Coffee to go oder Softdrink – das Getränk für unterwegs erfreut sich rund um den Globus großer Beliebtheit. Ein Problem dabei sind allerdings die Getränkebecher. Sie bestehen bisher üblicherweise aus Kunststoffen beziehungsweise mit einer Kunststoffbeschichtung laminiertem Papier. Also Materialien, die nicht oder nur bedingt zu recyceln sind und daher auf Deponien oder in Verbrennungsöfen landen. Dagegen wollte Sergey Nikitenko, Gründer des Projekts Forpet und einer der Geschäftsführer der Forpet Baltic SIA, etwas unternehmen. „Das Ganze startete mit der Idee, Verpackungen für die Lebensmittelindustrie aus recyceltem Polyethylenterephthalat (PET), sogenanntem rPET, herzustellen“, konkretisiert der Verpackungsfachmann.

rPET in lebensmittelechter Neuwarenqualität

In Gesprächen mit verschiedenen Unternehmen aus den Bereichen Kunststoffrecycling und Extrusionstechnik informierte sich der Entrepreneur über sinnvolle Anlagenkombinationen für das Vorhaben. Dabei wurde er auf das innovative Verfahren der Liquid State Polycondensation (LSP) von NGR aufmerksam. „Mit dieser Technologie können wir PET-Flakes aus recyceltem Material zu rPET in lebensmittelechter Neuwarenqualität aufbereiten, das nach dem BRC Global Standard für Lebensmittelsicherheit zertifiziert ist. Das Material kann auch aufgeschäumt werden und lässt es sich sehr gut mit wasserbasierten Farbstoffen bedrucken und beliebig oft wieder recyceln“, erklärt Sergey Nikitenko. Im nächsten Schritt fand man mit dem Extruderhersteller Leistritz einen weiteren Technologiepartner für die Weiterverarbeitung des aufbereiteten Materials zu Folien und Platten in unterschiedlichen Stärken. Parallel durchgeführte Versuche ergaben, dass sich das rPET wie klassische Verpackungsmaterialien verformen lässt. Es ist daher ein idealer Werkstoff für Lebensmittelverpackungen aller Art sowie für Blister, Container und vieles mehr.

Getränkebecher als erstes Produkt

Als erstes Produkt entschied man sich für To-go-Becher, für deren Herstellung zuerst im lettischen Werk eine Fertigungslinie inklusive LSP-Maschine und Extruderanlage aufgebaut wurde. Dabei war noch eine Hürde zu nehmen. Denn während das Verschweißen der seitlichen Bechernaht klassischerweise durch Ultraschall erfolgt, stand für die Integration des Bodens eine Klebeverbindung im Raum. Klebstoff wäre jedoch ein zweites Material gewesen, das auch zusätzliche Kosten verursacht. Es wurde daher nach einer Alternative gesucht, die sich in die Verarbeitungsanlage integrieren lässt.

Produktspezifische Entwicklung des Ultraschallschweißprozesses

„Das Ultraschallschweißen erschien uns für unsere Monomaterial-Verpackung ideal. Allerdings brauchten wir dafür einen Partner, mit dem wir eine optimale Lösung ausarbeiten konnten. Denn zunächst sah es so aus, dass wir geometriebedingt drei Schweißsysteme für die Verbindung des Becherbodens mit dem Zylinder benötigen“, berichtet Sergey Nikitenko. Bei einer Internetrecherche stieß er auf die Weber Ultrasonics AG, einen international tätigen Hersteller von Ultraschallkomponenten für das Schweißen, Schneiden und Reinigen. „In der ersten Videokonferenz überzeugte das Unternehmen mit einem sehr professionellen und lösungsorientierten Ansatz. Bei unserem ersten Besuch konnten wir dann im Anwendungstechnikum von Weber direkt Versuche mit unserem Material durchführen“, erinnert sich der Geschäftsführer. Danach machte man sich gemeinsam an die produktspezifische Entwicklung und Anpassung des Ultraschallprozesses. Dabei ermöglichte eine kleine Designänderung des Becherbodens durch die Ultraschall-Anwendungsspezialisten, dass er mit nur einem Ultraschallschweißsystem in einer Schweißzeit von 150 Millisekunden prozesssicher eingeschweißt werden kann. Gleichzeitig erfolgt der Prozess sehr energiesparend.

Schweißprozess mit integrierter Qualitätskontrolle

Die in die Fertigungslinie bei Forpet integrierte Schweißlösung besteht aus zwei Sonotroden, angepassten Konvertern und Schwinggebilden sowie einem Industrie 4.0-fähigen Schweißgenerator Sonic Digital HS3 mit 2.000 Watt Leistung, der serienmäßig über fünf Schweißmodi verfügt. Für ein Höchstmaß an Prozesssicherheit sorgen innovative Funktionen. So ermittelt das Teach-In die optimale Startfrequenz und Regelparameter des angeschlossenen Schwingsystems automatisch. Die Sonoscan-Funktion identifiziert die richtige Arbeitsfrequenz. Die Temperaturnachführung berechnet Frequenzverschiebungen durch Temperaturveränderungen und gleicht diese ebenfalls automatisch aus. Darüber hinaus werden die Prozessparameter parallel zur Schweißung erfasst und an die übergeordnete Maschinensteuerung übertragen und ausgewertet. Kommt es dabei zu eventuellen Abweichungen zwischen aktuellen und hinterlegten, validierten Parametern werden diese Becher entsprechend ausgeschleust. Dadurch ist sichergestellt, dass nur 100 % dichte Produkte das Haus verlassen. Bei abgefüllten Lebensmitteln, beispielsweise Getränken, Nass-Tierfutter und Salat, sorgt die Vibration während des Schweißprozesses dafür, dass eventuell an den Verbindungsstellen vorhandene Produktbenetzungen verdrängt und dadurch vollkommen dichte Verpackungen hergestellt werden. Teurer Ausschuss wird dadurch verhindert.

