Kunststoffschweißen mit Schall

**US 3,224,916**, *Sonic method of welding thermoplastic parts*, **Robert S. Soloff** und Seymour G. Linsley, Abtretungsempfänger an **Branson Instruments**; eingereicht am **6. Dezember 1963**, Seriennr. 328,500, erteilt am **21. Dezember 1965**; 8 Ansprüche, US-Klasse 156-73. Abgelaufen. Die Zeichnung auf dieser Seite ist das eigene Blatt 1 des Patents: FIG. 1 ist die Verbindung, FIG. 2 das Horn, FIG. 3 der Schnitt. Die Beschreibung befasst sich mit *Schweißverbindungen von Thermoplastteilen mit* einer *Schallenergiequelle hoher Intensität*, und sie stellt ausdrücklich klar, dass die Teile *in engen Kontakt* gebracht werden müssen und dass sich das Verfahren auf *schwer schmelzbare Thermoplastmaterialien* erstreckt – was der interessante Anspruch ist, denn genau bei diesen versagt auch Klebstoff.

Falls Sie Zugang zu einem Ultraschallschweißgerät haben – einem für Kunststoff, nicht für Metall oder ein Reinigungsbad – führen Sie dies ordnungsgemäß durch. Falls nicht, bietet Schritt 3 eine Bankalternative, die denselben Mechanismus veranschaulicht. Drucken oder formen Sie zwei flache Probekörper mit einer Fügefläche von 40 × 10 mm. Auf einem davon bringen Sie einen dreieckigen Energierichter an, 0,4 mm hoch und 0,5 mm breit, der über die gesamte Länge verläuft. Das andere Paar lassen Sie flach zum Vergleich. Richten Sie das Schweißgerät ein: starre Vorrichtung unter dem unteren Teil, Sonotrode flach auf dem oberen Teil, und beginnen Sie mit einer kurzen Schweißzeit und geringer Kraft. Schweißen Sie, ziehen Sie dann die Verbindung mit dem Federkraftmesser im Schraubstock auseinander und notieren Sie die Kraft sowie **wo es gebrochen ist**. Variieren Sie drei Größen, jeweils einzeln, und tragen Sie jede auf: - **Schweißzeit** – zu kurz, und der Energierichter ist nicht kollabiert; zu lang, und die Schmelze wird herausgedrückt und die Verbindung verarmt. - **Kraft** – zu gering, und die Flächen bleiben während des Zyklus nicht in Kontakt; zu hoch, und der Energierichter wird zerdrückt, bevor er schmilzt, was die Scherwärmung zunichtemacht. - **Amplitude**, falls Ihr Gerät dies zulässt. Die gute Schweißnaht bricht im **Grundwerkstoff** neben der Verbindung, nicht in der Fuge. Die Kontrollprobe mit flacher Fläche hält kaum, was genau der Zweck des Energierichters ist. Ultraschallgeräte sind auf eine Weise laut, die ein Messgerät als gering anzeigt – ein großer Teil der Leistung liegt oberhalb des Hörbereichs, die Subharmonischen jedoch nicht. Tragen Sie Gehörschutz, halten Sie die Finger aus dem Bereich der Sonotrode fern und berühren Sie niemals eine Sonotrode, die in Betrieb war.

