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Automatisiertes, stoffschlüssiges Fügen folienisolierter Flachleiter mit Oberflächenkontamination

Automated metallic continuity joining of flexible flat cables with surface contamination
 
: Adrian, J.

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Volltext urn:nbn:de:bsz:93-opus-23493 (5.2 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: bae77bc2c9c5fa8c0b2023a75212ce7c
Erstellt am: 04.08.2005


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Heimsheim: Jost-Jetter Verlag, 2005, 132 S.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005
IPA-IAO Forschung und Praxis, 418
ISBN: 3-936947-61-9
 
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IPA ()
folienisolierter Flachleiter; Oberfläche; Kontamination; Fügen; Fertigungsprozeß; Schweißen; Oberflächenprüfung

Abstract
Die Haupteinsatzbereiche folienisolierter Leiter liegen in Anwendungen mit der Notwendigkeit zur Gewichts- und zur Bauraumreduzierung. Der zu erwartende steigende Einsatz der folienisolierten Flachleiter verlangt nach automatisierten Fügelösungen mit Erfüllung der elektrischen Anforderungen und Erreichung der höchstmöglichen mechanischen Festigkeit.
Ziel der Arbeit ist es, wirtschaftliche Automatisierungslösungen zum stoffschlüssigen Fügen folienisolierter Flachleiter zu erarbeiten. Schwerpunkt der Arbeit ist die Ableitung der optimalen Fügeparameter aus einer vorherigen Oberflächenanalyse zur Sicherung einer gleichbleibenden Scherzugfestigkeit der Kontakte.
Ausgehend von einer Analyse des Standes der Technik werden die unterschiedlichen Abisolier- und Fügeverfahren, die eingesetzten Komponenten, Montagevorgänge, auftretende Fehler sowie Automatisierungshemmnisse ermittelt und darauf die Anforderungen an die Pilotanlage abgeleitet. Durch die geforderte universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens, wird keine Einschränkung in den Abisolierverfahren vorgenommen. Die besten Eigenschaften unter den Fügeverfahren werden mit dem Widerstandpunktschweißen erreicht. Unter Berücksichtigung des ausgewählten Verfahrens werden die notwendigen Untersuchungs- und Entwicklungsschwerpunkte abgeleitet. Zur Vorausberechnung der Prozessparameter ist die Aufnahme der Abisolationsrückstände notwendig. Basierend auf diesem Ergebnis ist die Berechnung der Parameter des Fügeprozesses möglich.
Die entwickelten Verfahren wurden in den Teilsystemen konzipiert und in einer Versuchszelle realisiert. Das prozessüberwachte Fügen konnte in der Versuchszelle nachgewiesen und eine hohe Verfügbarkeit und gute Wirtschaftlichkeit in den durchgeführten Versuchsreihen gezeigt werden. Das entwickelte Berechnungsverfahren wurde mit den durchgeführten Versuchen gut verifiziert. Damit wurde die Umsetzbarkeit des prozessüberwachten Fügens mit höchstmöglicher Scherzugfestigkeit nachgewiesen werden.

 

A fast increase of applications with flex wiring is expected according to space and weight problems. The limited automation in joining technologies leads into a wide range of contact features, like tensile strength, conductivity and heat impact. Therefore the development of an automated joining station considering variable input parameters is necessary. The aim of this thesis is a systematic work out of results for an automated high current joining technology for flexible flat cables with the highest possible tensile strength.
The analysis has shown that the resistance spot welding reaches the highest capability in high tensile strength and will therefore be implemented in the prototypical joining station. To implement a surface investigation, a comparison of different processes was required. This contact surface investigation is realised between the electrodes of the welding machine by measuring resistance.
Based on the results of these pre-tests, a software model for a process calculation was developed. The boundary condition to develop an economic tool demands simple and inexpensive software. This requires a tool with a manual input of only material and geometric properties. Creating a software-model has to be done by the software itself.
The welding process is influenced by thermal, mechanical and physical effects. Based on this information a tool has been developed to calculate the optimised process parameters for getting the highest possible tensile strength of the joining. To solve this problem a numerical calculation with several sub models is necessary. This software tool was implemented in a prototypical realisation of a joining station. The conclusion of this technology shows a high correlation with the pre-tests.
The developed software tool and the prototypical joining station show a high correlation of pre-tests and calculation. Therefore a joining of contaminated contact surfaces with the high tensile strength is possible.

