8 Verfahren zum Kunststoffschweißen, 1. Teil
Wenn vom Schweißen die Rede ist, denken die meisten im ersten Moment an die Verbindung von zwei Bauteilen aus Metall. Doch grundsätzlich bezeichnet das Schweißen einen Vorgang, bei dem zwei oder mehr Teile unter der Einwirkung von Hitze untrennbar zusammengefügt werden. Das ist auch mit Kunststoffen möglich. Tatsächlich wird das Kunststoffschweißen im industriellen Bereich vielfältig anwendet. Je nach Produkt und Material kommen dafür verschiedene Techniken zum Einsatz.
In einem zweiteiligen Beitrag zeigen wir acht Verfahren zum Kunststoffschweißen. Außerdem erklären wir, wie das Schweißen von Kunststoffen grundsätzlich funktioniert und welche Vorteile es bietet:
Inhalt
Was ist Kunststoffschweißen?
Beim Schweißen von Kunststoff handelt es sich um ein Verfahren, das bei der Fertigung von Kunststoffteilen angewendet wird, um zwei miteinander kompatible Elemente aus Thermoplasten zu verbinden.
Dafür werden die beiden thermoplastischen Teile zunächst vorbereitet, anschließend an den vorgesehenen Verbindungsstellen zusammengepresst und dann erhitzt.
Die verwendete Heiztechnik richtet sich nach dem Kunststoffmaterial. Bei PVC zum Beispiel wird oft das Ultraschall-Kunststoffschweißen angewendet. Denn es erfordert keine direkte Erwärmung, sodass aus dem Kunststoff auch keine gefährlichen Dämpfe austreten können.
Der konstante Druck beim Erhitzen und Abkühlen führt dazu, dass sich die beiden Kunststoffteile molekular verbinden. Im Unterschied zu anderen Verbindungsmethoden wie dem Kleben oder Nieten lässt das Kunststoffschweißen deshalb eine stabile und dauerhafte Verbindung entstehen.
Die grundlegenden Arbeitsschritte beim Schweißen von Kunststoffen
Zwei halbfertige Kunststoffteile, die zum Beispiel durch Spritzguss hergestellt wurden, miteinander zu verschweißen, kann durchaus anspruchsvoll sein. Für eine saubere Verbindung mit haltbarer Schweißnaht sind deshalb ein paar grundlegende Arbeitsschritte notwendig. Diese sind bei allen Schweißverfahren gleich.
- Arbeitsbereich einrichten und die Kunststoffe reinigen
Zunächst gilt es, den Arbeitsbereich vorzubereiten. Wichtig ist hier vor allem, eine gute Belüftung sicherzustellen. Denn wenn Thermoplaste erhitzt werden, können gefährliche Dämpfe entstehen. Der Schweißer sollte geeignete Schutzkleidung tragen.
Um die Grundlage für eine gute Schweißverbindung zu schaffen, werden die Kunststoffteile gereinigt.
Das erfolgt, indem die Kunststoffe mit Seife und warmem Wasser gewaschen und anschließend mit einem sauberen, fusselfreien Tuch abgetrocknet werden. Hartnäckige Flecken lassen sich durch Abschleifen mit Schmirgelpapier, einem Lösungsmittel oder einem Farbschaber entfernen.
- Die Kunststoffe verbinden
Die vorbereiteten Kunststoffteile werden dann ausgerichtet und fixiert. Je nach Verfahren werden sie dabei festgeklemmt, mit Klammern befestigt oder festgeklebt. Danach können sie verschweißt werden. Zu den Schweißverfahren kommen wir gleich.
- Die Schweißung beenden
Für eine saubere und stabile Schweißnaht sollte diese vor dem Abkühlen fixiert werden. Anschließend kann der Kunststoff bei Raumtemperatur abkühlen, bis er sich an der Verbindungsstelle wieder verfestigt hat.
Die Schweißnaht kann im ausgehärteten Zustand durch Schleifen geglättet oder mit verschiedenen Methoden der Oberflächenveredelung nachbearbeitet werden.
8 Kunststoffschweißverfahren
Wie schon erwähnt, gibt es verschiedene Techniken und Verfahren, um Kunststoffe zu fügen. Dabei unterscheiden sich die Methoden in erster Linie darin, wie die Erwärmung erfolgt.
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Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen werden mechanische Schwingungen mit einer hohen Frequenz und einer geringen Amplitude eingesetzt, um die beiden Polymere zu verbinden. Die mechanische Vibration führt zu einer Reibungswärme, durch die die Kunststoffe schmelzen.
