Projekt „MANUNET Weldable“ erfolgreich abgeschlossen

Für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen spielt die Sicherstellung der Produktqualität eine zentrale Rolle. Beim laserbasierte Fügen von Kunststoffen sind hier bislang keine zufriedenstellenden Lösungen verfügbar. Deshalb besteht auf diesem Gebiet ein hoher Forschungsbedarf, insbesondere hinsichtlich berührungsloser Inline-Lösungen.

Adaptives Laserdurchstrahlschweißen basierend auf inlinefähiger optischer Kohärenztomographie

Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen ist eine industriell etablierte und in vielen Bereichen eingesetzte Fügetechnik. Aufgrund von steigenden Produktanforderungen spielt die Prozessüberwachung beim Laserdurchstrahlschweißen aktuell eine große Rolle. Bisherige Prüfmethoden beschränken sich jedoch entweder auf eine zerstörende, nachgelagerte Charakterisierung (Festigkeitsanalysen, Dichtheitstests) oder auf Inline-Verfahren (z.B. Pyrometrie), welche nicht geeignet sind, Prozessfehler qualitativ wiederzugeben. Eine vielversprechende Alternative dazu ist die optische Kohärenztomographie (OCT), welche zerstörungsfreie tomographische Messungen der Schweißnaht mit einer Auflösung von wenigen Mikrometern ermöglicht. In dem vom BMBF geförderten Projekt „MANUNET Weldable“ wurde deshalb ein Inline-Messsystem entwickelt, welches den klassischen Laserdurchstrahlschweißprozess mit der OCT-Technologie kombiniert (vgl. Abbildung 1).

Der Aufbau des Systems besteht aus dem Bearbeitungslaser, der Swept source OCT, einer Integrationsbox zur Strahlkopplung und einem Galvanometerscanner mit einer F-Theta Linse. Bei einer Swept source OCT wird eine breitbandige Lichtquelle verwendet, deren Frequenz über die Zeit variiert wird. Dadurch sind Erfassungsraten im Kilohertz-Bereich möglich. Da der Messstrahl des OCT-Systems und der Bearbeitungslaser unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, können beide Strahlen über einen dichroitischen Spiegel koaxial gekoppelt und anschließend zusammen durch den Galvanometerscanner abgelenkt werden. Dadurch ist es möglich, schon während des Schweißprozesses jederzeit Aussagen über die lokale Schweißnahtqualität zu treffen. Der Messstrahl wird dafür an den Grenzflächen des Werkstücks reflektiert und interferiert anschließend mit dem Referenzpfad des OCT-Systems. Durch die Aufnahme des Interferenzsignals mit einer Fotodiode und der anschließenden Fourier-Transformation des Signals ist es möglich, Tiefeninformationen der gescannten Probe zu gewinnen. Da der OCT-Messstrahl ebenfalls an Schweißnahtdefekten reflektiert wird, können Poren, Lunker oder Fehlstellen frühzeitig identifiziert werden. Durch zwei zusätzliche Ablenkspiegel vor dem Galvanometerscanner ist es weiterhin möglich, den OCT-Messstrahl unabhängig vom Bearbeitungslaserstrahl zu bewegen. Dadurch kann z.B. der Messstrahl oszillierend oder senkrecht zur Vorschubbewegung des Bearbeitungslasers bewegt werden, um Bildinformationen vor, neben und nach der eigentlichen Schweißung zu gewinnen. Eine weitere interessante Applikationsmöglichkeit ist die Charakterisierung von Transparent-Transparent-Laserschweißverbindungen, wie sie oftmals in der Medizintechnik zum Einsatz kommen (Abbildung 2). Bei diesem Verfahren stellen sich besonders hohe Anforderungen an die Prozessüberwachung, da sehr kleine Strukturen im Bereich von 100 µm mediendicht verschweißt werden müssen. Da das entstehende Temperatursignal sehr schwach ist, ist zudem eine Temperaturüberwachung des Schweißvorgangs mittels Pyrometrie aktuell noch nicht möglich.

Transparent-Transparent-Laserschweißverbindung bei einem Demonstratorbauteil.

Transparent-Transparent-Laserschweißverbindung bei einem Demonstratorbauteil.

LPKF

Transparent-Transparent-Laserschweißverbindung im OCT-Bild.

Transparent-Transparent-Laserschweißverbindung im OCT-Bild.

Fraunhofer IPT, BLZ

Experimenteller Aufbau.

Experimenteller Aufbau.

BLZ

Das Projektkonsortium umfasste aus Belgien die Partner GeonX, it4ip und Rovitech, sowie aus Deutschland die Partner Amtron, Bayerisches Laserzentrum GmbH, Continental, Fraunhofer IPT und LPKF.

Mehr Informationen in der Kurzbeschreibung des Projekts oder auf der Projekt-Webseite www.weldable.eu.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Produktion, Dienstleistung und Arbeit
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

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Außenstelle Dresden
PTKA

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heike.blumentritt@kit.edu