Big Splice per Ultraschall schweißen

Splices per Ultraschall herzustellen – also Kabel mit Kabeln zu verschweißen – ist im Niedervoltbereich und bei Kabeln mit kleinen Querschnitten inzwischen weit verbreitet. Aber auch Anwendungen im Hochvoltbereich mit einzelnen Kabelquerschnitten von 16 bis 95 mm² könnten von dieser Technologie profitieren. Deswegen laufen hierzu momentan verschiedene Forschungsprojekte und Weiterentwicklungen. Erste Projekte mit Querschnitten von bis zu 280 mm², sogenannte Big Splices, waren bereits erfolgreich. Welche Herausforderungen es auf dem Weg gibt, wie Lösungen aussehen können, welche Vorteile nutzbar werden und was in Zukunft noch möglich sein wird, zeigt dieser Beitrag. Die Schweizer Telsonic AG (Firmenkasten) ist weltweit führendes Unternehmen bei der Entwicklung und Herstellung von Ultraschalltechnologie für das Schweißen, Schneiden, Reinigen und Sieben. Um mit den eigenen Entwicklungen auch künftig führend zu sein, müssen Produkt- und Technologieunternehmen kontinuierlich in Forschung und Entwicklung neuer Produkte, Systeme und Methoden investieren. Kein Wunder also, dass die Experten für Ultraschalltechnologie stets an entsprechenden Weiterentwicklungen arbeiten. Ein Ruf, der ihnen offenbar vorauseilt. Denn OEMs und Tier-1-Lieferanten kamen mit verschiedenen Anfragen bezüglich Ultraschallschweißen größerer Leitungsquerschnitte auf Telsonic zu. Daraus ist nun ein System entstanden, mit dem sich Leitungen miteinander verschweißen lassen, und zwar für Leitungsquerschnitte von insgesamt bis zu 280 mm². Schon jetzt zeigt sich, dass künftig noch mehr möglich sein wird.

Big-Splice-Anwendungen

Die Anwendungen, in denen das Schweißen großer Leitungsquerschnitte per Ultraschall gefragt ist, sind vielfältig. Der Kfz-Bereich könnte davon beispielsweise stark profitieren sowohl bei PKW als auch bei Transportern und LKW. Denn durch Splices lassen sich beispielsweise teure Steckverbinder einsparen. Dazu zwei Beispiele: Elektrofahrzeuge haben heute in der Regel eine Ladebuchse an der linken oder der rechten Seite. Aufgrund der Länge von Ladekabeln ist bereits die richtige Anfahrt an die Ladesäule relevant, damit das Kabel von der Ladesäule bis in die Ladedose des Autos reicht. Eine Ladedose an jeder Seite des Autos wäre ein deutliche Komfortgewinn. Bislang benötigt man dafür in der Herstellung jedoch für jede Seite ein Kabel mit jeweils einem Stecker am Anfang und Ende, also eins für den Kontakt zur Ladebuchse und eins zur Verbindung mit der Batterie. Könnte man die von der Ladedose links und rechts kommenden Leitungen dagegen in der Mitte per Ultraschall verschweißen und dann mit einem gemeinsamen Kabel Richtung Batterie führen, ließe sich ein Stecker und ein Stück Kabel einsparen. Ähnliches gilt für die Leistungsverteilung von der Batterie hin zu den Antriebssystemen mit mehreren Motoren. Auch hier könnte durch einen Splice Stecker und Kabel eingespart werden. Damit das Ultraschallschweißen dicker Leitungen allerdings zuverlässig funktioniert, müssen einige Herausforderungen überwunden werden.

Herausforderungen beim Ultraschallschweißen großer Querschnitte

In typischen Anwendungen werden beim Litzenschweißen drei bis fünf Leitungen miteinander verschweißt. Eine Herausforderung liegt dabei im prozesssicheren Schweißen der Verbindungen. Im Knoten müssen die Leitungen in Längs- und Querrichtung immer gleich positioniert werden. Dabei gilt es zudem “Side-Splices” zu vermeiden, also Leitungen, die verrutschen und statt übereinander nebeneinander verschweißt werden. Auch der optimale Einlauf von Leitungen in den Knoten bei übereinander positionierten Leitungen ist relevant. Eine andere Herausforderung sind die hohen Leistungen, die bei dicken Leitungen benötigt werden, um den Schweißknoten komplett zu durchdringen und eine durchgehend hochwertige Verbindung herstellen zu können. Dabei müssen gleichzeitig jedoch Hitzenester vermieden werden, damit keine Einzeldrähte beschädigt werden. Bei sehr unterschiedlichen Leitungsquerschnitten, die in einem Knoten zusammenkommen, ist es nicht trivial, die optimalen Schweißparameter zu ermitteln. Auch die Isolation von Leitungen sollte vor Wärme und Spreizung in der Einlaufzone geschützt werden, damit es hier nicht zu Einrissen kommt.

