Anwendung - schweißen
Copyright © 2004 by LEISTER Process Technologies,
CH-6060 Sarnen/Schweiz
Autor: Jie-Wei Chen, Leister Process Technologies
Kurze Einleitung
Das Laserdurchstrahlschweißen ist ein relativ neues Fügeverfahren für Kunststoffe. Aufgrund ihrer speziellen Prozessanforderung, nämlich die physikalisch gute Kontaktierung zwischen Fügepartnern während des Schweißens, ist diese Technologie bislang immer noch auf einen zweidimensionalen Fügeraum beschränkt. Das neue Fügeverfahren funktioniert nach dem Prinzip des Konturschweißens und versucht komplexe Bauteile mit einer dreidimensionalen Fügenaht zu schweißen. Das Konzept, nämlich durch eine Glaskugel die Anpresskraft simultan mit dem Laserstrahl auf die gewünschte Fügestelle stets punktuell, dynamisch und präzise zu dosieren, führt zu einer völlig neuen Prozessfreiheit dieser Fügetechnologie. Die Ausweitung des Applikationsspektrums aufgrund dieser neuen Technologie wird durch die Anwendungsinteressen sowohl in der Kraftfahrzeugindustrie, als auch in der technischen Textilindustrie aufgezeigt.
Die letzte technische Hürde
Nachdem die Fügetechnologie für Kunststoffe lange Zeit von Ultraschallschweißen, Vibrationsschweißen sowie Heizelementschweißen dominiert wurde, gewinnt in den letzten Jahren das Laserschweißen zunehmend an Bedeutung, das als ergänzendes und kunststoffgerechtes Fügeverfahren in vielen industriellen Anwendungsgebieten erfolgreich eingeführt worden ist. Wo konventionelle Technologien an ihre Grenzen stoßen, bietet das Laserdurchstrahlschweißen eine günstige Alternative mit einer hohen Wirtschaftlichkeit, vor allem durch seine gut kontrollierbare, lokale Energieeinbringung und einer geringen mechanischen Belastung der Fügeparameter.
Die Kunststoffindustrie zeichnet sich sehr ausgeprägt durch große Vielfalt und weiter verbreitende Anwendungsfelder auf die verschiedenen Branchen aus. Anders als bei der Metallverarbeitung, wo die Strahlführung und Energiedosierung eine zentrale Rolle spielen, hängt das Laserschweißverfahren für Kunststoffe sehr stark von dem Produktdesign, der Prozessanforderung, den verwendeten Materialien sowie der funktionsgerechten Strahlzuführung ab. Die ständig neu geschöpften und in die Praxis eingeführten Verfahrenskonzepte zeigen bereits deutlich das Innovationspotential dieser neuen Fügetechnologie auf. Die derzeit verfolgten Konzepte sind das Konturschweißen, das Simultanschweißen, das Quasi-Simultanschweißen sowie das vor drei Jahren etablierte Maskenschweißen.
Trotz dieser neuen Verfahrensentwicklung konnte jedoch das Laserschweißverfahren, wie bei anderen konventionellen Fügeverfahren, auch die letzten technischen Hürden in Bezug auf die Bearbeitungsfreiheit nicht überwinden. Das Vibrations-, Ultraschall- sowie Laserdurchstrahlschweißverfahren mit allen etablierten Prozesskonzepten sind aufgrund unterschiedlicher technischer Voraussetzungen und Funktionsprinzipien bislang nur auf das Schweißen von Bauteilen mit zweidimensionalen Nahtgeometrien beschränkt. Die industriellen Anwendungen weisen aber meist eine dreidimensionale Fügenaht auf. Deshalb ist ein dreidimensionales Fügeverfahren mittels Laserstrahls für viele Industriebranchen sehr erwünscht.