Drei Wege, eine Grenzfläche ohne Ultraschall-Sonotrode zu schmelzen, wobei jeder einen anderen Teil derselben Idee vermittelt. Führen Sie alle drei durch und vergleichen Sie die Bruchflächen. **Rotationsschweißen.** Spannen Sie einen gedruckten zylindrischen Zapfen in die Standbohrmaschine, halten Sie sein Gegenstück im Schraubstock darunter, fahren Sie mit einigen hundert U/min und drücken Sie beide zusammen. Die Reibung schmilzt die Grenzfläche in ein bis zwei Sekunden; stoppen Sie die Spindel und halten Sie den Druck, während sie erstarrt. Es ist derselbe Mechanismus wie beim Patent – mechanische Arbeit in die Grenzfläche –, nur mit Rotation statt Vibration. Es funktioniert nur bei runden Verbindungen, und genau deshalb lohnte es sich, den Ultraschall zu erfinden. **Lösungsmittelschweißen.** Bei ABS oder Acryl klebt ein Lösungsmittelkleber nicht, sondern **löst** beide Oberflächen an, sodass die Ketten ineinander diffundieren, und verdunstet anschließend, wobei ein einziges Teil zurückbleibt. Sparsam auf beide Flächen auftragen, zusammendrücken, einspannen und deutlich länger warten, als es nötig scheint – eine Lösungsmittelverbindung nach einer Stunde hat nur einen Bruchteil ihrer endgültigen Festigkeit. Probieren Sie denselben Kleber an Polypropylen: Es passiert nichts, weil kein gängiges Lösungsmittel ein Polyolefin angreift. Dieser Misserfolg lohnt es, bewusst herbeizuführen. **Heizelementschweißen.** Drücken Sie beide Flächen etwa 30 °C über dem Schmelzpunkt gegen eine saubere heiße Platte, bis sich eine Schmelzperle bildet, ziehen Sie ab und pressen Sie sie zusammen. Grob und langsam, aber es ergibt die stärkste Verbindung der drei bei Polyethylen und Polypropylen – so werden Kunststoffrohre im Erdreich verbunden. Brechen Sie alle und betrachten Sie die Bruchflächen unter dem Mikroskop. Eine echte Schweißnaht zeigt gezogenes, faseriges Polymer; eine misslungene zeigt zwei glatte Flächen, die nie eins waren. Lösungsmittelkleber sind flüchtig und oft gesundheitsschädlich – Abzug oder Freiluft, Nitrilhandschuhe, keine Zündquellen. Die Heizplatte bleibt noch lange gefährlich, nachdem sie ausgeschaltet wurde.

**Urheberschaft.** US 3,224,916, *Sonic method of welding thermoplastic parts*, Robert S. Soloff und Seymour G. Linsley, übertragen an Branson Instruments; eingereicht am 6. Dezember 1963, erteilt am 21. Dezember 1965, abgelaufen. Die Zeichnung auf dieser Seite stammt vom Patent selbst. **Warum sie sich so schnell verbreitet hat.** Ultraschallschweißen benötigt keine Verbrauchsmaterialien, keine Aushärtezeit, keinen Umgang mit Lösungsmitteln und kein drittes Material im Bauteil. Ein Zyklus dauert nur einen Bruchteil einer Sekunde, sodass er sich mit Spritzgießgeschwindigkeit in eine Montagelinie einfügt, und da das Bauteil danach kühl bleibt, kann es sofort weiterverarbeitet werden. Praktisch jedes spritzgegossene Konsumgehäuse, das nicht verschraubt ist, wird auf diese Weise geschweißt. **Der Energierichtungsgeber ist die eigentliche Erfindung.** Ultraschall, der auf eine ebene Fuge aufgebracht wird, erwärmt alles leicht und schweißt nichts; Schritt 4 zeigt, warum. Die Konzentration der Belastung auf ein kleines angespritztes Dreieck macht aus einem diffusen Erwärmungsproblem ein lokales Aufschmelzen – und es kostet nichts, da es einmalig in das Werkzeug eingearbeitet wird. **Wie sich das zur Klebstoffstufe verhält.** Die Klebstoff-Blueprints des Katalogs betreffen das Verbinden *unterschiedlicher* Materialien mithilfe einer dritten Substanz. Schweißen ist der gegenteilige Fall: dasselbe Polymer, keine dritte Substanz, und die Verbindung wird von den Teilen selbst nicht mehr zu unterscheiden. Wenn beides möglich ist, gewinnt Schweißen bei Geschwindigkeit, Festigkeit und Recyclingfähigkeit; Kleben gewinnt, wenn sich die Materialien unterscheiden, wenn die Verbindung einen Spalt abdichten muss oder wenn die Teile nicht zusammengedrückt werden können. **Ehrliche Grenzen.** Ultraschallschweißen eignet sich **nur für Thermoplaste** und in fast allen Fällen für *dasselbe* Polymer auf beiden Seiten – unterschiedliche Polymere diffundieren nicht ineinander. Es benötigt ein angespritztes Fügemerkmal, muss daher von Anfang an konstruktiv vorgesehen werden und lässt sich nicht nachträglich einbauen. Teilkristalline Polymere wie Polypropylen und Nylon lassen sich deutlich schwerer schweißen als amorphe wie ABS, weil die Energie in das Aufschmelzen von Kristallen fließt und nicht in das Anheben der Fuge über eine Glasübergangstemperatur. Und die Anlagen sind weder billig noch harmlos, weshalb Schritt 3 existiert.