Ultraschallheften von ETFE-Folien

Neues Verfahren zum Heften von ETFE-Folien für lichtdurchflutete Gebäudehüllen

Heftgerät für das Heften von ETFE-Folien mit Ultraschall und temperierter Sonotrode

Folienkissen aus ETFE werden als thermisch trennende Gebäudehüllen seit fast 30 Jahren erfolgreich eingesetzt. Sie ermöglichen große transparente oder transluzente Flächen mit äußerst geringem Abschattungsgrad durch Rahmen und Tragstruktur. Im konstruktiven Membranbau kommen dabei verstärkt ETFE-Folien mit Dicken zwischen 50 und 250 µm zum Einsatz. Aufgrund der Biegsamkeit der Kissen und der variablen Führung der Schweißnähte sind der Formgebung der Kissen kaum Grenzen gesetzt. Das Anwendungsspektrum erstreckt sich von Überdachungen von Bushaltestellen bis hin zu freitragenden Dachkonstruktionen im klimatisierten Hallenbau. Die für die Konstruktion notwendigen großflächigen Folienbahnen müssen während der Herstellung der Überdachung mit geeigneten Verfahren miteinander verbunden werden.

Konventionelle Heft-Problematik

Um ein Verrutschen der Folien während des Schweißprozesses zu verhindern, müssen die Folienzuschnitte an den zu schweißenden Kanten genau übereinander gelegt und fixiert werden. Dies erfolgt mit einem Heftschweißverfahren, mit dessen Hilfe jeweils ein kleiner Punkt geschweißt wird. In der industriellen Anwendung erfolgen derzeit Heftprozesse an ETFE-Folien mittels so genannten Heißschneidegeräten. Da die Heißschneidegeräte keine Prozessregelung für eine Verarbeitung von ETFE-Folien ermöglichen, kommt es sehr schnell zu Materialschädigungen und Zersetzungserscheinungen aufgrund zu hoher Verarbeitungstemperaturen. Des Weiteren büßt der Folienwerkstoff an den geschädigten Fixierstellen enorm an Festigkeit ein, und es verschlechtern sich die optischen Eigenschaften.

Heftpunkte mit höherer Qualität - Lösungssuche

Ziel eines Forschungsprojektes im KuZ war es, auf Basis des Ultraschallschweißens mit temperierten Sonotroden, eine neue Verbindungstechnologie für das Heften von ETFE-Folien zu entwickeln. Durch den Einsatz des Ultraschallschweißverfahrens mit temperierten Sonotroden zur Wärmeerzeugung soll es möglich sein, den Vorgang des Heftens deutlich effektiver und schonender für das zu heftende Material zu gestalten, als es mit den zurzeit eingesetzten Heißschneidegeräten geschieht. Zum einen kann die Einwirkzeit im Vergleich zum derzeit praktizierten Heißschneiden verkürzt werden. Zum anderen entsteht die Wärme infolge des Ultraschalls direkt an der Verbindungsstelle der beiden Folien und muss nicht wie beim derzeit zum Einsatz kommenden Verfahren, von außen durch die Folien herangeführt werden. Als weiterer Ansatz der Entwicklung wurden alternative Heizmethoden der Ultraschall-Sonotrode untersucht. Zum Einsatz kamen die Erwärmmethoden Infrarot, Warmgas und Induktion.

Technologieuntersuchungen

Ultraschall-Schweißversuche unter Anwendung der 20 und 40 kHz Technologie erfolgten zunächst mit einer untemperierten Sonotrode, wurden mit einer temperierten Sonotrode fortgesetzt und anschließend bewertet. Während eine Verschweißung mit einer untemperierten Sonotrode bei beiden untersuchten Frequenzen zu Materialschädigungen führte, konnten die untersuchten Folien durch den Einsatz einer temperierten Sonotrode mit guten optischen Eigenschaften geschweißt werden. Die dabei ermittelten Scherkräfte befanden sich auf Grundmaterialniveau.

Vergleich der Schweißproben; untemperiert zu temperiert

links 200 µm Schweißprobe mit untemperierter Sonotrode, rechts 200 µm Schweißprobe mit temperierter Sonotrode (20kHz)

Das größte technologische Fenster ergab sich aus den Untersuchungen der 40 kHz- Technologie. Als geeignete Erwärmmethode der US-Sonotroden stellte sich die Induktion heraus.

Diese Ergebnisse flossen direkt in die Entwicklung und den Bau eines Versuchsstandes für ein mobiles Handgerät und einem dazugehörigen Steuermodul ein. Mit dem mobilen Handgerät erfolgten abschließend Schweißversuche an 100, 200 und 250 µm dicken ETFE-Folien.

Die Parametereinstellungen aus den Vorversuchen ließen sich für alle untersuchten Foliendicken sehr gut auf den Einsatz eines Handschweiß-gerätes übertragen. Für alle untersuchten Folienstärken konnten Festigkeiten auf Grundmaterialniveau und sehr gute optische Eigenschaften erzielen werden.

mobiles Heftgerät für das Heften von ETFE-Folien mit Ultraschall

mobiles US-Schweißgerät mit Induktiver Erwärmung der Sonotrode

Anwendungen und Vorteile der neuen Technologie

Anwender der entwickelten Technologie für das Ultraschallheften mit temperierten Sonotroden von ETFE-Folien sind Unternehmen aus dem konstruktiven Membranbau, die Überdachungen aus ETFE-Folien für die unterschiedlichsten Zwecke herstellen und Montageunternehmen. Mit der entwickelten Technologie steht ein wirtschaftliches Verfahren zum Heften von ETFE-Folien zur Verfügung, dass sich durch geringe Zykluszeiten und eine schonende Materialverarbeitung auszeichnet. Im Gegensatz zum derzeit zum Einsatz kommenden Verfahren mittels Heißschneiden, können auf diese Weise Materialschädigungen und das Freisetzen von toxischen Zersetzungserscheinungen vermieden werden.

Kontakt

Ingo Hoveling
hoveling(at)kuz-leipzig.de
Telefon +49 (0)341 4941 751

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

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