Entwicklung eines Hochgeschwindigkeits-Laserschweißverfahrens für das Fügen von Kunststoffen (High Speed Weld)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460251723

Das Laserdurchstrahlschweißen (LDS) von Kunststoffen ist eine Fügetechnologie, welche sich seit den 90er Jahren in der Serienfertigung etabliert hat. Vorteile liegen in der präzisen Energieeinbringung, der Flexibilität hinsichtlich der Nahtgeometrien oder sehr kurzen Erwärmzeiten im Sekundenbereich. Entscheidend für erreichbare Schweißnahtfestigkeiten sind dabei die Temperaturen im Schweißprozess und die Zeit, die der Kunststoff im schmelzeförmigen Zustand verweilt und in der die Interdiffusion der Polymerketten zwischen beiden Fügepartnern stattfindet. Um die Festigkeiten von Schweißverbindungen vorherzusagen, wurde im Rahmen des DFG-Vorgängerprojekts am Institut für Kunststoffverarbeitung eine Methodik entwickelt, mit der auf Basis eines Simulationsmodells für die Temperaturverteilungen im Schweißprozess die Festigkeiten berechnet werden können. Als Fehlerquelle wurden dabei die thermischen Materialeingangsdaten identifiziert, die in herkömmlichen Messverfahren nur ohne eine Berücksichtigung prozessnaher Heiz- und Kühlraten bestimmt werden können.Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Hochgeschwindigkeitslaserschweißprozesses (H-LDS) und entsprechender Anlagentechnik und optischer Systeme, die unter Verwendung von Laserleistungen im kW-Bereich Bestrahlungszeiten in der Größenordnung von µs und somit eine deutliche Reduktion der Schweißzeit ermöglichen. Zur Umsetzung dieser Technologie wird in einem ersten Schritt das im DFG-Vorgängerprojekt entwickelte Simulationsmodell zur Festigkeitsvorhersage lasergeschweißter Fügeverbindungen erweitert, um grundlegende Erkenntnisse zum Aufheiz-, Abkühl- und Schweißverhalten beim Hochgeschwindigkeitsprozess zu generieren. Insbesondere erfolgt dabei die Entwicklung einer Prüf- und Auswertemethodik zur Bestimmung der materialseitigen Eingangsdaten unter hohen Heiz- und Kühlraten, wie sie in realen thermischen Kunststoffverarbeitungsprozessen auftreten. Das Simulationsmodell wird zu-nächst auf die am ILT vorhandene Anlagentechnik und danach auf das H-LDS adaptiert. Mit den am Fraunhofer ILT vorhandenen Kompetenzen zu prozessspezifischen optischen Systemen wird eine Systemtechnik realisiert, die durch die Anwendungspartner mit entsprechenden Laser-quellen und Anlagentechnik zu flexiblen Fertigungseinrichtungen komplettiert werden. Eine zeit-nahe industrielle Umsetzung des H-LDS erfolgt anhand industrieller Demonstratoren und wird von den Industriepartnern in entsprechenden Industrieanwendungen am Markt platziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Laserline GmbH; Leister Technologies AG
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Arnold Gillner