weniger eingesetzt. Kunststoffschweißen wird zur Kunststofftechnik dazugeordnet und bezeichnet dasselbe wie Kunststoffkleben.

Auch oft gesucht: Schweißen, Kunststoffschweisen, Kunststoff Schweißen


Verfahren im Kunststoffschweißen

Übersicht der Schweißverfahren
Übersicht der Schweißverfahren

Je nach Art der Wärmeeinbringung kommen unterschiedliche Methoden zum Einsatz:

  • Gaskonvektionsschweißen
  • Heizelementschweißen
  • Infrarotschweißen
  • (2-Stufen-)Laserschweißen
  • Laserdurchstrahlschweißen
  • Rotationsreibschweißen
  • Ultraschallschweißen
  • Vibrationsschweißen
  • Warmgassschweißen
  • Zirkularschweißen

Allgemein lassen sich jedoch nur Kunststoffe mit thermoplastischen Eigenschaften schweißen. Diese können wiederholt schmelzen und sich verfestigen.

Verfahrensbeschreibung

Gaskonvektionsschweißen

Bei diesem Verfahren werden die Fügeflächen der Werkstücke durch einen Abgasstrom erwärmt. Dies geschieht durch Konvektion, wobei thermische Energie von einem Ort zum anderen übertragen wird. Nach diesem Prozess werden die Werkstücke unter Druck geschweißt. Das Gaskonvektionsschweißen bietet die Möglichkeit zeitlich getrennt die Prozesse des Erwärmens und Fügens abzuspielen, sowie den Restsauerstoff im Abgas und damit die Schädigung des Materials niedrig zu halten.

Heizelementschweißen

Beim Heizelementschweißen werden zuerst die Fügepartner vorbereitet, dann eingelegt und an das Heizelement angepasst. Dies geschieht durch langsames Abschmelzen, bis sie richtig erwärmen können. Wenn eine Schmelzschicht entstanden ist, entfernt sich das Heizelement von den Fügeteilen und diese werden unter Druck zusammengepresst. Nach der Abkühlung können die Fügeteile nachgearbeitet werden. Heizelementschweißen ist das am meisten in der industriellen Serienfertigung eingesetzte Schweißverfahren. Vorteile dieses Prozesses sind ein getrennter Erwärm- und Fügeprozess, umlaufende Dichtschweißungen und die Möglichkeit des Verschweißens unterschiedlicher Kunststoffe.

Infrarotschweißen

Das Infrarotschweißen bezeichnet einen Prozess, bei dem die Fügeflächen der entsprechenden Werkstücke mithilfe von Infrarotstrahlung erwärmt und danach geschweißt werden. Die Strahlung besteht aus Kurz- oder Mittelwellen und läuft berührungslos ab. Je nach Absorptionsverhalten des Kunststoffs werden die jeweiligen Strahlerelemente eingesetzt. Kurze Wellen dringen tiefer ein, Mittelwellen erwärmen die Oberfläche. Danach können die Elemente druck- oder wegabhängig verschweißt werden. Infrarotschweißen ist ein ähnlicher Prozess wie der des Heizelementschweißens, da auch hier die Erwärmphase vom Fügeprozess getrennt ist. Daraus ergeben sich verschiedene Vorteile, da der Vorgang berührungslos stattfindet, eine hohe Schmelzschichttiefe erreicht werden kann und keine Schmutzpartikel entstehen.

