Wussten Sie, dass sich Schall als Schweißwerkzeug nutzen lässt? Ultraschallwellen beziehungsweise Schwingungen sind hochfrequente Schallwellen außerhalb des menschlichen Hörbereichs. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des Ultraschallschweißens.
Der Mensch hört üblicherweise zwischen 20 Hz und 20 kHz. Das Ultraschallschweißen arbeitet dagegen zwischen 20 kHz und 70 kHz.
In diesem Artikel erfahren Sie, was hinter dem Verfahren steckt, wie es funktioniert und wo es eingesetzt wird. Außerdem geht es um das Drahtbonden in der Batterieindustrie und um aktuelle Entwicklungen beim Ultraschallschweißen.
Das Ultraschallschweißen, auch Ultraschallbonden (oder Ultraschallfügen) genannt, ist ein industrielles Schweißverfahren, das Kunststoffe, Metalle oder unterschiedliche Werkstoffe mithilfe von Ultraschallschwingungen verbindet. Während des Schweißens werden die Fügepartner in der Regel zwischen einer Aufnahme (dem Amboss) und einer Sonotrode gehalten, einem schwingenden Metallwerkzeug.
Überträgt die Sonotrode mechanische Schwingungen auf die zu verbindenden Oberflächen, entsteht durch Reibung Wärme. Diese Wärme verbindet die Werkstoffe typischerweise in 0,1 bis 1 Sekunde.
Das Ultraschallschweißen zählt zu den Pressschweißverfahren: Die Verbindung entsteht unterhalb des Schmelzpunkts, also in fester Phase. Das ist gerade beim Fügen von Metallen wichtig, wo hohe Temperaturen unerwünschte Werkstoffeigenschaften hervorrufen können.
Die folgende kurze Animation zeigt den Vorgang.
Am Anfang steht der Generator, ein kleines Gehäuse, das den ankommenden Strom in ein hochfrequentes Ultraschallsignal umwandelt.
Diese elektrische Energie geht an den Konverter (auch Schallwandler), der sie über schnell schwingende Scheiben in mechanische Schwingungen umsetzt. Die Größe dieser Schwingungen heißt Amplitude und ist einer der wichtigsten Parameter beim Einrichten einer Ultraschallschweißanlage.
Im Booster werden die Schwingungen anschließend verstärkt und an die Sonotrode (das Schweißhorn) weitergegeben. Dieses Metallteil führt die eigentliche Schweißung aus, indem es die Schwingungen auf die Bauteiloberfläche überträgt. Seine Form ist eigens auf die zu schweißende Oberfläche abgestimmt.
Das Verfahren wurde in den 1940er-Jahren erfunden und hatte seither Zeit, sich in ganz unterschiedlichen Branchen zu entwickeln. Ursprünglich für Metall gedacht, wurde es später auch für Kunststoffteile angepasst.
Ob sich Bauteile per Ultraschall schweißen lassen, hängt von ihrer Dicke ab. Als Faustregel gilt: Dicke Teile lassen sich nicht ultraschallschweißen. Die Obergrenze liegt meist bei wenigen Millimetern und richtet sich nach Anlage und Werkstoff.
Beim Ultraschallschweißen von Metall beschränken sich die Anwendungen auf duktile Metalle wie Aluminium, Kupfer und Nickel. Sehr verbreitet ist das Verfahren beim Verbinden von Anschlüssen in Mikroschaltungen sowie von Blechen, Folien, Bändchen und Drahtgeweben.
Die Einsatzgebiete verteilen sich über mehrere Branchen:
Das Ultraschall-Drahtbonden ist eine wichtige Technik für die Montage von Batteriemodulen. Zellen müssen über Drähte, die meist an der Oberseite des Moduls verlaufen, elektrisch mit Stromschienen (Busbars beziehungsweise Stromableitern) verbunden werden, damit sich der Strom verteilen kann.
Ein Beispiel: Rundzellen beim Drahtbonden.
Neben dem Ultraschallschweißen setzen Batteriehersteller beim Drahtbonden zunehmend auf Lasertechnik.
Die Reinigung ist ein wichtiger Vorbereitungsschritt für das Ultraschall-Drahtbonden, üblich sind Plasma- oder Laserreinigung. Und weil das Ultraschallschweißen an Grenzen stößt, kommen für das Fügen selbst teilweise ebenfalls Laser zum Einsatz.
Das Ultraschallschweißen setzt eine völlig saubere Oberfläche voraus, frei von Fett, Staub und anderen Verunreinigungen. Schon eine leichte Verunreinigung kann dazu führen, dass die Verbindung misslingt oder Korrosion entsteht.
Batterien müssen sorgfältig gereinigt werden, damit ihre Komponenten keinen Schaden nehmen. Mechanische Verfahren mit abrasiver Wirkung scheiden deshalb aus.
Manche Hersteller reinigen die Oberflächen von Hand, mit Isopropanol, Aceton und sauberen Tüchern. Die Ergebnisse können gut sein, für optimierte und schnellere Prozesse taugt diese Lösung aber nicht.
Derzeit ist die Laserreinigung das einzige Verfahren, das kleine, örtlich begrenzte Flächen einwandfrei reinigt und sich zugleich automatisieren lässt.
Ein Beispiel: Anoden und Kathoden bei der Laserreinigung.
Die Laserreinigung lässt sich unmittelbar vor dem Drahtbonden in die Fertigungslinie einbinden. Damit entfällt die Wiederverschmutzung, die sonst mit der Zeit eintritt. Wie das in der Praxis aussieht, zeigt unsere Case Study zur Beseitigung von Verunreinigungen vor dem Drahtbonden. Für weitere Informationen sprechen Sie mit einem Laserexperten.
Das Ultraschallschweißen ist flexibel, hat aber Grenzen: Es eignet sich nur für Überlappstöße. Schweißverbindungen lassen sich deshalb nicht in enge Bauräume legen, was das Batteriedesign einschränkt.
Bei neuen Batteriedesigns entscheiden sich deshalb viele Hersteller dafür, das Ultraschallschweißen durch Laserschweißen zu ersetzen.
Das Laserschweißen ist ein schnelles, berührungsloses Verfahren, das Oberflächen mit der Energie eines Laserstrahls verbindet. Es bietet dieselben Vorteile, die Batteriehersteller am Ultraschallschweißen schätzen:
Wenn Sie wissen möchten, ob sich Ihr Drahtbondprozess durch Laserschweißen ersetzen lässt, sprechen Sie mit einem Laserexperten.
Als technischer Experte und Berater für Batterien und elektrische Antriebssysteme verfügt Stéphane über einen Abschluss in Physik mit den Schwerpunkten Photonik, Optik, Elektronik, Robotik und Akustik. Im Rahmen seines Engagements für den Umstieg auf Elektrofahrzeuge hat er industrielle Akkupacks für E-Bikes entwickelt. Nebenbei betreibt er einen YouTube-Kanal rund um das Thema Elektrotechnik.
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