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Lasertechnik und moderne Mikrofügeverfahren – Ultraschallschweißen als Fügeverfahren einordnen

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Einleitung

Lasertechnik und moderne Mikrofügeverfahren – Ultraschallschweißen als Fügeverfahren einordnen

Kurzbeschreibung: Du ordnest das Ultraschallschweißen fachlich ein und untersuchst vor allem Werkstoffpaarung und Prozessprinzip. Zum Vergleich betrachtest Du das Laserschweißen als modernes Mikrofügeverfahren.

Zielgruppe: Ausbildung / Berufsschule im Bereich Metall-, Elektro-, Mechatronik- oder Fertigungstechnik.

Wichtig: Dieser Lernkurs vermittelt Grundlagen und Prozessauswahl. Er ersetzt keine Schweißerqualifikation, keine betriebliche Unterweisung und keine Freigabe zum Bedienen einer Anlage.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du

Fügeverfahren nach Energieeintrag und Wirkprinzip unterscheiden.
Ultraschallschweißen bei Metallen und Thermoplasten erklären.
eine Werkstoffpaarung begründet einem geeigneten Verfahren zuordnen.
Ultraschall- und Laserfügen hinsichtlich Wärmeeintrag, Kontakt, Sicherheit und Einsatzgebiet vergleichen.
Gefährdungen durch Schweißrauch bzw. Prozessrauche, Strahlung, Hitze, Strom, bewegte Werkzeuge und Brandgefahr erkennen.

Sicherheitsrahmen

Gefährdung	Konsequenz im Lernkurs
Laserstrahlung	Laserprozesse werden nur als fachlich geprüfte Modelle, Medien oder abgesicherte Ausbildungsdemonstrationen betrachtet. Keine offenen Strahlwege, keine Eigenbauten, keine Umgehung von Schutzumhausungen oder Verriegelungen.
Schweißrauch und Prozessrauche	Keine absichtliche Exposition. Bei realen Demonstrationen gelten Gefährdungsbeurteilung, geeignete Erfassung bzw. Absaugung und betriebliche Schutzmaßnahmen.
Hitze	Werkstücke, Werkzeuge und Fügezone können heiß werden. Im Kurs erfolgen keine unfreigegebenen praktischen Schweißversuche.
Strom	Generatoren, Laserquellen und Schweißanlagen werden nicht geöffnet, verändert oder elektrisch überbrückt.
Quetschen und bewegte Werkzeuge	Sonotrode, Amboss und Spanntechnik werden nur an abgeschalteten Lehrmodellen betrachtet oder unter Fachaufsicht demonstriert.
Brandgefahr	Laser- und andere thermische Prozesse dürfen nur in dafür vorgesehenen Ausbildungsbereichen mit festgelegten Schutzmaßnahmen demonstriert werden.

Merksatz: Technische Schutzmaßnahmen haben Vorrang. Für Laseranlagen gelten Gefährdungsbeurteilung, Unterweisung und die einschlägigen Anforderungen der OStrV und TROS Laserstrahlung.

Lerneinheit 1: Ultraschallschweißen einordnen

Ultraschallschweißen gehört zu den Schweißverfahren. Für metallische Werkstoffe wird es als Press- bzw. Festkörperschweißverfahren eingeordnet. Nach EN ISO 4063 wird Ultraschallschweißen mit der Prozessnummer 41 bezeichnet.

Bei Thermoplasten entsteht in der Fügezone durch mechanische Schwingungen Wärme; der Kunststoff wird lokal plastifiziert bzw. aufgeschmolzen und unter Druck verbunden.

Bei Metallen wirken hochfrequente Relativbewegung und Anpresskraft. Oberflächenfilme werden gestört, die Kontaktzone wird plastisch verformt und eine feste Verbindung entsteht typischerweise unterhalb der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs.

Beobachtungsauftrag zum EWI-Prozessvideo: Achte nur auf Werkzeugkontakt, Bauteilspannung und Bewegungsrichtung. Leite daraus keine Maschinenparameter ab.