Produktionsausbau in Planung

Mit der ersten Linie produziert Forpet im lettischen Werk monatlich über 1,5 Millionen To-Go-Becher. Hier ist ein Ausbau der Kapazitäten geplant, zusätzlich soll an einem weiteren Standort ein zweites Werk entstehen. „Die Unterstützung von Weber Ultrasonics hat dazu beigetragen, dass wir von Anfang an alles richtig gemacht haben, um eine echte Kreislaufwirtschaft für nachhaltige Verpackungsprodukte aus Monomaterial-Kunststoff aufzubauen“, merkt Sergey Nikitenko abschließend an.

Kontakte:

Weber Ultrasonics AG, Kushtrim Daci, 76307 Karlsbad, Deutschland, Tel: +49 7248 92070, www.weber-ultrasonics.com

FORPET BALTIC SIA, Sergey Nikitenko, 3602 Ventspils, Lettland, Telefon +371 664 15307, www.forpet.pro

Mit seinem starken akademischen Hintergrund als Wirtschaftsjurist (LL.M.) bringt Matthias Cullmann umfassende Expertise in den Bereichen Trade Compliance, Handels- und Steuerrecht sowie Außenwirtschaftsrecht mit und verfügt über fundierte Erfahrung in vergleichbaren Führungspositionen innerhalb der Ultraschallbranche. Seine berufliche Laufbahn ist geprägt von profundem Wissen und praxisorientierter Kompetenz in der Optimierung von Prozessen und Kosten sowie in der strategischen Steuerung globaler Lieferketten. Bei Weber Ultrasonics, einem der international tätigen von Lösungen und Komponenten für den industriellen Einsatz von Ultraschall in den Bereichen Bauteilreinigung, Fügen und Trennen von Kunststoffen und Verbundmaterialien sowie der Textilveredelung, liegt ein Schwerpunkt seiner Tätigkeit in der Entwicklung und Umsetzung nachhaltiger kaufmännischer Geschäftsstrategien. Darüber hinaus wird Matthias Cullmann die Trade-Compliance-Aktivitäten des Unternehmens leiten.

„Die aktuellen Herausforderungen in der globalen Wirtschaft erfordern eine klare Strategie und optimale Prozess- und Kostenausrichtung,“ so Wolfgang Mangold, COO des Unternehmens „Mit Matthias Cullmann gewinnen wir einen erfahrenen Experten, der nicht nur unsere internen Strukturen weiterentwickeln wird, sondern auch unsere Position als verlässlicher Lieferant stärkt. In seiner Funktion als Vice President Commercial Management wird er maßgeblich zur Sicherung der Unternehmenswerte sowie zum langfristigen Erfolg des Unternehmens beitragen.“

Der Wirtschaftsjurist übernimmt seine Position in einem wirtschaftlich und politisch anspruchsvollen Umfeld und wird eine zentrale Rolle dabei spielen, die Zukunft des Unternehmens am Standort Karlsbad, Deutschland, nachhaltig zu sichern. „Wir freuen uns darauf, gemeinsam mit ihm neue Wege zu gehen und die Erfolgsgeschichte unseres Unternehmens weiterzuschreiben“, so Wolfgang Mangold.

The solution, developed jointly by Weber Ultrasonics AG and Geratex Machinery Pvt. Ltd., an Indian manufacturer of machinery for finishing all kinds of textiles, leverages the specific characteristics that ultrasound displays in a liquid bath. The physical phenomenon of cavitation plays an important role here, with  the energy it produces increasing the absorption capacity of the various materials. Compared with conventional washing and finishing methods, the auxiliary chemicals used for desizing, bleaching, dyeing, mercerization and soaking are therefore more intensely and evenly applied to fabrics and, most importantly, penetrate more deeply. And in contrast with traditional textile treatment that does not use ultrasound, this method reduces the volume of chemicals needed by an average of 30 per cent.

Ultrasound also boosts the cleaning power of the water used during washes in between the various treatments. As well as using around a third less textile auxiliaries and water, this results in a shorter wash time. Thanks to the adjusted cavitation energy, textiles can also be treated at significantly lower temperatures – at just 60°C instead of the normal 90 to 95°C. The resulting energy savings – up to 50 per cent – play a key role in reducing operating costs and conserving resources, as well as lowering CO₂ emissions. Furthermore, ultrasound technology enables the implementation of much more compact machinery. For example, ultrasound machines that allow for consecutive bleaching and mercerization can be implemented on a line of just 30 metres, instead of the usual 60 to 80 metres with traditional technology. Another aspect is that sustainable textile treatment is becoming an increasingly crucial requirement in the purchasing decisions of fabric buyers.

