Fertigungstechnik Crimpen an automatischen Pressen richtig überwachen

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Der Beitrag gibt einen Überblick zu den Methoden, wichtigen Einflussfaktoren und möglichen Fehlern bei der Überwachung des teil- und vollautomatischen Crimp-Prozesses in der Produktion.

Die Qualitätskontrolle von fertigen Produkten nach dem Produktionsprozess ist unwirtschaftlich. Eine Überwachung während des Produktionsprozesses minimiert die Fehlerquote und führt zur Optimierung der Prozesse. Dies gilt auch für die Anforderungen an elektrische Verbindungen zwischen Leitungen und Kontaktelementen.

Durch automatisierte maschinelle Überwachungsmethoden während des Crimp-Vorgangs (beispielsweise von offenen Crimp-Hülsen mit Crimp-Flanken bei B-Crimpungen) sollen Personen-abhängige Faktoren auf die Fehlerhäufigkeit minimiert werden.

Beim Konfektionieren von Kabeln bzw. Drähten oder einzelnen Adern z. B. in einem Crimp-Automaten werden elektrische Kontaktelemente (Crimp-Hülsen) an elektrische Leitungen gepresst bzw. gecrimpt. Dabei wird auf ein Crimp-Werkzeug, bestehend aus einem Oberstempel und einem Unterstempel (Amboss), ein konstanter Hub übertragen, wobei ein bestimmtes, im Crimp-Werkzeug positioniertes elektrisches Kontaktelement (der Crimp-Kontakt) an ein Aderende (z. B. mehrere Litzen) möglichst optimal kontaktierend verbunden wird.

Eine geeignete Hubgeschwindigkeit ist dabei erforderlich, um das Material entsprechend seiner Fließgeschwindigkeit zu verformen. Bei zu hohen Hubgeschwindigkeiten kommt es zu Stauchungen oder Brüchen der Werkstoffe. Der konstante ablaufende Hub soll gewährleisten, dass jede Crimp-Verbindung den gleichen definierten elektrischen Verbindungswiderstand und die gleiche Auszugskraft aufweist.

Dieses Ziel ist aber nicht in allen Fällen erreichbar, weil viele Einflussfaktoren wie das Abquetschen von Litzen, ein falsches Abisolieren, ungenaues Einlegen oder Werkzeugverschleiß die Crimp-Kraft und den Verbindungswiderstand beeinträchtigen können. Aus diesem Grund werden Crimp-Automaten mithilfe von Inspektiongeräten überwacht, um die Zuverlässigkeit der Crimp-Verbindungen zu beurteilen.

In der Regel verwendet man Überwachungseinrichtungen, die die Kraft erfassen (z. B. auf Basis von Piezo-Quarzen). Dabei werden die während des Crimpens entstehenden Kräfte erfasst und als Kraft-Zeit- oder Kraft-Weg-Verlauf aufgezeichnet (Bild 1). Die Kraft-Zeit- oder Kraft-Weg-Verläufe jeder Crimpung werden dabei mit einer zuvor erzeugten Referenzkurve verglichen. Die aus einer vorher eingestellten Toleranz herauslaufenden Kräfte detektiert eine Auswerteeinheit, die eine entsprechende Fehlermeldung ausgibt.

Ziel dieses Überwachungssystems ist es, die bei der Produktion auftretenden, die elektrische Qualität der Crimp-Verbindung beeinträchtigenden Crimp-Fehler zu erkennen und damit fehlerhaft produzierte Verbindungen auszusortieren.

Schwankungen in der Crimp-Kraft-Überwachung

Aufgrund der Kraft-Schwankungsbreite eines Crimp-Prozesses und der davon abhängig einzustellenden Toleranzbreite können jedoch auch Crimp-Fehler vorkommen, die diese Systeme nicht erkennen. Ursachen liegen nicht im Auswertesystem, sondern in den Kraft-Schwankungen während des Crimp-Prozesses selbst.

