Ultraschallnieten und -bördeln von Mikroteilen

Kleinste Verbindungen für Hochleistungskunststoffe

Bisher galten das Ultraschall(US)-Nieten und US-Bördeln von Mikroformteilen aus Hochleistungskunststoffen als technologisch nicht durchführbar. Dies liegt einerseits an der hohen Schmelztemperatur der Kunststoffe und den damit verbundenen hohen notwendigen Amplituden. Andererseits ist konventionelle US-Fügetechnik nicht in der Lage, kleine Fügekräfte aufzulösen und sensitiv aufzubringen, um reproduzierbare Ergebnisse erzielen zu können. Um neuen Trends gerecht zu werden, wurden die Technologien für das US-Nieten und US-Bördeln weiterentwickelt. Das Ziel auch Mikroteile aus Hochleistungskunststoffen sicher, fest und reproduzierbar zu verbinden, wurde gemeistert.

Umsetzung der diffizilen Aufgabenstellung

Ausgehend von den im KuZ gemachten Erfahrungen des US-Nietens von großen Formteilen mit temperierten Sonotroden erfolgte eine Technologieentwicklung für Mikroformteile aus Hochleistungskunststoffen mit 40 kHz- und 60 kHz-US-Technik. Durch den Einsatz von temperierten Sonotroden wird die Temperaturdifferenz zwischen Schmelztemperatur und Sonotrodenoberfläche und damit die Wärmeableitung aus dem Kunststoff deutlich reduziert. Dadurch kann der Fügeprozess mit kleineren Schwingungsamplituden durchgeführt, und die Schwingungsbelastung deutlich reduziert werden. Dieser Effekt wurde für die Mikroformteile genutzt.

Mikroteile benötigen einen geringen Fügedruck und hohe Präzision. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde ein eigenständiger Versuchsstand mit einem speziellen Antriebs-Ambosskonzept konzipiert und gebaut. In den experimentellen Versuchen analysierten die Forscher Mikroformteile in einer Niet- bzw. Bördelvariante aus PEEK (Abb. 1) hinsichtlich Zugfestigkeit und Optik der Nietköpfe und Bördelzonen. Die Fügeparameter Amplitude, Fügekraft sowie die Sonotrodentemperatur wurden systematisch variiert, um den optimalen Parameterbereich zu finden.

Abb. 1: Mikroteile aus PEEK zum Bördeln (links) und Nieten (rechts)

Reproduzierbare Ergebnisse der adaptierten Fügetechnologie

Es konnten mit einem breiten Parameterbereich hochwertige und feste Niet- und Bördelverbindungen reproduzierbar erzeugt werden (Abb. 2).

Abb. 2: Mikroteil PEEK gebördelt (links, Bördelwandstärke 0,6 mm) und

Mikroteil PEEK genietet (rechts, Nietkopf Ø 2 mm) bei 200°C

Mit dieser Technologie lassen sich Festigkeiten an den Niet- und Bördelverbindungen nahe der Grundfestigkeit realisieren. In den Versuchen wurde der positive Einfluss einer temperierten Sonotrode (ca. 190 - 250°C) während des Fügevorgangs auf die mechanischen und optischen Eigenschaften (Abb. 3) der Verbindungen bestätigt. Die Amplitude konnte verringert werden, wodurch eine deutliche Schwingungsreduzierung während des Fügeprozesses erreicht wurde. Die Fügekräfte wurden so klein wie möglich gehalten, um die Belastung der Bauteile zu minimieren. Diese Fügetechnologie ist somit auch für sensitivere Bauteile geeignet.

Abb. 3: Mikroteil PEEK genietet links (beheizte Sonotrode)

und Mikroteil PEEK genietet rechts (kalte Sonotrode)

Unser Angebot - Neue Anwendungen für Mikroformteile

Das Ultraschallnieten und -bördeln von Mikroformteilen aus Hochtemperaturkunststoffen ermöglicht eine neue Verbindungsvariante in der Mikrotechnik. Wichtige Anwendungsgebiete sind dabei im Bereich der Medizintechnik und in der Elektro- und Elektronikindustrie zu finden. Neue Möglichkeiten eröffnen sich für kleinste Verbindungen aus Hochleistungskunststoffen oder technischen Kunststoffen in Kombination mit Fügepartnern aus artfremden Materialien wie Metall, Keramik oder auch Leiterplatten.

Diese sind hochqualitativ, reproduzierbar und aufgrund dieser innovativen Fügetechnologie sensitiv durchführbar.

Kontakt

Tino Jahnke

jahnke(at)kuz-leipzig.de

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gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

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