Tailor-made for textile treatment

The specific needs of the textile industry were taken into consideration in the development of the ultrasound solution, which can also be integrated into existing machinery and processes. These include the specific properties of the fabric that’s being treated, such as sensitivity, porosity and elasticity. The latter, in particular, is becoming more and more important due to the increasing use of elastic fabrics in textiles. In "stretchy" textiles, treatment with conventional machinery often leads to the formation of creases, which then leave a mark on the fabric. This means the fabric must then be refinished or can only be offered as seconds. This is not a problem with ultrasonic treatment.

Highly reliable, intuitive solution

The future-proof ultrasonic solution comprises a transducer to ensure the gentle, consistent treatment of fabric. The fully digital SONOPOWER 3S ultrasound generator has been perfectly adapted for this. Equipped with a number of innovative technologies and a cutting-edge 32-bit processor, it’s able to carry out configurations automatically, monitor them continuously and keep them constant throughout. For example, the generator immediately detects the voltage and adapts to it. Any voltage fluctuations are automatically compensated within a range of +/- 10 per cent. With a power output that can be modified in increments of 1%, the process can be easily adapted to the various requirements of textile treatment. These features ensure extremely easy handling and a high degree of process reliability.

A total of over 20 Geratex textile treatment machines equipped with ultrasound technology are already in use in Europe, Asia, the USA and South America.

www.weber-ultrasonics.com, www.geratex-india.com

Die gemeinsam von der Weber Ultrasonics AG und der Geratex Machinery Pvt. Ltd., einem indischen Hersteller von Maschinen für die Ausrüstung von Textilien aller Art, entwickelte Lösung nutzt die spezifischen Eigenschaften, die Ultraschall in einem Flüssigkeitsbad entfaltet. Entscheidend dabei ist das physikalische Phänomen der Kavitation. Durch deren Energie wird die Absorptionskapazität der verschiedenen Gewebearten erhöht. Die für das Entschlichten, Bleichen, Färben, Merzerisieren und Imprägnieren eingesetzten Textilhilfsmittel werden dadurch im Vergleich zu konventionellen Wasch- und Ausrüstungsmethoden intensiver, gleichmäßiger und vor allem durchdringender in die Textilien eingetragen. Im Vergleich zur klassischen Textilbehandlung ohne Ultraschall resultiert alleine daraus eine Chemikalieneinsparung von durchschnittlich 30 Prozent.

Die Reinigungskraft des für die erforderlichen Waschvorgänge zwischen den verschiedenen Behandlungsprozessen eingesetzten Wassers wird durch die Ultraschallwirkung ebenfalls verstärkt. Ergebnis sind neben einem um rund ein Drittel geringeren Verbrauch von Textilhilfsmitteln und Wasser eine kürzere Waschzeit. Durch die angepasste Kavitationsenergie kann die Behandlung der Textilien auch bei deutlich geringeren Temperaturen – statt üblicherweise 90 bis 95°C nur noch 60°C – durchgeführt werden. Die dadurch zu erzielende Energieeinsparung von bis zu 50 Prozent trägt maßgeblich zur Senkung der Betriebskosten und Ressourcenschonung sowie der Verringerung von CO₂-Emissionen bei.

Hinzu kommt, dass durch die Ultraschallwirkung deutlich kompaktere Textilbehandlungsmaschinen umsetzbar sind. So lassen sich beispielsweise Ultraschall-Maschinen, die das Bleichen und Merzerisieren in einer Linie ermöglichen, auf einer Strecke von nur 30 Metern realisieren, statt der dafür erforderlichen 60 bis 80 Meter in der klassischen Technologie.

Ein weiterer Aspekt ist, dass eine nachhaltigere Textilbehandlung bei immer mehr Abnehmern der Stoffe zu einem wesentlichen Kriterium der Einkaufsentscheidung wird.

Optimal abgestimmt auf die Anforderungen der Textilbehandlung

In die Entwicklung der Ultraschalllösung, die sich auch in bestehende Maschinen und Prozesse integrieren lässt, flossen die speziellen Anforderungen der Textilbranche ein. Dazu zählen unter anderem die spezifischen Eigenschaften der zu behandelnden Gewebe wie Sensitivität, Porosität und Elastizität. Insbesondere Letztere wird durch die zunehmenden Anteile elastischer Gewebe in den Textilen zu einem immer wichtigeren Faktor. Bei der Behandlung mit konventionellen Maschinen kommt es bei diesen „Stretchtextilien“ häufig zu einer Faltenbildung, die dann eine Markierung im Stoff hinterlässt. Er muss dann entweder aufwendig nachbearbeitet oder kann nur als zweite Wahl angeboten werden. Dieses Problem tritt bei der Behandlung mit Ultraschall nicht auf.

Prozesssichere Lösung mit einfacher Handhabung

Die zukunftsweisende Ultraschalllösung besteht aus einem Schwingsystem, das eine schonende und homogene Behandlung des Gewebes gewährleistet. Optimal angepasst daran ist der volldigitale Ultraschallgenerator SONOPOWER DIGITAL 3S. Ausgestattet mit verschiedenen innovativen Entwicklungen und einer modernen 32-Bit-Prozessarchitektur ist er in der Lage, Einstellungen selbsttätig vorzunehmen, kontinuierlich zu überwachen und automatisch konstant zu halten. So erkennt der Generator beispielsweise die Netzspannung und stellt sich darauf ein. Treten Netzspannungsschwankungen auf, werden diese im Bereich plus/minus zehn Prozent ausgeglichen. Durch die in 1%-Schritten einstellbare Ausgangsleistung lässt sich der Prozess einfach an unterschiedliche Anforderungen bei der Textilbehandlung anpassen. Diese Eigenschaften sorgen für einfachste Handhabung und ein Höchstmaß an Prozesssicherheit.