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0 Abkürzungen und Formelzeichen S.13
1 Einleitung S.17
- 1.1 Problemstellung S.17
- 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise S.18
2 Stand der Technik S.19
- 2.1 Begriffe und Definitionen S.19
- 2.2 Abgrenzung des Produktspektrums folienisolierter Flachleiter S.20
- 2.3 Fügen folienisolierter Flachleiter S.21
- 2.3.1 Einfluss des Herstellungsprozesses auf den Fügeprozess S.21
- 2.3.2 Vorhandene Werkzeuge und Einrichtungen S.23
3 Analyse des Produktspektrums und Erstellung eines Anforderungsprofils an das automatisierte stoffschlüssige Fügen folienisolierter Flachleiter S.29
- 3.1 Analyse des Produktspektrums S.29
- 3.2 Analyse des automatisierten Fügeprozesses S.31
- 3.2.1 Handhabungs- und Positionierungsprozesse S.31
- 3.2.2 Oberflächenanalyse S.32
- 3.2.3 Fügeverfahren S.34
- 3.2.3.1 Charakteristika der Fügeverfahren S.34
- 3.2.3.2 Auftretende Mängel im Fügeprozess S.37
- 3.2.3.3 Verfahren zur Berechnung des Widerstandpunktschweißprozesses S.39
- 3.2.4 Automatisierungshemmnisse S.40
- 3.3 Ableitung von Versuchs- und Entwicklungsschwerpunkten S.41
- 3.4 Anforderungen an ein automatisiertes System zum stoffschlüssigen Fügen S.42
- 3.4.1 Gesamtsystem S.42
- 3.4.2 Handhabung und Positionierung von Trägerteil und folienisoliertem Flachleiter S.43
- 3.4.3 System zur Oberflächenbeurteilung S.43
- 3.4.4 System zum Fügen S.43
4 Konzeption von Teilsystemen zum stoffschlüssigen Fügen S.45
- 4.1 Ableitung von Randbedingungen bei der Systemkonzeption S.45
- 4.2 Lösungskonzepte zur Bereitstellung, Handhabung und Positionierung der Fügepartner S.46
- 4.3 Lösungskonzepte zur Oberflächenbeurteilung S.48
- 4.4 Lösungskonzepte zum Fügen S.50
- 4.5 Integration in ein Gesamtsystem S.51
5 Experimentelle Untersuchungen des Einflusses der Oberflächenkontamination auf den Übergangswiderstand und die mechanischen Kontakteigenschaften S.52
- 5.1 Untersuchung der Scherzugfestigkeiten der Fügestelle bei variierenden Prozessparametern und Eingangsgrößen S.53
- 5.2 Untersuchung der Einflussfaktoren auf den Übergangswiderstand S.57
- 5.2.1 Ermittlung des Übergangswiderstands zwischen Leiter und Leiter / Trägerteil S.58
- 5.2.2 Ermittlung des Übergangswiderstands zwischen Elektrode und Leiter / Trägerteil S.61
- 5.2.3 Einfluss des Abisolierverfahrens auf den Übergangswiderstand S.64
- 5.3 Betrachtung der Schweißpunkteigenschaften S.65
- 5.3.1 Vermessung des Schweißlinsendurchmessers S.65
- 5.3.2 Ermittlung der Elektrodeneinsinktiefe S.67
- 5.3.3 Bestimmung der Werkstoffhärte und des Härteverlaufs S.69
- 5.4 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse S.70
6 Entwicklung eines Verfahrens zur numerischen Berechnung der mechanischen Festigkeit einer Fügestelle von folienisolierten Flachleitern mit Oberflächenverschmutzung S.71
- 6.1 Berechnung der mechanischen Versagensbilder S.73
- 6.1.1 Berechnung des Versagensbilds Abscheren S.73
- 6.1.2 Berechnung des Versagensbilds Leiterabriss S.75
- 6.1.3 Berechnung des Versagensbilds Ausknöpfen S.77
- 6.2 Berechnung der Wärmeentwicklung an den Kontaktwiderständen S.81
- 6.2.1 Berechnung der Wärmeentstehung S.81
- 6.2.2 Theoretische Betrachtung des Übergangswiderstands S.82
- 6.3 Berechnung der Elektrodeneinsinktiefe S.86
- 6.4 Berechnung der Phasenumwandlung in der Schweißlinse S.87
- 6.5 Berechnung der Eigenspannungen in der Wärmeeinflusszone S.88
- 6.6 Berechnung der Wärmeleitung S.89
- 6.7 Untersuchung der Spritzerneigung im Schweißprozess S.90
- 6.8 Integration der Berechnungsbausteine zu einem Gesamtmodell S.92
- 6.9 Validierung des Berechnungsverfahrens S.97
- 6.9.1 Prozessvoraussetzungen zur numerischen Berechnung S.98
- 6.9.2 Abstimmung der Übergangswiderstände S.100
- 6.9.3 Vergleich der ermittelten Fügeparameter mit experimentellen Untersuchungen S.101
- 6.10 Bestimmung der Fügeparameter aus den ermittelten Größen der Oberflächenanalyse S.101
7 Realisierte Pilotanlage zum automatisierten stoffschlüssigen Fügen folienisolierter Flachleiter S.104
- 7.1 Gesamtaufbau der Pilotanlage S.104
- 7.2 Eingesetzte Werkzeuge und Komponenten S.105
- 7.2.1 Verwendete Komponenten S.105
- 7.2.2 Bereitstellung und Zuführung der Komponenten S.106
- 7.2.3 Eingesetztes Handhabungssystem S.106
- 7.2.4 System zur Oberflächenanalyse S.107
- 7.2.5 Verwendete Fügeeinheit S.107
- 7.3 Steuerungskonfiguration der Gesamtanlage S.107
- 7.4 Arbeitsablauf der Pilotanlage S.110
- 7.5 Versuchsergebnisse S.110
- 7.5.1 Taktzeiten S.110
- 7.5.2 Systemverfügbarkeit S.111
- 7.6 Folgerung aus den Versuchen S.112
8 Zusammenfassung und Ausblick S.113
9 Summary S.115
10 Literatur S.119
11 Anhang S.128