Wenn Produktionsmaschinen vollautomatisiert und miteinander verkettet sind und darüber hinaus untereinander kommunizieren, soll der Mensch im besten Fall gar nicht mehr eingreifen. Dazu müssen allerdings sämtliche Prozessschritte höchst stabil, prozesssicher und wiederholgenau ablaufen. Diese äußerst komplexen Anforderungen werden noch gesteigert, wenn es um kleine Serien mit häufigem Wechsel der Werkstücke, der Maschineneinstellungen und zahlreichen Rüstvorgängen geht. In der Königsdisziplin „vollautomatische Fertigung bei Losgröße eins“ wird dann alles auf die Spitze getrieben. Das gilt auch für die Fertigungsprozesse Kunststoffschweißen, Metallschweißen und Trennschweißen mit Ultraschalltechnologie.

Telsonic Ultraschalltechnologie bereit für Industrie 4.0

Die bewährte Ultraschalltechnologie eignet sich in zahlreichen Prozessen und Applikationen schon lange ideal für den automatisierten Einsatz. Sie bietet Lösungen sowohl für einfache als auch für anspruchsvolle Schweiß- und Trennaufgaben an Einzelarbeitsplätzen sowie in Produktionslinien und in Sonderanlagen. Typische Einsatzgebiete sind das Schweißen von Kunststoffen und Buntmetallen, das Trennschweißen von Vliesen, Portionieren von Lebensmitteln und viele weitere Anwendungen.

In besonderem Fokus steht dabei vor allem die technologische Architektur des Ultraschallgenerators, der die Energie für die Schweißprozesse liefert. Industrie-Bussysteme schaffen die Grundlagen für die Datenkommunikation. Dabei ist Flexibilität gefordert da es in diesem Bereich diverse unterschiedliche Standards gibt. Erfolgreiche Ultraschall-Schweißungen benötigen ein Equipment und eine Kraft, die das oszillierende Werkzeug kontrolliert auf das Werkstück drückt. Das Ultraschall-Equipment besteht aus folgenden Komponenten:

• Ultraschall-Generator:
erzeugt die elektrischen Hochfrequenz-Schwingungen
• Konverter:
wandelt die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen um
• Booster:
verstärkt (übersetzt) die mechanischen Schwingungen
• Sonotrode:
leitet die mechanischen Schwingungen ins Werkstück ein

Dem Generator kommen zentrale Aufgaben zu

Die drei Komponenten Konverter, Booster und Sonotrode sind mechanisch fest miteinander gekoppelt und akustisch in Resonanz aufeinander abgestimmt. Um über ein solches Schwingsystem eine definierte Kraft auf das Werkstück einzuleiten, werden üblicherweise pneumatische Pressen und Vorschübe verwendet. Die Art und Weise der Vorschubsteuerung hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf das Schweißresultat.

Erzeugt werden die Schwingungen im Generator, der die normale Netzspannung in Hochfrequenz umwandelt und diese Hochfrequenz an den Konverter überträgt. Damit kommt dem Generator eine Schlüsselfunktion zu. Durch die Digitalisierung der Industrie kommen für den Generator weitere Anforderungen hinzu. Aber was heißt das genau? Der Schweizer Pionier in der Ultraschalltechnologie, die Telsonic AG, hat jüngst eine Familie vollständig digitaler Multi-Applikations-Generatoren (MAG) vorgestellt. An deren Funktionalität und Leistungsspektrum lassen sich die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen wunderbar aufzeigen.

MAG Generatorenfamilie erfüllt modernste Anforderungen

Mit Schwingungsfrequenzen von 20-35 kHz und Leistungsspitzen bis 7,2 kW bieten sie ein breites Spektrum für viele Anwendungen. Das ist besonders interessant für Anlagenbauer und zur Integration in Sondermaschinen. Für die vollautomatisierte Produktion ganz wichtig, liegt diese Leistung unabhängig von Netzschwankungen über den gesamten Spannungsbereich konstant an. Auch Temperaturschwankungen lassen die MAG Generatoren kalt. Dafür sorgt die eingebaute Temperaturdriftkompensation von Telsonic.

Die voll digitalisierten Generatoren verfügen über eine USB- und Industriebus-Schnittstellen. Schnell und einfach montierbare Busmodule gibt es für EtherNet/IP, ProfiNet, Sercos3, EtherCAT, Powerlink, Modbus und Profibus. So sind die Generatoren über diese modernen Bussysteme einfach zu konfigurieren und anzusteuern. In Echtzeit liegen die Ergebnisse der Schweißung wie Schweißdauer, Peak-Leistung sowie Schweiß- und Leistungskurven über die Zeit an der Steuerung vor. Durch die konfigurierbaren Ergebnisfenster ist eine umfangreiche Prozesskontrolle möglich. Das ist beispielsweise enorm wichtig für automatisierte Fertigungsprozesse in der Medizintechnik, wo eine Rückverfolgbarkeit bis zu zehn Jahre sichergestellt werden muss.

