Anwendererfahrungen mit realisierten Maschinen und Anlagen zum Kunststoffschweißen mit Laser bei einem führenden Automobilzulieferer
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- Pamela Fried
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1 Nr. ERW 76 A Vortrag Technologieseminar 2005 Anwendererfahrungen mit realisierten Maschinen und Anlagen zum Kunststoffschweißen mit Laser bei einem führenden Automobilzulieferer Dipl.-Ing. Heinz-Michael Dirks Hella KG Hueck & Co., Lippstadt
2 Technologieseminar Kunststoffschweißen mit Laser Anwendererfahrungen Freudenstadt, 28. September 2005 Heinz-Michael Dirks Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt Kunststoffschweißen mit Laser Inhalt Grundlagen zum Kunststofflaserstrahlschweißen Wahl des geeigneten Fügeverfahrens 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Beispiele industrieller Anwendungen Fazit 2
3 Grundlagen zum Laserstrahlschweißen von Kunststoffen Prinzip Ein Laserstrahl ist eine künstlich erzeugte Strahlung bestimmter Wellenlänge und hoher Energiedichte. Je nach molekularem Aufbau, Farbe und Füllung eines Kunststoffes und nach der Laserstrahl-Wellenlänge erfolgt eine Strahlungsabsorption und damit eine Erwärmung. 3 Grundlagen zum Laserstrahlschweißen von Kunststoffen Durchstrahlschweißen 4
4 Grundlagen zum Laserstrahlschweißen von Kunststoffen Verfahrensvarianten Konturlaserschweißen Simultanlaserschweißen Quasisimultan- Laserschweißen 5 Grundlagen zum Laserstrahlschweißen von Kunststoffen Laserquellen Diodenlaser (je nach Aufbau nm): z.b.: GaAlAs mit 808/920/940/980 nm Festkörperlaser: z.b.: Nd:YAG-Laser mit 1064 nm Diodenlaser Nd:YAG-Laser CO 2 -Laser HeNe- Pilotlaser 6
5 Vorteile des Laserstrahlschweißens Flexibilität Präzision Qualität Berührungsloses Schweißverfahren Dreidimensionales Fügen möglich Kein Werkzeugverschleiß Keine mechanischen Belastungen Frei wählbare Nahtgeometrie Lokal sehr präzis zu begrenzender Energieeintrag Minimale Wärmeeinflusszone Minimale thermische Belastung Schweißnähte auch in der Nahe hochempfindlicher Bauteile oder Strukturen möglich Hohe Schweißnahtfestigkeit Gasdichte Schweißnähte Keine bzw. minimale Freisetzung von Partikeln Optisch einwandfreie Schweißnähte Hohe Reproduzierbarkeit Schwingungsfreies Bearbeiten 7 Nachteile des Laserstrahlschweißens Werkstoffkombination mit unterschiedlichen laseroptischen Eigenschaften Höchst präzise Einzelteile notwendig Geringe Spaltüberbrückbarkeit (Konturlaserschweißen) Kein bzw. minimaler Ausgleich von Bauteiltoleranzen (Konturlaserschweißen) Schweißschaumaustrieb (Quasisimultanlaserschweißen) 8
6 Kunststoffschweißen mit Laser Inhalt Grundlagen zum Kunststofflaserstrahlschweißen Wahl des geeigneten Fügeverfahrens 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Beispiele industrieller Anwendungen Fazit 9 Warum Fügen? 1 Herstellung des Gesamtbauteils aus fertigungs- und montagetechnischer Sicht aus einem Stück nicht möglich 2 Vermeidung von aufwendigen Urformwerkzeugen durch Teilung einer Bauteileinheit 3 Einsatz verschiedener Werkstoffe aus funktionellen Gründen (z.b. amorphes PC mit ABS) 10
7 Übersicht der Fügeverfahren Fügeverfahren Stoffschluss Formschluss Reibschluss Kleben Schweißen Schrauben Adhäsion Leitung Konvektion Strahlung Reibung Lösungsmittelkleben Heizelementschweißen Warmgasschweißen Kontaktloses HE-Schweißen innere Reibung äußere Reibung Adhäsionskleben Heizwendelschweißen Extrusionsschweißen Infraratschweißen Ultraschallschweißen Rotationsreibschweißen Laserschweißen Hochfrequenzschweißen Vibrationsschweißen Kleben Schrauben inkl. Dichtung Heizelementschweißen Ultraschallschweißen Laserschweißen Vibrationsschweißen 11 Technische Aspekte Materialdaten des Werkstoffes Größe und Form der Fügeteile Wanddicke bzw. Stabilität der Fügeteile zwei- oder dreidimensionale Fügeflächen Anforderungen an die Schweißnahtfestigkeit Aufbringung des benötigten Fügedruckes dekoratives Erscheinungsbild der Fügenaht Maßgenauigkeit Schwingungs- und/oder Wärmeempfindlichkeit Recyclingfähigkeit Sicherheit und Reproduzierbarkeit des Fügeprozesses 12
