Verfahrenstechnik und Anforderungen an die Produktkonstruktion für das Kunststoffschweißen mit Laser

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1 Nr. ERW 77 A Vortrag Technologieseminar 2005 Verfahrenstechnik und Anforderungen an die Produktkonstruktion für das Kunststoffschweißen mit Laser Dr.-Ing. Alexander Olowinsky, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)

2 1 Verfahrenstechnik und Anforderungen an die Produktkonstruktion für das Kunststoffschweißen mit Laser Alexander Olowinsky Grundlagen Inhalt S Motivation Ergebnisse Anwendungsbeispiele Zusammenfassung S S S S Übersicht Klassifizierungen Einflußgrößen auf die Schweißnahtqualität Werkzeug, Methode, Werkstück, Pre- und Postprozesse, Maschinentechnik Streckenenergie, Spaltüberbrückbarkeit, optische Streuung, Verfahrensvergleich CW /SW

3 2 Motivation Herausforderung Ansatz Lösung Fügen von Thermoplasten - Geringe mechanische und thermische Belastung der Bauteile - Hermetisches Verschließen - Optisches Erscheinungsbild - Hochwertige Nähte - Keine Fussel- und Partikelbildung Laserstrahlschweißen von Thermoplasten mit HLDL und Nd:YAG Laser Laserdurchstrahlschweißen Kontur-Schweißen (CW) Masken-Schweißen (MW) Simultan-Schweißen (SW) Quasi-Simultan-Schweißen (QSW) Anpassung der optischen Eigenschaften Klassifizierungen Nahtgeometrie Art der Bestrahlung Simultan (SW) Laserquelle Material der Fügepartner Fügepartner Fügepartnergröße Dimension der Fügenaht Stumpf- / Überlappstoß (Schweißnahtgeometrie) Kontur (CW), Maske (MW), Quasi-Simultan (QSW), HPDL, Nd:YAG, Holmium:YAG, CO 2 -Laser artgleiche / -ungleiche Thermoplaste formstabil / flexibel Mikro / Makro Mikro (< 200 µm) oder Makro

4 Einflussgrößen auf die Nahtqualität Ishikawa-Diagramm Werkzeug Werkzeug Methode Methode Laserstrahl Optik Werkstück Werkstück Nahtgeometrie Art der Bestrahlung Überwachungskonzept Fügeweg (mit /ohne) Fertigungsfolge Herstellungsbedingungen Wärmevor-, -nachbehandlung Oberflächenmodifikation Umgebungsbedingungen Pre-, Post-Prozess Post-Prozess Pre-, Physikalische Eigenschaften Morphologie Geometrie Toleranzen Naht-Zugänglichkeit Bewegungssystem Strahlformung und -führung Ausbildung Spanntechnik Erfahrung Aufmerksamkeit Werkstückhandhabung Maschinentechnik Maschinentechnik Nahtqualität Nahtqualität Festigkeit -- Festigkeit Dichtheit -- Dichtheit Nahtbreite -- Nahtbreite WEZ -- WEZ Optik -- Optik Vermeidung von von -- Vermeidung Löcher, Lunker, Lunker, Löcher, Spannungsinduktion Spannungsinduktion Reproduzierbarkeit -- Reproduzierbarkeit Mensch Mensch Einflußgrößen Werkzeug - Laserstrahl charakterisiert durch - Wellenlänge - Leistung (Intensität) - Strahlqualität - Leistungsdichteverteilung - Betriebsart (cw, pulse) Beeinflussung von Wechselwirkung Laser Materie (wellenlängenabhängig) Wechselwirkung Laser Materie technischer und optischer Aufwand, Fokussierbarkeit Wechselwirkung Laser Materie je nach Bestrahlungsmethode (cw üblich) 1 HLDL Nd:YAG Reflexion Transmission CO2-Laser λ [ µm ] 3

5 4 Werkzeug Laserstrahl Hochleistungsdiodenlaser nm (1450 nm) Nd:YAG-Laser 1064 nm Holmium:YAG-Laser Thulium:YAG-Laser 2000 nm CO2-Laser nm Laser ITL 2000 Tm:YAG Wellenlänge 2013 ± 5 nm Leistung 60 W Strahlführung Quarzfaser 400 µm AnwendungenSchweißen LISA laser products OHG Bearbeitungskopf Werkzeug Optik S Integrierte pyrometrische Sensorik S Beobachtung 50mm detector Laserstrahl Temperatur Beobachtung