(2-Stufen-)Laserschweißen

Beim Laserschweißen (auch Laserstrahlschweißen) wird das Bauteil lokal über Laserlicht erwärmt und geschmolzen. Dies ist möglich, da das Werkstück den Laserstrahl absorbiert. Die passenden Werkstücke werden am Ende des Prozesses unter Druck zusammengepresst. Dabei entstehen robuste Schweißnähte. Laserschweißen wird neben der Kunststoffindustrie auch in der metallverarbeitenden Industrie vielfältig eingesetzt. So zum Beispiel in der Automobilproduktion zum Löten von Dach und Heckklappe. Vorteile dieses Verfahrens sind die geringe Wärmeeinbringung, wodurch der typische Verzug von Schweißbauteilen minimiert wird, die hohe Schweißgeschwindigkeit, wodurch das Verfahren besonders wirtschaftlich wird und die hohe Leistungsdichte, wodurch die Wärmeausbreitung im Material sehr gering gehalten wird. Daher kann das Laserschweißen auch in der Nähe von thermoempfindlichen Stoffen wie Glas eingesetzt werden. Daneben existiert das 2-Stufen-Laserschweißen, bei dem kontaktloses Erwärmen durch Laserstrahlung die Schweißfestigkeit bestimmt. Hierbei können die Flächen der Werkstücke flexibel gescannt, erwärmt und danach unter Druck verschweißt werden. Die Technik des Laserschweißens wird hierbei mit der des Infrarotschweißens kombiniert. Vorteile sind dadurch neben der flexiblen Einsetzbarkeit das partikelfreie Verschweißen, ein zeitlich getrennter Erwärm- und Fügeprozess und eine sehr schnelle Abkühlung.

Rotationsreibschweißen

Rotationsreibschweißen gehört zu den Reibschweißverfahren. Hierbei dreht sich das Werkstück ähnlich einer Drehmaschine und wird dabei geschweißt. Voraussetzung ist, dass ein Fügeteil eine rotationssymetrische Form haben muss, da anderweitig die Verbindung nicht geschaffen werden kann. Beim Prozess steht ein Fügeteil still, während das andere sich rotiert. Die entstehende Reibung sorgt dafür, dass die Teile unter Druck miteinander verschweißt werden können. Oftmals findet diese Art des Schweißens Anwendung bei Rohren oder Auslassventile bei Motoren. Vorteile des Rotationsreibschweißens sind die Wirtschaftlichkeit durch eine geringe Schweißdauer (ca. 1 Sekunde), eine geringe thermische Werkstoffbelastung und wenig Materialeinsatz.

Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen gehört zu der Kategorie der Pressschweißverfahren und kann sowohl in der Kunststoffverarbeitung als auch bei metallischen Werkstoffen eingesetzt werden. Hierbei wird die Schweißkraft mechanisch mithilfe von Wechselstromerzeugung aufgebracht. Dabei entwickeln sich Ultraschallschwingungen und Wärme, die unter Druck parallel auf die jeweiligen Werkstücke übertragen werden. Durch das Ultraschallschweißen können geringe Prozesszeiten eingehalten werden, taktweise oder kontinuierlich geschweißt werden und energie- und zeitabhängig eine Verarbeitung stattfinden.

Vibrationsschweißen

Auch das Vibrationsschweißen gehört zu den Reibschweißverfahren. Man unterscheidet das lineare und orbitale Vibrationsschweißen. Abhängig vom Verfahren oszillieren die Fügeteile unterschiedlich. Beim beiden Verfahren werden die Fügeteile aneinandergepresst und durch Vibration aneinandergerieben. Diese oszillierenden Bewegungen erwärmen die Fügeteil und plastifizieren. Nach dem kurzen Abkühlen entwickelt sich dadurch eine dauerhafte Verbindung. Das lineare Verfahren kann mit einer Infrarot-Vorwärmung verbunden werden, wodurch die Reibphase in vielen Fällen ausgesetzt wird. So entstehen keine Partikelverschmutzungen und schräge Flächen können leichter verschweißt werden. Durch das Vibrationsschweißen können sich fast alle Polymere miteinander verbinden lassen, während sehr kurze Prozesszeiten eingehalten werden können.

