Schweißwulst und Nahthöhe an Kunststoffteilen messen: 3D-Profil an Heizelement- und Ultraschallnähten

Beim Heizelement- und beim Ultraschallschweißen wird Schmelze aus der Fügezone gedrückt. Was dabei außen stehen bleibt, der Schweißwulst oder Aufwurf, ist meist kein Schönheitsfehler, sondern ein Maß: Liegt er an einer Dichtfläche, passt der Dichtring nicht mehr, und an einer Passung stört er das Gegenstück. Dieser Beitrag richtet sich an Qualitäts- und Prozessingenieure in Kunststoffbetrieben und an Messtechnikplaner bei Herstellern von Schweißmaschinen, die eine Nahthöhe nicht nur beurteilen, sondern belegen müssen. Er geht von der Funktion des Teils aus und leitet daraus das Merkmal ab: Wulsthöhe, Breite, Fläche, Fügeversatz oder die Höhe eines Schweißpunkts gegen das Nachbarteil. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; sie beschreiben Konzepte, Anfragen und Tests, zwei davon mit einem ausdrücklich positiven Ergebnis.

Wichtige Punkte im Überblick

Ein Schweißwulst ist meist kein Schönheitsfehler, sondern ein Maß: Steht Schmelze an einem O-Ring-Sitz über, liegt der Ring nicht sauber an und das Teil wird undicht.
Ein Höhenwert lässt sich gegen eine Toleranz stellen, über die Zeit verfolgen und einem Teil zuordnen, während ein reines Gut-Schlecht-Urteil im Bild keinen Messwert liefert.
Für eine Toleranz von wenigen Hundertstel Millimetern zählt der Messkopf: Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erreicht je nach Kopf eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm.
Wird der Aufwurf abgehobelt, zeigt die Messung davor, wie viel Schmelze das Schweißen herausgedrückt hat, und die Messung danach, ob die Nacharbeit die Sollhöhe erreicht.
Am drehenden Teil wird jedes Profil einer Winkellage zugeordnet, deshalb gehört das Auslösesignal ohne schwankende Verzögerung möglichst nah an den Antrieb.

Wenn die Naht zu hoch ist: Dichtring, Passung und Ebenheit als Prüfgrund

Ein typischer Ausgangspunkt: Ein Kunststoffteil wird aus zwei gespritzten Hälften gefügt, und die Naht liegt genau in der Trennstelle, an der später ein O-Ring sitzt. Beim Fügen kann Material an der Naht hervortreten, und keine Naht ist ganz so hoch wie die nächste. Steht die Schmelze zu weit über, liegt der Ring nicht sauber an und das Teil wird undicht. In diesem Konzept geht es um eine Messstrecke von etwa 10 mm Länge, eine zulässige Fehlerhöhe von wenigen Hundertstel Millimetern und eine gewünschte Messgenauigkeit im Bereich weniger Mikrometer. Die Messung soll reproduzierbar und messfähig sein, die Messzeit liegt bei wenigen Sekunden, das Ergebnis geht über PROFINET an die Steuerung. Das Projekt befand sich in der Konzeptphase.

An dieser Anforderung lässt sich ablesen, worauf es bei der Auswahl ankommt. Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erreicht eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm je nach Messkopf, bei einem X-Feld von 7,0 bis 510 mm. Für eine Toleranz von wenigen Hundertstel Millimetern zählt deshalb der Kopf, nicht die Modellreihe: Ein kleines Messfeld mit hoher Auflösung passt zu einer kurzen Naht am Dichtsitz, ein großes Feld zu einem langen Profil. Ob die Station als messfähig gilt, ist am Originalteil nachzuweisen, nicht aus dem Datenblatt abzuleiten.

Aufwurf nach dem Fügen unter Hitze und Druck: vor und nach dem Abhobeln messen

Bei einem Liner für einen Kunststoff-Druckbehälter wird ein Rohr an beiden Enden mit einem Deckel verschlossen, unter Hitze und Druck verschweißt. Direkt nach dem Verbindungsprozess soll der Aufwurf gemessen werden, dann wird er von Hand abgehobelt, danach wird erneut gemessen. Der Körper dreht sich dabei gleichmäßig, die Messung wird ausgelöst, aber nicht getaktet, und an mehreren Stellen des Teils sollen drei bis vier Merkmale erfasst werden. Gefragt war ein Laser-Profilsensor in 2D-Ausführung; viele Punkte der Anwendung waren noch offen.