Problematik beim Laserdurchstrahlschweißen
Die Prozessanforderung bezüglich der physikalischen Kontaktierung beruht auf dem Grundprinzip des Laserdurchstrahlschweißens. Nachdem die Fügeteile vor dem Schweißen in Kontakt gebracht worden sind, tritt die Laserstrahlung durch den transparenten Fügeparameter hindurch, ohne diesen dabei wesentlich aufzuheizen. Die Strahlungsenergie wird vom absorbierenden Fügeteil in der Fügezone in Wärme umgewandelt, wo das Kunststoffmaterial plastifiziert wird. Durch den physikalischen Kontakt zum transparenten Fügeteil wird dieser infolge der Wärmeleitung ebenfalls zum Schmelzen gebracht. In der Fügezone kommt es durch den wirkenden Fügedruck zu einer stoffschlüssigen Verbindung beider Fügepartner.
Der aufgebrachte Anpressdruck von außen wird einerseits benötigt, um die bei der Erwärmung von Kunststoffen auftretende Volumenausdehnung auszugleichen und Materialdeformationen zu verhindern. Andererseits bewirkt dieser Anpressdruck ein möglichst spaltfreies Berühren zwischen den beiden Fügeteilen in der Fügezone und die Vorbeugung der Lunkerbildung durch Volumenschwindung des Kunststoffes beim Abkühlen der geschweißten Bauteile.
Entscheidend für eine gute Verbindungsqualität sind deshalb nicht nur die schweißgerechte Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Kunststoffmaterial oder die für die Plastifizierung nötige Dosierung der Wärmeenergie, sondern auch der physikalische Kontakt, der die Grundvoraussetzung des Durchstrahlschweißprinzips gewährleistet. Die physikalische Kontaktierung wird durch ein Aufspannsystem auf statische Weise erstellt. Für zweidimensionale Schweißkonturen kann eine gute Aufspannbedingung auf mechanische Weise noch relativ leicht erstellt werden. Sobald jedoch eine Schweißkontur in dreidimensionaler Form vorliegt, ist eine statische Kontaktierung zwischen den beiden Fügeebenen auf die gesamte Fügekontur technisch fast unrealisierbar.
Das ist der Grund, warum das Laserdurchstrahlschweißen für Kunststoffe bislang immer noch nur auf eine zweidimensionale Fügeebene beschränkt ist. Außerdem beschränkt dieses Fügeverfahren aufgrund des Bedarfs an einem solchen Aufspannsystem auch die maximal zu bearbeitende Fläche. Bei großflächigen Bauteilen, wie in der technischen Textilindustrie, stößt das konventionelle Aufspannkonzept an technische Grenzen. Deshalb bleibt das Laserdurchstrahlschweißen auch nur für kleinere Fügebauteile einsetzbar.
Neues Kugelschweißkonzept für dreidimensionale Fügeaufgabe
Um die technische Beschränkung bei der Verwendung von Aufspannsystemen aufheben und die Laserschweißtechnologie für Kunststoffe in einem echten dreidimensionalen Fügeraum umwandeln zu können, benötigt man hier ein völlig neues Andrückkonzept.
Bild 1: Die Prinzipdarstellung des Kugelschweißverfahrens
(Quelle: LEISTER Process Technologies, CH-6060 Sarnen)
Das Kugelschweißkonzept funktioniert in erster Linie nach dem Prinzip des Konturschweißens, wobei ein punktförmiger Laserstrahl entlang einer Kontur geführt wird und das Bauteil sequentiell verschweißt wird. Es wird ein punktförmiger Laserstrahl über eine luftgelagerte, reibungslos drehbare Glaskugellinse auf die Fügeebene fokussiert, wie es im Bild 1 dargestellt ist. Die Glaskugellinse dient dabei als mechanisches Anpresswerkzeug und wird gegenüber der Fügeebene permanent senkrecht und punktuell angedrückt. Somit trifft die Laserstrahlung nur dort auf, wo die Anpresskraft vorhanden ist.
