Zum Inhalt wechseln
  • Newsletter
  • Über uns
  • Kontakt
  • DE
  • EN
Menü
  • Newsletter
  • Über uns
  • Kontakt
  • DE
  • EN
Suche
schließen
  • Übersicht
  • Forschung
  • Hier & Heute
  • Kluge Köpfe
Menü
  • Übersicht
  • Forschung
  • Hier & Heute
  • Kluge Köpfe
  • Übersicht
  • Forschung
  • Hier & Heute
  • Kluge Köpfe
  • Kontakt
  • Newsletter
  • Über uns
Menü
  • Übersicht
  • Forschung
  • Hier & Heute
  • Kluge Köpfe
  • Kontakt
  • Newsletter
  • Über uns
Suche
  • DE
  • EN
10. August 2022

Laserdurchstrahlschweißen additiv gefertigter Bauteile

IPH | LZH | Wie lassen sich additiv gefertigte Bauteile mit dem Laser verschweißen? Der schichtweise Aufbau additiver Bauteile macht den Schweißprozess komplizierter als bei herkömmlich produzierten Teilen. Das IPH und LZH erforschen gemeinsam, wie man Bauteile trotzdem qualitätssicher fügen kann.

Homogene thermoplastische Kunststoffe können heutzutage prozesssicher mittels Laserdurchstrahlschweißen miteinander verbunden werden. Ohne Probleme lässt sich diese Technologie nicht auf das Fügen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile übertragen. Aufgrund der aus dem Druckprozess resultierenden Bauteilstruktur muss der Schweißprozess weiterentwickelt werden. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und das Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) erforschen im Projekt QualLa gemeinsam, wie sich additiv gefertigte Bauteile mittels Laserdurchstrahlschweißen qualitätssicher fügen lassen.

Herausforderungen beim Laserschweißen additiv gefertigter Bauteile

Das Laserdurchstrahlschweißen ist ein seit den 1990er Jahren industriell etabliertes Verfahren zum Fügen von konventionell hergestellten thermoplastischen Kunststoffen wie Spritzgussteilen. Dabei werden zwei Fügepartner stoffschlüssig miteinander verbunden. Einer der Fügepartner muss dabei einen hohen Transmissionsgrad aufweisen, der andere einen hohen Absorptionsgrad. Der Laserstrahl durchdringt während des Schweißprozesses den transparenten Fügepartner und wird nahe der Fügeebene vom zweiten Fügepartner vollständig absorbiert. Die Energie des Lasers wird durch die Absorption in Wärmeenergie umgewandelt und schmilzt die Kunststoffe auf, wodurch diese miteinander verbunden werden (siehe Bild 1).

Schon bei konventionellen thermoplastischen Kunststoffen ist für die Einrichtung des Schweißprozesses eine Vielzahl von Versuchen notwendig, um optimale Prozessparameter für die Laserleistung und die Vorschubgeschwindigkeit zu ermitteln. Ist der Einrichtungsprozess abgeschlossen, werden die Prozessparameter auf die ermittelten Werte eingestellt und die Bauteile können miteinander verbunden werden. Die aus dem Herstellungsprozess resultierende Homogenität der Bauteile ermöglicht es, die Prozessparameter auf konstante Werte einzustellen, da es zu keinen großen Schwankungen im Fügeprozess kommt. Bei additiv gefertigten thermoplastischen und transparenten Bauteilen ist eine Handhabung des Schweißprozesses wie oben beschrieben nicht möglich – weil additiv gefertigte Bauteile nicht homogen sind.

Additive Fertigung und inhomogene Bauteilstruktur

Die additiv gefertigten thermoplastischen Bauteile, die im Forschungsvorhaben untersucht werden, werden am IPH mittels Fused Deposition Modeling (FDM, deutsch: Schmelzschichtung) hergestellt. Bei diesem Herstellungsprozess wird ein als Filament bereitgestellter thermoplastischer Kunststoff in einen Druckkopf geführt und aufgeschmolzen, durch eine Düse extrudiert und Schicht für Schicht auf ein Druckbett aufgetragen (siehe Video). Die aufgetragenen Schichten verschmelzen miteinander und bilden eine Verbindung.

