Auch wenn man eigentlich nie darüber nachdenkt: ohne schweißen wären wir heute nicht da wo wir heute sind. Nehmen wir nur mal das Auto. Ohne Schweißgeräte könnten wir zwar in hübschen Voll-Karbon Karossen herumfahren, dafür wären die Autos dann aber alle preislich auf dem Niveau von Ferrari und Co. Gut 80.000 Schweißer gibt es übrigens in Deutschland, die unter anderem dafür sorgen dass wir auch in metallenen Autos von A nach B kommen. Im heutigen Interview geht es um eine Technik, die nach Science Fiction klingt, aber in Wirklichkeit alltäglich ist: das Ultraschallschweißen. Fertigungstechniker Friedrich erzählt uns im Interview wie es funktioniert.
Kannst du kurz erklären was der Unterschied zwischen normalem Schweißen und Ultraschallschweißen ist?
Es gibt ein sehr breites Spektrum an Schweißmethoden- und Verfahren, daher ist es generell schwierig von einem normalen Schweißen zu sprechen. Aber ich denke mal du meinst das bekannteste Verfahren unter ihnen, das Schmelzschweißverfahren. Dabei werden vereinfacht ausgedrückt mit Brennern Materialien an der gewünschten Stelle so stark erhitzt, dass sie miteinander verschmelzen.
Wie funktioniert Ultraschallschweißen genau?
Das generelle Prinzip beruht auf der Eigenbewegung der Teilchen. Um das verständlich zu machen ein kleines Beispiel, nehmen wir Wasser. Wenn man einen gefrorenen Eisblock hat und ihn so stark vergrößern würde, dass man die Moleküle sehen kann, dann könnte man sie schwingen sehen, und zwar vergleichsweise langsam. Wenn das Eis jetzt zu Wasser tauen würde, dann könnte man beobachten dass die Moleküle schneller schwingen. Und wenn man es dann bis zur Verdampfung erhitzt, sieht man dass die Moleküle dabei immer schneller schwingen. Das bedeutet also: je stärker Moleküle schwingen, desto wärmer wird ein Material. Außerdem zeigt der Übergang von Eis zu Wasser, dass sich die Materialgrenzen ab einer bestimmten Temperatur (also Schwingung) öffnen und sich die Materialien vermischen. Zwei Eisblöcke die schmelzen würden zu einer Wasserpfütze werden, die man dann wieder zu einem Eisblock einfrieren könnte.
Dieses Prinzip macht man sich beim Ultraschallschweißen zunutze. Durch hochfrequente mechanische Schwingungen im Bereich 20 bis 35 Kilohertz (Menschen können bis zu 19 Kilohertz hören) werden die Teilchen zum Schwingen angeregt und durch die Reibung aneinander entsteht dann Wärme, die Materialgrenzen werden gesprengt und die Teilchen des einen Materials verhaken sich durch die Bewegungen praktisch mit den Teilchen des anderen Materials, wodurch man eine stabile Verbindung hat.
Ist das dann wie beim Induktionsherd, der selbst nicht heiß wird, sondern nur das gewünschte heiß macht?
Auch wenn man meinen könnte dass die Funktionsweisen identisch sind, würde man hier Äpfel mit Birnen vergleichen. Beim Induktionsherd wird der Tops mithilfe eines eines magnetischen Wechselfelds, das seinerseits durch Induktion Wirbelströme erzeugt, die dann den Boden wärmer machen, aufgeheizt . Man hat hier also eine ganz andere Quelle der Wärme.
Das Ergebnis ist aber in der Tat ähnlich. Wie beim Ultraschallschweißen auch wird beim Induktionsherd nur das heiß, was auch heiß werden soll, der Topf. Beim Ultraschallschweißen ist es eben nur die gewünschte Naht.
Was wird alles per Ultraschall geschweißt?
Mit Ultraschall kann man Kunststoffe und Metalle zusammenschweißen. Bevorzugt sind das thermoplastische Kunststoffe, also Kunststoffe die ab einer bestimmten Temperatur formbar werden und diese Form dann beibehalten wenn sie abkühlen. Man kann sie danach beliebig weiter aufheizen und verformen, Hauptsache man heizt sie nicht zu stark auf, denn das wäre schädlich.
Generell gilt: Je härter die Materialien sind, desto schlechter sind sie für das Ultraschallschweißen geeignet, da es schwieriger ist in den Bereich zu kommen, in denen sich die Materialien verbinden können. Daher sind solche biegsamen Stoffe wie thermoplastischer Kunststoff, Aluminium oder Kupfer gut geeignet.
Was ist der Vorteil am Ultraschallschweißen?
Das Ultraschallschweißen hat viele Vorteile. Zum einen geht es sehr schnell, es wird keine Energie verschwendet und man hat eine sehr konstante Qualität der Schweißnähte. Dann ist die Wärmeentwicklung sehr gering, was dazu führt dass die Maschine keine Aufwärmzeiten braucht und auch Dinge die keine Wärme mögen (wie beispielsweise Lebensmittel) eingeschweißt werden können.
Dann gibt es auch noch viele verschiedene Anwendungsspezifische Vorteile. Die Schweißnähte haben beispielsweise gute elektrische Eigenschaften, was sie für Kontakte und Verbindungen in der Elektrik interessant macht, oder wieder für die Verpackungsindustrie, weil mit Fetten, Ölen oder anderem benetze Materialien wasserdicht verschweißt werden können, ohne eine Beschädigung dieser Beschichtungen.
In der heimischen Garage schweißen beispielsweise viele an ihrem Auto herum. Geht das auch mit einem Ultraschallschweißer?
Auch wenn die meisten industriell genutzte Geräte natürlich groß, sperrig und teuer sind, gibt es ebenso kleinere Geräte, die man freilich auch in der Garage zuhause einsetzen könnte. Die Betonung liegt aber auf könnte. Für solche Anwendungszwecke sind herkömmliche Schweißbrenner wohl besser geeignet, schon alleine weil sie viel praktischer, handlicher und vielseitiger verwendbar sind.
Bilder: Titelbild: Clker; Schweißer: FotoHiero / pixelio.de; Rohr: Mensi / pixelio.de; Gezeichnete Schweißnaht: R. B. / pixelio.de