Vernetzbarkeit wichtig für Industrie 4.0

Wichtig für den Industrie 4.0 Gedanken und für Anlagenbauer ist die Vernetzbarkeit mit allen anderen Komponenten der Fertigung, die die Telsonic Generatorenfamilie MAG erfüllt. Als Multi-Applikations-Generatoren verfügen sie über Datensatz- und Frequenzumschaltung. Mit der Frequenzumschaltung lassen sich von ein und demselben Generator mehrere Schwingeinheiten sequenziell betreiben. Dabei können für bis zu 16 verschiedene Schwingeinheiten der Frequenz-Suchbereich, die Startfrequenz, Frequenzrampe und weitere Parameter gespeichert werden. Zusammen mit einer HF Umschaltung, die die übergeordnete SPS steuert, können so für jede Schwingeinheit die konfigurierten Frequenzparameter verwendet werden.

Mit der Datensatzumschaltung können Schweißparameter und die dazugehörigen Qualitätsfenster von extern über die Steuerleitungen oder den Feldbus ausgewählt werden. So wird beim Umbau auf eine andere Applikation oder beim Austausch des Amboss-Systems der entsprechende Schweißdatensatz geladen. Auch wenn eine Anlage mit dem gleichen Werkzeug mehrere Schweißpunkte an unterschiedlichen Stellen anfährt, und die einzelnen Schweißungen unterschiedliche Schweißparameter und Qualitätsfenster erfordern, wählt die übergeordnete Steuerung immer den richtigen Datensatz aus.

Praxisnahe Funktionen erleichtern Einsatz

Gefordert wird auch, dass Generatoren extrem schnelle Anfahrtrampen erlauben. Das sorgt für maximale Produktivität in hochtaktenden Produktionslinien. Für kurze Rüstzeiten ist es von Vorteil, wenn kein Frequenzscan beim Sonotrodenwechsel notwendig ist, sondern die Generatoren sofort einsatzbereit sind. Bei den MAG-Generatoren von Telsonic lässt sich der Betriebszustand über ein gut ablesbares LED Status-Display auch aus der Entfernung erkennen. Inbetriebnahmen und Wartungsanalysen lassen sich mithilfe der TELSONIC Software MAG Control Center bequem durchführen.

Dass die Generatoren in einer Platz sparenden Ausführung nur 265 mm tief sind, prädestiniert sie für den Modul-zu-Modul Einbau in Schaltschränken mit nur 300 mm Tiefe. Gegen zu große Wärmeentwicklung sorgt einerseits eine integrierte Aktivkühlung. Andererseits erzeugt auch schon die geringe Leistungsaufnahme der energieeffizienten Generatoren grundsätzlich wenig Wärme. Das ermöglicht geringe Lüftungsabstände beim Modul-zu-Modul Einbau im Schaltschrank. Darüber hinaus sorgt die Blindstromkompensation für eine minimale Netzbelastung. Dadurch können die Leitungsquerschnitte kleiner gehalten werden.

Qualitative Prozesssteuerung als Bindeglied

Zur Steuerung der MAG-Generatoren bietet Telsonic die Maschinen- und Prozesssteuerung TCS5 an. Anwender profitieren dabei von einer anwendungsfertig programmierten Schweißsteuerung mit intuitiver Bedienoberfläche, Peripheriesteuerung, Datenexport, Rechteverwaltung und weiteren Funktionen. TELSONIC MAG Ultraschallgeneratoren liefern Effizienzsteigerungen und Stückkostenreduktion bei großer Produktionssicherheit. Die für Industrie 4.0 Projekte benötigte Datenverfügbarkeit wird mit modularen Bus-Schnittstellen gewährleistet, welche auch hohe Flexibilität bei der Integration in übergeordnete Steuerungen bieten. So sind diese Ultraschall-Generatoren bereits heute in zahlreichen automatisierten Produktionsanlagen in der Automobil- und Verpackungsmittelindustrie erfolgreich im Einsatz.

„Mit dem Ultraschallsieben kommt unsere langjährige Kompetenz gleich am Beginn der Batterieherstellung zum Einsatz“, berichtet Rolf Frei, Verkauf Sieben bei der Telsonic AG. Mit zuverlässiger Prozesstechnologie beim Ultraschallsieben, die sich auf eine langjährige Erfahrung in diesem Bereich stützt, setzen die Schweizer hier den Benchmark im Markt, wie Kunden bestätigen. Das Verfahren sorgt für eine homogene Pulverkonsistenz und eine gleichbleibende Pulverqualität – wichtige Voraussetzung für die Fertigung der Batterie-Elektroden. So sorgt das Resonanz-Siebsystem Sonoscreen® Plus durch mit Ultraschall angeregte Siebe beim Carbon für die Anode und beim Lithium Metalloxid für die Kathode für gleichbleibende und homogene Resultate.