8 Wirtschaftliche Aspekte Stückzahlen Takt- und Zykluszeiten Energieverbrauch Maschinenauslastung Neuerwerb 13 Kostenvergleich der Fügetechniken Laserdurchstrahlschweißen - Sensor Quelle: BASF AG 14
9 Fazit für laserschweißbare Bauteilgeometrien Branchen: Automobiltechnik Elektronik Beleuchtung Medizin Lasergeschweißte Bauteile weisen heute folgende Merkmale auf: kleine bis mittlere Abmessungen flächige Schweißgeometrien ein Fügepartner ist flexibel ein Fügepartner ist transparent/opak Werkstoffe PA, PBT, POM bzw. transparentes PC oder PMMA mit ABS oder PC-ABS Notwendige Voraussetzung: laserschweißgerechte Bauteilkonstruktion 15 Kunststoffschweißen mit Laser Inhalt Grundlagen zum Kunststofflaserstrahlschweißen Wahl des geeigneten Fügeverfahrens 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Beispiele industrieller Anwendungen Fazit 16
10 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität 19 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität Einfluss des Farbpigmentes auf die Laserabsorption Einfluss des Pigmentgehaltes auf die optische Eindringtiefe Optische Eindringtiefe [mm] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Material: PA6 Ultramid B 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Pigmentgehalt [Gew.%] Quelle: BASF AG 20
11 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität Einfluss des Farbpigmentes auf die Laserabsorption Einfluss des Farbpigmentes auf die Lasertransparenz PC Lexan 121R sw ,5mm Platte Transmission [%] Quelle: Hella KG Wellenlänge [nm] 21 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität Einfluss des Farbpigmentes auf die Laserabsorption Einfluss des Farbpigmentes auf die Lasertransparenz Transmissionseigenschaften der Durchstrahlkomponente Transmissionseigenschaften diverser Kunststoffe Transmission [%] PMMA PC POM PA 6 PBT PBT- GF30 Quelle: Hella KG PP Materialdicke 2mm n=940nm PP- GF20 PP GF50 22
12 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität Einfluss des Farbpigmentes auf die Laserabsorption Einfluss des Farbpigmentes auf die Lasertransparenz Transmissionseigenschaften der Durchstrahlkomponente Einfluss des Glasfasergehaltes Einfluss des Glasfasergehaltes bei Polyamid 6.6 ungefärbt Prozentualer Anteil Glasfasergehalt [Gew.%] Material: PA6.6 Ultramid A ungefärbt Transmission Absorption Reflexion Quelle: BASF AG 23 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität Einfluss des Farbpigmentes auf die Laserabsorption Einfluss des Farbpigmentes auf die Lasertransparenz Transmissionseigenschaften der Durchstrahlkomponente Einfluss des Glasfasergehaltes Einfluss der Decklagendicke 0,8 Einfluss der Decklagendicke auf die Transmission Transmission 0,6 0,4 0,2 0 Material: PA6 Ultramid B3EG6 natur Wellenlänge [nm] 1,5mm 2mm 2,5mm 3mm Quelle: Hella KG 24
13 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Werkstoff Werkstoff Chemische Kompatibilität Einfluss des Farbpigmentes auf die Laserabsorption Einfluss des Farbpigmentes auf die Lasertransparenz Transmissionseigenschaften der Durchstrahlkomponente Einfluss des Glasfasergehaltes Einfluss der Decklagendicke Kosten Standardware ist preiswerter als Sondermaterialien! 25 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Laser Laser Lasertypen Laser Wellenlänge Faser- Einsatz Bereich Minimale Spotgröße Leistungs- Strahlqualität Investitionen Bauvolumen Wartungsaufwand λ / nm P / W HLDL JA ~250 Niedrig 100 µm Niedrig Niedrig Niedrig Nd:YAG 1064 JA ~500 Hoch 10 µm Mittel Mittel Mittel Quelle: bielomatik 27
