Echtzeit-Überwachung beim Ultraschallschweißen

Manche Fertigungsprozesse „erzählen“ bereits während ihrer Ausführung, ob alles nach Plan verläuft. Was für den Menschen wie ein gleichförmiges Surren oder Kreischen klingt, nimmt der Ultraschallsensor als detailreichen Klangteppich wahr und analysiert ihn in Echtzeit. So lassen sich kleinste Veränderungen in der Akustik aufspüren, die auf Abweichungen im Prozess hinweisen können.

Ein anschauliches Beispiel hierfür ist das Ultraschallschweißen. Dabei werden zwei Teile mithilfe einer Sonotrode durch Reibungswärme miteinander verschweißt – in der Automobilbranche etwa bei der Verbindung von Kabelsträngen oder Befestigungselementen aus Kunststoff, in der Luftfahrt bei der Fertigung komplexer CFK-Bauteile oder in der Elektronik beim Zusammensetzen kleiner Schaltungen und Kabelverbindungen. Während dieses Vorgangs entstehen Schallsignale, die mehrere hundert Kilohertz erreichen können. Das optische Mikrofon „lauscht“ diesen Geräuschen berührungslos und erkennt bereits minimale Schwankungen im Prozessablauf in Echtzeit. Dadurch kann schon während des Schweißprozesses eine Aussage zur Haltekraft der Schweißung gemacht werden. So können zwei scheinbar identisch verschweißte Kabelstränge von außen gleich aussehen, aber während die eine Verbindung eine Zugkraft von 1 000 N aushält, bricht die andere bereits bei 50 N Zugkraft auseinander. Natürlich kann man nicht jedes Kabel zerstörend prüfen. Daher ist ein Verfahren ein großer Mehrwert, welches durch reines „Zuhören“ die Zugkraft verlässlich voraussagen kann. So können noch in der Fertigung die schadhaften Teile aussortiert werden. Zudem können die Sensordaten reibungslos in moderne Automations- und Steuerungssysteme eingebunden werden, um die Fertigung zu regulieren oder bei Bedarf anzupassen.

Diese Form der Prozessüberwachung ist längst nicht nur für Prototypen oder Kleinserien geeignet. Dank der hohen Messgeschwindigkeit im Bereich von Millisekunden und präzisen Erkennung kann das optische Mikrofon auch in großen Serienfertigungen eingesetzt werden. Unternehmen können von einer konsequenten Fehlererkennung profitieren: Ausschuss wird reduziert, Produktionsabläufe bleiben konstant auf hohem Qualitätsniveau und die Durchlaufzeiten verringern sich. Damit trägt die kontaktfreie Datenerfassung nicht nur zu stabilen Prozessen bei, sondern sichert auch langfristig die Wettbewerbsfähigkeit und die Produktsicherheit.

Smarte Prüfung von Flug- oder Kraftfahrzeugen

Klebeverbindungen spielen in der Flugzeugindustrie eine immer größere Rolle. Gleichzeitig steigen aber auch die Anforderungen an die Qualitätssicherung: Fehlstellen können zu instabilen Verbindungen und potenziellen Sicherheitsrisiken führen. „Gerade bei modernen Klebeprozessen ist die Detektion selbst feinster Defekte entscheidend, um potenzielle Gefahren frühzeitig auszuschließen. Was es bedeuten würde, wenn im Flugzeug eine Klebestelle nicht hält, möchte man sich lieber nicht ausmalen“, betont B. Fischer. Genau hier setzt das Lea-Prinzip an, um völlig kontaktfrei und ohne Koppelmittel Defekte schnell und präzise aufzuspüren. „Zugleich bietet unsere Lösung genügend Flexibilität, um unterschiedlichste Materialkombinationen zu prüfen – von speziell formulierten Klebstoffen über Keramik, Kohlefasern bis hin zu Stahl, Aluminium und verschiedenen Metalllegierungen“, fügt B. Fischer hinzu. So profitieren Hersteller und Zulieferer unterschiedlicher Branchen gleichermaßen von stabilen, gleichmäßig verteilten Klebestellen, die nicht nur die Sicherheit verbessern, sondern auch Gewicht und damit Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch senken.

Abhängig von der Geometrie der Bauteile kann das Prüfverfahren in Transmission erfolgen, bei der Sensor und Laser auf gegenüberliegenden Seiten des Bauteils positioniert sind, um den Ultraschall durch das gesamte Bauteil zu leiten. Ist jedoch nur eine Seite zugänglich, lässt sich der Scan einseitig durchführen. In beiden Fällen liefert die Methode klare Informationen über die Güte der Klebefuge: Innere Defekte, die von außen nicht sichtbar sind, wie Poren, trockene Stellen oder nicht gleichmäßig aufgetragenes Klebematerial, können im Ultraschallbild leicht erkannt werden, auch vollautomatisiert. Zudem vermeidet das kontaktlose Vorgehen unnötige Stillstände in der Fertigung, da weder Koppelmittel (Wasser, Gel) aufgetragen bzw. abgewischt, noch Bauteile mehrfach neu positioniert werden müssen. Ganz besonders aber ermöglicht die berührungslose Ultraschallmessung die Automatisierung, während herkömmliche Ultraschallprüfung wegen des Koppelmittels und der engen Positionierungstoleranzen, um das Bauteil zu berühren, aber nicht zu erdrücken, üblicherweise ein von Hand ausgeführter Prozess ist.

Die gleiche Technik eignet sich auch für die automatisierte Inspektion von Schweißpunkten und -nähten. Dies können Widerstandsschweißpunkte im Karosseriebau sein oder Laserschweißnähte auf Stahlblech. Auf Basis der vom Laser erzeugten Ultraschallimpulse kann das NDT-System von Xarion Laser Acoustics potenzielle Fehlstellen wie unvollständige Schweißverbindungen, zum Beispiel Anbindungsfehler, identifizieren (Bild 4). Da das Prüfsystem sich nahtlos in bestehende Produktionslinien integrieren lässt, profitieren Unternehmen von einer kontinuierlichen Überwachung. Auf diese Weise gelingt es, sowohl Klebeverbindungen als auch Schweißpunkte verlässlich zu prüfen und langfristig die Qualität und Sicherheit im Automobilbau zu erhöhen.