Pulver muss gleichmäßig sein

Bei der Herstellung einer Elektrodenfolie wird eine Paste aus Aktivmaterial, Ruß, Binder, Lösungsmittel und Additiven erzeugt. Diese Paste wird für die Anode auf eine Substratfolie aus Kupfer und für die Kathode auf eine Aluminiumfolie aufgetragen. Dabei kann die Beschichtung durchgehend oder unterbrochen sowie als Muster erfolgen. Zwingend ist für die Herstellung der Paste in jedem Fall zunächst eine homogene Pulverkonsistenz. Denn nur die kann beim Auftragen auf die Folie die für die Elektrodenherstellung möglichst homogene Verteilung der Bestandteile sicherstellen.

Beim Sonocreen® Plus System von Telsonic sorgen so genannte Doppeldeck-Siebe mit exakt definierter Maschenweite beim Fraktionieren des Batteriepulvers für die genau definierbare immer gleiche Korngröße. Überkorn und Unterkorn wird sicher getrennt und der Fehlkornanteil maximal reduziert. Das ganze geschieht mit wechselnden Frequenzen in einer unglaublichen Geschwindigkeit.

Kontrollierter und effizienter Siebvorgang

Zu Beginn des Siebvorgangs scannt Sonoscreen® Plus das Siebsystem nach den drei optimalen Resonanzpunkten ab. Dies dient einem matertialschonenden Siebprozess mit geringem Reinigungsaufwand und größt möglicher Energieeffizienz. Da sich die Bedingungen während des Siebens in Abhäng-igkeit von Gewicht oder Temperatur des Siebguts ständig ändern, überwacht Sonoscreen® Plus den optimalen Resonanzpunkt alternierend und passt das Siebsystem automatisch an. Durch die so optimierte Gewebeanregung erhöht sich der Durchsatz beim Sieben immens. „Steigerungen bis zum Mehrfachen gegenüber konventionellen Siebabreinigungssystemen sind keine Seltenheit“, schildert Frei die Erfahrungen seiner Kunden.

Weil das Siebgewebe durch die Ultraschallanregung gleichzeitig kontinuierlich abgereinigt wird, werden die Maschenöffnungen nicht durch so genanntes Steckkorn verstopft. So entsteht dauerhaft und schnell das gewünschte homogene Pulver, das sich die Hersteller für die Batteriefertigung wünschen.

„Beim Ultraschallschweißen von Kontakten und Ableitern an Handy-Akkus gilt es, ein paar besondere Herausforderungen zu meistern. Da eignen sich nicht alle Verfahren“, betont Axel Schneider, Vertriebsleiter bei der Telsonic AG. So ist die Geschwindigkeit der Fertigung eine große Herausforderung. Lange Positionierwege von Hammerkopfsonotroden beim longitutinalen Ultraschallschweißen erfüllen die geforderte Taktzeit bei weitem nicht. Beim von Telsonic entwickelten torsionalen Ultraschallschweißverfahren kommt die schlanke Sonotrode von oben und kann nur wenige Millimeter direkt über dem Schweißpunkt vorgehalten werden. Das macht die Positionierung extrem schnell. Ein weiterer Vorteil ist das Einbringen der Schweißkraft. Das erfolgt nämlich in zentraler Schweißachse. Die torsionale Bewegung bringt kaum Kraft in die Bereiche unter den Kontakten und ist somit sehr schonend. Außerdem biegen sich die Werkzeuge nicht auf.

e-mobility braucht sichere Batterieschweißung

Und auch in der Batteriefertigung für e-mobility Fahrzeuge spielt das Telsonic-Verfahren seine Stärken aus. So werden für IGBTs die Kontaktierungen mit Torsion geschweißt. Auch hier kommen die Sonotroden mit kurzen Positionierwegen von oben. Wegen der Störkonturen der in die Höhe ragenden EMV-Bleche können viele Kontakte der Powermodule gar nicht anders verschweißt werden. Dabei können zwei Fertigungsverfahren angewandt werden: Entweder verfährt der IGBT oder es verfährt die Sonotrode. Darüber hinaus ist das torsionale Verfahren extrem schonend für die unteren Fügepartner. So wirken nur geringe Kräfte auf die empfindliche Keramikplatte unter dem Kupfer ein.