14 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Laser Laser Lasertypen Strahlform und Fokusdurchmesser Größe der Schweißzone Festigkeit der Schweißverbindung z [mm] psi(z) [ ] y[mm] 0.00 % w(z) [mm] wx(z) wy(z) Ψ (z) Quelle: bielomatik x[mm] 1.00 Quelle: bielomatik 28 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Laser Laser Lasertypen Strahlform und Fokusdurchmesser Laserleistung Quasisimultanschweißen benötigt 4-5fache Laserleistung als Konturschweißen Konturschweißen bis ~50W Quasisimultanschweißen bis ~250W 29
15 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Laser Laser Lasertypen Strahlform und Fokusdurchmesser Laserleistung Kosten laserabhängig HLDL < Ng-YAG leistungsabhängig Laser für QSLS teurer als Laser für KLS 30 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Festigkeit ebene Verbindungen Konus-Verbindung Winkel-Verbindungen 32
16 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Belastungsrichtung Zugscherung besser als reine Zugbelastung ebene Verbindungen Konus-Verbindung Winkel-Verbindungen 33 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Belastungsrichtung Dicke des lasertransparenten Bauteils so gering wie möglich ebene Verbindungen Konus-Verbindung Winkel-Verbindungen 34
17 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Belastungsrichtung Dicke des lasertransparenten Bauteils Laserzugänglichkeit Schattenbildung vermeiden ebene Verbindungen Konus-Verbindung Winkel-Verbindungen 35 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Belastungsrichtung Dicke des lasertransparenten Bauteils Laserzugänglichkeit Vorfixierung der Bauteile geometrisch oder über Bauteilaufnahme ebene Verbindungen Konus-Verbindung Winkel-Verbindungen 36
18 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Belastungsrichtung Dicke des lasertransparenten Bauteils Laserzugänglichkeit Vorfixierung der Bauteile Spanntechnik insbesondere bei verzugskritischen Materialien Niederhalter aus Stahl zum zweistufigen Dichtschweißen Niederhalter aus Glas / PC / PMMA Niederhalter aus Stahl als Spannbrille 37 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Geometrie Geometrie Schweißnahtbreite Belastungsrichtung Dicke des lasertransparenten Bauteils Laserzugänglichkeit Vorfixierung der Bauteile Spanntechnik Schweißwulstkaschierung insbesondere beim Fügewegbegrenzung Quasisimultanschweißen 38
19 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Qualität Qualität Qualität ist planbar! Im Vorfeld der Serie: FMEA Prozess-FMEA etc. In Serie - Wareneingangskontrolle: Geometrie (Ebenheit /Konturgenauigkeit) der Einzelteile Transmissionsmessung der lasertransparenten Bauteile etc. In Serie - fertigungsbegleitend Stichprobenkontrolle 100%-Kontrolle 40 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Qualität Qualität Möglichkeiten der fertigungsbegleitenden QS Sichtkontrolle bzgl. Gleichmäßigkeit der Schweißnaht Lunker/Blasen Verbrennungen etc. Voraussetzung: Lasertransparentes Bauteil muss Einblick auf die Schweißnaht geben Foto: Hella 41
20 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Qualität Qualität Möglichkeiten der fertigungsbegleitenden QS Sichtkontrolle Leistungsmessung (online/offline) Foto: ILT Pyrometer zur Leistungs- und Temperaturmessung Leistungsmesskopf Foto: Hella 42 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Qualität Qualität Möglichkeiten der fertigungsbegleitenden QS Sichtkontrolle Leistungsmessung (online/offline) Temperaturmessung (online) Beispiel einer Temperaturmessung Pyrometer Foto: Hella 43
