FuE-Projekte

Zahlreiche polymere Produkte und Komponenten in den Kfz-, Medizin-, Elektroindustrien werden während ihrer Herstellung miteinander gefügt (verbunden). Ziele des Fügens sind u. a. Materialeinsparung bei gleichzeitiger Steigerung der Fügefestigkeit. Ein innovativer Ansatz zur Fügenahtfestigkeitssteigerung durch Modifikation der Prozessführung konnte kürzlich erstmals mit dem Laserschweißen von Thermoplasten an der RFH nachgewiesen werden. Daher soll im Rahmen dieses Projektes die Vermischung der Kurzglasfaser-Verstärkung über die Fügefläche (Abb. 1) zur Steigerung der Schweißnahtfestigkeit über messtechnische Untersuchungen, theoretische Überlegungen und systematische Experimente quantitativ und qualitativ untersucht werden.

Kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe bieten zwar höhere Grundmaterialfestigkeiten, allerdings werden bei „konventionellen“ Schweißprozessen lediglich die polymeren Anteile im Fügebereich miteinander verbunden, nicht jedoch die Kurzglasfasern in oder über die Fügekontaktfläche gebracht. Daher erreicht die Schweißverbindung maximal die unverstärkte Polymerfestigkeit nicht aber die deutliche höhere kurzglasfaserverstärkte Materialfestigkeit. Um die Nahtbelastbarkeit zu erhöhen besteht die Möglichkeit, die Schweißnahtfläche zu vergrößern, dies widerspricht jedoch dem Bestreben Platz und Material einzusparen sowie designtechnischen Wünschen.

Eine potentielle Lösung dieser Problematik wird darin gesehen, dass die zur Grundmaterialfestigkeitssteigerung eingesetzten Kurzglasfasern über die Verbindungsfläche zwischen den Fügepartnern beim Schweißprozess hinaus in die beiden Fügepartner „diffundieren“, um derart die Nahtfestigkeit auf das kurzglasfaserverstärkte Festigkeits-Niveau anzuheben (Abb. 1).

Dieser Lösungsansatz ist bei „klassischen“ Schweißmethoden, wie z. B. dem Heizelement-, Ultraschall-, Infrarot-, Reib- und Vibrationsschweißen bisher erfolglos geblieben. Hingegen konnte am LaborLaserTechnik LLT der RFH kürzlich erstmals ein – wenn auch vorerst geringer – Anteil der Kurzglasfasern aus dem absorbierenden Fügepartner in den transparenten Fügepartner mittels des Laserschweißprozesses gebracht werden.

Beim Laserschweißen von Kunststoffen wird einer der beiden Fügepartner (transparente Fügepartner) von der Laserstrahlung ohne nennenswerte Erwärmung durchstrahlt. Der andere (absorbierende) Fügepartner wandelt die Laserstrahlungsenergie oberflächennah in Wärme um, so dass er aufgeschmolzen wird. Durch direkten (thermischen) Kontakt zwischen den beiden Fügepartnern kommt es zur Wärmeleitung in den transparenten Fügepartner, so dass auch dieser aufgeschmolzen wird und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern entstehen kann. Die beim Laserschweißen fehlende Relativbewegung zwischen den Fügepartnern, die bei den „klassischen“ Schweißmethoden üblich ist, birgt das Potential, dass ausreichend dynamische Schmelzbadbewegungen den Kurzglasfasertransport in den Schweißnahtbereich bedingen. Mit der Steigerung der Nahtfestigkeit würden kleinere Nahtflächen möglich, die wiederum Materialeinsparungen und Leichtbauanwendungen erlauben.

Diese Ergebnisse beweisen lediglich die prinzipielle Machbarkeit; motivieren jedoch dazu, diesen Ansatz im Rahmen eines FuE-Projektes ausführlich systematisch zu untersuchen und voranzutreiben, um prozesstechnische und wirtschaftliche Vorteile industriell nutzbar zu machen.

Die akademisch und industriell relevanten Ziele des hier beantragten QVK-Projektes sind:

• Steigerung der Schweißnahtfestigkeit durch gezielte Prozessführung, um eine Vermischung der Kurzglasfaser-Verstärkung über die Fügefläche zwischen den Fügepartnern hinaus zu erreichen.
• (z. B. durch Anpassung von Bestrahlungsstrategie, Leistungsdichteverteilung, Laserwellenlänge)
• Modellierung einer optischen Eindringtiefe für kurzfaser-verstärkte Kunststoffe
• Geometrieanpassung des Fügebereichs zur Verbesserung des Faser-Mischverhaltens
• sowohl polymer-kompatibler Thermoplaste
• als auch polymer-inkompatibler Thermoplaste.

Das Laserstrahlschweißen von Kunststoffen als industriell vielfach in der Kfz-, Medizin-, Elektro- und Gebrauchtwarenindustrie eingesetzter Fügeprozess nutzt konventionell Laserstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 800 und 1.100 nm.
Neue Laserstrahlquellen emittieren längere Wellenlängen, deren Einsatzfähigkeit noch nicht systematisch untersucht wurde; jedoch erhebliches Einsatzpotential versprechen. Im Rahmen dieses Projektes soll die Einsatzfähigkeit einer 1.550 nm Laserquelle über messtechnische Untersuchungen, theoretische Überlegungen und systematische Experimente qualitativ bewertet werden.

Beim Laserschweißen von Kunststoffen wird einer der beiden Fügepartner – der sogenannte transparente Fügepartner – von der Laserstrahlung ohne nennenswerte Erwärmung durchstrahlt.
Der andere Fügepartner – der sogenannte absorbierende Fügepartner – wandelt die Laserstrahlungsenergie oberflächennah in Wärme um, so dass er aufgeschmolzen wird.
Durch direkten (thermischen) Kontakt zwischen den beiden Fügepartnern kommt es zur Wärmeleitung in den transparenten Fügepartner, so dass auch dieser aufgeschmolzen wird und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern entstehen kann.