Prozesskette

Bauteil	Funktion
Generator	erzeugt elektrische Hochfrequenz
Konverter	wandelt elektrische Energie in mechanische Schwingung
Booster	passt die Schwingungsamplitude im Schwinggebilde an
Sonotrode	überträgt die Schwingung auf das Werkstück
Amboss	stützt und positioniert das Werkstück
Fügezone	hier wirken Druck, Relativbewegung und lokale Erwärmung

Lerneinheit 2: Werkstoffpaarung

Werkstoffpaarung bedeutet: Welche beiden Fügepartner sollen verbunden werden und wie reagieren sie auf den Energieeintrag?

Werkstoffpaarung	Ultraschall-Eignung im Grundsatz	Begründung
Thermoplast + gleicher Thermoplast	häufig gut geeignet	Die Fügezone kann lokal plastifiziert bzw. aufgeschmolzen werden.
Thermoplast + anderer Thermoplast	nur nach Werkstoffprüfung	Schmelzverhalten und chemische Verträglichkeit müssen zusammenpassen.
Kupfer + Kupfer	gut geeignete metallische Anwendung	Leitfähige Nichteisenmetalle können im Festkörperprozess verbunden werden.
Aluminium + Aluminium	gut geeignete metallische Anwendung	Geringer Wärmeeintrag und kurze Prozesszeit sind vorteilhaft.
Kupfer + Aluminium	technisch möglich, aber anwendungsabhängig	Oberfläche, Geometrie, Schichtaufbau und Qualitätsanforderung müssen fachlich bewertet werden.
Duroplast + Duroplast	nicht als klassisches Ultraschall-Schweißen geeignet	Duroplaste schmelzen beim Erwärmen nicht erneut auf.

Faustregel für die Auswahl: Zuerst Werkstoffklasse und Bauteilgeometrie prüfen, erst danach das Verfahren festlegen.

Lerneinheit 3: Laser-Mikrofügen als Vergleich

Beim Laserstrahlschweißen wird optische Energie stark lokalisiert in die Fügezone eingebracht. Nach EN ISO 4063 trägt Laserstrahlschweißen die Prozessnummer 52. Der Prozess kann schmale Nähte und einen lokal begrenzten Wärmeeintrag ermöglichen.

Medienhinweis: Das Commons-Video zeigt einen industriellen Prozess. Im Lernkurs dient es ausschließlich der Prozessbeobachtung, nicht als Anleitung für Aufbau oder Betrieb einer Laseranlage.

Beobachtungsauftrag zum Fraunhofer-ILT-Video: Notiere drei Merkmale, die Mikrofügen mit Laserstrahlung von einem kontaktierenden Ultraschallprozess unterscheiden.

Direktvergleich

Merkmal	Ultraschall-Metallschweißen	Laser-Mikrofügen
Energieeintrag	mechanische Hochfrequenzschwingung	fokussierte optische Energie
Werkzeugkontakt	Sonotrode und Amboss kontaktieren das Bauteil	Energieeintrag grundsätzlich berührungslos
Metallischer Fügemechanismus	überwiegend Festkörperverbindung	meist lokales Aufschmelzen und Erstarren
Typische Werkstoffe	besonders Nichteisenmetalle wie Kupfer und Aluminium	viele Metalle, abhängig von Absorption, Geometrie und Prozessführung
Wärmeeinfluss	meist relativ gering	lokal stark konzentriert
Zentrale Schutzfrage	Quetschen, Schwingung, Lärm, Hitze, elektrische Anlage	Laserstrahlung, Reflexionen, Prozessrauch, Hitze, Brand

Ausbildungsfall: Sensormodul in Kleinserie

Ein Betrieb fertigt ein kompaktes Sensormodul. Eine dünne Kupferfolie soll mit einem Kupferkontakt dauerhaft verbunden werden. Das Gehäuse besteht aus ABS und soll nach der Montage geschlossen werden.

Dein Auftrag: Wähle für beide Verbindungen ein plausibles Fügeverfahren und begründe die Auswahl.