Inzwischen sind bereits über 20 mit Ultraschall ausgestatte Textilbehandlungsmaschinen von Geratex in Europa, Asien, den USA und Südamerika im Einsatz.

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Founded as a manufacturer of synthetic fibers back in 1964 in the then still Soviet Zavodskaya, OJSC Svetlogorkkhimvolokno is today one of the largest producers in this sector. Its production program encompasses a wide range of polyester textile yarns, carbon fibers, and heat-resistant polypropylene yarns. In addition to this, the Belarusian company produces various nonwovens from these synthetic fibers that can be adapted to meet the requirements of a wide range of applications thanks to their specific properties. Among others, these comprise products in the hygiene and medical engineering sectors, as well as the agriculture and construction industries. The latter includes roofing underlays, which a division of OJSC Svetlogorkkhimvolokno produces from two layers of nonwovens and a vapor-permeable film.

Lamination – a quality-critical step

The roofing underlays are produced to the specifications of the customers. They typically comprise one 20 micrometer thick, vapor-permeable film and two layers of nonwoven fabric, whose thickness varies. These three web materials are bonded to create a composite, which then passes through various quality checks, such as water column, abrasion resistance, and tear resistance testing.

For a long time, the quality-critical lamination step was performed exclusively using thermal processes, such as calendering and hot pressing. The company also integrated ultrasonic welding as a laminating process for the first time in 2017 with a new production line for roofing underlays from the Taiwanese KNH Enterprise Co., Ltd. The ultrasonic components used for this were supplied by Weber Ultrasonics AG. "First of all, we did some testing with ultrasonic equipment from one Asian manufacturer and another European manufacturer. However, neither of these worked for our applications. Only the solution from Weber was able to meet our quality standards," adds Vadzim Kavaliuk, Engineer for Investment Projects at OJSC Svetlogorkkhimvolokno.

Ultrasonic welding – more than an alternative

The high productivity, flexibility, and cost efficiency together provided the key impetus to go with the comparably young technology. Ultrasonic welding allows to laminate all of the company’s products with good results, regardless of the layer thickness.

The various layers of the roofing underlays are bonded to create a web for the continuous welding process. This web then runs into the gap on the structured roller at a defined angle. A converter converts the electrical signals generated by the ultrasonic generator into mechanical oscillations of the same frequency for the subsequent lamination process. A booster and the actual welding tool, the sonotrode, are then used to apply these oscillations to the web that is to be bonded. The plastic molecules in the material are excited and melted by the frictional heat that occurs here. The web is bonded under pressure to create a durable composite.

Thanks to its operating principle, ultrasonic welding eliminates the long heat-up times required for the rollers used in thermal and bonding processes. This not only saves energy, but also allows faster production. In comparison with calendering, where radiant heat is applied over the entire surface, the web that is bonded with ultrasound is more flexible and softer, as well as free of deformations. In addition, there is no risk of overheating, which could otherwise lead to a fire. Since no adhesive is required, the rollers do not get soiled. Production interruptions for performing necessary cleaning work are therefore also a thing of the past.

Optimally matched ultrasonic technology and process design

The plant at OJSC Svetlogorkkhimvolokno for welding the 160 centimeter wide roofing underlays is designed for a throughput of 50 meters per minute. A total of ten ultrasonic systems were integrated to achieve this. The digital HS 4000 DIN rail generators employed each deliver 3.6 kW of power and, just like the converters, were designed specifically for continuous welding in non-stop operation.

To eliminate any risk of "streaks", which not only represent a visual problem but generally also have a negative impact on quality, particular attention was given to the design of the welding tools. This design ensures that the unavoidable elongation of the sonotrodes due to thermal load is reliably compensated. At the same time, an overlap is achieved on the material in the welding process. This compensates for the gap which is required between the individual sonotrodes. The linear expansion encountered when feeding in the material, which causes the gap to change and thereby affects the welding result, represents a challenge with systems used for continuous ultrasonic welding. In this case, it was overcome by using a rigid and high-precision bearing mounting of the transducer. The solution, which has been proven in many applications, secures a constant gap and consistent force between the welding tool and the roller.

The angle and the tension with which the material web is fed into the plant has a decisive influence on the welding result. "The design engineers from Weber Ultrasonics also used their many years of experience here. For example, they precisely stipulated the inlet and outlet angle for the various products, so that each product is wrapped optimally around the roller," reports Vadzim Kavaliuk. Beside installation of a high-precision roller with a rod-shaped structure, whose bearing mountings were optimized, the tensions in the welding process were minimized using a nip roll.

The fully automatic adjustment of the process parameters, such as the inlet gap as well as amplitude, contributes to the high ultrasonic welding quality of the various products. Product-specific programs are defined in the system control for this. "We have now been working with the system for more than two years and we are very happy with its performance and quality, as well as the consulting and service provided by Weber Ultrasonics," adds Vadzim Kavaliuk.

