Forschung und Transfer

Forschungsprojekt:
Signalbasiertes Clustering zur qualitätsorientierten Prozessüberwachung beim
Ultraschallschweißen thermoplastischer Kunststoffprodukte (SC-QUPUS)

Förderstelle: Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Württemberg
Laufzeit: 2,5 Jahre
Beginn: 1.9.2007

Forschungspartner:
Fraunhofer - IPA, Stuttgart
Hochschule Esslingen, Labor für Kunststofftechnik
Festo, Esslingen
Gardena, Ulm
Greiner Bio-One, Frickenhausen
Herrmann-Ultraschall, Karlsbad
Mack & Schneider, Filderstadt
Murrplastik, Oppenweiler

Thema und Zielsetzung:
Das Ultraschallschweißen ist ein Fügeverfahren für thermoplastische Kunststoffe, das aufgrund seiner kurzen Zykluszeit bei einem breiten Produktspektrum zum Einsatz kommt.
Wesentliche Qualitätseigenschaften sind das optische Erscheinungsbild der Schweißnaht, deren Dichtheit und Festigkeit.
Qualitätsschwankungen vorgelagerter Prozesse in Verbindung mit variierenden Schweiß-prozessen führen dazu, dass Nahtfehler derzeit in der betrieblichen Praxis nicht zu vermeiden sind. Während optische Nahtfehler mit entsprechendem Prüfaufwand manuell oder automatisch mittels Bildverarbeitung prüfbar sind, kann die Nahtfestigkeit anhand von Berst- oder Zugprüfung nur zerstörend bestimmt werden. Die Prüfung der Nahtfestigkeit ist deshalb trotz bekannter Einschränkungen nur auf statistischem Wege und nur mit großem Zeitversatz zur Fertigung möglich, weshalb auch hier - vergleichbar zum Spritzgießen - seit langem ein eindeutiger Trend zu einer kontinuierlichen Prozess- oder auch Qualitätsüberwachung festzustellen ist. Das Erkennen unzulässiger Prozesszustände und deren Auswirkung auf die Produktqualität obliegt derzeit qualifiziertem Personal.
Bei Ultraschall-Schweißprozessen stehen heute digitale Prozesssteuerungen zur Verfügung, die jedoch Eigenschaftsschwankungen der Fügeteile oder Einflüsse der Umgebung derzeit steuerungsseitig nicht berücksichtigen. Eine fehlerfreie Produktion ist somit trotz geregelter Schweißparameter nicht möglich. Deshalb ist in der Regel eine teils aufwändige Überwachung optischer und funktionaler Qualitätsmerkmale wie Dichtheit und Festigkeit erforderlich, wobei letztere nur stichprobenartig zerstörend prüfbar ist.
Ziel des Vorhabens ist es, anhand von Sensor- und Prozessdaten ausschließlich aus dem
Schweißprozess auf Qualitätsabweichungen in der Naht schließen zu können. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass ausgehend von einer möglichst kleinen Grundmenge an Versuchs-mustern eine erste Systemadaption an den Zielprozess erfolgen kann.
Dies erfordert neue methodische Ansätze, mit denen zum einen bekannte Prozesszustände
verlässlich den überwachten Qualitätsklassen zugeordnet und zum anderen unbekannte Zustände sicher selektiert werden können. Durch sukzessive Einbindung der Eigenschaften unbekannter Zyklen kann eine effiziente, prozessbegleitende Systemadaption erfolgen, einhergehend mit steigender Verbesserung der Systemleistung.

Das Labor für Kunststofftechnik arbeitet eng mit der mittelständischen Industrie zusammen. So gehören vor allem Firmen aus dem Umfeld der Automobilindustrie zu den Kunden. Das Fachwissen und die Prüfeinrichtungen stehen allen interessierten Firmen zur Verfügung. Im Rahmen von Diplomarbeiten und Projekten werden wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Die Aufgabenschwerpunkte sind:

- Festigkeitsuntersuchungen an Proben und Bauteilen
- Simulation von Spritzgießvorgängen
- Schlifferstellung und Mikroskopie
- Schadensuntersuchungen und Gutachten
- Beratung bei der Optimierung von Bauteilen und Werkzeugen
- Thermische, rheologische und analytische Untersuchungen an Formstoffen und Bauteilen
- Herstellung von Norm-Prüfstäben mit und ohne Bindenähte
- Werkstoffentwicklung
- Qualitätsbasierte Prozessregelung

Nachstehend sind auszugsweise einige Projekte genannt, die in letzter Zeit durchgeführt wurden.

- Schälversuche an Folienlaminaten für Anwendungen in der Halbleiterindustrie
- Untersuchungen zur Anwendung von Nachleuchtpigmenten in Sicherheitsbauteilen
- Mehrfachverarbeitung technischer Thermoplaste - direkte Angußrückführung
- Vergleich teilaromatischer Polyamide zur Anwendung im Motorraum von Kraftfahrzeugen
- Spritzgieß-Simulation zur optimalen Anbindung von Kunststoffteilen

AMK, Kirchheim
Bosch Kunststofftechnik, Waiblingen
Cipo, Stuttgart
Daimler AG, Stuttgart
DSI, Nehren
EvoBus, Ulm
Festo, Esslingen
Hugo Görner, Aalen
Hekatron, Sulzburg
Hoerbiger-Origa, Filderstadt
I &T Technology, Ditzingen
Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde (IKP), Stuttgart
Kärcher, Winnenden
Lefo Formenbau, Stockach
Woodward GmbH, Stuttgart
Mahle-Filtertechnik, Stuttgart
Murrplastik, Oppenweiler
P.A.U.L., Balingen
Pretema, Niefern
Rexroth-Star, Schweinfurt
Roxan, Graben-Neudorf
Rusko Formen, Wernau
Stierlen, Rastatt
Strüber, Talheim
Sulo, Herford
ULO, Geislingen
Gustav Wahler, Esslingen
Weber Formenbau, Esslingen
Weinmayr, Wiesensteig
Zumtobel-Staff, Dornbirn (A)