Zwei Messungen am selben Wulst haben einen eigenen Zweck. Die erste zeigt, wie viel Schmelze der Prozess herausgedrückt hat, die zweite, ob das Abhobeln die Kontur wieder auf Sollhöhe gebracht hat. Werden beide Werte demselben Teil zugeordnet, sieht die Qualitätssicherung, ob ein Ausreißer aus dem Schweißen oder aus der Nacharbeit stammt.

Am drehenden Teil hängt die Aussage an der Zuordnung von Messwert und Winkellage. Im selben Fall war die Sorge, dass ein übergeordneter Windows-Rechner den Auslöser durch vorgelagerte Prozesse um bis zu eine halbe Sekunde verzögern kann. Bei gleichmäßiger Drehung wandert die Messstelle dann um den Weg, den das Teil in dieser Zeit zurücklegt. Wo das zählt, gehört das Auslösesignal möglichst nah an den Antrieb und nicht hinter einen Rechner mit schwankender Last.

Rundnaht am drehenden Teil: Breite, Höhe und Fläche über 360 Grad

Eine umlaufende Kunststoffnaht soll über 360 Grad nach Breite, Höhe, Fläche und Fehlstellen beurteilt werden. Das Teil ist aus dunklem Kunststoff, die geforderte Genauigkeit liegt bei etwa 0,5 mm, für ein Teil stehen rund zehn Sekunden zur Verfügung. Im Test an einem Musterteil funktionierte die Messung mit einem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 sehr gut. Der Profilsensor erfasst das Höhenbild unabhängig von Farbe und Farbmuster, auf dunklem Kunststoff trägt der Kontrast deshalb nicht die ganze Last.

Eine ähnliche Aufgabe stellt sich an zwei verschweißten Kunststoffteilen aus dem Türbereich eines Fahrzeugs, deren Verbindung umlaufend auf einer Fläche von einigen Zentimetern geprüft werden soll. Gefragt war eine Prüfung in 3D. Welche Abweichung als Fehler gilt, war zu diesem Zeitpunkt nicht festgelegt. Ohne definierte Grenzfehler lässt sich keine Schwelle einstellen; Grenzmuster mit gerade noch zulässiger und gerade nicht mehr zulässiger Naht gehören deshalb an den Anfang eines solchen Projekts.

Schweißpunkt am Hybridteil: Höhe zwischen Blech und Kunststoff

Nicht jede Naht ist eine Linie. An einem kleinen Teil aus einem Blech und einem Kunststoffteil, das im Werkstückträger durch die Maschine transportiert wird, geht es um einen Schweißpunkt. Er soll umlaufend und in der Höhe betrachtet werden, dazu die Höhe vom Blech zum Kunststoff. Die Prüfzeit liegt bei etwa 1,5 Sekunden. Erste Aufnahmen gab es von nur zwei Bauteilen, weitere Tests sollten folgen, und die Messmittelfähigkeit war noch zu klären.

Weil das Teil im Werkstückträger steht, liegt hier der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 nahe. Er nimmt ohne Bewegung des Messkopfs auf, bei einem Feld bis 640 x 640 mm, und kann Schweißpunkt und Höhenstufe in einer Aufnahme erfassen. Fährt das Teil dagegen ohne Halt durch, wäre der Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in der Linie die andere Möglichkeit; beide Wege waren in diesem Fall im Gespräch.

Nahtgeometrie und Fügeversatz an großen Wannen

Am größeren Ende der Skala stehen mehrteilige Wannen aus Polycarbonat für eine Hochvoltanwendung. Sie werden über einen Schweißspiegel heizelementgeschweißt, die Fügestelle ist ein Frontalstoß mit beidseitiger Nahtvorbereitung. Die Anfrage kam von einem Anlagenbauer, während beim Endkunden die Bauteile noch entwickelt wurden. Geplant ist eine Prüfung vor und nach dem Schweißen: vorher eine 2D-Oberflächenprüfung der angelieferten Teile, nachher eine 3D-Profilprüfung von Nahtbreite, Nahtgeometrie und Fügeversatz.

Diese Aufteilung ist typisch. Die Oberfläche eines angelieferten Teils ist eine Bildaufgabe, für die eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS in Frage kommt. Fügeversatz und Nahtgeometrie dagegen sind Höhenwerte quer zur Naht, und die liefert der Profilsensor. Bei langen Nähten an großen Teilen bestimmt die Bauteilentwicklung, wo die Prüfstelle sitzen kann; eine frühe Festlegung der Merkmale erspart später einen Umbau der Station.

