Aufbau einer Ultraschall-Schweißmaschine
Eine Ultraschall-Schweißmaschine besteht aus einer Vielzahl aufeinander abgestimmter Komponenten. Zu den wichtigsten zählen: Der Ultraschall-Generator, die Schweißeinheit, bestehend aus Ultraschall-Konverter, Ultraschall-Booster und Sonotrode, die Halte- und Vorschubmechanik für die Bewegung der Schweißeinheit und eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die den gesamten Schweißprozess regelt und überwacht.
Der Ultraschall-Generator liefert die hochfrequente Spannung von mehreren hundert Volt und einer Arbeitsfrequenz zwischen 15.000 und 70.000 Hz. Er kann eine Leistung von bis zu mehreren Kilowatt erzeugen. Der Generator verfügt über eine Mikroprozessorsteuerung, mit deren Hilfe die Frequenz des elektrischen Schwingkreises kontinuierlich auf die Resonanzfrequenz des Schwinggebildes nachgeregelt wird. Darüber hinaus hält sie die Amplitude über einen weiten Leistungsbereich konstant.
Im Ultraschall-Konverter wandeln sogenannte piezoelektrische Keramikscheiben (PZT-Keramik) die zugeführte elektrische Energie in eine mechanische Auslenkung (Schwingung) mit einer definierten Amplitude (Schwingweite) und Frequenz um.
Der Konverter liefert abhängig von der Arbeitsfrequenz eine mechanische Amplitude von ca. 5 – 10 µm. Häufig reicht diese nicht aus, um den gewünschten Schweiß- oder Schneideffekt an der aktiven Sonotrodenfläche zu erzielen. Durch den Ultraschall-Booster (Amplituden-Transformationsstück) kann die Amplitude am Übergang zur Sonotrode etwa bis auf das Vierfache erhöht werden.
Die Sonotrode ist das Werkzeug, das die Ultraschall-Schwingungen letztendlich an das Werkstück weitergibt. Durch die Geometrie der Sonotrode kann eine weitere Erhöhung der Amplitude erreicht werden (Übersetzungsverhältnis der Sonotrode). Die Grenzen sind im Wesentlichen durch die Materialeigenschaften vorgegeben.
Die Zusammenbau der drei Bauteile Konverter, Booster und Sonotrode wird als Schwinggebilde oder Schweißeinheit bezeichnet. Die pneumatisch oder servoelektrische bewegte Vorschubmechanik führt die Schweißeinheit an das Werkstück heran und liefert den ggf. erforderlichen Schweißdruck.
Die Steuerung ist einer der zentralen Bausteine der Ultraschall-Schweißmaschine. Sie steuert Generator, Konverter, Schweißeinheit und alle weitere Funktionselemente, damit die Bedingungen für den gesamten Schweißvorgang eingehalten werden.
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