Projektkurzbeschreibung

SIMUSS: Systemidentifikation und Monitoring von Metall-Ultraschallschweißprozessen

Steckbrief

Eckdaten

Förderinstitution:
AiF - DVS
Laufzeit:
01.05.2018 bis 31.10.2020
Projektnummer:
20.161 N

Ansprechpartner am ISF

Das Metall-Ultraschallschweißen (Ultrasonic Metal Welding, kurz: „USMW“) ist ein industriell verbreitetes stoffschlüssiges Fügeverfahren. Aufgrund des geringen Wärmeeintrags ist das Verfahren vor allem für anspruchsvolle Anwendungen wie Mischverbindungen und elektrotechnische Bauteile geeignet. Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen gewinnt die industrielle Anwendung des Verfahrens in der Batterietechnik, für Litzen- und Leiterkonfektionierung sowie der Leistungselektronik noch weiter an Bedeutung. Trotz der industriellen Verbreitung können Prozessschwankungen beim USMW auftreten. Diese sind häufig nicht erklärbar, da bzgl. der komplexen Wirkzusammenhänge von Werkzeugen und Fügeteilen während des Schweißprozesses wissenschaftlich fundierte Kenntnisse fehlen.
Die bisherige Forschung beschäftigt sich mit vornehmlich mit der empirischen Erfassung spezifischer Anwendungsfälle im Labormaßstab. Solche Untersuchungen unter Laborbedingungen mit dem Einsatz genauer, aber hochsensibler Messtechnik eignen sich nicht für eine kontinuierliche Prozessüberwachung in der Industrie. Alternative Ansätze auf Basis von anlageninternen Messwerten und künstlicher Intelligenz (z.B. Neuronale Netze) können die externen Vorgänge und Einflüsse zwischen den Fügenteilen, der Umgebung und den Werkzeugen nur bedingt wiedergeben.
Um die komplexen Vorgänge des Metall-Ultraschallschweißens nicht nur im Labormaßstab abzubilden, sondern eine industrietaugliche Überwachung zu ermöglichen, ist die Verwendung einer modellunterstützten Messtechnik nötig. Eine solche Messmethodik kann durch das eingeflossene Prozessverständnis den Anwender zudem bei der Parameterfindung unterstützen und nicht nur trainierte Schweißungen bewerten.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer modellunterstützten Messmethodik. Diese soll mit verringertem Messaufwand präzise Aussagen über das Bauteilverhalten, die Qualität der Schweißung und Prozessfehler aus im Prozess aufgenommenen Kennwerten ermöglichen.
In der ersten Projektphase soll eine typische Verbindung im Labor schwingungstechnisch charakterisiert und vereinfacht modelliert werden. Im Projektverlauf soll dieses Modell um verfahrens- und industrieübliche externe Einflüsse ergänzt werden. Abschließend sollen die Anforderungen an die Messtechnik auf ein Mindestmaß reduziert und im Industrieeinsatz verifiziert werden.
Das ISF kooperiert in diesem Projekt mit dem Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (IGMR). Industrieseitig werden die beiden Forschungsstellen durch Anlagenbauer von Ultraschallschweißanlagen, Anwendern aus verschiedenen Branchen sowie Messtechnikunternehmen begleitet. Nach erfolgreichem Projektverlauf soll die Methodik kleinen und mittelständigen Unternehmen zur Verfügung gestellt werden.