Ultraschallschweißen von Kunststoff: Fügetechnologie für klebstofffreie Anwendungen

Wer schon einmal ein Pflaster für längere Zeit tragen musste, weiß: mitunter kann dies die Haut ganz schön reizen. Auslöser sind oft die enthaltenen Klebstoffe, welche die einzelnen Schichten eines Pflasters zusammenhalten. Auch medizinische Wearables, wie etwa CGM-Sensoren für Diabetiker, werden häufig zusammengeklebt. Da diese dauerhaft getragen werden müssen, sind Hautirritationen bei empfindlichen Patienten mehr als nur lästig. Eine Möglichkeit ist deshalb, gänzlich auf den Klebstoff zu verzichten und die Kunststoffbauteile mittels Ultraschallschweißen zusammenzufügen. Wie dieses Verfahren aussieht, darüber sprachen wir für das K-Mag mit Michael Boerner, Head of Global Business Development Plastics bei Herrmann Ultraschalltechnik.

Herr Boerner, Chemikalien wie Isobornylacrylat (IBOA) in Klebstoffen können bei medizinischen Wearables Hautirritationen bei den Trägern verursachen. Sie setzen deshalb auf das Ultraschallschweißen. Wie können damit Hautreaktionen vermieden werden?

Michael Boerner: Das Schweißen mit Ultraschall ermöglicht es, medizinische Kunststoffe ohne den Einsatz von chemischen Fügeverfahren, wie zum Beispiel Klebstoffen oder Lösungsmitteln, zu verbinden. Stattdessen werden mechanische Schwingungen genutzt, um die Materialien an den Kontaktstellen kurzzeitig zu erhitzen und sicher miteinander zu verbinden. Da dabei keine potenziell reizenden Substanzen wie Isobornylacrylat verwendet werden, gibt es kein Risiko von Hautirritationen und allergischen Reaktionen. Besonders bei Medical Wearables wie CGM-Sensoren, die oft über längere Zeit direkt auf der Haut getragen werden, ist dies ein großer Vorteil für Patientinnen und Patienten.

Können Sie den Prozess des Ultraschallschweißens näher erläutern und erklären, wie mechanische Schwingungen genutzt werden, um Kunststoffe ohne Klebstoffe sicher zu verbinden?

Boerner: Während des Ultraschall-Schweißprozesses wird elektrische Spannung über einen Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt. Über das Schweißwerkzeug – die Sonotrode – werden diese Schwingungen auf die beiden Fügepartner übertragen. Durch die Reibung zwischen den beiden Bauteilen entsteht an zuvor definierten Kontaktstellen Wärme, wodurch der Kunststoff gezielt aufschmilzt. So entstehen hochfeste Verbindungen auf molekularer Ebene.  

Im Labor werden für jeden Kunststoff und für jede Anwendung die Parameter überprüft und die Ergebnisse genau untersucht. So können die Kunden sicher sein, ein optimales Produkt zu erhalten; Copyright: Herrmann Ultrachalltechnik

Welche spezifischen Vorteile bietet das Ultraschallschweißen im Vergleich zu traditionellen Klebe- oder Schweißverfahren, insbesondere in Bezug auf Prozesszeit und Energieeffizienz?

Boerner: Je nach Anwendung benötigt Ultraschall häufig nur wenige hundertstel Sekunden, um dichte Verbindungen zu erzeugen. Außerdem können die Bauteile sofort weiterverarbeitet werden. Das ist besonders für die Herstellung von Medizinprodukten von großem Vorteil, die aufgrund des hohen Bedarfs automatisiert produziert werden.

Zudem benötigt das Fügen mit Ultraschall nur sehr wenig Energie und keine weiteren Verbundstoffe. Klebstoffe müssen ausgehärtet werden oder bei thermischen Verfahren dauerhaft Temperatur am Werkzeug vorgehalten werden, wofür viel Energie benötigt wird.

Thermische Fügeprozesse sind langsamer und erzeugen durch die direkte Temperatureinwirkung von außen Stress am Bauteil, der zum Beispiel zu Verformungen oder Beschädigungen führen kann. Energie, und hier sprechen wir über sehr geringe Energiebedarfe, für den Ultraschallprozess ist weltweit verfügbar. Chemische Fügemittel müssen oft über längere Strecken transportiert werden. Auch dieser Umweltfaktor entfällt durch die Nutzung von Ultraschall als Fügetechnologie.

Thermische Fügeverfahren benötigen erheblich mehr Energie, da permanent Hitze zugeführt werden muss. Die gezielte Nutzung von Energie nur in der Fügezone, wie beim Schweißen mit Ultraschall, ist nicht möglich.

Ultraschallschweißen ist für empfindliche Komponenten wie Hautpflaster und Sensoren geeignet. Wie wird sichergestellt, dass der thermische und mechanische Stress auf das Bauteil minimal bleibt?

