Laserkunststoffschweißen in der industriellen Serienproduktion

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1 Titelstory Laserkunststoffschweißen in der industriellen Serienproduktion Das Fügen von Kunststoffen ist ein Thema, das im Zuge von Leichtbau und Miniaturisierung von technischen Baugruppen an Aktualität nicht verliert. Kunststoffe werden bereits seit Jahrzehnten miteinander verbunden. Entsprechende Fügeverfahren, angefangen mit dem Spiegelschweißen, haben sich im Laufe der Zeit entwickelt. Die Anforderungen seitens der zu fügenden Bauteile haben sich jedoch derart verändert, dass herkömmliche Fügeverfahren dieser Aufgabe nicht mehr in vollem Umfang gerecht werden können. Dies gilt besonders für Bauteile, die während des Schweißprozesses nur geringen Belastungen ausgesetzt werden dürfen und in einer industriellen Serienfertigung mit hohen Stückzahlen gefertigt werden müssen. Schweißverbindungen sind thermische Fügeverfahren, die neben den mechanischen Fügeverfahren für Kunststoffbaugruppen, wie beispielsweise Schraub- oder Klickverbindungen, weit verbreitet sind. Hierunter fallen u. a. Reibschweiß-, Heizelementschweiß- sowie Ultraschallverfahren. Sie sind aufgrund ihrer einfachen Integrierbarkeit gut automatisierbar und benötigen keinen Zusatzwerkstoff wie zum Beispiel Klebeverbindungen. Ein solches typisches und allgemein bekanntes Schweißverfahren für Kunststoffe ist das Ultraschallschweißen. Bei diesem werden über Sonotroden Schwingungen im Ultraschallfrequenzbereich unter Druck in das Bauteil übertragen. Dort, wo sich die zu verbindenden Bauteile berühren, entsteht die Schweißnaht. Die durch den oben genannten Prozess entstehende mechanische Belastung während des Schweißprozesses kann Mikrorisse im Bauteil hervorrufen. Diese können im Laufe der Zeit zu Leckagen oder Undichtigkeiten, sowie zu reduzierter Wechsellastfestigkeit bzw. zu versteckten Fehlern führen. Baugruppen, die empfindliche und teure Elektronik beinhalten, verlangen jedoch ein Fügeverfahren, das äußerst schonend arbeitet und die Funktion der Elektronik nicht beeinflusst oder gar zerstört. Solche Anwendungen sind vielfältig und betreffen sowohl Automobilschlüssel oder Sensorikbaugruppen im Automobilbereich als auch empfindliche Kunststoffbaugruppen aus der Medizintechnik. Baugruppen, die ein Fluid führen oder speichern, stellen weiterhin Anforderungen an die Druckfestigkeit, die Dichtheit und an die Sauberkeit des Schweißverfahrens. Das bedeutet, dass das Schweißverfahren nicht dazu führen darf, dass sich Partikel aus dem Kunststoff lösen und während des späteren Betriebes der Baugruppe dann zu Verstopfungen oder Störungen führen. Bauteile mit diesen Ansprüchen finden sich ebenso in der Automobilzulieferindustrie, u. a. in Form von Druckausgleichsbehältern, Schlauchsystemen oder Pumpen, so- Wir liefern Präzisionsoptik und einfache gepresste ANZEIGE Beleuchtungsoptik. Unser Programm beinhaltet: sphärische Linsen und Achromate ab Ø 3,0 mm Asphären und sphärische Linsen gepresst Prismen, Filter, Spiegel, Scheiben, Objektive Zylinderlinsen Kunststofflinsen von Einzelteilen bis zu kompletten Baugruppen gepresste technische Gläser LED-Optik LASER MAGAZIN 2/

2 Verfahrensprizip des Laserdurchstrahlschweißens Quelle: DILAS Kompakte Diodenlasersysteme Quelle: DILAS wie in der Medizintechnik bei Bauteilen mit Mikrofluidik Kanälen. Mit dem Laserdurchstrahlschweißen existiert ein Schweißverfahren für Kunststoffe, das alle oben genannten Anforderungen erfüllt. Es ist sauber, das heißt, durch den Schweißprozess entstehen weder Abrieb noch Partikel. Der Energieeintrag in die Schweißnaht ist zudem lokal begrenzt und erfolgt darüber hinaus berührungslos. Das Verfahren ist weiterhin zuverlässig und erlaubt, u. a. in Form einer Temperaturregelung, eine online Prozesskontrolle, wie später erläutert wird. Entsprechend erfreut es sich zunehmender Beliebtheit. Verfahrensprinzip Die vom Diodenlaser erzeugte Laserstrahlung ist monochromatisch, d. h. sie besteht aus nur einer Wellenlänge. Typische