21 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Qualität Qualität Möglichkeiten der fertigungsbegleitenden QS Sichtkontrolle Leistungsmessung (online/offline) Temperaturmessung (online) Überdruckmessung Leckage Festigkeit FN-Sensor: p ü = 0,05 bar SRA-Verteiler: p ü = 4,5 bar Astra-ZBL: p ü = 0,2 bar 44 Kunststoffschweißen mit Laser Inhalt Grundlagen zum Kunststofflaserstrahlschweißen Wahl des geeigneten Fügeverfahrens 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Beispiele industrieller Anwendungen Fazit 45
22 Beispiele industrieller Anwendungen 46 Beispiele industrieller Anwendungen Ölsensor Bauteil: Sensorgehäuse Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: PA66 GF30 lasertransparent schwarz PA66 GF30 schwarz Quasisimultanschweißen Foto: Bielomatik Leuze Nd-YAG-Laser, Wellenlänge 1064nm Laserleistung: ~190W Schweißzeit: ~2s Schweißnahtlänge: ~150mm Maschinenhersteller: bielomatik Leuze GmbH & Co. Anwender: Conti Temic microelektronic GmbH 48
23 Beispiele industrieller Anwendungen Instrumententafel Bauteil: Instrumententafel Aufschweißen des Abdeckscheibe auf das Gehäuse Material: PMMA glasklar ABS schwarz Quasisimultanschweißen Foto: Bielomatik Leuze Nd-YAG-Laser, Wellenlänge 1064nm Laserleistung: k.a. Schweißzeit: k.a. Schweißnahtlänge: ~500mm, sequentiell Maschinenhersteller: Bielomatik Leuze GmbH & Co. Anwender: Siemens VDO Automotive AG 50 Beispiele industrieller Anwendungen Heckblende Bauteil: Heckblende Porsche Carrera 4S Verschweißung der Lichtscheibe mit dem Gehäuse Material: PMMA rot klar ABS schwarz Konturschweißen Foto: Prolas Diodenlaser Lichtscheibe Laserleistung: k.a. Schweißzeit: k.a. Schweißnahtlänge: ~2100mm Foto: Porsche Gehäuse Maschinenhersteller: Prolas Produktionslaser GmbH Anwender: N.N. 52
24 Beispiele industrieller Anwendungen Funkschlüssel Bauteil: Funkschlüssel Aufschweißen der Abdeckung auf das Gehäuse Material: PA lasertransparent schwarz PA schwarz Konturschweißen Foto: FhG-ILT Diodenlaser Laserleistung: k. A. Schweißzeit: k. A. Schweißnahtlänge: ~120mm Maschinenhersteller: k. A. Anwender: Marquardt GmbH 54 Beispiele industrieller Anwendungen Zentralverriegelungssteller Bauteil: Zentralverriegelungssteller Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: PA6 GF30 natur PA66 M30 schwarz Simultanschweißen, 8 Schweißpunkte je 2x10mm Foto: Hella Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: je 12W Schweißzeit: ~2s Schweißnahtlänge: ~80mm Maschinenhersteller: IMA, Jenoptik LOS Anwender: Hella KG Hueck & Co. 56
25 Beispiele industrieller Anwendungen Zentralverriegelungssteller -wassergeschützt- Bauteil: Zentralverriegelungssteller -wassergeschützt- Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: PA6 GF30 natur PA66 M30 schwarz Konturschweißen Foto: Hella Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: 33W Schweißzeit: ~9s Schweißnahtlänge: ~200mm Maschinenhersteller: Wolf Produktionssysteme GmbH Anwender: Hella KG Hueck & Co. 57 Beispiele industrieller Anwendungen Zentralverriegelungssteller -wassergeschützt- Fotos: Hella 58
26 Beispiele industrieller Anwendungen Fahrzeugniveau-Sensor Bauteil: Fahrzeugniveau-Sensor Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: PA6 GF30 natur PA66 GF30 schwarz Konturschweißen Foto: Hella Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: ~30W Schweißzeit: ~6s Schweißnahtlänge: ~150mm Maschinenhersteller: Wolf Produktionssysteme GmbH Anwender: Hella KG Hueck & Co. 60 Beispiele industrieller Anwendungen Zusatzblinkleuchte Bauteil: Zusatzblinkleuchte für Opel Astra Aufschweißen der Lichtscheibe auf das Gehäuse Material: PMMA glasklar PC-ABS schwarz Quasisimultanschweißen Foto: Hella Nd-YAG-Laser, Wellenlänge 1064nm Laserleistung: ~70W Schweißzeit: ~5s Schweißnahtlänge: ~160mm Foto: Opel Maschinenhersteller: bielomatik Leuze GmbH & Co. Anwender: Hella KG Hueck & Co. 62
