Ultraschallbahnschweißen von Kunststoffteilen mit Industrierobotern

In der kunststoffverarbeitenden Industrie ist das Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen weit verbreitet. Geänderte Marktbedingungen fordern für die Zukunft den Einsatz von flexibel automatisierten Montagesystemen und neuartigen Fügetechniken. In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Automatisierungsprobleme beim Ultraschallschweißen thermoplastischer Kunststoffteile aufgezeigt. Darauf aufbauend werden Lösungen und Verfahren für die flexibel automatisierte Herstellung von gasdichten Nähten an thermoplastischen Bauteilen mit Ultraschall entwickelt. Ausgehend von einer Analyse der Montagesituation werden zunächst die Automatisierungshemmnisse für das Ultraschallschweißen ermittelt sowie die Anforderungen an ein neues Verfahren und dessen Teilsysteme aufgestellt. Für das zu entwickelnde Verfahrensprinzip werden systematisch Konzepte erarbeitet und ein Versuchswerkzeug realisiert. Für das Bahnschweißen mit Ultraschall ist die Entwicklung spezieller Sonotroden notwendig. Mögliche Sonotrodenarten werden klassifiziert und hinsichtlich der erzeugten Nahtgüte, der Nahttemperatur und der Fügekräfte anhand von Versuchsreihen bewertet. Zur Feststellung der Abhängigkeiten zwischen den Fügekräften, die beim Bahnschweißen auf die Sonotrodenspitze wirken, und der Vorschubgeschwindigkeit der Sonotrode wird das neue Verfahren grundlegend untersucht. Die Energieumwandlung zwischen der schwingenden Sonotrode und den Kunststoffteilen und die Umströmung der Sonotrodenspitze werden theoretisch untersucht und experimentell belegt. Hierbei wird der Fügevorgang mit den Methoden der Finiten Elemente simuliert und die Fügekräfte für verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten und Spitzenwinkeln der Sonotrode numerisch berechnet. Die theoretisch und experimentell ermittelten Abhängigkeiten werden in Diagrammen dokumentiert. Abschließend erfolgt die Erprobung des entwickelten Verfahrens in einer Pilotanlage. Die für den industriellen Einsatz realisierte Pilotanlage zum flexibel automatisierten Ultraschallschweißen von Stoßfängern für Kraftfahrzeuge erfüllt insgesamt die gestellten Anforderungen.