Wellenlängen sind 808 nm, 940 nm oder 980 nm. Trifft diese Laserstrahlung auf eine Oberfläche, die die Strahlung absorbiert, wird die Strahlungsenergie an dieser Stelle in Wärme umgewandelt. Beim Laserdurchstrahlschweißen besteht ein Fügepartner aus laserabsorbierendem Kunststoff, während der andere aus einem Kunststoff besteht, der die Laserstrahlung transmittiert. Ordnet man nun die beiden Fügepartner übereinander an, sodass der obere der für die Laserstrahlung transparente ist und der untere der 18 LASER MAGAZIN 2/2011 absorbierende, so erzeugt man eine Überlappschweißung. Dabei wird der obere, transparente Fügepartner mit dem Laser durchstrahlt ohne diesen zu beschädigen. Der untere Fügepartner wird durch den Laser aufgeheizt und aufgeschmolzen. Die Schmelze gibt ihre Wärme auch an den oberen Fügepartner ab und schmilzt diesen somit auf. Nach Erstarrung der Schmelze ist an dieser Stelle eine Schweißung entstanden. Basierend auf dieser Vorgehensweise lassen sich die unterschiedlichsten Bauteile miteinander verschweißen. Generell existieren diverse Laserdurchstrahlschweißverfahren, die sich im Wesentlichen jedoch darin unterscheiden, wie der Laserstrahl auf dem Werkstück geführt wird. Beim sogenannten Konturschweißen wird der Bearbeitungskopf des Lasers über ein Handling (XY Verfahreinheit oder Roboter) über die Schweißkontur geführt. Dies ermöglicht große Verfahrwege und zudem das Schweißen 3-dimensionaler Bauteile. Beim Simultanschweißen werden hingegen mehrere kleinere Laserstrahlquellen um die Kontur herum angeordnet oder die Schweißkontur durch optische Elemente nachgebildet. Dadurch wird ein gleichzeitiges Erwärmen der gesamten Schweißkontur ermöglicht. Das Maskenschweißen ist ein weiteres Verfahren, bei dem zwischen Laserstrahlquelle und Bauteil eine Maske eingeführt wird. Eine linienförmige Laserstrahlquelle wird anschließend über die Maske bewegt und bildet die Maske als Schweißkontur auf das zu schweißende Bauteil ab [1]. Beim Quasisimultanschweißen wird indessen der Laserstrahl mittels eines Spiegelsystems (Galvo Scanner) sehr schnell über die Schweißkontur bewegt. Die Kontur ist dabei frei programmierbar. Die schnelle Relativbewegung des Laserstrahls lässt die Schweißkontur quasisimultan aufschmelzen. Adäquate Ausrüstung Im Laufe der letzten Jahre sind Kunststoffe entwickelt worden, die für die Diodenlaserwellenlänge hinsichtlich Transparenz und Absorptionsverhalten optimiert wurden. Mit den geeigneten Additiven versehen, entstanden so farbige Kunststoffe, die für die Laserstrahlung transparent erscheinen, für das sichtbare Licht jedoch undurchlässig wirken. Für das Schweißen dieser Kunststoffe werden hauptsächlich fasergekoppelte Diodenlaser eingesetzt, die sich durch eine lange Lebensdauer, einen wartungsarmen Betrieb sowie hohen Wirkungsgrad auszeichnen. Kompakte 19 Zoll Einschübe garantieren weiterhin eine einfache Integration in Fertigungsanlagen. Zusätzlich erlaubt die Lichtübertragung über dünne Glasfasern eine flexible Handhabung. Des Weiteren steht eine große Auswahl unter-

3 Titelstory Verschiedene Schweißverfahren beim Laserdurchstrahlschweißen Die Integrationseinheit zeigt den Galvo Scanner mit Spannsystem und Laserschutz schiedlicher Abbildungsoptiken zur Verfügung. Dabei sind einfache Fokussieroptiken mit unterschiedlichen Brennweiten verfügbar. Diese können zusätzlich mit einem Einfarbenpyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung ausgestattet werden. Durch diese Option kann die Laserleistung des Diodenlasers über einen geschlossenen Regelkreis in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur in der Schweißebene schnell angepasst werden. Damit wird eine qualitative Beurteilung der Schweißnaht ermöglicht. Spezielle Optiken erlauben zudem das Abbilden linienförmiger Foki mit homogener oder ringförmiger Intensitätsverteilung. Unter allen genannten Verfahren hat sich das Quasisimultanschweißen mit einem Galvo Scanner als das Flexibelste erwiesen und findet sich entsprechend in zahlreichen Anwendungen wieder. Produktneuheiten von Hamamatsu Photonics ANZEIGE Neue Messe München Mai 2011 Halle B2 Stand 303 Anwendungsbereiche: Automotive Colour measurement Imaging Sensing & control Temperature measurement Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH Arzbergerstr.10 D Herrsching Telefon: + 49 (0) Fax: + 49 (0) dialog@hamamatsu.de LASER MAGAZIN 2/