Die folgende beispielhafte Auflistung der die Kraft beeinflussenden Faktoren verdeutlicht die Komplexität der Zusammenhänge. Kraftschwankungen durch die Leiter: Dies wird beeinflusst durch Schwankungen des Leiterquerschnittes, den Werkstoff, die Anzahl der Drähte, die zu verbindende Ader, die Verteilung der Drähte im Draht-Crimp-Bereich und die Oberfläche der Drähte (z. B. mit Zinn beschichtet).

Kraftschwankungen durch die Crimp-Hülse: Dazu gehören Schwankungen in der Materialdicke, die Materialhärte bzw. Materialzusammensetzung, die Ausbildung einer Rillenprägung bzw. von Sicken oder Perforationen in der Crimp-Hülse, die Ausbildung einer Stanzphase der Crimp-Flanken, die Ausbildung eines Übergangs (Prüffenster) zu den Isolations-Crimp-Flanken.

Auch die Ausbildung eines Übergangs (Transition) zum Kontaktbereich, die Oberflächenbeschaffenheit (z. B. Beschichtung), die Schmierfähigkeit (z. B. des Werkstoffs oder der Beschichtung), die Länge des Draht-Crimp-Bereichs und die Länge der Draht-Crimp-Flanken (besonders wenn diese nach dem Einrollen auf dem Boden aufstoßen) können Ursachen sein.

Kraftschwankungen durch das Werkzeug: Das kann verursacht werden durch ungleichmäßigen Transport, die Ausbildung von Oberstempel-Phasen (für die Eingangs- und eventuell den Ausgangstrichter), das Stempelprofil, die Stempeloberfläche, die Führungsqualität der oberen Stempeleinheit, mechanischen oder pneumatischen Vorschub und die Umformgeschwindigkeit.

Kraftschwankungen durch das Umfeld: Hierzu zählen alle Kraftschwankungen, die durch die Crimp-Presse und deren Verschleiß sowie nicht ordnungsgemäß befestigte Führungen, Befestigungsplatten, externe Erschütterungen, Verschmutzungen, fehlerhafte Bauteile bzw. Einstellungen, Temperaturunterschiede usw. verursacht werden.

Darüber hinaus ist bei der Auswertung mittels Kraft-Zeit-Verlauf eine gleichmäßige Pressengeschwindigkeit wichtig. Die vorgeschriebenen Stempelkombinationen und Crimp-Höhen müssen zwingend verwendet bzw. eingehalten werden.

Alle vorgenannten Einflüsse führen zu Kraftschwankungen und bestimmen somit die Kraft-Schwankungsbreite des Crimp-Prozesses. Eine große Kraft-Schwankungsbreite des Prozesses bedeutet, dass die Toleranzgrenzen relativ weit gesetzt werden müssen, damit überhaupt eine kontinuierliche Produktion erreicht werden kann.

Welche Crimp-Fehler werden erkannt und welche nicht?

Die eingestellten Toleranzgrenzen bestimmen ihrerseits, welche Crimp-Fehler erkennbar werden. Bei weit auseinanderliegenden Toleranzgrenzen kann es vorkommen, dass Kraftunterschiede, hervorgerufen durch einen Crimp-Fehler, innerhalb der eingestellten Toleranzgrenze liegen und somit der Fehler nicht selektiert werden kann. Diese fehlerhafte Crimp-Verbindung wird dann, obwohl mit Überwachung gefertigt, als Gut-Teil weiterlaufen.

Wesentlich ist aber, dass ungünstige Leiterquerschnitte und/oder ungünstige Materialpaarungen zu nicht erkennbaren Fehlern führen können. Dies kommt insbesondere bei großen Kontaktteil-Materialdicken und kleinen Leiterquerschnitten vor. Hierbei können die Kraftanteile, die während des Crimpens auf das Kontaktteil entfallen, so groß sein, dass selbst gröbere Fehler im Draht-Crimp-Bereich nicht erkannt werden.

Demgemäß ist die Kombination von Leiterquerschnitt / Kontaktteil-Materialdicke wichtig für die Crimp-Überwachungsfähigkeit des Auswertesystems. Häufig wird empfohlen, auf eine günstige Kombination zu achten (dünnes Kontaktteil-Material / großer Leiter-Querschnitt), wenn das Überwachungsergebnis nicht beeinträchtigt werden soll. Diese Lösung ist aber nicht in jedem Fall praktizierbar.