Sichere Arbeitsform: Du arbeitest mit Werkstoffkarten, Fotos und einem Papiermodell. Es wird nicht geschweißt.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Werkstoff: Ordne zuerst Metall oder Thermoplast zu.

Hilfe 2 – Mechanismus: Frage, ob die Verbindung eher durch Festkörperkontakt oder durch lokales Aufschmelzen entstehen soll.

Hilfe 3 – Entscheidung: Kupfer/Kupfer passt gut zum Metall-Ultraschallschweißen. ABS/ABS kann bei geeigneter Bauteil- und Nahtgestaltung ultraschallgeschweißt werden.

Begründetes Feedback: Eine gute Antwort nennt nicht nur das Verfahren, sondern verbindet Werkstoff, Energieeintrag, Fügemechanismus und Bauteilanforderung. Der Laser darf als technische Alternative diskutiert werden, ist in diesem Kurs aber kein frei zugänglicher Praxisprozess.

Modellaufgaben mit Feedback

Basisaufgabe

Ordne die Begriffe Generator – Konverter – Sonotrode – Fügezone in eine Wirkungskette.

Feedback: Richtig ist Generator → Konverter → Sonotrode → Fügezone. Die Kette zeigt den Weg von elektrischer zu mechanischer Energie bis zum Werkstück.

Anwendungsaufgabe

Eine dünne Kupferfolie soll mit einem Kupferkontakt verbunden werden. Nenne zwei Gründe, die für Ultraschallschweißen sprechen.

Feedback: Plausibel sind beispielsweise Festkörperfügen mit geringem Wärmeeintrag und die Eignung für dünne Nichteisenmetalle. Eine reine Aussage wie „weil es schnell ist“ reicht ohne Werkstoffbezug nicht aus.

Transferaufgabe

Erkläre, warum ein Laserprozess trotz hoher Präzision nicht automatisch die beste Wahl für jede Mikrofügeaufgabe ist.

Feedback: Eine begründete Antwort berücksichtigt Werkstoffabsorption, Bauteilgeometrie, Prozesskosten, Qualität, Wärmeeinfluss und den deutlich anspruchsvolleren Strahlenschutz.

Fachquellen und Medienrechte

Fachlich geprüft, Stand 07.10.2026:

DIN EN ISO 4063:2023-07 – Prozesssystematik und Ordnungsnummern.
OStrV – Schutz vor künstlicher optischer Strahlung.
TROS Laserstrahlung – Gefährdungsbeurteilung und Schutzmaßnahmen.
BAuA: Gefährdungen durch optische Strahlung beim Schweißen – Arbeitsschutz.
DVS: Metall-Ultraschallschweißen – Prozessbeschreibung, Qualitätsfaktoren und Bauteildesign.
Herrmann Ultraschall: Wirkprinzip und Werkstoffe – Ultraschallprozess.
TWI: Ultrasonic Welding – Festkörperprinzip bei Metallen.
Fraunhofer ILT: Mikrofügen mit Laserstrahlung – fachlich geprüfte Prozessmedien.

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien:

Ultraschall-Schweißmaschine.jpg – Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0.
Block-Sonotrode.png – Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0.
Ultrasonic Welding.JPG – NearEMPTiness, CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Ultrasonic sealing in food packaging.jpg – Roca9999, CC BY 4.0.
Fiberlaser1.png – MyNick, u. a. CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Laser class de.svg – Clemenspool, CC0.
Remote Fibre Laser Welding WMG Warwick.ogv – Richard Hewitt, Public Domain.

