Sensorische Überwachung des Ultraschallschweißprozesses

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten; Professor Dr. Marc Daniel Leonhard von Kreutzbruck
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Messsysteme ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540761969

Das Ultraschallschweißen ist ein Fügeverfahren für thermoplastische Kunststoffe, bei dem die Wärmeenergie zum Aufschmelzen des Materials durch innere Reibung und Grenzflächenreibung entsteht. Ultraschallschweißen zeichnet sich durch seine sehr kurzen Prozesszeiten (< 1 s) aus, weshalb es insbesondere in der Großserie von kleinen und mittelgroßen Bauteilen eingesetzt wird. Hier können Stückzahlen von bis zu 50 000 Stück pro Tag erreicht werden. Weitere Vorteile des Ultraschallschweißens liegen in der günstigen und robusten Maschinentechnik sowie darin, dass keine Schweißzusatzstoffe benötigt werden. Neben dem Verschweißen von strukturellen, technischen Spritzgusskomponenten und faserverstärkten Tapes wird das Verfahren vor allem in der Verpackungsindustrie zum Verschweißen von Folien und Blistern, sowie in der Textilindustrie zum Verschweißen von Vliesen und Geweben eingesetzt. Dabei ist die Bedeutung des Verfahrens auf dem Markt insbesondere durch die sehr hohen Stückzahlen gegeben. Aufgrund der zahlreichen parallel ablaufenden, komplexen Vorgänge in der Fügezone, ist das Verständnis über das exakte Materialverhalten während des Schweißprozesses allerdings noch gering. Selbst bei vermeintlich optimal eingestellten Schweißparametern kann es im Fertigungsprozess immer wieder zu schlechten Verschweißungen kommen, die zu einem unvorhergesehenen Bauteilversagen führen. Aufgrund des mangelnden Wissens über das Verhalten des Kunststoffes beim Ultraschallschweißen besteht ein starkes Interesse an der sensorischen Überwachung des Ultraschallschweißprozesses. Zum aktuellen Zeitpunkt ist es noch nicht möglich aus den reinen Prozessparametern eine Aussage über die Schweißnahtgüte zu treffen. In diesem Forschungsvorhaben soll daher eine Methode geschaffen werden, mit der eine Inline-Überwachung des Ultraschallschweißprozesses und der Schweißnahtgüte ermöglicht wird. Dabei sollen insbesondere die Schwingungen im Schweißprozess analysiert und modelliert werden. Die Schallenergiedichte im Bauteil und das im Prozess auftretende nichtlineare Schwingungsverhalten bieten Möglichkeiten, auf den Prozessverlauf und die charakteristischen Phasen des Schweißprozesses rückzuschließen. Die Messung der tatsächlichen Schwingungen im Schweißprozess stellt hierbei eine grundlegende Neuerung dar und birgt das Potential, neue essentielle Erkenntnisse zu den Abläufen und dem nichtlinearen Verhalten im Ultraschallschweißprozess gewinnen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen