Kunststoffschweißnähte prüfen: Ultraschall-, Heizelement- und Laserschweißnaht am Formteil nach dem Schweißen

Beim Ultraschall-, Heizelement- oder Laserschweißen von Kunststoffformteilen entsteht die Verbindung in der Fügezone. Außen sichtbar bleibt, was das Verfahren hinterlässt: verformte Stifte und Nasen, ein Wulst aus herausgedrückter Schmelze, eine dunkel gewordene Naht, im ungünstigen Fall ein Riss oder Abrieb. Diese Spuren prüfen Prozess- und Qualitätsingenieure in Kunststoffbetrieben, die Gehäuse, Filter, Kappen, Pumpenteile oder Innenraumteile für Fahrzeuge schweißen. Ebenso gefragt sind Hersteller von Ultraschall- und Heizelementschweißmaschinen, die eine Prüfung in ihre Anlage aufnehmen sollen. Dieser Leitfaden ordnet die Aufgabe nach dem Schweißen ein und behandelt ausführlich die Fehlstellen, die das Schweißen selbst erzeugt. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. In einer davon ist ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 von KEYENCE eingebaut; die übrigen beschreiben Anfragen, Konzepte und eine offene Machbarkeitsfrage.

Wichtige Punkte im Überblick

Nach dem Schweißen stellen sich drei Fragen an die Kunststoffnaht: ob überhaupt verschweißt wurde, wie hoch und breit die Naht ist und ob das Schweißen selbst einen Fehler erzeugt hat.
Ultraschallschweißen ist in den dokumentierten Anwendungen das häufigste Verfahren und kann neben der Fügestelle einen feinen Riss im Kunststoff erzeugen.
Für einen Riss nach dem Ultraschallschweißen, dessen Prüfstelle je nach Variante an einer von drei Positionen liegt, ist in einer dokumentierten Anwendung ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 eingebaut.
Eine aufgeschweißte Membran oder ein Vlies muss rundum geschlossen verschweißt sein, sonst umgeht das Medium den Filter.
Auf schwarzen oder weißen Kunststoffteilen braucht die Nahtprüfung eine Beleuchtung, die nicht allein auf Farbkontrast angewiesen ist, oder ein Höhenprofil.

Nach dem Schweißen: drei Fragen an die Kunststoffnaht

Die erste Frage ist binär: Hat die Verschweißung überhaupt stattgefunden? Am Kunststoffteil zeigt sich das selten als Raupe wie an einer Metallnaht, sondern als Verformung. Nasen, die beim Schweißen verschwinden sollen, stehen noch, ein Schweißpunkt reflektiert anders als seine Nachbarn, und ein Stift verändert seine Form, aber nicht immer in der Höhe. Wie man das im Takt erkennt, behandelt der Beitrag zur Frage, ob verschweißt wurde.

Die zweite Frage gilt dem Maß. Wie hoch und wie breit ist die Naht, und steht Schmelze über eine Dichtfläche hinaus? Dann braucht die Qualitätssicherung einen Messwert statt eines Urteils; Schweißwulst, Aufwurf und Nahthöhe haben einen eigenen Beitrag.

Die dritte Frage richtet sich auf den Fehler, den das Schweißen selbst erzeugt: Riss, Loch, Grat, Abrieb oder Partikel an der Fügestelle. Ihr gilt der größte Teil dieses Leitfadens.

Einiges gehört nicht hierher. Der Sitz von Dichtungen, O-Ringen und Clips vor dem Schweißen ist eine Aufgabe der Lageprüfung im Kunststoff-Hub. Einfallstellen, Grate und Schlieren aus dem Spritzguss sind Formteilfehler der Oberflächenprüfung, und die Bindenaht ist trotz ihres Namens keine Schweißnaht. Schnitt und Mikroskopie der Fügezone bleiben im Labor, wie der Beitrag zur Fehleranalyse an Kunststoffteilen zeigt.