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1964 im damals noch sowjetischen Zavodskaya als Hersteller von Kunstfasern gegründet, ist die OJSC Svetlogorkkhimvolokno heute einer der größten Produzenten in diesem Bereich. Das Produktionsprogramm umfasst ein breites Sortiment an Polyester-Textilgarnen, Karbonfasern und wärmebeständigen Polypropylengarnen. Darüber hinaus stellt das weißrussische Unternehmen aus diesen Kunstfasern verschiedene Vliesstoffe (Nonwovens) her, die durch spezifische Eigenschaften an die Anforderungen unterschiedlichster Anwendungen angepasst werden können. Dazu zählen unter anderem Produkte in der Hygiene- und Medizintechnik sowie der Agrar- und Bauindustrie. Zu Letzteren gehören Dachunterspannbahnen, die ein Unternehmensbereich von OJSC Svetlogorkkhimvolokno aus zwei Lagen Nonwovens und einer dampfdurchlässigen Folie fertigt.

Die Laminierung – ein qualitätsentscheidender Schritt

Die Dachunterspannbahnen werden entsprechend den Vorgaben der Kunden gefertigt. Sie bestehen üblicherweise aus einer 20 Mikrometer starken, dampfdurchlässigen Folie und zwei Lagen Vliesstoff, deren Dicke variiert. Diese drei Bahnen werden zu einem Verbund zusammengefügt, der anschließend verschiedene Qualitätsprüfungen, beispielsweise Wassersäule, Abriebfestigkeit und Weiterreißfestigkeit durchläuft.

Die qualitätsrelevante Laminierung erfolgte lange Zeit ausschließlich durch thermische Verfahren wie Wärmekalandern sowie Verkleben. Mit einer neuen Produktionslinie der taiwanesischen KNH Enterprise Co., Ltd. für Dachunterspannbahnen integrierte das Unternehmen 2017 erstmals auch das Ultraschallschweißen als Laminierverfahren. Die Ultraschallkomponenten dafür lieferte die Weber Ultrasonics AG. „Wir haben zunächst Versuche mit Ultraschallequipment eines asiatischen und eines anderen europäischen Herstellers durchgeführt, das bei unseren Anwendungen aber nicht funktioniert hat. Nur die Lösung von Weber konnte unsere Qualitätsanforderungen erfüllen“, ergänzt Vadzim Kavaliuk, Ingenieur für Investmentprojekte bei OJSC Svetlogorkkhimvolokno.

Ultraschallschweißen – mehr als eine Alternative

Ausschlaggebend bei der Entscheidung für die vergleichsweise junge Technologie waren die hohe Produktivität, Flexibilität und Kosteneffizienz. Das Ultraschallschweißen ermöglicht dem Unternehmen, alle Produkte unabhängig von deren Dicke mit einem guten Ergebnis zu laminieren.

Die unterschiedlichen Lagen der Dachunterspannbahnen werden für den kontinuierlichen Schweißprozess zu einer Bahn zusammengeführt. Sie läuft dann in einem definierten Winkel in den Spalt der strukturierten Walze ein. Für das folgende Laminieren wandelt ein Konverter die vom Ultraschallgenerator erzeugten elektrischen Signale in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz um. Diese wiederum werden durch einen Booster und das eigentliche Schweißwerkzeug, die Sonotrode, in die zu verbindende Bahn eingeleitet. Die Kunststoffmoleküle im Material werden angeregt, durch die entstehende Reibungswärme aufgeschmolzen und die Bahn unter Druck zu einem haltbaren Verbund zusammengefügt.

Die Funktionsweise des Ultraschallschweißens macht die bei thermischen Verfahren und dem Verkleben erforderlichen langen Aufheizzeiten der Walzen überflüssig. Dadurch wird einerseits Energie eingespart, andererseits kann schneller produziert werden. Im Vergleich zum Wärmekalandern, bei dem der Eintrag von Strahlungswärme vollflächig erfolgt, ist die mit Ultraschall verschweißte Bahn flexibler und weicher sowie verzugsfrei. Außerdem besteht keine Gefahr einer Überhitzung, die zu einem Brand führen kann. Da auch kein Klebstoff erforderlich ist, sind Verunreinigungen der Walzen und daraus resultierende Produktionsunterbrechungen für notwendige Reinigungsarbeiten ausgeschlossen.

Optimal angepasste Ultraschalltechnik und Prozessauslegung

Die Anlage von OJSC Svetlogorkkhimvolokno für das Verschweißen der 160 Zentimeter breiten Dachunterspannbahnen ist für einen Durchsatz von 50 Metern/Minute ausgelegt. Dafür sind insgesamt zehn Ultraschallsysteme integriert. Die eingesetzten, digitalen Hutschienengeratoren HS 4000 mit einer Leistung von jeweils 3,6 kW sind ebenso wie die Konverter speziell für das kontinuierliche Schweißen im Dauerbetrieb ausgelegt.

Um eine „Streifenbildung“ auszuschließen, die nicht nur ein optisches Problem ist, sondern auch zu Qualitätseinbußen führt, lag ein besonderes Augenmerk auf der Ausführung der Schweißwerkzeuge. Sie sind so gestaltet, dass die unvermeidbar auftretende, thermisch bedingte Ausdehnung der Sonotroden zuverlässig ausgeglichen wird. Gleichzeitig wird im Schweißprozess eine Überdeckung auf dem Material erzielt, die den zwischen den einzelnen Sonotroden erforderlichen Spalt kompensiert. Eine Herausforderung bei Systemen für das kontinuierliche Ultraschallschweißen stellt die beim Einlaufen des Materials entstehende Längenausdehnung dar, durch die sich der Spalt verändert und damit das Schweißergebnis. Sie wurde durch eine starre und hochpräzise Lagerung des Schwinggebildes gemeistert. Die bereits in vielen Anwendungen bewährte Lösung sorgt für einen konstanten Spalt und eine gleichbleibende Kraft zwischen Schweißwerkzeug und Walze.