YouTube-Hinweis: Die Videos von EWI und Fraunhofer ILT werden nur als eingebettete externe Medien verwendet. Die jeweiligen Rechte verbleiben bei den Rechteinhabern; eine Weiterveröffentlichung als eigenes OER-Material ist dadurch nicht automatisch erlaubt.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Wirkprinzip kennzeichnet das Metall-Ultraschallschweißen? (Hochfrequente mechanische Schwingung unter Anpresskraft) (!Offener Lichtbogen zwischen zwei Elektroden) (!Chemische Aushärtung eines Klebstoffs) (!Erwärmung ausschließlich durch Heißluft)

Welches Bauteil überträgt beim Ultraschallschweißen die mechanische Schwingung direkt auf das Werkstück? (Sonotrode) (!Laseroptik) (!Schweißbrenner) (!Lötspitze)

Welche Werkstoffgruppe ist für Ultraschallschweißen besonders typisch? (Thermoplaste und bestimmte Nichteisenmetalle) (!Nur Keramiken) (!Nur Duroplaste) (!Nur Gusseisen)

Was geschieht beim Ultraschallschweißen von Thermoplasten in der Fügezone? (Der Kunststoff wird lokal erwärmt und plastifiziert oder aufgeschmolzen) (!Der Kunststoff wird galvanisch beschichtet) (!Der Kunststoff wird nur mechanisch verschraubt) (!Der Kunststoff wird durch offene Flamme verbrannt)

Was ist ein wesentliches Merkmal des Laser-Mikrofügens? (Stark lokalisierter optischer Energieeintrag) (!Energieübertragung nur durch eine Sonotrode) (!Verbindung ausschließlich durch Klebstoff) (!Fügen ohne jede Wärmeentwicklung)

Welcher Schritt steht bei der Verfahrensauswahl am Anfang? (Werkstoffpaarung und Bauteilanforderung prüfen) (!Zuerst die höchste Maschinenleistung auswählen) (!Zuerst die Schweißzeit möglichst groß wählen) (!Zuerst die Schutzvorrichtung entfernen)

Welche Gefahr ist bei Laserprozessen besonders zu berücksichtigen? (Gefährliche optische Strahlung) (!Nur Feuchtigkeit im Raum) (!Nur statische Elektrizität) (!Nur Materialfarbe)

Wo dürfen praktische Schweißarbeiten dieses Lernkurses stattfinden? (Nur im geeigneten Ausbildungsbereich unter Fachaufsicht) (!An jedem beliebigen Tisch) (!Zu Hause ohne Aufsicht) (!Mit selbst gebauter Laserquelle)

Welche Aussage zur Qualifikation ist richtig? (Der Lernkurs ersetzt keine Schweißerqualifikation) (!Der Lernkurs ersetzt jede betriebliche Unterweisung) (!Der Lernkurs berechtigt zum Öffnen einer Laserumhausung) (!Der Lernkurs ersetzt die Gefährdungsbeurteilung)

Welche Schutzmaßnahme hat beim Laserschutz grundsätzlich Vorrang? (Technische Schutzmaßnahme) (!Verzicht auf Unterweisung) (!Entfernen der Schutzumhausung) (!Arbeiten mit offenem Strahlweg)

Memory

Sonotrode	Überträgt die mechanische Schwingung auf das Werkstück
Konverter	Wandelt elektrische Hochfrequenz in mechanische Schwingung
Amboss	Stützt das Bauteil in der Fügezone
Thermoplast	Kann beim Schweißen lokal plastifiziert oder aufgeschmolzen werden
Laserstrahlung	Liefert fokussierte optische Energie
Gefährdungsbeurteilung	Grundlage für geeignete Schutzmaßnahmen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Sonotrode	Schwingung in das Werkstück einleiten
Amboss	Werkstück abstützen
Kupferfolie	metallischer Fügepartner
Thermoplast	lokal plastifizierbarer Fügepartner
Laserumhausung	Austritt gefährlicher Laserstrahlung verhindern

Kreuzworträtsel

Sonotrode	Welches Werkzeug überträgt Ultraschallschwingungen auf das Werkstück?
Konverter	Welches Bauteil wandelt elektrische Energie in mechanische Schwingung?
Thermoplast	Welche Kunststoffklasse kann beim Schweißen wieder aufgeschmolzen werden?
Laser	Welche Strahlquelle liefert fokussierte optische Energie?
Kupfer	Welches leitfähige Nichteisenmetall ist typisch für Metall-Ultraschallschweißen?
Amboss	Welches Werkzeug stützt das Bauteil gegenüber der Sonotrode?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Begriffsnetz: Erstelle ein kleines Begriffsnetz aus Generator, Konverter, Sonotrode, Amboss und Fügezone.
Medienanalyse: Markiere auf dem Bild der Ultraschall-Schweißmaschine Werkzeugbereich, Werkstückzone und Bedienbereich.
Werkstoffkarten: Sortiere vorgegebene Karten in Thermoplast, Metall, Duroplast und „weitere Prüfung nötig“.
Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat mit den fünf Stichworten Strahlung, Rauch, Hitze, Strom und Brand.

