Das Prinzip

Das Mikrowellenschweißen von Kunststoffen beruht auf der Erwärmung des Kunststoffes durch elektromagnetische Bestrahlung im Mikrowellenfrequenzbereich (meist 2,45GHz). Durch die physikalischen Wechselwirkungen zwischen dem Material und der elektromagnetischen Strahlung schmilzt das Material auf und es kommt zur Schweißung. Den wichtigsten Erwärmungsmechanismus stellt dabei die so genannte Polarisationserwärmung dar. Dieser Begriff beschreibt die Erwärmung eines Werkstoffes durch Reibungsverluste von entsprechend dem elektromagnetischen Feld der Strahlung schwingenden polaren Molekülen im Material.

Die Verfahren

Bild 1: Möglichkeiten des Mikrowellenschweißens

Prinzipiell sind vier unterschiedliche Verfahrensvarianten für das Schweißen mit Mikrowellenstrahlung denkbar.

Zwei dieser Varianten erscheinen technisch sinnvoll nutzbar:

Zum einen ist dies die Erwärmung der Werkstücke durch die direkte Bestrahlung der zu fügenden Oberflächen. Die Schweißverbindung erfolgt durch das anschließende Zusammenpressen der schmelzflüssigen Bereiche (II). Hierzu ist ein Material erforderlich, das mit der Mikrowellenstrahlung interagiert.

Die andere Variante stellt die Erwärmung von einem zusätzlich in die Fügeebene eingebrachten Material dar (III). Die eigentlichen Fügeteile dürfen dabei nicht auf die Mikrowellenstrahlung reagieren, während der Zusatzwerkstoff eine gute Erwärmbarkeit im Mikrowellenfeld aufweisen muss. Nachteilig bei der Anwendung der Mikrowellentechnik ist zum einen die relativ aufwendige anwendungsabhängige Konzipierung der Mikrowellenabstrahlung. Zum anderen besteht die Notwendigkeit einer ausreichenden Abschirmung. Dem aber steht eine Reihe von Vorteilen gegenüber. 

Vorteile

Die Mikrowellentechnik bietet gegenüber anderen Erwärm- und Schweißverfahren einige Vorteile. Die wichtigsten sind im Folgenden kurz aufgelistet:

  • volumetrische, kontaktlose Erwärmung

  • kurze Erwärmzeiten

  • niedriger Energiebedarf, hoher Wirkungsgrad

  • kurze Prozess- und Rüstzeiten, da keine Aufwärm- und Abkühlphase

  • keine heißen Anlagenteile, auch während der Schweißung

  • kleine und leichte Anlagenkomponenten

  • interessante Anwendungsfelder (z.B. verdeckte und lösbare Schweißverbindungen)

Mögliche Anwendungsgebiete

Bild 2: Prinzipieller Produktlebenslauf

Besonders die zweitgenannte Verfahrensvariante, das so genannte „indirekte Mikrowellenschweißen“, bietet eine Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten. So ist zum Beispiel das Fügen von Teilen an einer im Teileinneren verborgenen, unzugänglichen Stelle denkbar. Eine im indirekten Verfahren gefügte Verbindung kann durch erneutes Erwärmen des Zusatzmaterials wieder getrennt werden, was in Hinblick auf Recycling und Reparatur neue Konstruktionsmöglichkeiten eröffnet. 

Für das direkte MW-Schweißen eignen sich u.a. die folgenden Materialien:

  • ABS

  • PA

  • PET

  • PVDF

  • POM

  • PEEK

Für das indirekte Verfahren sind unpolare Materialien geeignet. Dies sind z.B.:

  • PP

  • PE

  • PTFE

Als Füllstoffe zur Modifizierung dieser Materialien als Zusatzwerkstoff kommen u.a. die folgenden Materialien in Frage:

  • Ruß

  • Metallpulver

  • PANI

  • Carbonfasern

  • Pigmente

Im Rahmen eines durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF) geförderten Forschungsprojektes werden Untersuchungen zum direkten und indirekten Mikrowellenschweißen durchgeführt.

Als Ergebnis dieses Projektes sollen Material-Kennwerte sowie mathematische Zusammenhänge vorliegen, die eine Aussage über die Erwärmungssituation in verschiedenen Materialien und Material-Füllstoff-Kombinationen zulassen. Weiterhin sollen Aussagen über die Eignung der Materialien und Material-Füllstoff-Kombinationen als Zusatzwerkstoff für das indirekte Verfahren gemacht werden.

Diese Seite kann man auch herunterladen: Mikrowellenschweißen (PDF 82KB)

« Zurück