Ultraschall, Heizelement, Laser, Vibration: was das Verfahren an der Fügestelle hinterlässt

Ultraschallschweißen ist in den dokumentierten Anwendungen das mit Abstand häufigste Verfahren. Es verformt Stifte und Nasen, und es kann neben der Fügestelle einen feinen Riss im Kunststoff erzeugen. Beim Heizelementschweißen über einen Schweißspiegel und bei anderen Verfahren mit Hitze und Druck wird Schmelze aus der Fügefläche gedrückt; in einer dokumentierten Anwendung wird der entstehende Aufwurf gemessen, abgehobelt und erneut gemessen.

Beim Laserschweißen von Kunststoffbauteilen lautet die Frage mitunter schlicht, ob das Schweißen funktioniert hat. In einem Konzept zur Prüfung lasergeschweißter Kunststoffteile ist eine Kamera mit multispektraler Aufnahme vorgesehen, bei einem Sichtfeld um 50 mm und drei Aufnahmen je Teil; ausgewertet werden gemittelte Intensität und Farbe. Rotationsreibschweißen kommt seltener vor, etwa beim Aufschweißen eines Kunststoffkonnektors auf ein Kunststoffrohr.

Das Material macht das Bild schwer. Schwarze Naht auf schwarzem Teil, weiße Kappen, auf denen eine Membrannaht kaum zu sehen ist, eine Naht, die nach dem Schweißen schwarz wird, dunkler Kunststoff und transparente Platten verlangen eine passende Beleuchtung oder ein Höhenprofil statt eines reinen Kontrastbildes. Wie sich glänzende, transparente und dunkle Kunststoffteile allgemein prüfen lassen, beschreibt der Beitrag dazu in der Oberflächenprüfung; an der Naht kehrt dieselbe Frage auf kleinerer Fläche wieder.

Risse und Partikel an der Schweißstelle erkennen

Ein Riss, den das Ultraschallschweißen im Kunststoff erzeugt, ist klein und sitzt nicht immer an derselben Stelle. In einer dokumentierten Anwendung misst er höchstens 0,5 bis 1,0 mm. Je nach Variante liegt die Prüfstelle an einer von drei Positionen auf dem Werkstückträger, versetzt um einige Zentimeter in beiden Richtungen. Nach einer Erprobung mit einem Versuchssensor ist dort ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 von KEYENCE eingebaut.

Für solche Prüfstellen bringt der Vision-Sensor einen Arbeitsabstand von 50 mm bis über 3 m mit und speichert intern bis zu 32 Programme, zwischen denen sich je Variante umschalten lässt. Die Positionskorrektur führt das Prüffenster einem verschobenen Teil nach. Der Katalog nennt die Inspektion der Schweißnaht nach dem Schweißen als Anwendungsbeispiel aus der Automobil- und Transportindustrie.

Eine andere Anfrage gilt einem schwarzen Kunststoffteil für Fahrzeuge mit einer Länge um 100 mm. An der Schweißstelle sollen Partikel erkannt und die Lage der Naht geprüft werden, bei fünf bis zehn Typen und etwa zehn Teilen pro Minute. Für diese Kombination aus Fehler, Lage und Typenvielfalt kommt die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS in Frage. Ihre AI-Klassifizierung unterscheidet bis zu 32 Produkttypen je Werkzeug, und AI-Werkzeuge wie die AI-Erkennung lassen sich mit regelbasierten Werkzeugen, etwa für die Nahtlage, kombinieren.

Aufgeschweißte Membranen und Vliese: Löcher, Grat und Durchgängigkeit

Wird eine Membran oder ein Vlies auf ein Kunststoffgehäuse geschweißt, muss die Naht rundum geschlossen sein, sonst umgeht das Medium den Filter. Vier dokumentierte Fälle beschreiben diese Aufgabe, alle als Anfrage oder Konzept.