Zudem wird versucht, die Selektivität der Crimp-Kraft-Kontrollgeräte zu erhöhen, indem langfristige Veränderungen ausgeblendet werden. Von Seiten der Gerätehersteller wird angeboten, eine Sollwert-Nachführung zu installieren.

Diese Sollwert-Nachführung kann beim Driften der Kraftwerte (hervorgerufen z. B. durch Temperaturdrift oder dergleichen) die Überwachungskurve und den Toleranzwert nachführen. Insofern ist es möglich, die Toleranz enger an den Prozess anzulegen und sporadische Ergebnisse, wie Crimp-Fehler, besser zu erkennen. Alle bisherigen Mittel, die Crimp-Prozessüberwachung zu verbessern, zielen auf eine bessere Erkennbarkeit ab, sind aber sehr aufwendig und teuer und ergeben nur relativ geringe Fortschritte.

Methoden zur Überwachung des Crimp-Prozesses

Es gibt unterschiedliche Methoden um den Crimp-Prozess zu überwachen. Die wichtigsten Methoden werden in diesem Artikel beschrieben. Es handelt sich um Zusammenfassungen einiger gültiger bzw. abgelaufener Patente (siehe Literatur). Zurückgezogene Patente wurden hier nicht berücksichtigt. Einige Methoden sind nach derzeitigem Kenntnisstand noch nicht technisch um- und eingesetzt (Stand Februar 2021).

Eine Methode misst mit Kraftsensoren die Crimp-Kraft zwischen Oberstempel und Amboss und ggfs. auch noch den Crimp-Kraft-Verlauf während des Crimp-Vorganges. Dabei werden Über- und Unter-Crimpungen als Sollwert-Abweichungen erfasst. Diese Methode erfordert einen erheblichen apparativen Aufwand und ist außerdem anfällig gegen Kraftschwankungen, die z. B. durch Schwergängigkeit von Führungen, Änderung am Fettzustand des Werkzeugs, Schmierfähigkeit der Materialien, Härteschwankungen der Werkstoffe; Oberflächen-Beschaffenheit; mechanische Transport-Einrichtungen; Verteilung der Drähte im Draht-Crimp-Bereich usw. hervorgerufen werden. Daraus ergibt sich, dass die Krafterfassung von vielen Faktoren abhängt, die zwangsläufig zu einer relativ großen Ungenauigkeit des Systems führen müssen.

Bei der Messung der Sollwert-Abweichung von der Crimp-Höhe werden Sollwert-Abweichungen von einer vorbestimmten Crimp-Höhe mit einem Weg-Messsystem festgestellt. Die Detektion durch dieses System muss im µm-Bereich erfolgen, da nur die Aufbiegung des Pressenkörpers unter Last gemessen wird.

Bei der Messung des Kraft-Verlaufs und Sollwert-Abweichung der Crimp-Höhe werden die beiden vorher beschriebenen Methoden kombiniert. Diese Methoden erfordern ebenfalls einen erheblichen apparativen Aufwand, weil die Kraft-, insbesondere aber die Höhenunterschiede bei mangelhaften Crimpungen sehr gering sind.

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Diese Methoden gewährleisten zudem keine zufriedenstellende Qualitätssicherung bei einer Überpressung des Crimps für besonders hochwertige Kontaktierungen. Bei einer derartigen Überpressung sollen die normalerweise auf den Litzendraht-Oberflächen stets vorhandenen Oxid-Schichten aufgerissen werden, so dass die Crimp-Flanken und die Litzendrähte untereinander Zugang zum reinen Litzendraht-Metall haben, wodurch eine optimale elektrische Leitfähigkeit gewährleistet wird. Nach Einsetzen des Fließens ist der Kraftbedarf annähernd gleich.

Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, dass eine Spitzenkraft- oder kraftabhängige Wegmessung eine geringe Querschnittsreduzierung nicht erkennen kann, da der Kraftwert in jedem Fall erreicht wird, jedoch die axiale Längung nur unzureichend stattfindet. Bei einer Auswertung des Kraftverlaufs (Kraft über Zeit oder Weg) ist dieses eher zu sehen, da sich eine kürzere Kurve ergibt. Die Unterschiede sind aber relativ gering und somit schlecht auswertbar. Außerdem muss aufgrund der zahlreichen kraft-beeinflussenden Faktoren ein relativ großes Toleranzband vorgegeben werden.

Die Methode der Längenänderung der Crimp-Hülse geht davon aus, dass sich die Litzendrähte und die Crimp-Hülse beim Pressvorgang in gewissen Dimensionen auch längen. Aufgrund des Pressenaufbaus (z. B. Exzenter) wird ein fester Weg zurückgelegt, d. h. es wird ein definierter unterer Totpunkt durchfahren. Die Crimp-Breite und Crimp-Höhe können somit als fix angenommen werden.

Bei einer ideal steifen Presse ergibt sich, dass als einzige veränderliche Größe die Längung des Crimps bleibt. Bei den Pressen muss allerdings mit einer Aufbiegung unter Last gerechnet werden, d.h. aber auch, dass die Längenänderung des Crimps von der Aufbiegung der Crimp-Presse abhängt. Im überpressten Bereich sind alle Litzendrähte und das Kontaktmaterial so weit verpresst, dass keine weitere Verdichtung vorgenommen werden kann.

Eine weitere Abnahme der Crimp-Höhe wird also unmittelbar in Längung umgesetzt. Wenn dieser Längungsprozess eingesetzt hat, beginnt der Werkstoff in axialer Richtung zu fließen. Bei einer Erfassung der Verbinderlängung wirken sich Kraft-Schwankungen nicht so stark auf das Messergebnis aus. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Umformgeschwindigkeit eine nicht so große Rolle spielt.

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Bei Einstellung einer bestimmten Crimp-Höhe der Crimp-Werkzeuge für einen ordnungsgemäßen, optimalen Crimp ergibt sich eine reproduzierbare Längung. Abweichungen von dieser Längung beinhalten Mängel im Crimp.

Im Vergleich zur Hubdifferenz bei einem mangelhaften Crimp ist die entsprechende Längungsdifferenz (bei dieser Methode) beim gleichen mangelhaften Crimp wesentlich größer (z. B. sechsmal so groß) als bei den oben beschriebenen Methoden.

Dieses Verfahren gewährleistet daher eine sehr viel genauere und empfindlichere Messung mit gleichen Messsystemen, so dass auch eine sehr viel höhere Treffer-Quote im Falle einer mangelhaften Crimpung erzielt werden kann. Es können deshalb auch weniger empfindlichere Mess- und Auswertesysteme verwendet werden, so dass entsprechend kostengünstige Überwachungseinrichtungen installiert werden können. Dies können optische Systeme sein, die eine Kante der Crimp-Hülse erfassen und die Längenänderung auswerten.

Bei der Messung der Absiolierfehler werden durch Metalldetektoren die Abisolierabschnitte des zu verbindenden Leiters untersucht, um Drahtabschnitte vor dem Crimpen zu erkennen, die die Crimp-Qualität nachteilig beeinflussen können.

Crimp-Kraft in der Produktion richtig überwachen – die Tipps

Bei halb- oder vollautomatischem Crimpen sollten Sie vorzugsweise eine Crimp-Kraftüberwachung vorsehen, um Schlecht-Teile zu erkennen und zu separieren. Die Crimp-Vorrichtungen müssen so ausgestattet sein, dass eine gleichbleibend hohe Crimp-Qualität gegeben ist und fehlerhafte Teile zuverlässig aussortiert werden.

Die Sensibilität einer Crimp-Kraftüberwachung sollten Sie so einstellen, dass ein Fehler gemeldet wird, wenn der Leiter-Querschnitt durch abgetrennte Drähte um mehr als 5 Prozent reduziert ist, wenn sich Isolationsmaterial im Draht-Crimpbereich befindet, das mehr als 1/3 der Länge des Draht-Crimpbereichs einnimmt (Länge gemessen vor dem Crimpen).

