Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erarbeiten von Prozessstrategien zum Ultraschallschweißen von Kupfer mit Aluminium unter Berücksichtigung der metallischen Überzüge

Diese Herausforderung Cu/Al zu fügen, um Kosten und Gewicht zu reduzieren, betrifft heutzutage in Deutschland insbesondere den Bereich der Bordnetze im Fahrzeugbau und direkt die gesamte Lieferkette, die stark kmU geprägt ist, begonnen von der Kabelherstellung, durch den Konfektionierer bis zum Anlagenhersteller oder/und Dienstleiter und Tier 1 Supplier.

Hier hat sich das Ultraschallschweißen etabliert. Durch den geringen Wärmeeintrag des Verfahrens und durch den Einsatz von Zwischenschichten zwischen Cu/Al als Diffusionsbarrieren kann die Ausbildung intermetallischer Phasen minimiert werden, da diese die Eigenschaften sowie das Langzeitverhalten der Verbindungen beeinträchtigen können.

Typische Schichtsysteme sind auf Ni-Basis. Dabei variieren Schichtzusammensetzung und –morphologie stark von Verfahren und Zulieferer. Eine Veränderung der Prozesswechselwirkungen, Wärmeübertragung und des tribologischen Systems ist die Folge. Die Konsequenz insbesondere für kmU als Zulieferer ist eine ständige empirische und risikobehaftete Prozessanpassungen bei jedem Chargenwechsel. Für Anlagenhersteller bedeuten es, wiederkehrende Reklamationen und zusätzliche unbegründete Kosten.

Hier setzt das Forschungsvorhaben mit einer wissenschaftlich fundierten Betrachtung des Einflusses der werkstofflichen Randbedingungen auf den Schweißprozess, die Anbindungsmechanismen und die resultierenden Verbindungseigenschaften an. Aus Vergleichsuntersuchungen mit verschiedenen Vernickelungen und Schichtdicken können so erstmals Richtlinien für eine Bewertung der Beschichtung hinsichtlich Ultraschallschweißeignung, Prozessgrenzen und Langzeitverhalten aufgestellt werden. Gleichzeitig wird das Prozessverständnis bezüglich der Signifikanz und Wechselwirkung der Steuergrößen so erweitert, dass auch hier eine Anpassung stattfinden kann. Anwender können daraus resultierend die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit ihrer Prozesse und somit ihre Konkurrenzfähigkeit enorm verbessern.

Ergebniszusammenfassung:

Durch das Projekt werden den Anwendern und Geräteherstellern Strategien für prozessorientiertes Ultraschallschweißen zur Verfügung gestellt. Durch die Verbesserung der Prozesssicherheit beim Ultraschallschweißen durch eine geeignete Prozessführung sowie die vorgestellte Möglichkeit der Prozessüberwachung mittels prozessbegleitender Temperaturmessung werden den Unternehmen Strategien und Methoden an die Hand gegeben, die sich kostengünstig umsetzen lassen. Werden die im Projekt entwickelten Ansätze zum prozesssicheren Ultraschallschweißen umgesetzt, ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der Automobilindustrie, im Transportwesen und in der Elektrotechnik/Elektronikindustrie. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse der Langzeituntersuchungen ein großes Potenzial für Unternehmen, Kosten und Arbeitsschritte einzusparen.

Die Zunahme an sicherheitsrelevanten Bauteilen im Bordnetz eines Fahrzeugs, welche durch Themenfelder autonomes Fahren und E-Mobility immer relevanter werden, birgt für KMU eine große Herausforderung. Die Ergebnisse dieses Vorhabens liefern den Unternehmen Möglichkeiten um Strategien zur Erhöhung der Prozesssicherheit beim Ultraschallschweißen in die Fertigungskette von Bordnetzkomponenten zu integrieren. Die Vorgestellten Methoden können ohne großen zusätzlichen Kostenaufwand eingesetzt werden.

Da ein großer Teil der Ergebnisse direkt umgesetzt und genutzt werden kann, werden vor allem die bisher im Bereich der Kabelkonfektion und Kabelbaumfertigung tätigen KMU diese direkt anwenden können. Mit der Erhöhung der Prozesssicherheit ergibt sich für diese Unternehmen ein direkt quantifizierbarer Nutzen in Form einer geringeren Ausschussquote. Darüber hinaus können für KMUs direkte Kostenvorteile durch mögliche Einsparungen von Nickelschichten und zusätzlichen Prozessschritten erzielt werden.