Bei einem Rauchgasfilter wird ein Vlies per Ultraschall in den ebenen Boden eines Gehäuses mit ausgeschnittenem Fenster geschweißt. Gesucht sind Risse und Löcher ab etwa 0,5 x 0,5 mm, und die Naht wird nach dem Schweißen schwarz.

Bei Filtergehäusen, auf die eine Membran per Ultraschall aufgeschweißt wird, nennt die Anfrage Flitter oder Grat als Fehlerbild und multispektrale Beleuchtung als Ansatz. Der Takt liegt bei etwa zwei Sekunden, aufgenommen werden soll eher im Stillstand als in der Bewegung. Ob die Durchgängigkeit der Naht zu den Anforderungen gehört, war dort noch offen.

Für den Vorfilter eines Messgeräts ist eine gleichmäßige, kreisförmige Verbindung durch Ultraschallschweißen oder Heißversiegeln beschrieben. Geprüft werden sollen Vollständigkeit, minimale Breite und minimaler Innendurchmesser der Naht, an einer zweiten Stelle die Innenkontur der Verschweißung von Membran und Oberteil; als Ansatz ist LumiTrax genannt. An Verschlusskappen mit aufgeschweißter Membran sind rote und blaue Kappen nach Einschätzung des Anwenders unproblematisch, weiße dagegen schwer zu sehen. Dort ist die Prüfung als künftiges Thema notiert.

Für diese Aufgaben kommt die All-in-One Kamera der Modellreihe VS in Frage. LumiTrax setzt Bilder aus verschiedenen Beleuchtungsrichtungen zu einem Formbild, das Unregelmäßigkeiten zeigt, und einem Texturbild für das Muster zusammen. Die multispektrale Aufnahme nutzt Farbunterschiede; ob sie an einer weißen Kappe trägt, ist eine Testfrage. Beides hängt an der Kamera: Schwarzweißkameras unterstützen LumiTrax und multispektrale Aufnahme, Farbkameras nur LumiTrax. Für die Nahtbreite beschreibt der VS-Katalog einen Weichzeichner, der unerwünschte Merkmale außerhalb der Naht eliminiert, damit die Prüfung der Nahtbreite stabil bleibt. Sein Beispiel ist die Schweißnahtbreite an Rohren mit Haarlinienschliff; an einer Membrannaht ist das Prinzip am Originalteil zu prüfen.

Abrieb am geschweißten Rotor: wenn der Fehler eine Höhe hat

Manche Fehler an der Kunststoffnaht sind weniger eine Farbe als ein Volumen. An einem Pumpenrotor für die E-Mobilität wird ein Kunststoffdeckel per Ultraschall auf den Rotor geschweißt. An der Verbindung zu den Rotorflügeln kann Abrieb entstehen, der das Teil zum Ausschuss macht. Ab welcher Höhe oder Menge der Abrieb als nicht in Ordnung gilt, ist noch nicht festgelegt; zunächst soll an Grenzmustern geklärt werden, ob er sich erkennen und vermessen lässt. Die Maschine dafür ist in der Planung.

Für diese Frage kommt ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage, unter dem das Teil gedreht wird. Er erfasst das Höhenprofil unabhängig von Farbe und Farbmuster, mit einem X-Feld von 7,0 bis 510 mm, einer Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm je nach Messkopf und bis zu 16 kHz. Steht ein Teil still und soll eine Fläche auf einmal erfasst werden, nimmt der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 ohne Bewegung des Messkopfs auf, bei einem Feld bis 640 x 640 mm. Warum Höhe und Volumen eine eigene Messung brauchen, erklären die Beiträge zur 3D-Profilmessung im Maschinenbau und in der Metallverarbeitung.