Leichtes Aluminium sicher kontaktieren

Ein weiteres eindrucksvolles Beispiel ist die sichere stoffschlüssige Schweißverbindung zwischen den unterschiedlichen Materialien vernickeltes Kupfer und Aluminium. Ein Aluminiumkabel mit bis zu 200 mm2 Querschnitt wird sicher in einem dickwandigen Rohrkabelschuh aus vernickeltem Kupfer verschweißt. Was mit herkömmlichen Verfahren schwer zu lösen war, gelingt zuverlässig mit der PowerWheel®-Technologie von Telsonic. Durch hohen Energieeintrag in kurzer Zeit verbindet das torsionale Ultraschallschweißverfahren die Aluminiumleitung mit dem Kupferkontakt. Mit dem PowerWheel®-Verfahren können bis zu 8000 N Schweißdruck und bis zu 10 kW Leistung in sehr kurzer Zeit durch die dicke Wandstärke des Rohrkabelschuhs in die Verbindungszone eingeleitet werden und eine feste Verbindung erzeugen.

Beste Ergebnisse erzielt das torsionale Verfahren logischerweise bei zylindrischen Schweißungen. Für runde Bolzen, Ringe oder Schrauben können Sonotroden verwendet werden, die in der Mitte ein Loch haben. Das geht mit keinem anderen Verfahren. So löst ein Automobilzulieferer das Verschweißen eines in eine Kupfer-Nickel-Hülse eingepressten Stahlbolzens mit dem vorderen Ende eines Alu-Busbar als Kontakt zum Anlasser. Dabei geht die Schweißung ohne Unterbrechung 360 Grad um den Bolzen herum. In eine vollautomatische Anlage integriert, können so die geforderten kurzen Taktzeiten und hohen Stückzahlen realisiert werden.

Dünne Folien ohne Beschädigung schweißen

Für Lithium-Ionen-Batterien werden mit dem Torsionsschweißen von Telsonic sehr dünne Folien zu Folienpaketen verschweißt, ohne dass die empfindliche oberste Folie beschädigt wird. Dabei werden die einzelnen, 10-20 µm dünnen Folien aus Aluminium oder Kupfer mit hoher Festigkeit im Paket sicher durchkontaktiert.
 

„Mit unserer Ultraschallkompetenz sind wir in der Fertigung von Batterien beim Pulversieben und bei Schweißungen gleich in zwei Schlüsselprozessen vertreten“, berichtet Axel Schneider, Verkaufsleiter bei der Telsonic AG. Beim Ultraschallschweißen von Kontakten und Ableitern profitieren Kunden dabei von der über zehnjährigen Erfahrung im Batteriebereich. Mit dem Ultraschallsieben kommt die Kompetenz von Telsonic gleich am Beginn der Batterieherstellung zum Einsatz. So filtern mit Ultraschall angeregte Siebe das Carbon für die Anode und das Lithium Metalloxid für die Kathode. Für die Elektrodenherstellung wird eine möglichst homogene Verteilung der Bestandteile benötigt. Deshalb sorgen so genannte Doppeldeck-Siebe mit exakt definierter Maschenweite für die immer gleiche Korngröße. Auch der Fehlkornanteil wird so maximal reduziert.

Autobatterien genauso wie Handy-Akkus

Mit den von Telsonic entwickelten torsionalen Ultraschallschweißverfahren SONIQTWIST® und Power Wheel® werden Kontaktierungen zwischen den einzelnen Folien sowie Ableiter für die Anschlüsse nach außen prozesssicher und schnell in hoher Qualität geschweißt. Seine besonderen Vorteile zeigt das Torsionalschweißen mit den schlanken, von oben anfahrenden Sonotroden, wenn es gilt Störkonturen zu berücksichtigen oder in engen Platzverhältnissen sicher zu schweißen. Hier ist das Verfahren gegenüber dem Longitutenalschweißen mit den wesentlich komplexeren Hammerkopfsonotroden deutlich überlegen.

Ebenso im Vorteil ist das Torsionalschweißen, wenn es gilt mit empfindlichen Materialien umzugehen. So dürfen die äußerst dünnen Kupfer- und Aluminiumfolien beim Schweißvorgang nicht beschädigt werden. Genauso gilt es, beispielsweise bei den IGBTs, die Keramikplatte nicht zu beschädigen, auf der die Leiterbahnen laufen und Kontakte angeschweißt werden müssen. Diese Kompetenzen kommen nicht nur bei Autobatterien zum Einsatz, sondern sind seit langem auch in der Handy-Akku-Fertigung höchst gefragt.

Verschiedene Materialien sicher verschweißen

Auch bei der Verbindung unterschiedlicher Materialien zeigt das Ultraschallschweißen seine Stärken. So fertigt Telsonic schon seit über zehn Jahren für einen 1st-tier Automobilzulieferer im Batteriebereich sichere Schweißungen von Nickelkontakten auf Aluminium bei Zellverbindern.
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