Warmgasschweißen

Das Warmgasschweißen ist im Unterschied zu den anderen Verfahren nicht in industrieller Großserie anzuwenden. Heutzutage wird geht damit der Begriff des Heißluftschweißens einher, da oftmals anstelle eines gasbetriebenen Schweißgerätes ein elektrisch beheiztes eingesetzt wird. So lassen sich Temperatureinstellungen leichter vornehmen. Beim Schweißvorgang werden die Fügeflächen von Hand erwärmt und unter Druck verschweißt. Es kann auch ein Zusatzwerkstoff mitgeführt werden, der im Gegensatz zu anderen Verfahren zum Einsatz kommt. Unterscheidungen bei diesem Verfahren gibt es in Fächelschweißen, Ziehschweißen und Extrusionsschweißen. Beim Warmgasschweißen erzielt man insgesamt eine geringe Schweißgeschwindigkeit, muss oftmals nachkorrigieren und kann nur wenige Teile in derselben Zeit wie bei maschinellen Verfahren miteinander verschweißen.

Zirkularschweißen

Das Zirkularschweißen gehört zu der Gruppe der Reibschweißverfahren. Bei diesem Verfahren bewegen sich die Fügeteile zirkular bzw. kreisförmig zueinander, wobei das Unterteil fest eingespannt ist. Ein bestimmter eingestellter Schwingradius wird je nach Eigenschaft der Fügeteile bestimmt (Geometrie und Härte). Durch die individuellen Einstellmöglichkeiten bei sog. Spindel-Servo-Antriebssystemen können präzise Schweißungen vorgenommen werden, ansonsten herrschen feste Frequenzen für alle Werkstücke. Vorteile dieser Technik sind die gute Steuerungsmöglichkeiten und der materialschonende Einsatz.

Einsatzbereiche

Kunststoffschweißen wird oftmals bei kleinen Teilen eines größeren Produkts angewandt. Daher findet es in allen Bereichen seine Anwendung. Anwendungsgebiete sind:

  • Automobilindustrie
  • Haushaltsindustrie
  • Elektronik
  • Elektrotechnik
  • Medizin- und Pharmazietechnik
  • Sanitär- und Installationstechnik
  • Rohrleitungsbau
  • Spielzeugindustrie
  • Sport- und Outdoor-Industrie
  • Textilbereich
  • Verpackungen

Da Kunststoffe in nahezu jedem Bereich angewandt werden, gibt es eine große Produktvielfalt. Beispiele sind:

  • Autobatterien und Tanks
  • Bügeleisen
  • Flash-Laufwerke
  • Fußbälle
  • Kabelbinder
  • Kunststoffrohre
  • Stühle

SKZ Kunststoff-Zentrum

Das SKZ Kunststoff-Zentrum mit Sitz in Würzburg ist ein unabhängiger Dienstleister, der sich um Prüf- und Zertifizierungskriterien der hergestellten Produkte kümmert und Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Thema Plastik vorantreibt.

Hersteller und Anwendung von Kunststoffschweißmaschinen

Verschiedene Hersteller besitzen unterschiedliche Kunststoffschweißmaschinen.

TRUMPF GmbH & Co. KG

bielomatik Leuze GmbH + Co. KG

  • bietet jede Art von Kunststoffschweißmaschinen an, dazu kommt das neue 2-Stufen-Laserschweißen mit der Technologie LasIR Turn2Weld

Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

  • arbeitet an Maschinen u.a. für das Infrarotschweißen, Ultraschallschweißen oder Rotationsreibschweißen

FRIMO Group GmbH

  • besitzt Infrarotschweißanlagen, Heizelementschweißanlagen und Ultraschallschweißanlagen

LPKF Laser & Electronics AG

  • entwickelt verschiedene Systeme für das Laser-Kunststoffschweißen

WEGENER International GmbH

  • produziert handbetriebene Warmgasschweißgeräte

Fischer Kunststoff-Schweißtechnik GmbH

  • liefert Infrarotreibschweiß- und Zirkularschweißmaschinen

STEINEL Vertrieb GmbH

  • betreibt Ultraschallschweißen

ROFIN-SINAR Laser GmbH

  • bedient eine Sparte Kunststoffbearbeitung mit dem Laser (Diodenlaser, Faserlaser, CO2-Laser) für bspw. CFK

LIMO GmbH

  • produziert Diodenlaser zum Durchstrahlschweißen