Prüfung in der Schweißstation: Drehachse, Werkstückträger und Signal an die Steuerung

Oft fragt nicht der Kunststoffverarbeiter, sondern der Hersteller der Schweißmaschine oder der Integrator der Montagelinie, und die Prüfung wird Teil der Station. Für den Pumpenrotor sind zwei Wege beschrieben. Entweder dreht ein Roboter das Teil, für den ganzen Vorgang sind etwa fünf Sekunden angesetzt, oder ein Doppelgreifer setzt es auf eine Drehachse und holt während der Messung das nächste Teil. Beim Membranfilter soll im Stillstand aufgenommen werden, beim Riss nach dem Ultraschallschweißen bringt der Werkstückträger die Prüfstelle je nach Variante an einen anderen Ort.

Große Formteile mit vielen Schweißpunkten und mehrere Teile je Takt sind eine eigene Bauform; sie behandelt der Beitrag zur Frage, ob verschweißt wurde. Braucht eine Station mehrere Kameras an einem Controller, deckt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras ab.

Das Ergebnis geht an die Steuerung der Schweißmaschine oder der Linie. Die Modellreihe VS bindet sich über EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT oder PLC-Link an und legt Bilder auf Wunsch per FTP ab, sodass ein ausgeschleustes Teil mit seinem Bild nachvollziehbar bleibt. Wie eine Prüfung als Option der Schweißanlage ins Lastenheft kommt, beschreibt der Beitrag für Maschinenbau und OEM.

Häufige Fragen

F Lässt sich eine Kunststoffschweißnaht inline prüfen, oder braucht es einen Schnitt?

Inline prüfbar ist, was die Naht außen zeigt: Riss, Loch, Grat, Abrieb, Wulsthöhe, Lage und die Frage, ob verschweißt wurde. Wie die Fügezone innen aussieht, zeigt nur ein Schnitt im Labor. Beide Wege ergänzen sich, der eine ersetzt den anderen nicht.

F Welche Fehler entstehen beim Ultraschallschweißen von Kunststoff?

In den dokumentierten Anwendungen sind es feine Risse neben der Fügestelle, Löcher und Risse in aufgeschweißten Vliesen, Grat und Flitter an Membrannähten und Abrieb an angrenzenden Teilen. Dazu kommt die ausgebliebene Verschweißung, erkennbar etwa an Nasen, die ihre Form behalten haben.

F Reicht ein AI Vision-Sensor, oder braucht es eine Kamera?

Für eine Prüfstelle mit einem kleinen Fehler, überschaubaren Varianten und klarer Lage kann ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 ausreichen; in einer dokumentierten Anwendung ist er für einen Riss nach dem Ultraschallschweißen eingebaut. Kommen mehrere Fehlerbilder, viele Typen oder LumiTrax und multispektrale Aufnahme hinzu, ist die All-in-One Kamera der Modellreihe VS die passendere Plattform.

F Wie prüft man eine Naht auf weißen oder schwarzen Kunststoffteilen?

Mit einer Beleuchtung, die nicht allein auf Farbkontrast angewiesen ist, oder mit einem Höhenprofil. LumiTrax hebt Unregelmäßigkeiten im Formbild hervor, und ein Laser-Profilsensor misst die Höhe unabhängig von der Farbe. Welcher Weg an einer weißen Kappe oder einer schwarz gewordenen Vliesnaht trägt, klärt ein Test mit Originalteilen.

F Gehört die Siegelnaht an Folie und Beutel zu diesem Thema?

Nein. Dieses Thema gilt geschweißten Kunststoffformteilen wie Gehäusen, Kappen, Filtern und Pumpenteilen. Siegelnähte an Lebensmittel- und Hygieneverpackungen sind auf den Seiten zur Siegelnahtkontrolle beschrieben, Schweißnähte an Tube, Kapsel und Beutel im Beitrag zu Verpackung und Druck und Kunststoffnähte an Medizinprodukten im Beitrag zu Medizin und Pharma.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Schweißnahtprüfung: Nahtgeometrie, Fehlstellen und Nachweis an Metall, Kunststoff und Folie in der Linie

Weiterer Artikel im Thema: Schweißwulst und Nahthöhe an Kunststoffteilen messen: 3D-Profil an Heizelement- und Ultraschallnähten

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