Ultraschallschweissen dominiert die Kabelfertigung. Doch bei beschichteten Litzen, Mikrolitzen und den Gesamtkosten stösst das Verfahren an Grenzen, die Bosch Rexroth mit dem Widerstandsschweissen angehen will.
Autor: Eugen Albisser
Wer eine Ultraschallschweissanlage kauft, zahlt ungefähr so viel wie für eine Widerstandsschweissanlage. Trotzdem kostet das Ultraschallschweissen am Ende ein Vielfaches. Der Grund steckt in einem Bauteil, das in keiner Investitionsrechnung prominent auftaucht: der Sonotrode.
Diese Sonotroden, die den Ultraschall ins Material einleiten, nutzen sich ab. Ihre Geometrie ist komplex und die Fertigung aufwendig. Sobald die Oberfläche verschleisst, kann der Schall nicht mehr sauber übertragen werden, der Prozess wird instabil. Die Werkzeugkosten beim Ultraschallschweissen liegen deshalb um ein Vielfaches über denen des Widerstandsschweissens (siehe Chart «Ökonomischer Vergleich»).
Beschichtete Litzen als technischer Trumpf
In der Kabel- und Sensorfertigung gilt das Ultraschallschweissen seit Jahren als Standardverfahren. Die Branche kennt das Verfahren, die Maschinenparks sind darauf ausgerichtet. Bosch Rexroth, seit den 1950er-Jahren in der Branche aktiv und inzwischen Weltmarktführer im Widerstandsschweissen für den automobilen Rohbau, drängt nun mit einer Präzisionssteuerung in dieses Terrain. Die PXC7100, seit über zwei Jahren im Portfolio, ist das Instrument, mit dem das Unternehmen seit 2022 den allgemeinen Industriemarkt erschliesst.
Doch der Kostenvorteil ist nur ein Teil der Geschichte. Beim Widerstandsschweissen lassen sich beschichtete Litzen verarbeiten, etwa verzinnte Leitungen, wie sie in vielen Elektronikanwendungen zum Korrosionsschutz eingesetzt werden. Ultraschall kann beschichtete Litzen nicht verarbeiten. Auch Mikrolitzen, wie sie in der Medizintechnik vorkommen, brechen beim Ultraschallschweissen durch die hochfrequenten Schwingungen. Beim Widerstandsschweissen bleiben sie intakt.
Grafik: Ein ökonomischer Vergleich zwischen Widerstandsschweissen und Ultraschallschweissen. Quelle: Bosch Rexroth
Glatte Oberfläche, kürzere Prozesszeit
Die Oberflächenqualität trennt die beiden Verfahren zusätzlich. Widerstandsgeschweisste Verbindungen sind glatt, ultraschallgeschweisste rau. Für die Weiterverarbeitung, etwa das Einpressen in Steckverbinder, kann dieser Unterschied prozesskritisch werden. Auch der elektrische Übergangswiderstand der fertigen Verbindung fällt beim Widerstandsschweissen günstiger aus, weil sich der Kompaktiergrad gezielt einstellen lässt.
Dazu kommt die Prozesszeit: Der reine Schweissvorgang ist beim Widerstandsschweissen kürzer. Die Positionierung der Werkstücke ist weniger fehleranfällig als beim Ultraschall, wo die exakte Ausrichtung zwischen Sonotrode und Amboss über Erfolg oder Fehlschweissung entscheidet.
Gehirn und Hände aus verschiedenen Häusern
Bosch Rexroth liefert mit der PXC7100 allerdings nur die Steuerung, nicht die komplette Anlage. Für das Tooling, also Schweisskopf, Kompaktierwerkzeug und Kühlsystem, arbeitet das Unternehmen zum Beispiel mit dem autorisierten Partner KombiTec aus dem Allgäu zusammen. KombiTec hat mit dem KWZ-Splice ein Gesamtpaket für das Durchgangskompaktieren von Litzen entwickelt, das auf der Rexroth-Steuerung aufbaut. Das System verfügt über ein integriertes Wegmesssystem zur Überwachung der Kompaktierhöhe. Bosch Rexroth hat dafür einen spezifischen Kompaktier-Mode in die Steuerung integriert, der den Kompaktiergrad ermittelt, visualisiert und protokolliert. Kunden schicken Musterteile ins Schweisslabor von KombiTec, dort wird der Prozess entwickelt und die Anlage projektiert.
«Bosch Rexroth ist das Gehirn des Ganzen. Wir sind die Hände und Füsse», sagt Kai Rinkens, Geschäftsführer von KombiTec. Das Partnermodell erlaubt es Bosch Rexroth, branchenspezifische Anwendungen zu bedienen, ohne eigene Spezialmaschinen zu bauen. Was das Unternehmen aus dem automobilen Rohbau mitbringt, sind neben der Steuerungstechnik vor allem die Industrie-4.0-Fähigkeiten: IoT-Anbindung, Prozessdatenanalyse und vorausschauende Wartung, die in der Kabelfertigung bisher selten anzutreffen sind.
Denn das Ultraschallschweissen bleibt in bestimmten Bereichen überlegen: bei nichtleitenden Materialien wie Kunststoff, wo Widerstandsschweissen mangels elektrischer Leitfähigkeit gar nicht funktioniert, und bei Anwendungen, in denen die mechanische Festigkeit der Verbindung den Ausschlag gibt. Für Hersteller, die ausschliesslich Kupferlitzen kompaktieren, ist das Widerstandsschweissen eine wirtschaftlich interessante Alternative. Bei einem breiten Materialspektrum hingegen wird kein Verfahren das andere vollständig ablösen.
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Weitere Informationen:
Vergleich: Widerstandsschweissen vs. Ultraschallschweissen
Beschichtete Litzen: Widerstandsschweissen kann verzinnte Litzen verarbeiten, Ultraschall nicht.
Mikrolitzen: Ultraschall zerstört feinste Litzen durch Schwingungen; Widerstandsschweissen schont sie.
Oberflächenqualität: Widerstandsschweissen liefert glatte, Ultraschall raue Oberflächen.
Prozesszeit: Widerstandsschweissen ist im reinen Schweissvorgang schneller.
Positionierung: Beim Ultraschall ist die exakte Werkstückausrichtung prozesskritisch, beim Widerstandsschweissen toleranter.
Nichtleitende Materialien: Hier gewinnt Ultraschall, weil Widerstandsschweissen elektrische Leitfähigkeit voraussetzt.
Mechanische Festigkeit: Ultraschall kann im Vorteil sein, abhängig vom Material.