Durch den schichtweisen Aufbau beim additiven Fertigungsprozess weisen die Bauteile eine inhomogene Struktur auf. Diese ist auf Prozessschwankungen beim Druckprozess zurückzuführen. Gründe sind beispielsweise:

  • Der flüssige Kunststoff wird beim Bewegen des Druckkopfes nie an der gleichen Stelle abgelegt.
  • Beim Verfestigen des Kunststoffs kommt es zu Materialverzug.
  • Die extrudierte Materialmenge ist nicht konstant und ungenau.

Durch unter- und überfüllte Bereiche entstehen lokale Defekte im additiv gefertigten Bauteil in Form von Blasen und Lufteinschlüssen (siehe Bild 2) sowie Wülsten und es kommt zu Bauteilverzug. Diese Inhomogenitäten führen dazu, dass der Laserschweißprozess in Abhängigkeit der vorliegenden Bauteilstruktur und daraus resultierenden Transmission gesteuert werden muss.

Bestimmung der Transmission für additiv gefertigte Bauteile

Bei homogenen Bauteilen hängt die Transmission primär von der Bauteildicke ab, da weitere material- und prozessbedingte Einflussfaktoren als konstant betrachtet werden können. Bei additiv gefertigten Bauteilen (siehe Bild 3) kommen weitere aus dem Fertigungsprozess resultierende Einflussgrößen hinzu. Das LZH und IPH haben gemeinsam entsprechende Einflussgrößen aus dem additiven Fertigungsprozess identifiziert, um die Transmission zu modellieren. Aktuelle Versuche zeigen, dass folgende Einflussgrößen beim additiven Herstellungsprozess eine große Auswirkung auf die Transmission haben:

  • Dicke des Bauteils beim zu schweißenden Bereich
  • Schichtdicke
  • Linienbreite
  • Fluss
  • Druckgeschwindigkeit

Darüber hinaus wurden am IPH und LZH die Einflüsse der Drucktemperatur, des Musters und des Materials in weiteren Versuchen untersucht. Über eine eigens dafür am IPH entwickelte Software lässt sich auf Basis der Eingangsgrößen aus dem Druckprozess die erwartete Transmission berechnen. Dadurch wird eine Aussage über die Schweißbarkeit getroffen (siehe Bild 4).

Ermittlung der optimalen Prozessparameter

Nach Ermittlung der Transmission auf Basis der Einflussgrößen aus dem additiven Fertigungsprozess wird festgestellt, ob das Bauteil mittels Laser schweißbar ist. Ist dies der Fall, werden im nachfolgenden Schritt die Prozessparameter für den Laserschweißprozess bestimmt.

In Schweißversuchen am LZH werden dafür die optimalen Parameter ermittelt. Es werden Schweißproben mit verschiedenen Laserleistungen und Schweißgeschwindigkeiten hergestellt und in Zugversuchen getestet. Die maximal erreichte Zugkraft dient als Qualitätsmerkmal und wird verwendet, um auf Basis der zugehörigen, gemessenen Transmission und der Prozessparameter aus dem additiven Fertigungsprozess ein Laserprozessmodell zu erstellen.

Mithilfe des Modells werden die optimalen Parameter für Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit ermittelt, in einem Expertensystem gespeichert und über die am IPH entwickelte Software ausgegeben (siehe Bild 5). Dadurch müssen keine aufwändigen Parameterstudien mehr durchgeführt werden, um optimale Prozessparameter zu ermitteln. Eine qualitativ hochwertige Fügverbindung der Bauteile kann somit gewährleistet werden.

