Forschungsziel / Ergebnisse

Forschungsziel

Das zentrale Ziel des Forschungsvorhabens ist der systematische experimentelle, analytische und simulative Vergleich der Verfahrensvarianten Kontur-, Simultan-, Quasi-Simultan- und Globo-Schweißen sowie des Twist-Verfahrens beim Laserdurchstrahl-schweißen von Kunststoffen. Dadurch wird eine verlässliche und belastbare Entscheidungs-basis für Anwender geschaffen, um entsprechend des Anwendungsfalls das jeweils optimale Laserschweißverfahren unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten rasch auswählen und qualifizieren zu können.

Angestrebte Forschungsergebnisse

Gesamtergebnis des Forschungsvorhabens ist ein wissenschaftlicher und umfassender Vergleich des Kontur-, Simultan-, Quasi-Simultan- und des Globo-Schweißens sowie des Twist-Verfahrens beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen sowie deren Bewertung hinsichtlich industriell relevanter Kriterien.

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Schematische Darstellung des Laserdurchstrahlschweißens von Kunststoffen*

Dazu wird zunächst eine speziell auf das Laserdurchstrahlschweißen angepasste Probekörpergeometrie entwickelt, die einen systematischen Verfahrensvergleich ermöglicht. Zudem werden vergleichbare experimentelle Rahmenbedingungen hinsichtlich Spanntechnik und Prozessbeobachtung für alle Verfahrens-varianten definiert. Der systematische experimentelle Verfahrensvariantenvergleich liefert konkrete Aussagen hinsichtlich der verfahrensabhängigen Prozessführung und der Fügeresultate. Diese Ergebnisse liefern neben der grundlegenden Erweiterung des Prozess-verständnisses konkrete Anhaltspunkte zur Prozessoptimierung und -umsetzung. Dies geschieht im Wesentlichen durch die Bestimmung der zeitlich-räumlichen Energie- bzw. Temperaturverteilung in den Fügepartnern in Abhängigkeit von den berücksichtigten Rahmenbedingungen mithilfe der vergleichenden thermischen Prozessmodellierung. Das thermische Prozessmodell bietet ferner die Möglichkeit, experimentell und messtechnisch aufwendig zu erzeugende Situationen und Variationen der Material-, der Laser- und der Verfahrenseigenschaften abzubilden und deren Einfluss auf die zeitlich-räumliche Energie- bzw. Temperaturverteilung in den Fügepartnern zu bestimmen.

Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens werden dazu beitragen, die industrielle Akzeptanz und Umsetzung des Laserdurchstrahlschweißens als innovatives und modernes Fügeverfahren erheblich zu steigern. Die geplanten Untersuchungen verknüpfen erstmals einen systematischen Verfahrensvergleich mit einer aussagefähigen und handhabbaren Prozessmodellierung, um so ein detaillierteres Prozessverständnis zu generieren. Neben der Bewertung industriell relevanter Verfahrensvarianten wird durch die umfangreichen experimentellen und analytischen Untersuchungen eine systematische Korrelation der Prozesseinflussgrößen mit den ermittelten Verfahrensunterschieden bewirkt. Diese Ergebnisse haben einen erheblichen Einfluss auf die gesamte Produktentwicklung von der Bauteilauslegung und Materialoptimierung über die Verfahrensauswahl und -umsetzung bis hin zur Konzeption des Serienverfahrens. Durch sie wird sowohl der Entscheidungsweg hin zu einem Laserschweißverfahren als auch der industrielle Umsetzungsprozess vereinfacht und beschleunigt. Die erzielten wissenschaftlich-technischen Resultate ermöglichen dadurch eine innovative Prozessimplementierung und wirtschaftliche Umsetzung. Die zu generierenden thermischen Prozessmodelle für die unterschiedlichen Verfahrensvarianten bieten Anwendern ein bislang nicht verfügbares und somit innovatives Werkzeug zur Auslegung von Laserschweißprozessen und nicht zuletzt für ein besseres Verständnis des Prozesses. Die Prozessmodelle erlauben Anwendern, die Energie- und Temperatur-verteilungen für Prozess- oder Verfahrenssituationen, welche experimentell zu untersuchen entweder sehr zeit- und kostenaufwendig oder gar unmöglich ist, zu berechnen. Hierdurch können sie schon im Vorfeld von Prototypenversuchen eine Abschätzung über die zu wählende Bestrahlungsstrategie und die entsprechenden Prozessparameter vornehmen. Dies wiederum trägt in einer innovativen Weise zu einer Reduzierung von Personaleinsatz und Kosten bei.

Im Einzelnen sind die folgenden Arbeitsschritte geplant:
1. Laserschweißversuche mit existierenden Probekörpergeometrien
2. Erarbeitung eines einheitlichen Probekörpers für das Laserdurchstrahlschweißen
3. Abgleich der Anlagentechnik
4. Probekörperherstellung
5. Bestimmung der prozessrelevanten Materialeigenschaften
6. Modellentwicklung
7. Verifikation und Abgleich der Modelle
8. Laserschweißversuche mit Modellwerkstoff (alle Verfahrensvarianten)
9. Konzeption und Auswertung der T emperaturmessungen
10. Mechanische Untersuchung der geschweißten Probekörper
11. Untersuchung der geschweißten Probekörper mittels Mikroskopie und Röntgen-MicroComputertomographie
12. Thermische Simulation
13. Experimentelle und simulative Übertragung auf andere Werkstoffe an ausgewählten Verfahrensvarianten
14. Dokumentation, Verfassen von Richtlinienvorschlägen, Abschlussbericht


* Abb.: U.A. Russek, Laserschweißen von Kunststoffen – Grundlagen, Einflussgrößen, Industrielle Umsetzung, Bibliothek der Technik, Verlag Moderne Industrie, Süddeutscher Verlag, München, 2009