Dieses Verfahrenskonzept bietet die Möglichkeit, die notwendige Anpresskraft gleichzeitig mit der Laserstrahlung kontinuierlich entlang einer Schweißkontur an die Stelle zu bringen, wo der Schweißprozess stattfindet und die Anpresskraft tatsächlich benötigt wird. Die luftgelagerte Glaskugellinse wird zusammen mit der Lichtfaserkoppelung sowie zusätzlichen Optiksystemen und Sensoren für die Prozesskontrolle in einem robusten und kompakten Bearbeitungskopf eingebaut. Die Fokusebene der Laserstrahlung bzw. der Schweißnahtbreite kann bauteilspezifisch definiert und angepasst werden. Die Konturbewegung dieses Bearbeitungskopfes wird typischerweise mit Hilfe eines 6-Achs-Roboters gesteuert (siehe Bild 2). Die Lagehaltung und Bewegungskontur dieses Bearbeitungskopfes werden bauteilspezifisch auf die Laserstrahl- und Anpresskraftzuführung abgestimmt und programmiert.
Da die relative Bewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem zu verschweißenden Werkstück ständig unter mechanischer Berührung abläuft, bietet die Luftlagerung der Glaskugellinse nicht nur den Schutz der Glasoberfläche gegen mechanische Schädigung, sondern verhindert auch effektiv die laterale Verschiebungsgefahr des Bauteils durch die sich bewegende Glaskugellinse.
Bild 2: Die Konturbewegung mit einem 6-Achs-Robotersystem
(Quelle: LEISTER Process Technologies, CH-6060 Sarnen)
Prozesskontrolle
Dieses Kugelschweißkonzept kann durch verschiedene Verfahrensprozesse in die Praxis umgesetzt werden. Die stets senkrechte Haltung des Bearbeitungskopfs zu der Fügeebene ist auch ein Kernfunktionsprinzip dieses Kugelschweißkonzeptes. Der Grund liegt darin, dass sich der Andrückpunkt ständig auf der Achse des optischen Systems befinden soll, um mit der Laserbestrahlungszone überlappen zu können. Nur wenn der Schweißprozess vollständig unter Anpressdruck stattfindet, kann eine gute Schweißqualität erzielt werden.
Zur Prozesskontrolle bietet das Kugelschweißkonzept sämtliche Möglichkeiten, wie sie bereits im konventionellen Laserschweißverfahren etabliert worden sind. Für eine aktive Fügeprozesskontrolle wird die Oberflächentemperatur auf der Fügeebene direkt durch den im Bearbeitungskopf integrierten Infrarotsensor überwacht. Die Dosierung der Laserleistung wird durch die gemessene Temperatur online geregelt. Die konstante Fügetemperatur kann aber auch durch eine passive Steuerungsmethode erzielt werden. Durch die Geschwindigkeitserfassung über die sich bewegende Glaskugellinse wird die nötige Laserleistung für die konstante Energiedosierung ständig steuerungsseitig angepasst.
Die motorisierte Verstellung von optischen Komponenten ermöglicht die Onlineveränderung der Schweißlinienbreite. Durch die Anpassung der Laserleistung kann die gezielte Strahlungsdichte hoch präzise eingehalten werden. Somit kann die Schweißkontur bauteilspezifisch vollständig programmiert werden. Über eine im optischen System integrierte Kamera wird der Fügeprozess direkt unter der Glaskugel online visualisiert. Die Information kann gegebenenfalls auch zur optischen Beurteilung der Schweißqualität verwendet werden.
