Modellgestützte Optimierung eines Ultraschall-Torsionsschweißsystems

Das Ultraschallschweißen ist in der Verpackungs-, Halbleiter- und Automobilindustrie weit verbreitet. Neben dem Schweißen von Blechen bietet es die Möglichkeit, Folien oder Hülsen zu verschweißen. Konventionelle Schweißsysteme arbeiten mit Längs- oder Biegeschwingungen, deren Hauptanteil in der Schweißebene liegt. Der orthogonale Anteil verursacht zusätzliche Belastungen im Schweißgut. Bei der Verwendung von Torsionsschwingungen wird die orthogonale Komponente der Schwingung nahezu eliminiert. In diesem Beitrag wird ein System vorgestellt, bei dem die Torsionsschwingung durch tangentiale Polarisation der Piezokeramiken erzeugt wird. Der Transducer ist axial oberhalb des Schweißpunktes platziert, sodass die Normalkraft momentfrei aufgebracht wird. Das Schweißwerkzeug weicht beim Schweißvorgang daher seitlich nicht aus. Zudem wird das Schweißen an schwer zugänglichen Positionen vereinfacht, da der Systemaufbau deutlich schlanker ist als konventionelle Ultraschallschweißsysteme. Die Auslegung des Torsionsschwingsystems stellt eine Herausforderung dar. Insbesondere muss die Lagerung des Schwingers betrachtet werden, da diese die Normalkraft übertragen und zugleich die Schwingung nicht beeinträchtigen soll. Der Schweißprozess bewirkt eine Verschiebung von Schwingungsknoten und Resonanzfrequenzen. Im Rahmen des Vortrags wird ein Finite-Elemente-Simulationsmodell vorgestellt, das in Kombination mit einem Lastmodell das Systemverhalten während des Schweißprozesses abbildet. Die Geometrie des Transducers wurde schrittweise so angepasst, dass die Schwingamplitude im Lagerungspunkt minimiert wird.