4 2 sec Takt Hochleistungslinie für die Produktion von Airbag Sensoren der Fa. Bosch Standardmodul einer stand-alone Version mit z. B. 4-Stationen Rundschaltisch 20 LASER MAGAZIN 2/2011 Einsatz in Serienanlagen Durch den Einsatz der beschriebenen fasergekoppelten Diodenlaserysteme können Abbildungsoptiken mit einem relativ großen räumlichen Abstand zur Laserquelle positioniert werden. Dadurch kann der Maschinenraum klar vom Bearbeitungsraum getrennt werden, was zum einen die Partikelbelastung am Produkt reduziert und zum anderen die Ausmaße einer benötigten Laserschutzzone eindeutig verkleinert. Die Bearbeitungsoptiken an sich benötigen zudem nur einen kleinen Bauraum, sind leicht und lassen sich somit einfach und ideal für das jeweilige Produktionskonzept, z. B. auf einem verstellbaren Portal, Handling oder einer festen Aufnahme positionieren. Außerdem kann aus Bearbeitungsoptik und Spannsystem eine kompakte Integrationseinheit realisiert werden, bei der die zugehörige Versorgungseinheit in Distanz zur Produktionsanlage platziert wird. Somit ist es möglich, den Schweißprozess auf kleinstem Bauraum in eine bestehende Anlage zu integrieren. Des Weiteren ist die Laserquelle durch die Faserkopplung und das 19 Zoll Format sehr leicht zu tauschen, was die Verfügbarkeit der Anlagen auch im seltenen Servicefall aufrechterhält. Diese enorme Flexibilität des Laserkunststoffschweißens ermöglicht u. a. beim Kontur- und Quasisimultanverfahren eine besonders leichte Anpassung der Schweißkontur. Hierzu muss softwareseitig lediglich ein neues Programm geladen werden. Im Anschluss kann der Laser direkt ein neues Produkt oder eine weitere Schweißung am selben Werkstück vornehmen. Um diese Flexibilität auch in der Produktionspraxis umzusetzen, sind schnelle oder automatische Wechselsysteme für die Werkzeuge erforderlich, die sich bereits in der Serienproduktion bewährt haben. Ein Werkzeugwechsel ist dadurch in etwa 2-5 Minuten möglich. Durch eine integrierte Werkzeugcodierung erkennt die Steuerung welcher Werkzeugsatz aufgebaut wurde und somit auch, welche Schweißkontur gefordert ist. Diese wird automatisch geladen, sodass der Bediener direkt im Anschluss an den mechanischen Umbau mit der Produktion des nachfolgenden Produktes beginnen kann. Weiterhin sind die äußerst variablen Größen des Arbeitsfeldes beim laserbasierten Kunststoffschweißen hervorzuheben. Hierdurch können entweder kleinste Schweißzonen oder sehr große Bauteile abgebildet werden. Zu beachten ist jedoch, dass sich in Abhängigkeit der Schweißnahtfläche die erforderliche Niederhaltekraft ändert, da sonst die Schweißnahtqualität negativ beeinflusst wird. Insofern spielt die Auslegung des Spannsystems eine wichtige Rolle. Um auch hier eine größtmögliche Flexibilität zu erhalten, sollte der Grundaufbau eines Standardspannsystems für sehr hohe Kräfte ausgelegt und zusätzlich für die jeweilige Bauteilgröße entweder mit passenden Standardspannrahmen oder einer projektspezifischen Sonderkonstruktion bestückt werden. Der große Arbeitsbereich des Lasers ist nicht nur für die Bauteilgröße ein wichtiger Parameter. Auch für eine mehrspurige Fertigung wird dieser genutzt. Dabei bearbeitet der Laser sequenziell mehrere Bauteile, was zu einer Reduzierung der Taktzeit genutzt wird. Bei Standardanlagen können hier 2-fach oder gegebenenfalls auch 4-fach Spannsysteme zum Einsatz kommen. Für eine Serienfertigung hoher Stückzahlen werden Anlagenkonzepte verwendet, bei denen die Wechselzeiten der Bauteile nur noch einen geringen Einfluss auf die Taktzeit haben. Die Taktzeit orientiert sich somit hauptsächlich an der Bearbeitungszeit (Schweißzeit und Abkühlzeit), wobei die Laserquelle optimal ausgelastet wird. Die hochpräzise, erschütterungsfreie und berührungslose Energieeinbrin-