Ein Messpunkt oder ein Bild: Dicke und Breite nach dem Schweißen

Nicht jede Aufgabe braucht ein ganzes Profil. In einer Anwendung soll nach dem Schweißen nur die Dicke eines Kunststoffteils geprüft werden, an zwei Maschinen mit jeweils mehreren Messstellen. Im Test arbeitete ein Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensor der Modellreihe IL dafür gut. Ein einzelner Abstandswert je Messstelle genügt, wenn die Lage der Naht fest ist und nur eine Höhe zählt.

Umgekehrt kann eine Breite auch im Bild gemessen werden. Bei einer Baugruppe aus zwei Kunststoffkappen, die per Ultraschall verschweißt werden, ist eine Breitenmessung mit hoher Genauigkeit gefragt. Dazu wird ein Code über einen Eingang übergeben, und die Bilder von Gut- und Schlechtteilen sollen auf zwei FTP-Servern abgelegt werden, benannt nach diesem Code. Die All-in-One Kamera der Modellreihe VS kann Bilder an bis zu zwei FTP-Server übertragen. Ein Testbericht war angekündigt, ein Ergebnis ist nicht dokumentiert.

Messwert statt Urteil: was ein Höhenwert der Qualitätssicherung gibt

Eine 2D-Prüfung, die nur Gut oder Schlecht ausgibt, liefert keinen Messwert. Das ist eine Grenze der Technikklasse: Ein reines Kontrasturteil sagt, ob ein Bild dem Muster ähnelt, nicht wie hoch der Wulst ist, und an Grenzfällen bleibt das Urteil schwer nachzuvollziehen. Ein Höhenwert dagegen lässt sich gegen eine Toleranz stellen, über die Zeit verfolgen und einem Teil zuordnen. Driftet die Wulsthöhe langsam nach oben, sieht man das, bevor das erste Teil undicht wird.

Für Schweißnähte nennt die KEYENCE-Dokumentation zur Schweißnahtkontrolle mit dem Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 vier Werkzeuge: Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung. Die Beispiele dort stammen aus dem Metallschweißen; ob die Werkzeuge an einer Kunststoffnaht tragen, ist am Originalteil zu prüfen. Warum Höhe und Volumen grundsätzlich eine eigene Messung brauchen, behandeln die Beiträge zur 3D-Profilmessung im Maschinenbau und in der Metallverarbeitung. Ob eine Verschweißung überhaupt stattgefunden hat, ist eine eigene Frage mit eigenem Beitrag.

Häufige Fragen

F Warum misst man den Schweißwulst an Kunststoffteilen?

Weil der Wulst oft eine Funktion stört. Steht Schmelze an einem O-Ring-Sitz über, liegt der Ring nicht an und das Teil wird undicht; an einer Fläche, die eben bleiben muss, stört er die Passung. Ein Höhenwert zeigt, ob das Teil diese Funktion noch erfüllt.

F Welcher Sensor misst die Nahthöhe an einer Kunststoffnaht?

Für ein Profil quer zur Naht oder eine umlaufende Naht kommt ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage, für ein stehendes Teil der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000. Genügt ein einzelner Höhenwert an fester Stelle, kann ein Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensor der Modellreihe IL reichen.

F Funktioniert die Höhenmessung auf schwarzem Kunststoff?

Der Profilsensor erfasst das Höhenbild unabhängig von Farbe und Farbmuster. In einer dokumentierten Anwendung an einer Rundnaht aus dunklem Kunststoff verlief ein Test an einem Musterteil sehr gut. Für glänzende oder transparente Teile klärt ein Test mit Originalteilen, ob das Profil stabil ist.

F Wie misst man eine Rundnaht über 360 Grad?

Das Teil dreht sich unter einem feststehenden Profilsensor, und jedes Profil wird einer Winkellage zugeordnet. Wichtig ist, dass der Auslöser ohne schwankende Verzögerung kommt, sonst wandert die Messstelle. Breite, Höhe und Fläche lassen sich dann über den ganzen Umfang auswerten.

F Muss der Aufwurf vor und nach dem Abhobeln gemessen werden?

Wenn der Aufwurf nachbearbeitet wird, beantworten die beiden Messungen unterschiedliche Fragen. Die erste zeigt, wie viel Schmelze das Schweißen herausgedrückt hat, die zweite, ob die Nacharbeit die Sollhöhe erreicht. Zusammen zeigen sie, wo eine Abweichung entsteht.

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