Standard

Prozesskette: Baue aus Papierkarten ein Modell der Energieumwandlung vom Generator bis zur Fügezone und erkläre jeden Schritt.
Ausbildungsfall: Begründe für Kupferfolie auf Kupferkontakt ein geeignetes Verfahren und nenne mindestens zwei Qualitätskriterien.
Verfahrensvergleich: Erstelle eine Tabelle zu Ultraschall- und Laserfügen mit Werkstoff, Energieeintrag, Wärmeeinfluss und Schutzbedarf.
Fachinterview: Befrage eine Fachkraft im Betrieb zur Frage, welche Faktoren vor einer Freigabe eines Fügeverfahrens geprüft werden. Keine Maschinenbedienung durch Lernende.

Schwer

Prozessauswahlmatrix: Entwickle eine Bewertungsmatrix für drei Mikrofügeverfahren und gewichte Werkstoffverträglichkeit, Qualität, Taktzeit, Investition und Arbeitsschutz.
Fehleranalyse: Untersuche einen fiktiven Fall mit schwankender Nahtqualität und leite mögliche Ursachen aus Werkstoff, Oberfläche, Spannung und Werkzeugzustand ab.
Gefährdungsbeurteilung: Entwirf für eine rein beobachtende Ausbildungsdemonstration eine Gefährdungsmatrix. Laserbetrieb bleibt vollständig eingehaust und unter Fachaufsicht.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo mit Modellen oder Zeichnungen, das Ultraschall- und Laserfügen vergleicht. Keine realen Schweiß- oder Laserexperimente filmen.

Lernkontrolle

Verfahrensentscheidung: Ein Bauteil aus dünnem Kupfer soll mit minimalem Wärmeeintrag verbunden werden. Begründe, warum Ultraschallschweißen eine geeignete Option sein kann und welche Randbedingungen trotzdem geprüft werden müssen.
Werkstofftransfer: Erkläre, warum ein Verfahren, das für ABS funktioniert, nicht automatisch für einen Duroplast geeignet ist.
Systemdenken: Zeige den Zusammenhang zwischen Generator, Konverter, Sonotrode, Anpresskraft und Fügequalität.
Vergleich Laser Ultraschall: Begründe an einem selbst gewählten Mikrofertigungsfall, wann der berührungslose Laserprozess einen Vorteil haben kann und wann Werkzeugkontakt durch Ultraschall sinnvoll ist.
Arbeitsschutztransfer: Erkläre, warum eine gute Prozessqualität niemals die Gefährdungsbeurteilung ersetzt.
Fehlerbewertung: Bei einer Ultraschallverbindung sinkt die Festigkeit. Entwickle drei fachlich plausible Prüffragen, bevor Prozessparameter verändert werden.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du

Ultraschallschweißen fachlich als Fügeverfahren einordnen kannst.
den Energiefluss von Generator, Konverter und Sonotrode erklären kannst.
Metall- und Thermoplastanwendungen unterscheiden kannst.
Werkstoffpaarungen begründet bewertest.
Ultraschall- und Laser-Mikrofügen anhand technischer Kriterien vergleichst.
Sicherheitsrisiken zu Strahlung, Rauch, Hitze, Strom und Brand fachgerecht berücksichtigst.
erkennst, dass praktische Arbeiten nur im geeigneten Ausbildungsbereich unter Fachaufsicht zulässig sind.
weißt, dass dieser Kurs keine Schweißerqualifikation oder Laserschutzqualifikation verleiht.