Elektromobilität: Dreifach profitiert mit Ultraschall

Eines der zentralen Bestandteile des Batterie-Notentgasungssystems von KACO ist eine feine Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE), die für den notwendigen Druckausgleich sorgt. Beim gemeinsamen Schweißprojekt mit Herrmann ging es zunächst darum, dieses sensible Bauteil mit einem Kunststoffgehäuse zu verbinden.

Die Herausforderung: Die Membran muss trotz ihres geringen Gewichts und einer leichten Wölbung exakt mittig in das Gehäuse eingepasst werden. Da alle Bauteile der Anwendung genau aufeinander abgestimmt sind, kann es bei einer unsauberen Platzierung der Membran zu Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit innerhalb des Systems kommen. Als sicherheitsrelevante Applikation für batteriebetriebene Fahrzeuge muss diese jedoch zu jeder Zeit gewährleistet sein.

Saubere Verbindungstechnologie gesucht

KACO hat sich aus verschiedenen Gründen gegen die übliche Verbindung von Membranen mit einem Kunststoffgehäuse mittels Klebstoff entschieden. Es zeigte sich, dass mit diesem Verfahren eine exakte Zentrierung der Membranen aufgrund der Verformung nur schwer umsetzbar gewesen wäre. Zudem hätte das Aushärten des Klebstoffs zu längeren Produktionszeiten geführt und die Chemikalien hätten sich negativ auf die Atmungsfähigkeit der feinen Membran auswirken können.

Deshalb beschloss KACO, auf Ultraschall als saubere und schnelle Verbindungstechnologie zu setzen, mit der man gegenüber dem Klebeverfahren auch Energie und Ressourcen sparen konnte. Herrmann konnte innerhalb kürzester Zeit nach der Anfrage in den ersten Grundsatzversuchen zeigen, dass sich die Membran zuverlässig und stoffschlüssig durch Ultraschall mit dem Kunststoffgehäuse verbinden ließ. Aufgrund des Drucks der Sonotrode auf die Membran während des Schweißprozesses stellt deren leichte Wölbung kein Problem dar. Ohne auf zusätzliche Fügemittel angewiesen zu sein, bleiben die ursprünglichen Materialeigenschaften der feinen Membran auch nach der Schweißung erhalten.

Individuell, pneumatisch, sicher

Um die exakte Zentrierung des Fügepartners in der Applikation sicherzustellen, entwickelte man eine individuelle Haltevorrichtung, die in die Werkstückaufnahme integriert wurde. Sie erleichtert es dem Benutzer am Handarbeitsplatz, die Membran ideal für den Schweißprozess zu positionieren und verhindert ein Verrutschen des Fügepartners. Für die Schweißversuche wurde diese Haltevorrichtung noch manuell bedient, in der Serienproduktion soll sie automatisiert über Pneumatik gesteuert werden.

Durch die Kombination einer solchen individuellen Haltevorrichtung sowie einer Anpassung der Schweißparameter konnte die exakte Versiegelung der Membran gewährleistet werden. In Schnittbildern wurde die Qualität des Schweißergebnisses evaluiert. Dabei bestätigten sich die Ergebnisse der ersten Schweißversuche: Unter dem Mikroskop zeigte sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Membran sowie dem Kunststoffgehäuse, sodass die Kundenanforderung vollständig erfüllt werden konnten.

Weitere Anwendungspotenziale entdeckt

Zusätzlich zur Versiegelung der Membran zeigte das Engineering Team von Herrmann weitere potenzielle Anwendungsmöglichkeiten der Ultraschalltechnologie, die zu einer schnellen und sicheren Serienproduktion der Applikation beitragen konnten.

Gemeinsam wurden weitere Schweißprozesse entwickelt, um etwa den Kunststoff-Deckel für das Notentgasungssystem auf das Kunststoffgehäuse mit der versiegelten Membran zu verschweißen. Dabei legte KACO größten Wert auf eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner. Diese Anforderung konnte bereits in den ersten Schweißversuchen im Labor umgesetzt werden.

Auch für das Einsenken von Buchsen geeignet

Um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten, werden jeweils vier solcher neuentwickelten Notentgasungssysteme pro Batteriekasten befestigt. Für diesen Zweck werden pro System zwei Messingbuchsen in das Kunststoffgehäuse der Applikation eingelassen. Da dieser Prozess ebenfalls mit Ultraschall realisiert werden kann, entschied sich KACO nach einer Beratung mit dem Herrmann-Team dazu, auch hier auf das zuverlässige Fügeverfahren zu setzen.

Beim Einsenken der Messingbuchsen liegt die Sonotrode direkt auf den Buchsen auf und regt diese durch die Vibrationen des Ultraschalls zum Schwingen an. Der Schall wird durch die Buchsen auf den Kunststoff des Gehäuses übertragen, wodurch dieser zu schmelzen beginnt. Diese Schmelze fließt in die Hinterschnitte der Buchsen ein und erzeugt damit eine feste Verbindung. Diese Art des Einsenkens schont das Material und sorgt gleichzeitig für ein Ergebnis mit perfekter Optik.

Enge Beratung eröffnet volles Ultraschall-Potenzial

Das gemeinsame Schweißprojekt zwischen KACO und Herrmann verdeutlicht die Vielseitigkeit der Ultraschall-Schweißtechnologie. Von der Versiegelung der Membran über die Verschweißung zweier Kunststoffbauteile bis hin zum Einsenken von Messingbuchsen in das Gehäuse bietet das Fügeverfahren bei jedem Prozessschritt mit präzisen, sauberen und schnellen Verbindungen einen enormen Mehrwert.

Entscheidend dafür ist ein erfahrener Ultraschall-Experte, der durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden dessen Bedürfnisse erkennt und beim Einsatz der Fügetechnologie beraten kann. Das ermöglicht es, das volle Potenzial des Ultraschallschweißens für eine wirtschaftliche und effiziente Serienproduktion zu nutzen.