Grundlegende Untersuchungen zur Erweiterung der Prozessgrenzen beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wird das Laserstrahlschweißen von Kunststoffen im Konturverfahren hinsichtlich verbesserter Spaltüberbrückbarkeit und verminderter Spannungsrissbildung optimiert. Voraussetzung für eine Optimierung des Prozesses ist ein umfassendes Verständnis des Kunststoffschweißprozesses. Aus diesem Grund werden zunächst Grundlagenuntersuchungen zur Wechselwirkung von Laserstrahlung und Kunststoffen durchgeführt. Dabei wird u. a. eine Gesetzmäßigkeit zur Berechnung der Strahlungsintensität in teilkristallinen Werkstoffen aufgestellt, ein Modell zur Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der optischen Materialeigenschaften erarbeitet, sowie eine Korrelation der Strahlausbreitung in Polymeren mit den Brechungs Indizes der Werkstoff strukturen bzw. seiner Füllstoffe nachgewiesen. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wird ein FE-Simulationsmodell zur Berechnung der Temperaturfelder und Schmelzbadgeometrien in Abhängigkeit der Bestrahlungsstrategie aufgestellt. Mit Hilfe dieses Modells werden Bestrahlungsstrategien gesucht, welche ein längeres Schmelzbad entlang der Nahtkontur ermöglichen und niedrige Temperaturgradienten beim Schweißprozess in den Fügepartnem zur Folge haben. Durch ein längeres Schmelzbad kann ein Angleichen der beiden schmelzflüssigen Fügepartner auf einem längeren Nahtabschnitt erfolgen, wodurch Fügespalte wirkungsvoll ausgeglichen werden können. Niedrige Temperaturgradienlen führen zu verminderten Eigenspannungen während des Schweißprozesses und in der Folge zu einer verminderten Spannungsrissbildung. Mithilfe des FE-Modells und begleitenden experimentellen Untersuchungen kann gezeigt werden, dass sich durch den Einsatz einer Lichtlinie geeigneter geometrischer Abmessung eine Vervielfachung der Schmelzbadlänge gegenüber einer punktförmigen Strahlfokussierung erreichen lässt. Um diese Bestrahlungsstrategie wirkungsvoll für den Schweißprozess einsetzen zu können, ist zudem die Kenntnis der absoluten Fügetemperatur von großer Wichtigkeit. Daher wird im Rahmen des Projektes ein Temperaturmesssystem untersucht und realisiert, welches auf Basis der Wärmestrahlung die absolute Fügetemperatur beim Durchstrahlschweißprozess bestimmen kann. Im Zuge der Untersuchungen wird die temperaturabhängige Filterwirkung des oberen Fügepartners durch eine neu eingeführte Kenngröße erfasst. Mit Hilfe dieser Kenngröße kann die Temperatur in der Fügezone anhand der gemessenen Wärmestrahlungsintensität berechnet werden. Es erfolgen Untersuchungen zur temperaturüberwachten Steuerung der Schmelzebildung mittels Lichtlinie, die deutliche Prozessverbesserungen zeigen. Neben einer signifikant verbesserten Spaltüberbrückbarkeit und einer deutlich verminderten Spannungsrissempfindlichkeit können durch den Einsatz der Lichtlinie auch höhere Nahtfestigkeiten erreicht werden. Dies ist auf eine verbesserte Diffusion aufgrund höherer Temperaturen und längerer Einwirkzeiten hoher Temperaturen beim Schweißvorgang zurückzuführen. Die durchgeführte Optimierung des Schweißprozesses leistet insbesondere hinsichtlich des Fügens großer Bauteile mit komplexen Nahtverläufen einen entscheidenden Beitrag. Nach derzeitigem Stand der Technik können diese Bauteile aufgrund mangelnder Spaltüberbrückbarkeit nicht prozesssicher geschweißt werden. Durch die im Rahmen dieses Projektes erarbeiteten Erkenntnisse und ermittelten Bestrahlungsstrategien wird ein Schweißen dieser Bauteile jedoch möglich. In einer geplanten Transferphase soll eine Systemtechnik aufgebaut werden, die ein flexibles Einbeschreiben einer linienförmigen Intensitätsverteilung entlang einer komplexen Nahtkontur ermöglicht. Zusammen mit einem Systemtechnikhersteller und einem Anwender wird dieses System zur Serienreife entwickelt, so dass Bearbeitungsanlagen auf Basis dieser neuen Bestrahlungsstrategie auf dem Markt verfügbar werden, wodurch viele Untemehmen von dieser neuen Technologie profitieren können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Erweiterung der Prozessgrenzen beim Laserstrahl-Kunststoffschweißen. VDI-Berichtsheft 1810: Optische Technologien in der Kunststofftechnik, Optische Technologien für die Mikrofertigung, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2003, S. 15-22
Polster, S.; Wiengarten, M.; Frick, T.
- Experimental analysis of laser welding of coloured thermoplastics and thermoplastic elastomers. In: Geiger, M.; Otto, A. (Hrsg.): Laser Assisted Net Shape Engineering 4, Proceedings of the LANE 2004, Vol. 1. Meisenbach-Verlag, Bamberg, 2004, S. 309-316
Hopfner, M.; Frick, T.; Polster, S.; Eßer, G.; Gebert, K.
- Laserstrahlschweißen von Kunststoffen. BLZ-Anwenderfibel, Band 1. 1. Auflage, Bayerisches Laserzentrum (Hrsg.), Erlangen, 2004
Frick, T.; Hopfner, M.
- Laserstrahl-Kunststoffschweißen als Verbindungstechnik in der Elektronikproduktion. In: Geiger, M.; Polster, S. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik 2005, Tagungsband LEF 2005. Meisenbach-Verlag, Bamberg, 2005, S. 95-106
Frick, T.; Polster, S.; Wiengarten, M.
- Laserstrahlschweißen von Kunststoffen. BLZ-Anwenderfibel, Band 1. 2. überarbeitete Auflage, Bayerisches Laserzentrum (Hrsg.), Erlangen, 2005
Frick, T.; Hopfner, M.
- Laser Welding of Thermoplastics. BLZ User Handbook, Vol. 1. Bayerisches Laserzentrum (Hrsg.), Erlangen, 2006
Frick, T.; Hopfner, M.
- Compulation of temperature fields for laser transmission welding of plastics. In: Proceedings of the 26rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-optics (ICALEO), Orlando, USA, 2007
Frick, T.
- Hybridschweißen von Kunststoffen - Durch den kombinierten Einsatz von Laserstrahlung und Heizstrahlung beim Schweißprozess eröffnen sich völlig neue Anwendungsfelder. In: Joining Plastics - Fügen von Kunststoffen, 2 (2007), DVS Verlag GmbH
Frick, T.; Geiger, R.
- Temperaturfeldberechnungen beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen. In: Geiger, M.; Schmidt, M. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik 2007, Tagungsband LEF 2007. Meisenbach-Verlag, Bamberg, 2007, S. 93-103
Frick, T.
- Untersuchung der prozessbestimmenden Strahl-Stoff-Wechselwirkungen beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen. Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, 2007
Frick, T.
- Schweißen von Flexleiterstrukturen - Berechnung und experimentelle Ermittlung der durch Oberflächenbehandlung möglichen Zug-Scherfestigkeitsbeeinflussung. In: Geiger, M.; Schmidt, M.; Kägeler, C. (Hrsg.) : Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik LEF 2008. Meisenbach-Verlag, Bamberg, 2008, S. 137-149
Devrient, M.; Frick, T.
