Thermografie für die Qualitätssicherung beim Ultraschallschweißen

Neues Forschungsprojekt am SKZ

23/11/2017

Das SKZ beschäftigt sich seit mehreren Jahren intensiv damit, die Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren für Schweißverbindungen anzuwenden. In einem bereits abgeschlossenen Forschungsprojekt konnte eine Thermografie-Software entwickelt werden, die es ermöglicht, Thermogramme schnell und automatisierbar auszuwerten. Seit August 2017 ist zu diesem Thema ein weiteres Forschungsvorhaben gestartet, in dem die Grenzen und Möglichkeiten der passiven Thermografie für die Qualitätssicherung beim Ultraschallschweißen untersucht werden.

Das Ultraschall-Fügeverfahren kommt in vielen Branchen der Kunststoffindustrie (u. a. im Automotive-, Elektro- und Health-Care-Bereich) zum Einsatz. Beim Schweißprozess können jedoch Schwankungen in der Nahtqualität bei unveränderten Maschinen- und Parametereinstellungen auftreten. Deshalb erweisen sich die Fehlererkennung und insbesondere die Ursachenfindung meist als sehr schwierig. Zu den häufig auftretenden Fehlerursachen zählen geänderte Herstellungsbedingungen, Formteiltoleranzen oder Lagereinflüsse. Die Prozessüberwachung beim Ultraschallschweißen erfolgt anhand der Grenzwertüberwachung der Maschinensteuerung, beispielsweise Schweißzeit, -weg, -kraft und -energie. Die Maschinenüberwachung liefert jedoch keine Aussage darüber, wie sich der Schall und die eingebrachte Energie im Bauteil ausbreiten. Eine zuverlässige Qualitätssicherung ist daher mit der Maschinenüberwachung nicht immer gewährleistet.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erlangung grundlegender Kenntnisse aus den Zusammenhängen zwischen den Schweißparametern, der Fehlererkennung durch thermografische Bilder und der daraus resultierenden Schweißnahtqualität.
Hierzu sollen die Temperaturänderungen der Bauteiloberfläche (insbesondere der Ankopplungsfläche der Sonotrode) und an lokalen relevanten Stellen von Bauteilen betrachtet werden. Die Qualitätssicherung soll durch Definition von thermischen Grenzen erfolgen. Vor allem die Interpretation der Temperaturänderung auf der Ankopplungsfläche (wärmer oder kälter) ist hierbei von hoher Bedeutung. Denn je nach Fehlerart kann eine Erhöhung oder Erniedrigung der Oberflächentemperatur auftreten (siehe Bild).

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll jedoch kein alternativer Überwachungsparameter für das Ultraschallschweißen entwickelt werden. Es soll vielmehr eine weitere Qualitätssicherungsmöglichkeit geschaffen werden, um die Lücke von derzeit nicht detektierbaren Fehlerquellen mittels Thermografie zu schließen und damit einen weiteren Schritt in Richtung Null-Fehler-Fertigung zu gehen. Dies soll ebenso mit einem hohen Automatisierungsgrad eine quantitative Schweißprozessanalyse ermöglichen. In Rahmen des Projekts ist zudem vorgesehen, Untersuchungen bei Firmen und deren Produkten durchzuführen, um die Anwendbarkeit der Thermografie bei industriellen Bauteilen bewerten zu können. Hierdurch besteht für die Firmen die Möglichkeit, kostenfrei die Thermografie zur Prozessanalyse, Qualitätssicherung und Entwicklung- /Konstruktion-Hilfe vor Ort zu nutzen bzw. zu testen.

Die Projektlaufzeit beträgt 24 Monate. Interessierte Unternehmen sind eingeladen, im projektbegleitenden Ausschuss kostenlos mitzuwirken und die Untersuchungen in dem Forschungsvorhaben mitzugestalten und sich über die aktuellen Ergebnisse zu informieren.

Das IGF-Vorhaben 19563 N der Forschungsvereinigung „Fördergemeinschaft für das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum e. V.“ wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Thermografie als Prozessüberwachung

Am SKZ entwickelte Thermografie-Software zur Auswertung der Temperatur auf der Ankopplungsfläche einer Sonotrode. Ist-Thermogramm (links) mit Histogramm und einem Referenz-Thermogramm (rechts).

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