Entscheidend beeinflusst wird das Schweißergebnis auch durch den Winkel und die Spannung in dem die Materialbahn in die Anlage einläuft. „Die Konstrukteure von Weber Ultrasonics haben hier ebenfalls ihre langjährige Erfahrung eingebracht. Sie haben beispielsweise die Ein- und Auslaufwinkel für die verschiedenen Produkte genau festgelegt, damit eine optimale Umschlingung der Walze erzielt wird“, berichtet Vadzim Kavaliuk. Neben dem Einbau einer hochpräzisen Walze mit stäbchenförmiger Struktur, deren Lagerung optimiert wurde, wurden die Spannungen im Schweißprozess durch eine Nip-Roll minimiert.

Einen Beitrag zur hohen Ultraschallschweißqualität bei den unterschiedlichen Produkten von OJSC Svetlogorkkhimvolokno leistet auch die vollautomatische Einstellung der Prozessparameter, beispielsweise Einlaufspalt und Amplitude. Dafür sind in der Anlagensteuerung produktspezifische Programme hinterlegt. „Wir arbeiten inzwischen über zwei Jahre mit der Anlage und sind sowohl mit deren Leistung und Qualität als auch der Beratung und dem Service von Weber Ultrasonics sehr zufrieden“, merkt Vadzim Kavaliuk abschließend an.

In zahlreichen Industriebereichen wie der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie, der Mikro- und Medizintechnik sowie Optik werden Bauteile und Komponenten immer kleiner und feiner – und damit auch empfindlicher gegen Verschmutzungen. Die Teilereinigung, die üblicherweise mit Ultraschall erfolgt, stellt dies vor besondere Herausforderungen. Einerseits sind für eine einwandfreie Funktion der sensiblen Bauteile und Komponenten selbst winzigste partikuläre Verunreinigen und minimalste filmische Kontaminationen zuverlässig zu entfernen. Andererseits muss unter allen Umständen eine Beschädigung oder Beeinträchtigung der Oberfläche durch die Reinigung vermieden werden. Sie dürfen daher weder einer zu starken Bewegung im Medium noch einer zu hohen Kavitationsenergie ausgesetzt werden.

Sanft zur Oberfläche, effektiv gegen Verunreinigungen

Mit dem neuen Sonopower 3S Megaschall-System mit Frequenzen von 500 und 1.000 kHz hat Weber Ultrasonics für die Reinigung dieser empfindlichen Bauteile eine effiziente Lösung entwickelt. Sie stellt eine besonders schonende und gleichzeitig effektive Behandlung der Komponenten mit hohen Sauberkeitsgraden sicher.

Das System besteht aus dem intelligenten Sonopower 3S Megasonic Boost und den abgestimmten Hochfrequenz-Schwingern Sonoplate HF. Im Betrieb sorgt der Generator, der in den Leistungsklassen 250 und 500 Watt verfügbar ist, durch verschiedene innovative Features dafür, dass die Reinigung einerseits sanft für die Oberfläche erfolgt, Verunreinigungen aber zuverlässig entfernt werden. Dazu zählt die kombinierte Frequenz- und Amplitudenmodulation, die für homogene Schallfelder sorgt und so genannte stehende Wellen verhindert. Durch den Sonoscan wird die optimale Arbeitsfrequenz automatisch ermittelt und eingestellt sowie während des Prozesses überwacht und angepasst. Dies gewährleistet, dass auch bei sich verändernden Betriebsbedingungen, beispielsweise Temperaturschwankungen, oder beim Wechsel von Reinigungs- und Spülmedien stets mit der idealen Leistung gearbeitet wird. Die Anpassungen erfolgen im laufenden Betrieb, was einen unterbrechungsfreien Betrieb sicherstellt. Eine weitere Besonderheit des Sonopower 3S Megasonic Boost ist das Netzspannungsmanagement. Da es Spannungsschwankungen automatisch ausgleicht, ist eine maximale Prozessstabilität und Betriebssicherheit gewährleistet. Die Leistung kann stufenlos im Bereich von 10 bis 100 Prozent geregelt werden, wodurch sie bestmöglich an das jeweilige Bauteil angepasst werden kann.

Die optionale, in den Generator integrierte Profinet-Schnittstelle ermöglicht nicht nur den Betrieb aus der Ferne, wobei die ultraschallspezifischen Prozessparameter während der Reinigung präzise gesteuert und dokumentiert werden. Der Sonopower 3S Megasonic Boost ist darüber hinaus auch Industrie 4.0-kompatibel. Ein weiterer Vorteil ist die Kompaktbauweise, durch die sie sich einfach in 19“-Schaltschränke integrieren lassen.

Optimal auf den Generator abgestimmt, ermöglichen die neuen Hochfrequenzschwinger Sonoplate HF eine effektive Kavitationsströmung und damit effiziente Weiterverarbeitung der sauberen Bauteile. Die Schwinger sind serienmäßig an die Standardabmessungen der Waferindustrie angepasst und auf Anfrage auch in weiteren Größen realisierbar.