27 Beispiele industrieller Anwendungen Lenkwinkelsensor Bauteil: Lenkwinkelsensor Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: PA6 GF30 natur PA66 GF30 schwarz Konturschweißen Foto: Hella Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: ~30W Schweißzeit: 6s Schweißnahtlänge: ~160mm Maschinenhersteller: Wolf Produktionssysteme GmbH Anwender: Hella KG Hueck & Co. 64 Beispiele industrieller Anwendungen LED-Platine für Blinkleuchte Bauteil: LED-Platine für Blinkleuchte Vernieten der Platine in das Gehäuse Material: PC ABS schwarz Lasernieten Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Foto: Hella Laserleistung: 3 x 10W Schweißzeit: 6s Schweißpunktdurchmesser: 4mm Maschinenhersteller: Hella KG Hueck & Co. Anwender: Hella KG Hueck & Co. 66
28 Beispiele industrieller Anwendungen Blinkleuchte in Abschlussscheibe 4x Bauteil: Blinkleuchte in Abschlussscheibe (5er BMW) Punktschweißen des Leuchtengehäuses in die Abschlussscheibe Material: PC glasklar PC ABS schwarz Foto: Hella Punktschweißen Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: 40W, verteilt in 4 Punkte Schweißzeit: 4s Fotos: BMW Schweißpunktdurchmesser: 4mm Maschinenhersteller: Hella KG Hueck & Co. Anwender: Hella KG Hueck & Co. 68 Beispiele industrieller Anwendungen Verteilerelement für Scheinwerfer-Reinigungsanlagen Bauteil: Verteilerelement Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: POM natur bzw. anthrazit POM schwarz Konturschweißen Fotos: Hella Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: ~40W Schweißzeit: ~7s Schweißnahtlänge: ~130mm Maschinenhersteller: Wolf Produktionssysteme GmbH Anwender: Hella KG Hueck & Co. 70
29 Beispiele industrieller Anwendungen Innenventil für Scheinwerfer-Reinigungsanlagen Bauteil: Innenventil Aufschweißen des Deckels auf das Gehäuse Material: POM natur POM schwarz Konturschweißen Fotos: Hella Diodenlaser, Wellenlänge 808nm Laserleistung: ~40W Schweißzeit: ~3s Schweißnahtlänge: ~55mm Maschinenhersteller: Wolf Produktionssysteme GmbH Anwender: Hella KG Hueck & Co. 72 Beispiele industrieller Anwendungen Verteilerelement und Innenventil für SRA Fotos: Hella 73
30 Kunststoffschweißen mit Laser Inhalt Grundlagen zum Kunststofflaserstrahlschweißen Wahl des geeigneten Fügeverfahrens 4 Bausteine zum erfolgreichen Lasereinsatz Beispiele industrieller Anwendungen Fazit 74 Ausblick Trends Miniaturisierung Herstellung von Mikrostrukturen/-kanälen Anwendungen: Mikrosensorik Lab on Chip etc. 3D-Laserschweißen Herstellung von 3D-Schweißverbindungen Globowelding Hybridlaserschweißen Messblock für Abgasmessung Fa. Testo AG Remote-Laserschweißen Muster für Lab on Chip Fa. Leister 75
31 Beispiele industrieller Anwendungen Remote-Laserschweißen von Scheinwerferbauelementen 3D-Laserschweißen durch Kombination aus Roboterbewegung und Laserscannertechnik (Quasisimultanlaserschweißen) Freie Geometriewahl im Raum Hohe Flexibilität Bearbeitung mehrerer Anwendungen gleichzeitig Toleranzausgleich durch QSLS Fügewegkontrolle durch Abschmelzwegmessung Automatische Lageerkennung zur Feinpositionierung Fotos: Hella 76 Beispiele industrieller Anwendungen Remote-Laserschweißen von Scheinwerferbauelementen Fünf Punktschweißverbindungen ADR in KAS Fotos: Hella QSLS: Lichtscheiben in ADR QSLS: Haltering an Modulblende 77
32 Fazit Laserschweißgerechte Bauteilentwicklung Entscheidungsfindung im Team Konstrukteur Kunde Verfahrenstechniker Team Spritzgießer Rohstoffhersteller Maschinenhersteller Wahl des Schweißverfahrens oft nach: - der größtmöglichen Sicherheit des Fügeprozesses - der genügend großen Praxiserfahrung sowie - der größten Wirtschaftlichkeit 78
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