Prozessanalyse des Metall-Ultraschallschweißens durch Schallemission

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen; Professor Dr. Michael Vorländer
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Akustik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395129909

Das Metall-Ultraschallschweißen (Ultrasonic Metal Welding, kurz: USMW) 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 USMW auftreten, die größtenteils auf fehlende wissenschaftlich fundierte Kenntnisse der komplexen Wirkzusammenhänge von Werkzeugen und Fügeteilen während des Schweißprozesses zurückzuführen sind und in der derzeitigen, meist empirischen Forschung kaum berücksichtigt werden. Eigene Untersuchungen lassen vermuten, dass sich aus dem bei der Verbindungsbildung ändernden, äußerlich messbaren Schwingungsverhalten des mechanischen Gesamtsystems, bestehend aus Schweißwerkzeugen und Fügeteilen, Informationen zu den ablaufenden thermomechanischen Vorgängen innerhalb der Fügezone gewonnen werden können. Insbesondere das sich deutlich äußernde komplexe Schwingungsverhalten von Werkzeugen und Fügeteilen macht eine umfassende Prozessanalyse anhand von akustischen Emissionen zu einer wertvollen Methode, um ablaufende mechanische Vorgänge und Phasen während der Verbindungsbildung genauer abzubilden.Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist daher die grundlegende Untersuchung der Anwendbarkeit der Schallemissionsanalyse zur Prozessanalyse beim Metall-Ultraschallschweißen. Hierzu soll ein umfassendes Prozess-Datenerfassungssystem eingesetzt werden, welches sowohl die Fügeteile, die Fügeverbindung als auch den Fügeprozess selbst über interne und externe Sensorik erfasst. Auf Basis von bestehendem Prozesswissen aus Literatur und experimentellen Untersuchungen sowie der Analyse von charakteristischen Emissionen aus Körper- und Luftschallmessungen sollen aus den daraus identifizierten Prozessphasen die ablaufenden Mechanismen der Verbindungsbildung beschrieben werden.Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse sollen aus den akustischen Signaturen Prozesskenngrößen abgeleitet werden, welche mit den Verbindungseigenschaften korrelieren, um zukünftig eine Prognose der Verbindungsqualität zu ermöglichen. Indem Auswirkungen von Prozesseinflüssen auf die ablaufenden Mechanismen während des Schweißprozesses analysiert werden, kann hieraus ein besseres grundlegendes Prozessverständnis des USMW generiert werden. Die gewonnenen Kenntnisse, die abschließend hinsichtlich ihrer Allgemeingültigkeit geprüft werden, erlauben es, für die Anwendung messbare Überwachungskriterien abzuleiten, den Prozess besser beherrschbar zu machen und ergeben zukünftig neue Möglichkeiten hinsichtlich einer echtzeitfähigen Prozesssteuerung bzw. -regelung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen