Demonstration einer energieoptimierten Prozessregelung für das Metall-Ultraschallschweißen anhand von Prozesskenngrößen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470052705

Im Transferprojekt „Demonstration einer energieoptimierten Prozessregelung für das Metall-Ultraschallschweißen anhand von Prozesskenngrößen“ entwickelt das ISF gemeinsam mit dem Anwendungspartner Schunk Sonosystems GmbH den Prototypen einer modellbasierten Prozessregelung. Die Schunk Sonosystems GmbH ist weltweit als Spezialist auf dem Gebiet des Metall-Ultraschallschweißens anerkannt. Das Metall-Ultraschallschweißen eignet sich besonders zum Verbinden von elektrotechnischen Bauteilen und rückt aufgrund der steigenden Komplexität elektronischer Systeme immer mehr in den industriellen Fokus. Trotz der industriellen Verbreitung können Prozessschwankungen beim Metall-Ultraschallschweißen auftreten. Diese sind häufig nicht erklärbar, da bezüglich der komplexen Wirkzusammenhänge von Werkzeugen und Fügeteilen während des Schweißprozesses wissenschaftlich fundierte Kenntnisse fehlen und demzufolge in der meist empirischen Forschung kaum berücksichtigt werden. Anhand eigener Untersuchungen im Rahmen des DFG-Vorgängerprojektes „Prozessanalyse des Metall-Ultraschallschweißens durch Schallemission“ konnte bereits gezeigt werden, dass sich aus dem äußerlich messbaren Schwingungsverhalten des mechanischen Gesamtsystems, bestehend aus Schweißwerkzeugen und Fügeteilen, Informationen zu den ablaufenden thermomechanischen Vorgängen innerhalb der Fügezone gewonnen werden können. Das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems korreliert mit der Verbindungsbildung.Im Rahmen dieses Transferprojektes werden diese Informationen quantifiziert, in ein statistisches Modell überführt und zur Prozessregelung genutzt werden. Durch einen für jedes Fügeteil optimierten Energieeintrag lassen sich für die einzelne Verbindung höhere Festigkeiten erzielen und in der Gesamtheit eine geringere Qualitätsstreuung erreichen. Dafür wird das optimale Prozessende im laufenden Schweißprozess in Abhängigkeit der tatsächlichen Verbindungsbildung ermittelt und entsprechend eingestellt. Mit geeigneten Sensoren und einer hochfrequenten Datenerfassung werden die Körperschallsignale und weitere Signalquellen, wie zum Beispiel der Eindringweg und die Leistungsaufnahme der Anlage erfasst. In Verbindung mit den Qualitätsdaten der Schweißungen werden hierzu mit Hilfe geeigneter statistischer Methoden korrelierende Sensorsignale in den Datensätzen identifiziert und Prozesskenngrößen quantifiziert. Nachfolgend wird in einem Prototypensystem zur Prozessüberwachung die Verarbeitung der hochfrequenten Signale in Echtzeit realisiert, das heißt die Daten werden im laufende Schweißprozess analysiert und in die Prozesskenngrößen überführt. Bei Identifikation des optimalen Prozessendes basierend auf den Prozesskenngrößen wird diese Information an die Schweißanlage übermittelt und der Prozess zum entsprechenden Zeitpunkt beendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Schunk Sonosystems GmbH