Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Systemidentifikation und Monitoring von Metall-Ultraschallschweißprozessen

Das Metall-Ultraschallschweißen (USS) eignet sich besonders zum ressourceneffizienten Fügen elektrotechnischer Bauteile. Trotz der industriellen Verbreitung treten beim USS Prozessschwankungen auf. Zudem ermöglicht die aktuelle Anlagentechnik nur eine einfache Prozesssteuerungs- und Überwachungstechnik, sodass der Prozess für den Anwender weitestgehend einer Blackbox entspricht. In nahezu allen Branchen steigen aufgrund von Produkthaftung und verschärften Konkurrenzsituationen die Anforderungen an die Qualität der Endprodukte und an eine lückenlose Prozessdokumentation. Insbesondere in der Automobilindustrie setzen die Trends – Elektromobilität & Autonomes Fahren – neue Produktionsstandards bezüglich der Zuverlässigkeit elektrischer Verbindungen.

Vor diesem Hintergrund sind neue Qualitätsüberwachungsmethoden für den USS Prozess erforderlich, die den Zustand der Schweißanlage im Fügeprozess erfassen. Eigene Forschungsergebnisse bestätigen, dass die schwingungstechnische Analyse des Schweißprozesses neue Prozesskenntnisse liefert und Rückschlüsse auf die Verbindungsqualität erlaubt. Im Rahmen dieses Projektes wird daher ein Monitoring-Verfahren für das USS entwickelt, indem der Prozess als schwingungstechnisches System betrachtet wird. Auf Basis von Schwingungsmess- und Maschinendaten werden durch statistische Methoden aussagekräftige Prozesskenngrößen ermittelt, die sensitiv auf die Verbindungsgüte reagieren. Schließlich werden diese empirisch ermittelten Daten durch ein Modell ergänzt und zu einer industriell einsetzbaren Methodik weiterentwickelt, welche in einem seriennahen Feldversuch abschließend validiert wird.

Der Nutzen der Forschungsergebnisse für KmU´s trägt unterschiedlich zur Wettbewerbsfähigkeit der verschiedenen Interessensgruppen bei: Anlagenhersteller können die Anlagentechnik weiterentwickeln, Anwender ihre Schweißprozesse sowie deren Qualitätssicherung optimieren und für spezialisierte Messtechnik-Hersteller ergeben sich neue Geschäftsfelder.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Vorhaben konnte eine grundlegende Methodik entwickelt und aufgezeigt werden, mit der sich MUSS-Prozesse überwachen lassen. Die Erkenntnisse ermöglichen es, produzierenden Unternehmen eigenständig oder mit Unterstützung der Anlagenhersteller, eine Dokumentation Ihrer Schweißprozesse aufzubauen und mit den gesammelten Daten Informationen zur erzielten Verbindungsqualität abzuleiten und den Ihren Kunden zur Verfügung zu stellen. Dabei wurde die Methodik für eine robuste Prozessüberwachung aufgebaut, die anwendungsnah verschiedene Einflüsse auf den Schweißprozess abbilden kann. Damit ist das Verfahren insbesondere für KMU geeignet, welche nicht über umfassende labortechnische Ausrüstung zur Überwachung des Eingangsmaterials verfügen.

Für die Anwender liegt der Nutzen vor allem in einer verbesserten Einrichtung des Prozesses, einer zuverlässigeren Detektion von Störungen, einer aussagekräftigen Qualitätsprognose und der damit einhergehenden, verbesserten Prozesssicherheit. Mit Umsetzung eines Monitorings geht einher, maschinen- und prozessspezifische Daten automatisch zu erfassen und zu speichern. In der Folge sinkt der Aufwand für Dokumentation, Datenerhebung sowie Fehler- und Ursachenanalysen.

Produzierende Unternehmen, insbesondere KMU mit kleineren Produktionszahlen, können dank einer Überwachung Verbindungen für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen anbieten und damit Innovationspotenzial und neue Marktbereiche für sich erschließen. Letztlich ermöglicht die Prozessüberwachung einen effektiveren Schweißprozess sowie die Einhaltung von Qualitätsstandards und stärkt damit die Wettbewerbsfähigkeit der Anwender.

KmU aus der Anlagentechnik können ihre Wettbewerbsfähigkeit durch die Bereitstellung von innovativer Prozess- und Überwachungstechnik steigern. Daneben ergibt sich insbesondere für spezialisierte kmU im Bereich der Messtechnik die Möglichkeit neue Geschäftsfelder zu erschließen.