Langfristiges Ziel: Intelligente Prozessüberwachung

Aktuell wird am LZH an einer Messmethode gearbeitet, um die Transmission der additiven Bauteile auf einfache Art und Weise ortsgenau zu vermessen. Die Ergebnisse aus den Versuchen werden anschließend am IPH verwendet, um mittels des Laserprozessmodells den Schweißprozess ortsgenau zu steuern.

Langfristig verfolgen das LZH und das IPH das Ziel eine intelligente Prozessüberwachung zu installieren, die den Schweißprozess in Echtzeit überwacht und Bedienenden eine Rückmeldung über die Qualität des Schweißprozesses gibt. Diese soll als Grundlage für die Weiterentwicklung des Laserprozesses dienen.

von Torben Mente und Julian Kuklik

Ähnliche Artikel

  • Bauteil-Identifikation mit RFID-Tags: 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten
  • Additive Fertigung in Schwerelosigkeit durch das Laserauftragschweißen
  • Komplexe Strukturen aus Glas mit dem Laser in 3D drucken

Auf einen Blick

  • Laserdurchstrahlschweißen von additiv gefertigten Bauteilen wird ermöglicht
  • Additiv gefertigte Bauteile werden optimal auf den Schweißprozess angepasst
  • Software ermittelt optimale Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit
  • Hohe Qualität der Fügeverbindung wird sichergestellt
Additiv gefertigte Probe mit sichtbarem Pilotlaser beim Laserdurchstrahlschweißen
Bild 1: Eingespannte, additiv gefertigte Probe mit sichtbarem Pilotlaser beim Laserdurchstrahlschweißen. (Foto: LZH/IPH)
Querschliff des inhomogenen Aufbaus eines additiv gefertigten Bauteils
Bild 2: Querschliff des inhomogenen Aufbaus eines additiv gefertigten Bauteils mit Lufteinschlüssen. (Foto: LZH)
Additiv gefertigte, transparente Probe
Bild 3: Additiv gefertigte, transparente Probe: Das IPH-Logo ist durch die Probe sichtbar. (Foto: IPH)
Software zur Berechnung der Transmission
Bild 4: Ausgabe der erwarteten Transmission auf Basis der Eingangsgrößen aus dem additiven Fertigungsprozess. (Foto: IPH)
Software zur Ermittlung der Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit
Bild 5: Ausgabe der Prozessparameter für das Laserdurchstrahlschweißen. (Foto: IPH)
Zurück
Weiter
YouTube

Mit dem Laden des Videos akzeptieren Sie die Datenschutzerklärung von YouTube.
Mehr erfahren

Video laden

Das Video zeigt den FDM-3D-Druck im Zeitraffer: Aufgeschmolzener Kunststoff wird Schicht für Schicht auf ein Druckbett aufgetragen. FDM steht für Fused Deposition Modeling (deutsch: Schmelzschichtung), eine Art der Additiven Fertigung. (Video: IPH)

Kontakt

Torben Mente, M. Sc.

(0511) 279 76 236

mente@iph-hannover.de

qualla.iph-hanover.de

Das IGF-Vorhaben QualLa (Nr. 21571 N) der Forschungsvereinigung Forschungsgemeinschaft Qualität e.V. (FQS), August-Schanz-Straße 21A, 60433 Frankfurt am Main wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
https://doi.org/10.48811/phi-22-014
Mente, T.; Kuklik, J.: Laserdurchstrahlschweißen additiv gefertigter Bauteile. In: phi – Produktionstechnik Hannover informiert, Newsletter Nr. 36 / September 2022, ISSN: 2198-1922. DOI: https://doi.org/10.48811/phi-22-014.

Diese Seite

drucken
weiterempfehlen
  • twittern 

Ähnliche Artikel

  • Bauteil-Identifikation mit RFID-Tags: 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten
  • Additive Fertigung in Schwerelosigkeit durch das Laserauftragschweißen
  • Komplexe Strukturen aus Glas mit dem Laser in 3D drucken

Diese Seite

drucken
weiterempfehlen
  • twittern 

ISSN 2198-1922 | Impressum | Datenschutz | Artikel Sitemap