Die Anstrengungen Covid-19 einzudämmen, machen ein Problem der Globalisierung deutlich: die Abhängigkeit bei persönlicher Schutzausrüstung (PSA) von Ländern, in denen günstiger produziert wird. Neben Schutzkleidung und Handschuhen sind daher seit der weltweiten Ausbreitung des Corona-Virus Sars-CoV-2 Atemschutz- und OP-Masken (Mund-Nasen-Schutz oder MNS) in Deutschland und anderen europäischen Ländern Mangelware. „Seit der Sars-Pandemie 2002/2003 produzieren wir Equipment für die Herstellung unterschiedlicher Schutzmasken aus Vliesstoffen, die auf thermoplastischen Kunststoffen basieren. Geliefert wird es größtenteils an Kunden in Asien“, berichtet Christian Unser, Chief Sales Officer bei der Weber Ultrasonics AG. Gemeint sind damit Komponenten wie Generatoren, Booster, Konverter und Sonotroden sowie komplette Anlagen für das Schweißen, Laminieren, Schneiden und Prägen mit Ultraschall. Eine eigene Maskenproduktion war aber nie ein Thema bei dem im badischen Karlsbad ansässigen Komponenten- und Anlagenbauer – bis Anfang März 2020.

Einstieg in die Produktion von FFP-Schutzmasken

Auslöser war die Anfrage eines Kunden aus dem Maschinenbau, der aufgrund der praktisch in allen Ländern für diese Produkte erlassenen Exportbeschränkungen keine Filterdome für seine speziellen, belüfteten Filtermasken der Schutzstufe FFP2 mehr erhielt. „Gemeinsam mit dem Kunden haben wir innerhalb kürzester Zeit ein Anlagenkonzept für die Herstellung der dreidimensionalen Filterelemente entwickelt. Der Kunden hat dann gleich drei Maschinen bestellt“, erzählt Christian Unser. Parallel dazu setzte Weber Ultrasonics das Konzept in eine Standardmaschine für die Herstellung kompletter Atemschutzmasken um. Eine Herausforderung dabei war der erste Prozessschritt – das Tiefziehen der Masken. Dies erfolgt im so genannten Warmformen, wofür ein passendes Werkzeug sowie spezielle Heizelemente und entsprechende Steuergeräte erforderlich sind. Um schnell Prototypen fertigen zu können, wandte sich Unser an einen Marktbegleiter, der auch in diesem Segment tätig ist und spontan ein Heizelement und Steuergerät zur Verfügung stellte. Ein zweites beschaffte der Konstruktionsleiter von Weber Ultrasonics bei seinem früheren Arbeitgeber. Das erforderliche Werkzeug fertigte ein benachbarter Modellbauer und langjähriger Partner des Unternehmens quasi über Nacht. „Es ist wirklich toll, wie hier verschiedene Unternehmen spontan unterstützt und zusammengearbeitet haben“, merkt der Vertriebsvorstand an.

60 Masken pro Stunde mit einer Maschine

Die Herstellung der Atemschutzmasken erfolgt mit dieser Standardmaschine in einem mehrstufigen Prozess. Im ersten Schritt werden ein offenporiges Nadelvlies als Stabilisator, eine Lage Meltblown-Vlies als Partikelfilter sowie eine Lage Spinnvlies (Spun-Bond) durch Tiefziehen in Form gebracht. Anschließend werden die Ränder der Maske in einem Ultraschallschweißprozess verbunden. Dafür wandelt ein Ultraschallkonverter das vom Generator erzeugte elektrische Signal in mechanische Schwingung um. Diese wird durch einen Booster und ein angepasstes Schweißwerkzeug, die Sonotrode, auf die zu verbindende Fläche übertragen. Durch die dabei entstehende Reibungswärme schmelzen die Vliesstoffe gezielt an den Rändern und gehen eine dauerhaft haltbare Verbindung ein, ohne sich zu verziehen. Gleichzeitig sorgt die zuverlässige, energieeffiziente und produktive Verbindungstechnologie für eine weiche und hautfreundliche Oberfläche. Nach dem folgenden mechanischen Ausstanzen der Maske werden noch Bänder für die Befestigung angebracht.

Die Produktionskapazität der kompakten Standardanlage mit einem Einmalwerkzeug liegt bei rund 60 Atemschutzmasken pro Stunde. Für die entsprechend den aktuellen Normen gefertigten Masken wird die Schutzklasse FFP3 angestrebt und eine entsprechende beschleunigte Prüfung von Corona-Virus-Pandemie-Atemschutzmasken (CPA) für Deutschland durchgeführt.

Virtuelle Inbetriebnahme mit realem Zwilling für OP-Masken

Eine deutlich gestiegene Nachfrage verzeichnet Weber Ultrasonics auch nach Produktionsequipment für OP-Masken. Die Lösungen des Unternehmens in diesem Bereich ermöglichen bisher die Herstellung von 200 Masken pro Minute. „Für diese Anwendung bauen wir gerade mit Hochdruck eine Versuchsanlage bei uns auf, in der ein neu entwickeltes Verfahren für das kontinuierliche Ultraschallschweißen eingesetzt wird. Damit können wir die Produktionskapazität auf 400, vielleicht sogar auf 600 Masken pro Minute erhöhen“, erklärt Christian Unser. In dieser Maschine sind die Schritte Falten des Vliesstoffs, Integration des Nasenbügels, Längs- und Querschweißen, Anschweißen eines elastischen Befestigungsbands und Vereinzeln vereint.

