Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Grenzen und Potenziale der passiven Thermografie für die Qualitätssicherung beim Ultraschallschweißen

Grenzen und Potenziale der passiven Thermografie für die Qualitätssicherung beim Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen wird als sehr schnelles Fügeverfahren in vielen Branchen (u. a. im Automotive-, Elektro- und Health-Care-Bereich) eingesetzt. Obwohl es ein sehr verbreitetes Fügeverfahren für Kunststoffbauteile ist, weist es immer noch Prozessschwankungen auf. Die Schwankungen im Prozess zeigen sich u. a. durch unterschiedliche Schweißnahtqualitäten bei unveränderten Maschinen- und Überwachungsparametern, weshalb sich Fehlererkennungen und insbesondere die Ursachenfindung meist sehr schwierig gestalten.

Die Maschinenüberwachung kann keine Aussage treffen, wie sich der Schall und die somit eingebrachte Energie im Bauteil ausbreiten. Wie Voruntersuchungen gezeigt haben, ist dies mittels Thermografie möglich. Hierfür wird die Erwärmung der Oberfläche als Maß der Energieeinbringung durch die Sonotrode und Energieweiterleitung zur Schweißnaht betrachtet. Mit der zerstörungsfreien online Prüfung mittels Thermografie ist es somit potenziell möglich Fehler, wie Verzug durch Formteiltoleranzen, Änderungen im Spritzgussprozess oder beschädigte Bauteile zu erkennen. Die Ergebnisse in dem Projekt liefern einen sehr großen Beitrag zur Verzahnung der industriellen Produktion mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik (Industrie 4.0) und sind somit ein wichtiger Bestandteil zur Hightech-Strategie der Bundesregierung.

Dieses Forschungsvorhaben stellt daher eine wesentliche Chance dar, um bei KMU die Produktqualität nachweislich und nachhaltig zu verbessern und zu vermarkten. Mit Hilfe des entstehenden Wissensvorsprungs kann in den Bereichen Verfahrensoptimierung, Qualitäts- und Prozesssicherung ein weiterer Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit erreicht werden, die sich durch den Einsatz immer günstiger werdender Thermokameras in der Kunststoffbranche ergeben.

Ergebniszusammenfassung:

Die Thermografie bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten, die Erwärmung beim Ultraschallschweißprozess zu bewerten. Dass die Thermografie prinzipiell als Qualitätskontrolle eingesetzt werden kann, konnte im Rahmen des Forschungsprojektes aufgezeigt werden. Es konnten viele Einflüsse auf den Schweißprozess und auf die resultierende mittlere Oberflächentemperatur im Rahmen des Projektes definiert werden. Mittels der im Projekt gewählten Auswertungsmethode konnten vergleichbare Aussagen bezüglich des Schweißprozesses getroffen werden, wie mit den Maschinenüberwachungsparameter Energie und Zeit. Somit ist eine Bewertung des Schweißprozesses generell möglich und bietet somit eine neue Möglichkeit der Prozessbewertung. Aus den Ergebnissen des Projektes lassen sich daher einige Grenzen aber auch Potenziale ableiten.

Die Ergebnisse ließen durchaus Zusammenhänge zwischen Temperatur und Schweißnahtqualität erkennen. Dies war jedoch nicht bei allen Versuchsreihen und Einzelschweißungen gültig. Im industriellen Serienschweißprozess konnten bei unveränderten Schweißparametern eine niedrigere Schweißnahtqualität nicht zuverlässig erkannt werden. Schweißungen, welche die Qualitätsansprüche gänzlich nicht erfüllten, konnten meist auch von den Maschinenüberwachungsparametern erkannt werden. Durch die zusätzliche Prozessüberwachung mittels Thermografie wurden einige Schweißungen, die die anschließenden Qualitätsprüfungen bestanden, teilweise als Pseudoausschuss deklariert, wodurch insgesamt ein sehr großer Ausschuss generiert wurde.

Der große Vorteil der Thermografie liegt in der bildhaften Darstellung und Vielzahl an unterschiedlichen Auswertungsmöglichkeiten. So lassen sich einige Prozesseinflüsse visuell bewerten und Fehler direkt am Bauteil lokal zuordnen und je nach Fehlerart anschließend durch eine geeignete Auswertungsmethode erfassen. Hierdurch kann es möglich sein, die Aussagefähigkeit zu erhöhen und Pseudoausschuss zu reduzieren.