6 5 Stumpfstoß optische Eindringtiefe δopt d Nahtgeometrie δ OPT / µm Anpassung δ OPT für HPDL Nd:YAG c.b.c / w.% Laserstrahl S Absorption über Materialdicke S größere Dicke -> größere δ OPT kleinere Rußkonzentration (cbc) kritischer ( δ OPT 1 / cbc) Abnahme der Reproduzierbarkeit d 1 mm Nahtgeometrie Überlapp-Stoß (Durchstrahlgeometrie): optische Eindringtiefe des transparenten Fügepartners δ opt >> d absorbierenden Fügepartners δ opt << d absorbierender FP Laser Beam Druck transparenter FP d Druck 1 mm

7 6 Überlapp-Stoß Nahtgeometrie Anpassung der Fügepartner und Nahtgeometrie an das Produkt und den Laserdurchstrahlschweißprozess transparenter Fügepartner Laserstrahl absorbierender Fügepartner 1 mm Art der Bestrahlung / Laserquelle CW Laserquelle HLDL, Nd:YAG HLDL Spotgröße > 200 µm, 20 µm > 0,5 µm, < 40 mm Laserleistung < 200 W < 200 W Vorschub < 25 m/min < 10 m/min WW-Zeit 10 ms > 25 ms MW QSW Laserquelle HLDL, Nd:YAG Spotgröße > 500 µm, 20 µm Laserleistung > 200 W Vorschub < 10 m/s WW-Zeit 10 µs Laserquelle HLDL Nahtbreite > 500 µm Intensität > 100 W/cm 2 WW-Zeit > 50 ms SW Weitere Aspekte: Nahtdesign, Prozesszeiten, Fügespalte, Prozessbeobachtung, -überwachung und -regelung

8 7 Prozeßüberwachungskonzept Kontur-Schweißen Konzept Pyrometer detektiert entstehende Wärmestrahlung Closed Feedback Loop regelt Laserleistung zur Vermeidung von Überhitzung (Zersetzung) Resultat Optimierte Fügenaht - verbessertes Erscheinungsbild - verbesserte Festigkeit - erhöhte Prozessstabilität - erhöhte Zuverlässigkeit Prozeßüberwachungskonzept Simultan-Schweißen Konzept Ortsaufgelöste Detektion von Wärmestrahlung Probeköper Fertigungssituation 6 HPDL-Module, 80 W Gesamtleistung 0.6 s Bestrahlungsdauer PC (p B 10 bar)

9 8 Prozeßüberwachungskonzept Simultan-Schweißen Resultat Ortsaufgelöstes, prozessbezogenes Signal Bestimmung der Temperaturverteilung Lokalisierung von Fehlstellen Positionierung der Strahlungsquellen Möglichkeit der On-line Prozess Kontrolle Camera Signal / a.u. A A B B Werkstück Physikalische Eigenschaften Optische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Plastifizierung, Zersetzung, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Enthalpie, Ausdehungsverhalten,... Beeinflussung von - Wechselwirkungsverhalten - Energie- und Temperaturverteilung - Form und Ausdehunng der WEZ - Inhärente, induzierte Spannungen -... Mechanische Eigenschaften (Di-) Elektrische Eigenschaften Oberfläche (plan, spaltfrei)... Optische Eigenschaften δ OPT Reflexion Fresnel-Gleichungen Transmission keine Wechselwirkung Absorption Energie Umwandlung Optische Eindringtiefe Streuung Energie Verteilung Vor- und Rückstreuung c.b.c. Additive, Konzentration, Verteilung Morphologie, Kristallinität,... Dicke, Oberflächenbeschaffenheit Anpassung: Prozess / Produkt

10 9 Werkstück Morphologie und Homogenität Optische Eigenschaften S abhängig von den Herstellungsbedingungen S beeinflussen die Wechselwirkung, Temperaturverteilung, Reproduzierbarkeit, Nahtbreite, Festigkeit und Dichtigkeit (Standardabweichung) Einflußgrößen Pre- und Postprozesse Herstellungsbedingungen Beeinflussung mechanischer und optischer Eigenschaften S Wärmevor-, -nachbehandlung (Flammbehandlung, Plasmabehandlung) S Beschichtung (IRA, Schutzschichten) S Elektrostatische Aufladung (absorbierende Staubpartikel) S Umgebungsbedingungen (Luftfeuchtigkeit: PA) PA 1 mm PP 1,5 mm

