Auswirkungen von Werkstoffeigenschaften und Bestrahlungsbedingungen auf die Fügenahtqualität beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei den durchgeführten Arbeiten wurden zunächst teilkristalline und amorphe Materialcompounds mit verschiedenen Zuschlagstoffen hergestellt. Diese wurden anschließend unter Variation der Spritzgießparameter zu Proben abgeformt. Um die Temperaturverteilung beim Laserdurchstrahlschweißen zu simulieren, ist eine genaue Kenntnis der optischen und thermischen Materialparameter nötig. Insbesondere sind hier die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Dichte für die thermische Betrachtung von Interesse. Um der Temperaturabhängigkeit dieser Stoffwerte gerecht zu werden, wurden diese als Multipunktdaten im Simulationsmodell hinterlegt. Die für die Simulation wichtigsten optischen Parameter sind Absorptionsgrad, Transmissionsgrad, Reflexionsgrad und optische Eindringtiefe bei der Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung. Es wurde ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Erwärmung beim Laserdurchstrahlschweißen aufgestellt und dieses mit den zuvor bestimmten Materialparametern berechnet. Um das zur Anwendung kommende Modell zu validieren, sind Fügeversuche mit einer thermografischen Temperaturmessung an der Stirnfläche der Probengeometrie durchgeführt worden. Hier hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit bei den gewählten Fügeparametern im Bereich niedriger Energiedichten exakt ist. Bei höheren Energiedichten und in den Randbereichen des Modells besteht noch geringer Optimierungsbedarf. Die dreidimensionale Betrachtung ermöglicht neben der Vorhersage der maximalen Temperaturen auch eine Aussage über die Dimension der Schweißlinse. Die computerunterstützte Bestimmung der in einer Fügenaht auftretenden Temperatur hat nicht nur den Vorteil der kostengünstigen Parameterfindung, sondern kann darüber hinaus auch zur Qualitätssicherung im Schweißprozess eingesetzt werden. Die rechnerische Ermittlung von Fügetemperaturen ist jedoch in starkem Maße von der Güte des eingesetzten Computermodels und der Stoffdaten abhängig. Deshalb wird es nötig sein, kostengünstige Methoden zur schnellen und sicheren Bestimmung der erforderlichen Messdaten zu entwickeln.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Material Properties for Simulation of the Laser Transmission Welding Process. PPS-26, The Polymer Processing Society, 26th annual meeting, July 4-8 2010, Banff, Kanada
Flock, D.; Haberstroh, E.