Bis zu fünf Leitungen und Gesamtquerschnitt von 280 mm² per Ultraschall spleißen

Die Liste der Herausforderungen ist also lang. Dennoch ist es den Ultraschallexperten gelungen, ein System für ihre Ultraschallschweißanlage TelsoTerminal TT7 (Bild 1) zu entwickeln, das verschiedene Kombinationen großer Leitungsquerschnitte zuverlässig miteinander verschweißt. Zu den realisierten Projekten gehören zum Beispiel vier Leitungen mit einem Querschnitt von jeweils 70 mm² (also 280 mm² insgesamt, siehe Bild 2), vier Leitungen à 50 mm² (200 mm² gesamt) und eine 75 mm²-Leitung in Kombination mit drei 25 mm²-Leitungen (150 mm² in Summe) miteinander zu verschweißen (Bild 3). „Das sind nur einige konkrete Beispiele“, berichtet Shimaalsadat Mostafavi (Bild 4), Head of Metal Lab & Application Architect bei Telsonic. „Generell können wir aktuell beliebige Mischungen mit bis zu fünf verschiedenen Kupferleitung und einem Gesamtquerschnitt von 280 mm² per Ultraschall verschweißen. Demnächst werden wir auch Aluminiumleitungen in dieser Größenordnung als Splice schweißen können. Und auch bei den Querschnitten ist noch längst nicht das Ende des Machbaren erreicht.“

Gelungen ist dies den Schweizern durch eine Kombination verschiedener Technologien. Ein wesentlicher Schlüssel ist der Einsatz der PowerWheel Technologie, die Amplituden und Kraft zentrisch in der Mitte der Splices einbringt. Geschweißt wird dabei in einer wiegenden Abrollbewegung direkt über dem Fügebereich. Dadurch liegt die maximale Amplitude immer in der Mitte der Schweißfläche und die Leistung wird punktgenau innerhalb der Schweißzone eingebracht. Das sorgt nicht nur für eine ideale Durchdringung verschiedener Leitungsquerschnitte, es schützt auch die Leitungsisolation. Eine integrierte Weg- und Kraftmessung überwacht zudem die Genauigkeit des Fügeprozesses. Damit auch bei den hohen Leitungsquerschnitten der Prozess in kurzer Zeit abgeschlossen wird, sorgt eine Generatorleistung von 14,4 kW für kurze Schweiß- und Zykluszeiten. Bei der Ultraschallschweißmaschine lassen sich Kabel von links und rechts in den Schweißbereich einführen. Das erleichtert das Handling gerade bei großen Durchmessern deutlich. Damit keine Kabel verrutschen, werden sie mit speziellen Werkzeugen und Masken in Position gehalten. Erleichtert wird dem Anwender der gesamte Prozess von einer benutzerfreundlichen Bedienoberfläche und verschiedenen digitalen Prozessunterstützungen. Und weil auch die Daten aus dem Prozess für dessen Optimierung und die Qualität der jeweiligen Produkte relevant sind, werden diese nicht nur in der Maschine abgespeichert, sondern auch über eine standardisierte Datenschnittstelle ans MES oder die Automatisierungssysteme übergeben.

Wie eingangs beschrieben, profitieren schon jetzt etliche Anwendungen vom Spleißen großer Leitungsquerschnitte per Ultraschallschweißen. Trotzdem sind die Mitarbeiter von Telsonic sehr interessiert, welche weiteren Anwendungsfälle aus der neuen Technologie einen Nutzen ziehen können. Daher freuen sie sich über Feedback sowie weitere Pilotkunden, die das System für ihren Anwendungsfall testen möchten. Interessierte können dazu gerne Kontakt aufnehmen. Man darf jedenfalls gespannt sein, welche Einsatzbereiche sich das Ultraschallschweißen großer Leitungsquerschnitte in den kommenden Jahren noch erschließen wird.