5 gung eignet sich, wie bereits aufgezeigt, sehr gut für die automatisierte Produktion und zeichnet sich gerade beim Quasisimultanverfahren mit Galvo Scanner durch hohe Wiederholgenauigkeit, Zuverlässigkeit und letztendlich Prozesssicherheit aus. Um das Potential der Lasertechnik noch weiter auszuschöpfen und die im Verhältnis zu anderen Schweißverfahren höheren Anschaffungskosten über den Produktlebenszyklus hinweg zu relativieren, können standardisierte Anlagen zum Kunststoffschweißen modular aufgebaut werden. Dies bedeutet, dass eine manuell bestückbare Maschine nach ersten Musterund Kleinserienschweißungen nachträglich zu einer Drehteller- oder Banddurchlaufmaschine erweitert werden kann. Ebenso kann ein 1-fach Spannsystem auf eine 2-fach Variante erweitert werden, was eine signifikante Steigerung der Produktionskapazität ermöglicht. Qualitätssicherung Die klassische Form der online Qualitätssicherung ist die Weg-/Zeitüberwachung. Hierbei wird eine im Bauteil vorgesehene Schweißrippe kontrolliert abgeschmolzen, wobei vorhersehbare Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Damit lassen sich wiederholsicher Gasdichte und hochfeste Schweißnähte erzeugen. Neben dieser Variante bietet das Pyrometer eine zuverlässige Prozesskontrolle zur Sicherstellung der Schweißnahtqualität. Dieses erkennt oberflächliche Verbrennungen, ermöglicht andererseits jedoch auch temperaturgeführte Schweißprozesse. Über einen geschlossenen Regelkreis wird die Laserleistung hierbei so schnell angepasst, dass die Schweißtemperatur konstant gehalten wird [2]. Für sehr feine Schweißnähte muss eine äußerst hohe Präzision der Ablenkeinheit aufrechterhalten werden. Eine in den Galvo Scanner integrierte Kalibrierungseinheit gewährleistet dabei, dass der Scanner die geforderte Präzision langzeitstabil aufrechterhält. Auch durch eine CCD Kamera kann die Schweißnaht überprüft werden. Allerdings wird dieses Verfahren nach dem eigentlichen Schweißprozess zur Detektion von Verbrennungen eingesetzt. Außerdem kann es die vollständige Ausprägung der Schweißnaht überprüfen und Fehler anzeigen. Um die Laserleistung über die gesamte Produktionszeit auf gleichem Niveau zu halten, werden Leistungsmessgeräte in die Maschine eingebaut. Durch regelmäßige Messzyklen wird sichergestellt, dass jedes Bauteil mit konstanten Parametern geschweißt wird und dabei eine Degradation der Laserleistung frühzeitig erkannt wird. Ausblick Auf der Basis neuer Maschinenkonzepte werden zukünftig Hochleistungsproduktionslinien verfügbar sein, die eine Kapazität von über 150 Teile pro Minute erreichen werden. Diese basieren auf fasergekoppelten Diodenlasersystemen, die hinsichtlich VTR select Laserleistung, Effizienz und Strahlqualität stetig weiterentwickelt werden. Dadurch können kleinere Fokusdurchmesser und größere Arbeitsfelder erreicht und das Kunststoffschweißen mittels Galvo Scanner weiter vorangebracht werden. INFO Präzise positionieren und schnell davonziehen CompaCt 2-axis translation stages Autoren: Steffen Reinl DILAS Industrial Laser Systems Andreas Rau bielomatik Leuze GmbH + Co. KG Geschäftsbereich Kunststoffschweißen Kontakt: DILAS Industrial Laser Systems Geschäftseinheit der DILAS Diodenlaser GmbH Galileo-Galilei-Str Mainz Tel.: Fax: sales@dilas-ils.com bielomatik Leuze GmbH + Co. KG Daimlerstr Neuffen Tel.: Fax: info@bielomatik.de ANZEIGE Flexibilität für schnelles Scanning PXY AP die neue Serie extrem flacher und ultraschneller Piezotische für mikroskopisch genaue Nano-Positionierung. VTR select bietet erstmals die Freiheit, einen Stellweg von bis zu 700 µm für jede Achse individuell auszuwählen. Für maßgeschneiderte Dynamik und Präzision in jeder Richtung, und eine besonders große Innenöffnung mit universellem Probenhalter für die Mikroskopie. Setzen Sie auf PXY AP die neue Präzision für Ihre Performance. Mehr Informationen: / sales@piezojena.com LASER MAGAZIN 2/