Anwendungsbeispiele
Das Kugelschweißverfahren zeigt eine neue Prozessvariante für Kunststoffschweißen mittels Laserstrahlung in dreidimensionalem Raum auf. Durch die präzise und kontrollierbare Energiezuführung liefert dieser Prozess auch immer das optisch perfekte Erscheinungsbild der Schweißnaht, welches für die Herstellung von hochwertigen und dekorativen Bauteilen entscheidend ist. Ein typisches Einsatzbeispiel für dieses Verfahren ist der Fügeprozess für die Herstellung von Autoscheinwerfer oder Autorückleuchte (siehe Bild 3), welche eine dreidimensionale Schweißnahtgeometrie aufweisen und massenweise in der Automobilbranche produziert werden. Der Trend für aerodynamisches Design wird immer weiter vorangetrieben. Dies bedeutet, dass die Formkrümmung häufig auf zwei Dimensionen ausgelegt werden muss. Ein anderer Trend ist die Verwendung von hoch transparenten Kunststoffmaterialien. Die Schweißnaht bleibt als Dekoration sichtbar. Somit ist der dekorative Effekt bei solchen Produkten zu einem entscheidenden Kriterium geworden.
Auch in der technischen Textilindustrie oder Papierindustrie, wo Produkte mit riesiger Baudimension von 10x50 m² gefertigt werden, wird ein Fügeverfahren benötigt, das nicht nur für die vorgegebene Bearbeitungsdimension geeignet ist, sondern auch die Möglichkeit für einen hohen Produktionsdurchsatz sichert. Da bei solcher Bearbeitungsdimension keine Möglichkeit für ein statisches Aufspannsystem gegeben ist, zeigt das Kugelschweißverfahren durch seine Bewegungsflexibilität und effektives Andrückkonzept großes technisches Potential auf.
Bild 3: Anwendungsbeispiel - Schweißen von
Autorückleuchter
(Quelle: LEISTER Process Technologies, CH-6060 Sarnen)
Bild 4: Anwendungsbeispiel - Gasanalysekammer
ohne aufwendige Aufspannvorrichtung
(Quelle: LEISTER Process Technologies, CH-6060 Sarnen)
Das Laserstrahlschweißen entwickelt sich in der Kunststoffverarbeitung zu einem wichtigen Fügeverfahren. Die vielfältigen Applikationsfelder fordern ständig neue Verfahren und innovative Lösungsansätze. Nachdem die verschiedenen Laserdurchstrahlschweißverfahren als ergänzende Prozessvariante zu den herkömmlichen Serien-Fügeverfahren wie das Ultraschall-, das Heizelement- oder das Vibrationsschweißen in die Praxis eingeführt wurden, ist das Lösungspotential des Laserdurchstrahlschweißens noch nicht ausgeschöpft worden.
Das Kugelschweißkonzept hat den Aufspannmechanismus auf elegante Weise in einen Bearbeitungskopf integriert. Damit ist es möglich geworden, das gängige Kunststoffschweißen mittels Laserstrahlung von einem zweidimensionalen Fügeverfahren in eine echte dreidimensionale Fügetechnologie zu erweitern. Diese technische Erneuerung beseitigt die bisherige Prozessschwierigkeit und führt zu einem bedeutenden Prozessvorteil, nämlich einer deutlich erhöhten Verbindungsqualität durch punktuelle Anpresskraftdosierung. Für dreidimensional gestaltete Fügestrukturen oder auch großflächige Fügebauteile ist nun eine technische Lösung verfügbar. Vor allem bietet diese technische Errungenschaft eine deutlich erweiterte Prozessfreiheit und Flexibilität der Schweißanlage.
Das Globo-Welding Konzept ist voll an konkreten Problemen ausgerichtet und verblüfft durch seine Einfachheit. Die bereits etablierten Laserfügeverfahren werden nicht ersetzt, aber durch eine neue, interessante Möglichkeit ergänzt.
Diese Anwendungsbeschreibung wurde ROBOTER-INFO von LEISTER Process Technologies aus Sarnen zur Verfügung gestellt. An dieser Stelle möchten wir uns für die Genehmigung zur Veröffentlichung dieses Beitrages bei Herrn Jie-Wei Chen bedanken!
Weitere Informationen über LEISTER Process Technologies: www.leister.com
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