11 10 Maschinentechnik Anlagenkomponenten S Laserstrahlquelle (Laser, Kühler, Elektrik) S Strahlführungs- und -formungssystem S Handling-, Scanner- oder Robotersystem (Geschwindigkeit, Dynamik, Genauigkeit) S Spanntechnik (Zugänglichkeit, Homogenität) S Produkttransportsystem (Automatisierung) Lasertechnik S Qualitätssteigerung S Integration in bestehende Fertigungen Flexibles Design, Modularisierung S Funktionsgerechte Werkstoffauswahl Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe S (Gesamt-) Kostenreduktion Investment-, Betriebskosten Keine allgemeingültige Aussage möglich Spanntechnik Zeit, Temperatur und Druck S plastische Verformung verhindern S Spannungsinduktion vermeiden Maschinentechnik Nahtgeometrie angepasste Spannvorrichtung S Statischer Fügedruck (thermische Ausdehnung) S Pneumatisch, Hydraulisch, Elektrisch Glas, Kunststoff, Metall S Zugänglichkeit für Laserstrahlung S Homogenität (Fügedruck, -kraft) S Reproduzierbarkeit S PVC, PTFE freiwerdende Halogenwasserstoffe x Fügequalität x x Fügedruck Fügedruck x x x x x x x x x x Fügedruck, -kraft

12 11 Streckenenergie Wissenschaftliche Ergebnisse Energieeinbringung, Wechselwirkungszeit Festigkeit [N/mm 2 ] Charakteristische Kurve E S cw := Laserleistung P / Vorschub v E S sw := Laserleistung P * Pulsdauer t / Fläche A Streckenenergie E S [J/cm] 1 Anhaftung 2 Optimale Prozessparameter (E S opt. ) 3 Lunkerbildung, Zersetzungsbeginn 4 Zersetzung Wissenschaftliche Ergebnisse Spaltüberbrückbarkeit Druck Restspalt s R Druck Spaltüberbrückbarkeit abhängig von: S Bestrahlungsmethode S Wechselwirkungszeit S optischer Eindringtiefe S Materialeigenschaften S Nahtgeometrie S Prozessführung (Abschmelzweg) Spalte S beeinflussen Prozess und Ergebnis S verhindern Wärmeleitung S verursachen Überhitzung S Ursache in - Herstellungsprozess - Teiletoleranzen - mangelhafter Spanntechnik

13 12 Wissenschaftliche Ergebnisse Spaltüberbrückbarkeit 0.01 % c.b. τ GAP = 0 < τ GAP> % c.b. Shear Strength τ [N/mm 2 ] gap 0 mm gap 0,25 mm gap 0,75 mm gap 0,1 mm gap 0,15 mm gap 0,2 mm gap 0,25 mm τ GAP = 0 > τ GAP> Line Energy E S [J/m] τ GAP = 0 > τ GAP> % c.b % c.b. 0.1 % c.b. 0.6 % c.b N/mm N/mm N/mm 2 gap 250 µm gap 200 µm gap 150 µm E S = J/m E S = J/m E S = J/m Shear Strength τ [N/mm 2 ] gap 0,0 mm gap 0,025 mm gap 0,075 mm gap 0,1 mm gap 0,15 mm gap 0,2 mm Line Energy E S [J/m] Wissenschaftliche Ergebnisse Spaltüberbrückbarkeit Spaltüberbrückbarkeit cbc Je kleiner Rußkonzentration (c.b.c.) δ OPT 1 / cbc desto größer δ OPT δ OPT Schmelzevol. desto größer V MOLT δ OPT 1 / T(x,y,z) desto geringer T desto größer ist die Spaltüberbrückbarkeit. ABER Aussage hat begrenzte Gültigkeit: 1. δ OPT 1/Absorptionskoeffizient 2. δ OPT E S, optimal 3. Reproduzier- und Wirtschaftlichkeit Optimale Rußkonzentration bestimmen!