Die Crimp-Kraftüberwachung ist eine Kraft-Weg-Messung beim Arbeitshub des Crimp-Werkzeuges. Die Kraft-Weg-Kurve eines ordnungsgemäßen Crimps bewegt sich innerhalb eines Sollverlaufs.

Diese Sollkurve (oft als Headroom bezeichnet) wird durch Anlernen ermittelt:

• nach jedem Ändern der Werkzeug-Einstellung;

• nach jeder Werkzeug-Aufspannung und jedem Werkzeug-Wechsel;

• nach jedem Wechsel der Crimp-Kontakt-Rolle.

Um die Qualität der gefertigten Crimp-Verbindungen sicherzustellen, sollte der Lern-Crimp anhand eines Schliffbildes und den damit messbaren Crimp-Maßen beurteilt werden.

Der Headroom ist der Bereich, der als Hub zwischen der Leer-Crimpung und der Voll-Crimpung mit dem Litzenleiter zu erkennen ist. Im Normalfall sollten ca. 35 Prozent Head room verbleiben, um eine gute Auswertung zu erreichen.

Die Qualität der Überwachung unterscheidet sich nach der Anzahl der Drähte unterscheidet. Bleiben nur wenige Kraftanteile für die Detektion eines Fehlers übrig, kann die Crimp-Kraftüberwachung nicht mehr die notwendige Sicherheit liefern. Die Bilder 2a bis d veranschaulichen dies.

Sinkt der prozentuale Anteil des Headrooms oder steigt die Anzahl der einzelnen Drähte (z. B. IEC 60228 KL 6) deutlich an, bleibt für die Detektion eines Fehlers nicht mehr genügend Spielraum. Das kann z. B. dazu führen, dass, obwohl einzelne Drähte fehlen, zurückgefaltet sind oder Isolationsreste sich im Draht-Crimpbereich befinden, die Überwachung dies nicht mehr erkennt.

Der erste leichte Kurvenanstieg in den Bildern 2a bis d ergibt sich aus dem Übergang der Crimp-Flankenberührungen am Oberstempel in den Übergang zur Einrollphase. Entgegen anderen Angaben in diversen Publikationen hat dieser Kurvenanstieg nichts mit dem Vorschub zu tun, da der Crimp-Kontakt bei Beginn des Crimp-Vorgangs bereits auf dem Amboss liegt. Der Vorschub erfolgt in der abfallenden Kurvenflanke.

Veränderte Kräfte beim Vorschub durch mangelnde Schmierung oder Verunreinigung in der Schmierung können zu Fehlinterpretationen führen, weshalb oft ein pneumatischer Vorschub bevorzugt wird.

Literatur

[1] Patent DE4215163: Axel Broschat, Rudolf Reinertz, Grote & Hartmann GmbH & Co. KG 1992, Version A1, 11.11.1993, Version C2 1995-01-05, Patent abgelaufen am 5.9.2012

Hinweis: Die Grote & Hartmann GmbH & Co. KG wurde 2004 durch die Lear Corporation übernommen. Im Jahr 2014 erwarb die Schleuniger Holding AG von der Lear Corporation die Tochtergesellschaft Grote & Hartmann Engineering GmbH (GHWE), diese firmiert nun unter Schleuniger Automation GmbH.

[2] Patent DE19840275, JP-H09161938-A, US-6625884-B1: Yoshihiro Fukase, Toshihiro Maki, Yazaki Corp., Version A, 1997-09-04, Version C, 2002-08-14, Patent abgelaufen am 9.5.2018.

[3] Patent DE4038658: Karl-Heinz Gloe, Harald Biehl, TE Connectivity Corp, Version A, 1989-12-05, Version C2, 1993-05-19, Patents abgelaufen am 12.5.2010.

[4] Patent DE1990319: Axel Broschat, Rolf Windhagen, Grote & Hartmann GmbH & Co. KG, Version A1, 1999-01-27, Patent am 8.3.2000 zurückgezogen.

* Stephan-Johannes Paul ist als Consultant für Kabelkonfek­tionen in Walkenried tätig.

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