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Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N 3 Einleitung 3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung Das Metall-Ultraschallschweißen (M-USS) ist ein industriell weit verbreitetes Verfahren, welches aufgrund seiner kurzen Schweißzeiten und guten Automatisierbarkeit sehr wirtschaftlich ist. Durch den vergleichsweise geringen Energiebedarf sowie den Verzicht auf spezielle Umgebungsmedien und Zusatzwerkstoffe arbeitet das Verfahren zudem umweltfreundlich. Des Weiteren werden unzulässige Eigenschaftsänderungen geometrischer und metallurgischer Natur innerhalb der Fügezone vermieden, da die Verbindungsbildung in fester Phase erfolgt. Abbildung 1: Industrielle Anwendungsbeispiele des Metall-Ultraschallschweißens [Bildquellen v.l.n.r.: ISF der RWTH Aachen University, ISF der RWTH Aachen University, Schunk Sonosystems, Kulicke & Soffa Industries] Das M-USS eignet sich besonders für Mischverbindungen und für weiche Kupfer- und Aluminiumlegierungen. Daher kommt das Verfahren vorwiegend im Bereich der Elektrotechnik zum Einsatz. Typische Anwendungsfelder (siehe Abbildung 1) sind nachfolgend beschrieben: • Bordnetz: Litzenschweißen bzw. -kompaktieren, Verbindungen Litze / Flachleiter - Terminal im Kraftfahrzeugbau und sonstigen mobilen Anwendungen (Schienen- und Luftfahrzeugbau) • Elektrische Komponenten und Geräte: Kupfer-Lackdrahtschweißen in Elektromotoren, Kontaktieren von Kondensatoren, Fertigung von Röhrenkollektoren in der Solartechnik • Batterietechnik: Artgleiche Verbindung von Zellpol und Elektrodenfolien bei der Montage von Li-Ionen-Pouchzellen (hier ist M-USS konkurrenzlos), Verschaltung (Seriell → Al-Cu- Mischverbindung; Parallel → Cu-Cu- / Al-Al-Verbindung) von Li-Ionen-Batteriezellen für Elektro- und Hybridfahrzeuge, Unterhaltungselektronik, etc. • Leistungselektronik: Verschweißen von elektrotechnischen Bau- und Anschlusselementen in Leistungshalbleitern (IGBT-Bauteile, Thyristoren, Leistungsdioden, etc.) im Bereich der Energieerzeugung und -übertragung, Fahrzeug-, Hochfrequenz- u. Haushaltstechnik Von Seiten der Industrie wird der M-USS Prozess überwiegend als ein umweltfreundliches Fügeverfahren angesehen. Verfahrensmerkmale, wie der geringe Energiebedarf, der Verzicht auf Zusatzwerkstoffe und Schutzgase sprechen aus ökologischer Sicht für diese Einschätzung. Neben diesen Vorteilen, wird weiterhin in der Literatur behauptet, dass beim M- USS keine Dämpfe (sowie Flammen und Funken) auftreten [WAG+12]. In der Praxis können während des M-USS hingegen Schweißrauche, Gase und Stäube beobachtet werden, die in Abhängigkeit der verwendeten Fügewerkstoffe, Schweißparameter und sonstigen produktionsseitigen Randbedingungen (z.B. Taktrate, Schweißwerkzeuge, etc.)
Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N unterschiedlich ausgeprägt sind. Das Entstehen dieser Emissionen erfordert einen erhöhten Reinigungs- und Wartungsaufwand, was nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht ist. Für einen einwandfreien Betrieb müssen Führungen, Koppelflächen und beispielsweise auch integrierte Anlagensensorik möglichst staubfrei gehalten werden. Hier erhöhen insbesondere schwer zugängliche Stellen und schmale Spalte den Reinigungsaufwand, da Anlagenkomponenten und Baugruppen zuvor demontiert werden müssen. Weiterhin bestätigen Berichte seitens der Industrie (Firma Schunk Sonosystems), dass das Schweißen von Polyvinylchlorid (PVC)-Leitungsmaterial im Bereich der Kabelkonfektion zu einem erhöhten Anlagenverschleiß durch Korrosion von Anlagenkomponenten führt. Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtung ist die temperaturbedingte Zersetzung von PVC, bei der sich gasförmige Salzsäure abspalten und Korrosion verursachen kann [MAI+16]. Neben erhöhten Ausfallzeiten der Schweißanlage durch aufwändige Wartungs- und Reinigungsarbeiten ist ebenso das Fügen von elektronischen Systemen, die empfindlich auf leitfähige Metallstäube reagieren, derzeit nicht bzw. nur durch einen zusätzlich nachgelagerten Reinigungsschritt möglich. So wird Berichten der Industrie zufolge beim Ultraschallschweißen von Leistungshalbleitern der Prozess gelegentlich in Überkopf-Position ausgeführt, um die Ablagerung von Metallstäuben an den Produktoberflächen zu verhindern. Auf der anderen Seite besteht durch die Emissionen eine potentielle Gesundheitsgefährdung für den Anlagenbediener, die abhängig von Größe, Form und Konzentration der emittierten Gase und Partikel sowie deren stofflichen Eigenschaften ist. Bei der Bewertung der Gefährdung durch partikelförmige Emissionen spielt neben der chemischen Zusammensetzung auch die Partikelgröße eine wichtige Rolle, da sie entscheidet, ob Partikel respirierbar sind (< 10 µm) oder gar bis in die Alveolen vordringen können (< 5 µm) [BRA+13]. Die Zusammensetzung des Gases oder des Partikelmaterials entscheidet über die jeweilige biologische Wirkung des Schweißrauches. Prinzipiell können drei verschiedene Typen von Wirkungen beobachtet werden: Eine (1) kanzerogene Wirkung geht zum Beispiel von den Metalloxiden (Chrom VI, Nickel) aus. Eine (2) toxische Wirkung wird bei den Gasen Kohlenmonoxid und Ozon beobachtet und eine (3) inflammatorische, also entzündliche Reaktion findet man bei kupfer- und zinkhaltigen Schweißrauchen [BRA+16, BRA+19, GUB+14, HAR+14, MAR+16, KRA+18]. Daher ist für eine Risikobewertung von Emissionen neben einer vollständigen chemischen Charakterisierung auch die Ermittlung der Partikelgrößenverteilung von Bedeutung. Gemäß Arbeitsschutzgesetz ArbSchG und der Berufsgenossenschaftlichen DGUV-Vorschrift 1 sind Unternehmen verpflichtet für Sicherheit und Gesundheit ihrer Beschäftigten am Arbeitsplatz zu sorgen. So sind im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung nach GefStoffV der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin potentielle Gefährdungen zu beurteilen und ggf. Maßnahmen abzuleiten sowie umzusetzen. Eine wichtige Grundlage für die Gefährdungsbeurteilung in Unternehmen bilden hier beispielsweise die Arbeitsplatzgrenzwerte in der TRGS 900 [TRG+06] und der TRGS 910 [TRG+14]. Die TRGS 528 bietet darüber hinaus weitere spezifische Grundlagen zur Gefährdungsbeurteilung von Schweißprozessen, in der das M-USS bisher nicht erwähnt wird. Aufgrund fehlender arbeitsmedizinischer Studien über Emissionen beim M-USS und dem gleichzeitig umweltfreundlichen Image des Prozesses werden Schweißanlagen in der Regel ohne Absaugvorrichtungen betrieben. Ein Gefahrenbewusstsein, wie es bei anderen Schweißprozessen heute schon weit verbreitet ist, ist daher kaum vorhanden. Die eigenen Untersuchungen machen jedoch deutlich, dass die beim M-USS emittierten gas- und partikelförmigen Stoffe eine potentielle Gesundheitsgefahr darstellen. Neben den erläuterten
Seite 1: 2023 Abschlussbericht DVS-Forschung
Seite 4: Bibliografische Information der Deu
Seite 7: Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-

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