14 13 Optische Streuung Strahlverbreiterung Rotationssymmetrische Leistungsdichteverteilung 1. Referenzstrahl 2. POM (t= 1.0 mm) POM (t= 1.5 mm) 4. POM (t= 2.0 mm) 6 = 1.5 mm = 2.0 mm Diameter in Object Plane / mm ,5 1 1,5 2 2,5 Material Thickness d / mm = 2.8 mm = 5.2 mm Optische Streuung Strahlverbreiterung Streuung des Laserstrahles verursacht S Strahlverbreiterung S Verbreiterung der Schweißnaht S Erhöhung der benötigten Laserleistung 1,0 0,8 0,6 Strahlverbreiterung (Probendicke 2mm) Reference 1,66 mm PP 1,87 mm PA 6 2,03 mm POM 6,25 mm PBT 7,16 mm 0,4 0,2 0,

15 14 Verfahrensvergleich CW /SW Bestrahlungsart Konturschweißen cbc / w.% δ OPT / µm p burst / bar t P / s PA > 2 PP > 2 PC > 2 1 mm Berstdruck [bar] P = 1,7 W Probeköper P = 2,3 W P = 3,6 W Streckenenergie [J/m] Verfahrensvergleich CW /SW Bestrahlungsart Simultanschweißen cbc / w.% δ OPT / µm p burst / bar t P / s PA < 1 PP < 1 PC < 1 1 mm Berstdruck [bar] Berstdruck [bar] contour welding P = 78 W simultaneous welding P = 62 W P = 52 W kürzere Prozesszeit größeres Prozessfenster längere Wechselwirkungszeit größere Spaltüberbrückbarkeit Streckenenergie Streckenenergie [J/m] J/m

16 15 Anwendungsbeispiele Flüssigkeitsbehälter (glasfaserverstärktes PA) konturverschweißt Key-less-go Card (PA) konturverschweißt Flüssigkeitsverteiler (glasfaserverstärktes PA) konturverschweißt Nockenwellensensor Integrierte Elektronik (glasfaserverstärktes PA) konturverschweißt Anwendungsbeispiele Pumpengehäuse (POM) konturverschweißt Pumpengehäuse (POM) simultanverschweißt Polypropylen

17 16 Anwendungsbeispiele Verschweißen transparenter Kunststoffe Konzept: laserabsorbierende Zwischenschicht S liquid dispensing, Tintenstrahldrucker S örtlich begrenzte Energieumwandlung S zusätzlicher Prozessschritt S Toxikologie produktspezifisch Anwendungsbeispiele Doppel-Scheiben-Fenster Thermoplastische Fenster PMMA / ABS Polyweld, Brite Euram Project Thermoform, Denmark

18 17 Anwendungsbeispiele Doppel-Scheiben-Fenster Doppel-Scheiben-Fenster (PC - ABS) Ersatz der Klebetechnik - weniger Prozessschritte - geringere Prozesszeiten (keine Abbindezeiten) - geringerer Lageraufwand - geringerer Investitionsaufwand (keine großräumige Ablufteinrichtung) - geringere Personalkosten 2 x 180 cm Schweißnahtlänge 100 W, 940 nm Vorschubgeschwindigkeit 8 m / min ( < 25 m /min ) Thermoplastische Fenster PMMA / ABS Polyweld, Brite Euram Project Thermoform, Denmark Zusammenfassung Ziel Hochwertige Nahtqualität (Festigkeit, Dichtheit, Erscheinungsbild) Durch korrekte (optimierte) Wahl der der Prozessparameter. Ansatz Einflussgrößen auf die Schweißnahtqualität beim Laserstrahlschweißen von Thermoplasten (Ishikawa-Diagramm) - Werkzeug Laserstrahl, Optik - Methode Nahtgeometrie, Art der Bestrahlung, Überwachungskonzept - Werkstück Physikalische Eigenschaften, Morphologie, Geometrie - Pre, Post-Prozess Herstellung, Wärmevorbehandlung, Oberflächenmodifikation - Maschinentechnik Bewegungssystem, Strahlführung, -formung, Spanntechnik - Mensch Ausbildung, Aufmerksamkeit, Erfahrung Vorgehen Abstimmung der Systemkomponenten Produkt- und prozeßangepasste Materialien, Naht-, Formgebung Materialeigenschaften (Herstellung) Berücksichtigung der Einflussgrößen Auswahl Überwachungs- bzw. Regelungskonzept Qualifiziertes Personal Laserstrahlsicherheit