Gehäuseschweißen

Haustier-Tracker mit sensiblen Innenleben

Ultraschallschweißen liefert robuste und wasserdichte Gehäuse. Hunde gehen gerne „offroad“. Ein neuartiges Ortungsgerät soll sie im Blick halten, auch nach einem ausgiebigen Bad in Wasser oder Schlamm. Ein entsprechend zugeschnittener Ultraschallschweiß-Prozess sichert das sensible elektronische Innenleben des Geräts.

Flexibilität ist gefragt: In einem frühen Projektstadium griff Herrmann Ultraschall auf einen in seinen Prozesseigenschaften ähnlichen Versuch-„Körper“ zurück. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Mit dem Anspruch, Ortungssysteme für innovative Anwendungen und verschiedene Zwecke zu entwickeln und zu vermarkten, trat das Start-up Prothelis im Jahr 2014 an. Aus den ehemals drei Mitarbeitern wurden bis Ende 2016 knapp 50 Beschäftigte mit weiter steigender Tendenz. Eines der ersten marktreifen Produkte ist das auf den Namen „Greta“ getaufte Ortungssystem. Der Tracker wird für verschiedene Anwendungen angeboten, von der Ortung bis zur Kontrolle des Aufenthaltsorts der vierbeinigen Kameraden.

Entsprechend den Einsatzgebieten ist ein besonders robustes Gehäuse gefordert, um das empfindliche, teilweise patentierte Innenleben der Geräte dauerhaft zu schützen. Staub- und wasserdicht entsprechend Schutzklasse IP67 hatten die Entwickler als Ziel für die Hülle aus ABS vorgegeben. Die Eigenschaften verschiedener mechanischer und thermischer Fügeverfahren für die Gehäusehälften wurden gegeneinander abgewogen. Ziele waren, ein Verfahren zu finden, das schnell und mit hoher Prozesssicherheit in der Serie arbeitet sowie dauerhafte Dichtigkeit gewährleistet und eine optisch sehr gute Verbindung ermöglicht.

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Den Vierbeiner dank Tracker immer im Blick – auch wenn er hinter Büschen oder auf Nachbars Terrasse verschwunden ist. Im Inneren arbeitet innovative, teilweise patentierte Elektronik. (Bild: Prothelis)

Der technische Leiter bei Prothelis, Harald Kuhn: „In der Entwicklungsphase hatten wir zunächst mechanische Verfahren wie Kleben, Schrauben oder Einklipsen begutachtet. In den Gesprächen mit verschiedenen Lieferanten und möglichen Produzenten für unsere Halbschalen, fiel dann das Stichwort ‚Ultraschallschweißen‘. Die Vorteile klangen vielversprechend, vor allem ging es uns um Wasser- und Staubdichte, aber auch Zykluszeiten spielten eine Rolle.“ Schließlich wurden bei Herrmann Ultraschall Versuche für das Schweißen in Auftrag gegeben.

Versuch macht klug
Trotz umfangreicher Erfahrungen mit der Gestaltung anwendungsspezifischer Schweißprozesse und Werkzeugkonstruktionen sind praktische Versuche, um die Machbarkeit und besten Geometrien zu testen, unabdingbar. Sie bringen die besten Aussagen zu den erwartbaren Ergebnissen und eventuellen Optimierungsmöglichkeiten in der Serie. Herrmann Ultraschall ermöglicht Probeschweißungen in sehr unterschiedlichen Materialien und in Materialkombination und mit allen gängigen Nahtgestaltungen. Nah- oder Fernfeldschweißungen sind möglich, je nachdem wie weit die Sonotroden-Ankoppelfläche beim späteren Kunststoffbauteil von der Fügenaht entfernt sein wird. Bei den Versuchen werden Schmelzverlauf und mögliche Kerbwirkungen mit der Hochgeschwindigkeitskamera untersucht sowie die Zug- und Torsionsfestigkeit getestet.

Vorversuche an einem Prototyp aus ABS mit Geometrie der Stufennaht – und stoffschlüssiger, dicht verschweißter Naht. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Da für die ersten Versuche noch keine fertigen Gehäusebauteile aus dem Prothelis-Projekt vorlagen und die typischen Probekörper zu klein waren, nutzte Herrmann einen eher ungewöhnlichen Probekörper – jedoch mit ähnlichen Eigeschaften: Ein Spielzeugelefant musste herhalten. Mitarbeiter von Prothelis waren bei den Versuchen im Labor dabei und vermaßen die sensible Elektronik vor dem Schweißvorgang und danach. Würden 20 Kilohertz, also 20.000 Bewegungen in der Sekunde, einen Einfluß haben? Die Messungen nach den Schweißungen bestätigten eine einwandfreie Funktionalität der Elektronik. Weitere Versuche mit Echtmustern ergaben, dass der Tracker bis mindestens 2 bar dichthält, das entspricht 20 Meter Wassertiefe. Damit gab Prothelis das Ultraschallschweißen als Fügetechnologie frei.

Gebündelte Ultraschallwellen durch Stufennahtgestaltung
Ein Vorteil des Ultraschallschweißens ist die gezielte Energieeinleitung. Um die Ultraschallwellen zu fokussieren, haben die Bauteile sogenannte Energierichtungsgeber, das sind Spitzen oder Kanten, die in das Bauteil hinein konstruiert und mitgespritzt werden. Der Punkt- oder Linienkontakt verhindert flächiges Ankoppeln. Die Schmelze wird an den Kontaktstellen der Energierichtungsgeber direkt zwischen den Bauteilen gebildet. Bei vielen Bauteilen ist deshalb die korrekte Nahtgestaltung zur zuverlässigen Prozessführung zwingend notwendig. Hier kann es sinnvoll sein, schon in der Konstruktionsphase eine Abstimmung mit den Ultraschall-Experten zu suchen. Welche Nahtgestaltung eingesetzt wird, ist abhängig von:

  • Bauteilgeometrie (Wanddicke)
  • Materialeigenschaften (amorph oder teilkristallin)
  • Füllstoffen (beispielsweise Glasfasern)
  • Anforderungen an Festigkeit und Berstdruck
Vorversuche an einem Prototyp aus ABS mit Geometrie der Stufennaht – und stoffschlüssiger, dicht verschweißter Naht. (Bild: Herrmann Ultraschall)

Beim Ortungsgerät Greta wird eine Stufennaht verwendet – diese Nahtvariante ist leicht zu realisieren und erzeugt feste Verbindungen mit erhöhten Scher- und Zugkräften. Dazu unterstützt sie die Selbstzentrierung der Bauteile im Fügeprozess.

Für Herrmann Ultraschall habe man sich durchaus bewusst entschieden. Harald Kuhn: „Wir recherchierten über das Internet und stießen auf Herrmann Ultraschall, deren Webseite gute erste Informationen lieferte. Und dann stimmte einfach die Chemie und der Beratungsaufwand seitens Herrmann, sowohl bei den ersten Kontakten als auch im Labor. Die erfolgreichen Erstversuche und die Hilfestellung bei der konstruktiven Auslegung der Halbschalen haben uns im Projekt schnell weiter gebracht.“

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