Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen ist ein industriell etabliertes Füge-verfahren. Es eignet sich besonders für das Schweißen temperatur- und schwingungs-empfindlicher Bauteile, wie sie im Bereich der Elektro- und Sensortechnik verwendet werden. Im Gegensatz zu anderen Kunststoffschweißverfahren zeichnet sich das Laserdurchstrahlschweißen darüber hinaus durch eine große Vielfalt verschiedener Verfahrensvarianten zur Umsetzung des Schweißprozesses mittels Laserstrahlung aus. Zu den industriell verbreitetsten zählen das Konturschweißen, das Simultanschweißen, das Quasi-Simultanschweißen und das Globo-Schweißen. Eine relativ neue Variante ist das Twist-Verfahren. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser Verfahrensvarianten liegen in der Bestrahlungsstrategie sowie der Art der Strahlformung.

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Mikroskopische Aufnahme eine Laserschweißverbindung*

Zwar sind einige Verfahrens-varianten für bestimmte Anwendungsfälle prädestiniert, wie das Simultanschweißen für einfache Geometrien und hohe Stückzahlen oder das Twist-Verfahren für Anwendungen in der Mikrotechnik, für viele Applikationen ist eine pauschale Auswahl jedoch nicht möglich. Der Grund hierfür ist, dass über diese allgemeinen Unterscheidungsmerkmale hinaus bislang kein umfassender, wissenschaftlicher Vergleich der oben genannten Verfahrensvarianten existiert. Hierdurch wird zum einen für potenzielle Nutzer eines Schweißverfahrens die Entscheidung zugunsten des Laserdurchstrahlschweißens im Allgemeinen verkompliziert, da die nötige Transparenz und Übersichtlichkeit nicht gegeben ist. Zum anderen wird im Anschluss an die Entscheidung für das Laserdurchstrahlschweißen die Wahl einer spezifischen Verfahrensvariante sowohl für den Anwender als auch für Anbieter von Laserschweiß-anlagen und -gesamtlösungen erschwert. Der hieraus resultierende wissenschaftlich-technische und wirtschaftlich motivierte Handlungsbedarf wurde wiederholt im Arbeitskreis AG W 4.12 „Laserschweißen von Kunststoffen“ des Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS) insbesondere von den Anwendern thematisiert. In diesem Arbeitskreis befassen sich Experten aus Industrie und Wissenschaft mit der Erarbeitung von Regelwerken (Richtlinie, Beiblätter) und mit aktuellen Fragestellungen aus dem Bereich des Laserschweißens. Da dieser bislang ausstehende, umfassende Verfahrensvergleich nicht von einer Forschungsstelle allein geleistet werden kann, haben sich drei Forschungsstellen für die Lösung dieser Fragestellungen zusammengeschlossen.

Die Auswahl einer Verfahrensvariante ist im Allgemeinen motiviert durch die Steigerung der Fügenahtqualität und Prozessstabilität bei gleichzeitiger Senkung der Prozessschritte, Zykluszeiten und Kosten. Zur fügetechnischen Auswahl sowie zur Qualifizierung eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens sind derzeit kosten- und zeitintensive iterative Orientierungsstudien und Prototypenversuche notwendig. Diese Studien dienen der iterativen Bestimmung bspw. des optimalen Bestrahlungsverfahrens, der Laserwellenlänge, der Leistungsdichteverteilung, des Arbeitsabstands, der prozessangepassten Fügeteil-auslegung sowie der Prozessparameter. Besonders kleine und mittelständische Unternehmen haben oftmals nicht die nötigen Erfahrungen mit diesem hoch techno-logischen Fügeverfahren sowie die erforderlichen personellen und finanziellen Mittel, um eine wissenschaftlich und technologisch begründete Verfahrensauswahl vornehmen zu können. Dieses derzeit übliche Vorgehen gilt es zu vereinfachen, um fügetechnische Entscheidungen als auch die industrielle Umsetzung zu beschleunigen. Der wissen-schaftliche Vergleich der unterschiedlichen Verfahrensvarianten des Laserdurchstrahl-schweißens als Grundlage für eine belastbare Verfahrensauswahl ist somit von hohem industriellen und wirtschaftlichen Interesse.


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