Durch die mechanischen Schwingungen verbinden sich die Kunststoffe auf molekularer Ebene miteinander. Aus diesem Grund haben die Verbindungen, die per Ultraschall gefertigt wurden, eine hohe und stabile Qualität.
Zu den Vorteilen des Kunststoff-Ultraschallschweißens gehören die hohen Durchsätze und die kurzen Durchlaufzeiten. Weil die Kunststoffteile nicht durch direkte Hitze erwärmt werden, ist das Verfahren sehr sicher.
Außerdem eignet es sich auch für Kunststoffe wie PVC, die bei direkter Hitzeeinwirkung gefährliche Dämpfe entwickeln. Nicht zuletzt sind die Schweißverbindungen hochwertig.
Den Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegenüber. So kann das Verfahren weder bei Kunststoffen mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt noch bei harten Thermoplasten angewendet werden.
Auch bei dicken Materialien ist das Ultraschallschweißen nicht optimal, weil die meisten Maschinenwandler einen Ausgangsbereich zwischen 100 und 150 mm haben.
Ein weiterer Minuspunkt besteht darin, dass sich das Verfahren nur für überlappende Fugen eignet. Andere Verbindungen wie Ecken, Kanten, Stoßstellen oder T-Stücke sind nicht möglich.
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Laserschweißen
Beim Laserschweißen wird der Kunststoff mithilfe eines Laserstrahls aufgeschmolzen. Dabei bleibt die Hitze unter der Temperatur, bei der der Kunststoff verdampft. Während des Schmelzvorgangs wird Druck ausgeübt, der auch in der anschließenden Abkühlphase bestehen bleibt.
Auf diese Weise wird die Schweißverbindung gestärkt. Das Kunststoff-Laserschweißen ist ein schnelles Verfahren, mit dem verschiedene Kunststoffarten bearbeitet werden können.
Zu den Vorteilen zählt, dass ein sehr präzises Arbeiten möglich ist. Der Laserstrahl kann nur einen einzelnen Punkt oder die ganze Schweißfläche erwärmen. Aus diesem Grund eignet sich das Laserschweißen auch, um Kunststoffteile mit komplexen Designs zu fertigen.
Die Arbeit ist sowohl bei Raumtemperatur als auch unter besonderen Bedingungen möglich.
Allerdings können dicke Kunststoffe nicht per Laser geschweißt werden. Außerdem kann der Laser den Kunststoff spröde und porös machen. Ein weiterer Minuspunkt sind die hohen Investitionskosten für das Schweißgerät.
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Reibschweißen
Beim Reibschweißen ist keine direkte Wärmeeinwirkung notwendig. Stattdessen nutzt das Verfahren das Prinzip der Reibung, um das Kunststoffmaterial zu verbinden.
Dazu werden die beiden Kunststoffteile gegeneinander bewegt oder gedreht. Durch diese Bewegung entsteht Reibung, die den Kunststoff zum Schmelzen bringt. Ist der Kunststoff aufgeschmolzen, wird die Druckkraft auf beide Kunststoffe gleichmäßig erhöht, bis diese dauerhaft miteinander verbunden sind.
Dabei werden zwei Formen des Reibschweißens voneinander unterschieden:
- Beim kontinuierlichen Reibungsschweißen erzeugt ein Rotor die Bewegung, die für die Wärmeerzeugung notwendig ist. Der Rotor ist mit einer Bandbremse verbunden. Steigt die erzeugte Wärme über die Temperaturgrenze des Kunststoffs, stoppt die Bandbremse den Rotor. Gleichzeitig wird der Druck erhöht, bis die Verbindung erfolgt ist.
- Das Schwungradreibschweißen nutzt anstelle der Bandbremse ein Motor- und ein Wellenschwungrad. Zu Beginn des Vorgangs sind die beiden Schwungräder miteinander verbunden. Sie trennen sich, wenn die Reibung den Grenzwert erreicht hat. Durch das geringe Trägheitsmoment des Wellenschwungrads stoppt dieses. Auch hier wird die Druckkraft konstant erhöht, bis die Schweißverbindung entstanden ist.
Durch das Reibschweißen können auch unterschiedliche Kunststoffarten miteinander verschweißt werden, ohne dass zusätzliche Materialien benötigt werden.
Die geringe Hitze verhindert einen Materialverzug. Der Schweißvorgang geht schnell und die Qualität der Schweißverbindung ist gut. Allerdings ist das Kunststoff-Reibschweißen auf Rundstäbe mit gleichem Querschnitt sowie auf eckige und flache Stoßverbindungen begrenzt.
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Thema: 8 Verfahren zum Kunststoffschweißen, 1. Teil
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