Eine Herausforderung beim Laserschweißen von Kunststoffen ist nach wie vor das Verbinden von farblichen deckenden – insbesondere weißen – Fügepartnern. Die weiße Farbe des Kunststoffes wird durch einen hohen und spektral breiten Reflexionsgrad im sichtbaren Wellenlängenbereich (400 - 800 nm) erreicht. Dazu wird der Kunststoff meist mit Titandioxid (TiO₂) versetzt (additiviert).

Deckende Farben bedingen am lasertransparenten Fügepartner erhöhte Reflexionsgrade und / oder geringere Transmissionsgrade bei den üblicherweise beim Laserschweißen verwendeten Wellenlängen um 1.000 nm und führen damit sowohl zu prozesstechnisch als auch wirtschaftlich unerwünschten Energieverlusten.

Zusätzlich verursachen deckende Farb-Pigmente, Glasverstärkungen und TiO₂ eine streuende Wirkung im lasertransparenten Fügepartner auf die Laserstrahlung, d. h. der Laserstrahl wird in seinem Durchmesser deutlich vergrößert. Bei gleicher Leistung führt ein größerer Strahldurchmesser zu einer geringeren Strahlungsintensität (Leistung pro Fläche).

Der störende Einfluss der Streuung führt zu einer Verbreiterung der Leistungsdichteverteilung im Wechselwirkungsbereich und damit zu der Notwendigkeit, die Strahlungsleistung zu erhöhen, um eine ausreichende Intensität zur Aufschmelzung der Fügepartner zu erreichen. Dies bedingt nicht nur ein Mehr an Laserleistung sondern auch unerwünscht breitere Nähte.

Neben beschriebenen Einschränkungen beim lasertransparenten Fügepartner mit deckenden Farb-Pigmenten, Glaszusätzen oder TiO₂, die Laserstrahlung möglichst effizient und ungestreut in die Fügezone zu transportieren, existieren auch beim absorbierenden Fügepartner Einschränkungen.

Das üblicherweise eingesetzte absorbierende Additiv im absorbierenden Fügepartner ist Ruß. Ruß ist zwar im Vergleich zu alternativen absorbierenden Additiven spektral breitbandig absorbierend und kostengünstig, weist jedoch auch Nachteile auf. So wird eine beliebige Farbgebung durch Zugaben von (schwarzem) Ruß – selbst in kleinen Konzentrationen (< 0,1 Gew. %) – eingeschränkt. Auch können bereits geringe Rußkonzentrationsabweichungen oder inhomogene Durchmischungen zu unakzeptablen Prozessschwankungen führen.

Erste Vorarbeiten und Untersuchungen am LaborLaserTechnik (LLT) der RFH (Abb.1) zeigen:

- Bei Wellenlängen um 1.550 nm nimmt bei einigen Kunststoffen der Reflexionsgrad ab und der Transmissionsgrad zu.

• Damit sind ein geringerer Strahlungsverlust und eine höhere Prozesseffizienz verbunden.

- Bei Wellenlängen um 1.550 nm scheint die prozessschädliche Strahlungsstreuung im transparenten Fügepartner weniger ausgeprägt zu sein.

• Auch damit könnten prozesstechnische und wirtschaftliche Vorteile verbunden sein.

- Bei Wellenlängen um 1.550 nm liegt die eingesetzte Laserstrahlung weiter vom visuellen Strahlungsbereich (400 - 800 nm) entfernt als bei den derzeit eingesetzten konventionellen Laserstrahlungswellenlängen (800 - 1.100 nm).

• Erweiterung der Freiheitsgrade im farblichen Design und vorteilhaft für die Prozessführung.

Diese Ergebnisse führen zu der Erkenntnis, dass längerwelligere Laserstrahlung prozesstechnische und wirtschaftliche Vorteile bieten könnte, und es lohnenswert erscheint, dies im Rahmen eines FuE-Projektes systematisch zu untersuchen.

Die akademischen und industriell relevanten Zielsetzungen durch den Einsatz längerwelliger Laserstrahlung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Verbesserung der wirtschaftlichen Nutzung der Laserstrahlung durch Minderung der Reflexions- und Absorptionsverluste im laserstrahltransparenten Fügepartner,
• Senkung des prozesstechnisch störenden Streueinfluss im laserstrahltransparenten Fügepartner durch Minderung der Intensitätsverluste und Strahlverbreiterung,
• Erweiterung des farblichen Produkt-Design-Optionen durch Steigerung des einsetzbaren Farbmittelspektrums sowohl für transparente als auch für absorbierende Bauteile.

Die fertigungstechnische Relevanz von Kunststoffnieten ist hoch. Allein in der Automobilindustrie werden jährlich mehrere Milliarden Kunststoffnietverbindungen hergestellt.
Konventionelle Kunststoffnietprozesse gelten als technisch und wirtschaftlich ausgereizt.
Mit dem warmumformenden Fügeprozess „Laserstrahl-Kunststoffnieten“ wird die zur Plastifizierung des Nietschaftes erforderliche Wärmemenge per Strahlungsabsorption berührungslos sowie räumlich-zeitlich lokal definiert in diesen eingebracht.
Darin besteht Potential für sowohl kürzere Prozesszeiten als auch belastbarerer
Nietschließköpfe bei gleichzeitig geringer mechanischer und thermischer Belastung der zu verbindenden Bauteile.
Das Leitziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung des Laserstrahl-Kunststoffnietprozesses für den Einsatz in der industriellen Serienfertigung.