Adaptives Laserdurchstrahlschweißen basierend auf inlinefähiger optischer Kohärenztomographie (MANUNET-Weldable)

Forschungsziel: Das Forschungsprojekt Weldable entwickelte einen adaptiven Laserdurchstrahlschweißprozess mit einer innovativen Mess- und Regelungstechnik. Dieser Ansatz ermöglicht die Erfassung von quantitativen Informationen der Schweißnahtbildung, beispielsweise über die Schweißnahtform und die entstehenden Poren. Dazu wurde u. a. ein neuartiges räumlich hochauflösendes optisches Messsystem entwickelt. Eine erhebliche Steigerung der Fertigungsstabilität, -robustheit, -flexibilität und -qualität wurde erreicht und damit neue Anwendungsmöglichkeiten für den industriellen Einsatz, wie z. B. im Automobilbau und in der Medizintechnik, erschlossen. Die transnationale Aufstellung der beteiligten Entwicklungspartner aus Belgien und Deutschland garantierten dabei die Einbeziehung notwendiger Kernkompetenzen und die Erschließung neuer Märkte.

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung
Kunststoffe haben in fast allen Bereichen unseres täglichen Lebens als „Werkstoffe nach Maß“ Einzug gehalten. Viele der komplexen Produkte des Automobilbaus und der Elektronik sind ohne Fügeverfahren für Kunststoffe sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht herstellbar. Das Laserdurchstrahlschweißen zeichnet sich hierbei durch hohe Schweißnahtfestigkeit und Gleichmäßigkeit aus. Mit diesem Hochleistungsverfahren, bei dem Erwärmung und Fügevorgang zeitgleich ablaufen, können hermetisch abgedichtete Fugen hergestellt werden. Um auch bei schwankenden Prozesseinflüssen, beispielsweise durch unterschiedliche Werkstoffeigenschaften, konstante Schweißnähte zu erzielen, wurde ein adaptiver Schweißprozess erforderlich. Regelsysteme bieteten hierfür nur limitierte Lösungen, da ihre Sensorik keine quantitativen Schweißinformationen über verschiedene Werkstoffe und Materialstärken erfassen. Für diese Prozessregelung wurde daher ein Messverfahren notwendig, welches tiefenaufgelöste und hochgenaue Daten liefert.

Ziel
Das Forschungsprojekt Weldable entwickelte einen adaptiven Laserdurchstrahlschweißprozess mit einer innovativen Mess- und Regelungstechnik. Dieser Ansatz ermöglichte die Erfassung von quantitativen Informationen der Schweißnahtbildung, beispielsweise über die Schweißnahtform und die entstehenden Poren.

Vorgehensweise
Dazu wurde ein neuartiges räumlich hochauflösendes optisches Messsystem entwickelt. Damit wurde ermöglicht, fehlerhafte Hohlstellen und Verengungen während des Schweißvorgangs auch unter der Bauteiloberfläche zu ermitteln. Der Zusammenhang zwischen Schweißnaht und Funktionalität wurde durch eine Prozesssimulation zerstörungsfrei berechenbar. Die Erprobung der Schweissanlage erfolgte mittels einer zu entwerfenden Regeleinheit, die den Laserdurchstrahlprozess mit den notwendigen Prozessparametern, wie z. B. Laserleistung, Vorschub und Brennpunkt, steuert.

Erwartete Ergebnisse
Zukünftig wird es möglich sein, perfekte Schweißnähte für Kunststoffbauteile zuverlässig, schnell und wirtschaftlich herzustellen. Eine erhebliche Steigerung der Fertigungsstabilität, -robustheit, -flexibilität und -qualität wurde erreicht und damit neue Anwendungsmöglichkeiten für den industriellen Einsatz, wie z. B. im Automobilbau und in der Medizintechnik, erschlossen. Die transnationale Aufstellung der beteiligten Entwicklungspartner aus Belgien und Deutschland garantierten dabei die Einbeziehung notwendiger Kernkompetenzen und die Erschließung neuer Märkte.

Projektpartner

Amtron GmbH
BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
LPKF WeldingQuipment GmbH

Publikationen

Titel: Adaptive laser transmission welding based on inline optical tomography (Weldable)

Akronym: Weldable

Autor: Sieben, M.; Jaus, T. (pub.)

Herausgeber: Sieben, M.; Jaus, T. (pub.); LPKF WeldingQuipment GmbH, Fürth, Germany

Verlag: Eigenverlag Eigenverlag

Veröffentlicht im Jahr: 2018

Within the area of plastic joining, laser plastic welding has seen a remarkable development over the last 10 years. Due to increasingly strict requirements from the automotive and medical industries, where the failure of, for example, sensory devices, can lead to harm for the physical well-being of the customer, quality control mechanisms are continuously gaining in importance. Until now, no process control system for plastic welding is capable of delivering quantitative information about the quality of the joining operation, much less actively avoid the production of scrap parts. The objective of this project was the implementation of an adaptive feedback-controlled laser transmission welding process by means of inline optical tomography. By the development and machine integration of a high-precision optical coherence tomography system, quantitative information of the weld-forming process (weld seam geometry, pore detection and evaluation, leakage, weld-partner gap) can be acquired inline. The obtained information is processed and fed back to a central control system, which adapts the process parameters in real time (i.e. laser power, feed rate). The implementation of the control unit is based on a specially developed process and control model with experimental and simulative support. The results of the transnational ERANET-MANUNET joint project Weldable, with the participation of Belgian and German partners, are available in English in this final report. Im Bereich des Fügens von Kunststoffen hat das Laserkunststoffschweißen in den letzten 10 Jahren eine bemerkenswerte Entwicklung erlebt. Infolge zunehmend strikterer Anforderungen der Automobil- und Medizintechnikindustrie, in denen Ausfälle von Komponenten, beispielsweise Sensorik, zu erheblichen Risiken für die Gesundheit des Kunden bzw. Patienten führen können, gewinnen Methoden der Qualitätskontrolle stetig an Bedeutung. Für das Laserkunststoffschweißen gibt es bislang jedoch keine Prozesskontrolle die in der Lage ist, quantitative Aussagen über die Qualität der Fügeoperation zu treffen, geschweige denn, diese aktiv sicherzustellen. Die Zielsetzung des Weldable-Projekts war die Implementierung eines adaptiven Regelkreises für das Laserkunststoffschweißen auf Basis optischer Kohärenztomographie. Durch die Entwicklung und Integration einer hoch präzisen Tomographieeinheit in eine Laserschweißanlage besteht nun die Möglichkeit, quantitative Informationen über die Ausprägung des Schweißprozesses (z.B. Schweißnahtgeometrie, Porenerkennung und -evaluierung, Fehlstellen, Fügespalte) inline zu akquirieren. Die so erfasste Information wird prozessiert und in einen Regelkreis eingespeist der Prozessparameter, beispielsweise Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit, in Echtzeit anzupassen vermag. Die Implementierung des Regelkreises erfolgte hierbei auf Grundlage eines speziell entwickelten, auf experimentellen und simulativen Ergebnissen beruhenden Prozessmodells. Die Ergebnisse des transnationalen ERANET-MANUNET Verbundprojektes Weldable, unter Beteiligung belgischer und deutscher Partner, liegen in englischer Sprache in diesem Abschlussbericht vor.

Adaptives Laserdurchstrahlschweißen basierend auf inlinefähiger optischer Kohärenztomographie (MANUNET-Weldable)

Ansprechperson Projektkoordination

Ansprechperson bei PTKA

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