Boerner: Entscheidend hierfür ist, dass der gesamte Schweißprozess individuell für die Anwendung des Kunden entwickelt wird. Dafür nutzen wir unsere Ultraschall-Labore, in denen die Anwendungsentwickler die richtigen Schweißparameter festlegen.

Zu den wichtigsten Parametern gehören unter anderem Kraft, Zeit und Amplitude. Über Schweißversuche kann genau ermittelt werden, wie diese Parameter eingestellt werden müssen, um eine sichere und schonende Verbindung zu erzeugen. Die Werte werden im Steuerungssystem der Schweißsysteme gespeichert und können in der Produktion des Kunden präzise reproduziert werden.

Eine weitere, entscheidende Komponente ist der Energierichtungsgeber – so werden die Stellen bezeichnet, in denen die Schmelze während des Schweißprozesses entsteht. Es ist wichtig, dass dieser Energierichtungsgeber korrekt gestaltet ist, damit nur gezielten an dieser Stelle eine Verbindung der beiden Kunststoffe entsteht. Dadurch werden umliegende Bereiche des Bauteils nur minimal thermisch und mechanisch belastet.

Wie beeinflusst die Wahl des Kunststoffmaterials die Effektivität des Ultraschallschweißens?

Boerner: Grundsätzlich lassen sich alle gängigen thermoplastischen Kunststoffe mit Ultraschall verbinden. Welcher Kunststoff letztlich gewählt wird, hat immensen Einfluss auf den Schweißprozess, da jeder Kunststoff einzigartige Eigenschaften hat. Wir greifen auf Datenbanken und lange Erfahrungen zurück. Als Trusted Advisor lösen wir auch herausfordernde Anwendung.

Welche Maßnahmen setzen Sie ein, um eine konsistente Schweißqualität zu gewährleisten, und wie werden die optimalen Schweißparameter für unterschiedliche Anwendungen ermittelt?

Boerner: Die reproduzierbaren Ergebnisse sind einer der größten Vorteile der Ultraschall-Schweißtechnologie. Das ermöglicht die intelligente Prozesssteuerung. Dort sind die idealen Parameter für den Prozess hinterlegt. Darüber hinaus überwacht sie den gesamten Fügeprozess und sammelt bis zu 150 Werte pro Schweißung. Diese können jederzeit abgerufen und ausgewertet werden. So erhalten Hersteller die Möglichkeit einer lückenlosen, digitalen Qualitätskontrolle.

Um die richtigen Parameter zu ermitteln, werden für jede Anwendung ausführliche Versuchsreihen im Ultraschall-Labor durchgeführt. Dank der Erfahrung unserer Anwendungstechniker wissen sie dabei oft nach wenigen Tests, welche Parameter für welche Kunststoffe geeignet sind, wodurch sich die Prozessentwicklung beschleunigt.

Inwieweit ist das Ultraschallschweißen für Bauteile mit komplexen Geometrien geeignet, und welche Designüberlegungen müssen dabei berücksichtigt werden?

Boerner: Mit Ultraschall können auch Bauteile mit komplexen Geometrien sicher verbunden werden. Allerdings gibt es einige Faktoren, die dabei berücksichtigt werden müssen, wie zum Beispiel die Wandstärke des Materials oder die Verwendung von verschiedenen Materialien innerhalb derselben Anwendung.

Wie bereits erwähnt spielt auch die Nahtgestaltung eine wichtige Rolle für den Schweißprozess. Deshalb ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Kunde und Ultraschall-Partner so wichtig – vor allem, wenn es sich um komplexere Bauteile handelt.

Sie werden als Aussteller auch auf der K 2025 vertreten sein. Worauf dürfen sich Besuchende bei einem Besuch ihres Standes freuen?

Boerner: Ultraschall bietet als nachhaltige und schnelle Fügetechnologie vor allem in der Medical-Industrie viele Vorteile. Das wollen wir vor allem auch auf unserem Stand auf der K 2025 zeigen. Dazu haben wir speziell einen neuen Probekörper entwickelt, an dem wir die vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten von Ultraschall live demonstrieren können.

Da die meisten Medizinprodukte automatisiert hergestellt werden, zeigen wir zudem, wie sich unsere Module und Komponenten platzsparend in verschiedene Produktionsanlagen integrieren lassen – dank eines solchen Retrofits können auch Hersteller mit bestehenden Anlagen von unserer Technologie profitieren.

Inwiefern ist die K die perfekte Plattform für Sie, um Innovationen Ihres Hauses vorzustellen?

Boerner: Mit der großen Reichweite und dem internationalen Publikum ist die K für uns jedes Mal aufs Neue ein Highlight und eine hervorragende Bühne, um neue Trends und Themen vorzustellen. Da wir neben Medical auch in zahlreichen anderen Branchen, wie Automotive, Packaging oder Nonwovens unterwegs sind, profitieren wir außerdem von der großen Bandbreite an Besucherinnen und Besuchern. Wir freuen uns daher auf eine spannende Messe und auf viel Interesse an unserem Stand F28 in Halle 11.