Ein Grund für die schnelle Umsetzung dieser Anlage im Werk in Karlsbad sind unter anderem die momentanen Reisebeschränkungen. „Wir müssen die Anlagen bei unseren Kunden jetzt virtuell in Betrieb nehmen und dafür ist es wichtig, dass wir hier die gleiche Performance haben“, so Christian Unser. „Das hat zusätzlich den positiven Effekt, dass wir Weiterentwicklungen direkt an der Anlage vorantreiben, Tests für Kunden durchführen und vor allem auch selbst OP-Masken in großen Stückzahlen herstellen können“.

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Gratfrei und scharfkantig lautete die Spezifikation, für die ein Teilehersteller ein prozesssicheres Entgratverfahren suchte, welches er in seine Fertigung integrieren kann. Bei den zu entgratenden Werkstücken handelt es sich um spanend hergestellte, rund 150 mm lange, zylindrische Bauteile aus einem speziellen Edelstahl, die zahlreiche feine Bohrungen aufweisen. Die Teile kommen in einem Granulat-Dosiersystem für Hygieneprodukte mit Hautkontakt zum Einsatz.

Ultraschall – auch als Entgratlösung

Die Projektverantwortlichen im Unternehmen, zu dessen Kernkompetenzen neben der Zerspanung der Bau von Spezialmaschinen zählt, wurden durch Veröffentlichungen auf das Ultraschallentgraten der Weber Ultrasonics AG aufmerksam. Bei diesem berührungslosen Verfahren für die Entfernung außen- und innenliegender Grate basiert die Entgratwirkung auf dem physikalischen Effekt der Kavitation und einer Strömung. Es lässt sich durch Leistung, Amplitude und Dauer des Ultraschalls sowie der Entfernung und Position der spezifisch ausgelegten Sonotrode zum Werkstück an unterschiedlichste Entgrataufgaben anpassen.

Nachdem umfangreiche Tests im Technikum von Weber Ultrasonics zeigten, dass die Entgratspezifikation reproduzierbar erfüllt wird, konzipierten die Unternehmen gemeinsam eine kombinierte Entgrat- und Reinigungsanlage. Die beim Spezialmaschinenbauer realisierte Mehrbadtauchanlage verfügt über insgesamt vier Becken. Im ersten Bad werden jeweils zwei Teile mit einer Ultraschallfrequenz von 25 kHz vorgereinigt. Neben Rückständen von Bearbeitungsmedien und losen Spänen werden dabei bereits einige Grate entfernt. Für den Entgratprozess werden die auf der Aufnahme befestigten Teile ins zweite Becken transportiert und in das Bad abgesenkt. Danach fahren zwei zirka 60 mm lange Messersonotroden, die sich auf einer X-Achse bewegen, in knappem Abstand über die rotierenden Teile in das Becken. Durch die Kombination der Frequenz von 20 kHz und hoher Amplitude entsteht ein intensives Schallfeld an der Oberfläche der Teile, das die Gratwurzel gezielt abträgt. Parallel dazu wird der Grat durch die Strömung bewegt, abgebrochen und abtransportiert. Im dritten Bad erfolgt mit einer Frequenz von 40 kHz eine Feinreinigung und danach im vierten Becken ein Tauchspritz-Spülprozess.

Das Ultraschallsystem wird durch in der Leistung angepasste Sonic Digital HS Generatoren mit jeweils 1.000 Watt Maximalleistung betrieben. Bei der als integrierbare, hutschienenkompatibel ausgeführte Systemkomponente wird die digitale Frequenz durch einen 32-Bit Microcontroller erzeugt und geregelt. Die Leistung kann im Bereich von 10 bis 100 Prozent in 1%-Schritten geregelt werden. Dies ermöglicht die optimale Anpassung an teilespezifische Entgrat- und Reinigungsprogramme. In diesem Fall kann es, nicht zuletzt durch die hohe Amplitude – wirtschaftlich mit 300 Watt Leistung durchgeführt werden. Für eine hohe Betriebs- und Prozesssicherheit sorgen unter anderem serienmäßig integrierte Einrichtungen für Frequenzüberwachung, Lüftersteuerung, Temperaturmanagement und Trockenlaufsicherung. Durch die Ausstattung mit einer optionalen Profibus- oder Profinet-Schnittstelle lassen sich die Generatoren in übergeordnete Steuerungsprozesse und/oder eine Fernwartung einbinden.

Ein Verfahren für die Entgratung von Metall- und Kunststoffteilen

Optimale Entgratergebnisse werden nicht nur bei diesen Bauteilteilen aus Edelstahl erzielt, sondern auch bei der Entfernung von innen- und außenliegenden Flittergraten an Aluminium- und Zinkdruckgussteilen sowie bei Messingteilen erzielt. Es lassen sich mit Ultraschall auch dünnwandige Werkstücke bearbeiten. Darüber hinaus eignet sich das Ultraschallentgraten für Spritzgussteile aus Polypropylen (PP), Polyamiden (PA) und Polycarbonaten (PC) – auch faserverstärkt. Es können damit sowohl Grate gezielt entfernt werden, die an den Trennebenen der Spritzgusswerkzeuge entstehen als auch so genannte, flächige „Schwimmhäute“. www.weber-ultrasonics.com