Kunststofffügen über grosse Flächen

Laserschweissverfahren für Kunststoffbauteile werden bisher vor allem dafür eingesetzt, schmale Schweissnähte zu erzeugen, etwa für Mikrofluidikanwendungen oder für das Verschweissen von elektronischen Komponenten und Behältern. Um Kunststoff über grössere Anbindungsflächen zu fügen, ist ein grosser Laserspot notwendig. Dieser kann jedoch Energie meist nur mit einer konstanten Intensitätsverteilung in das Werkstück eingebringen. Relevant ist dies insbesondere bei Kurven: im äusseren Bereich der Kurve wird bei einem klassischen Ansatz zu wenig, im inneren Bereich zu viel Energie eingebracht. Im Projekt MULTISPOT hat das LZH zusammen mit vier kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) sowie mit zwei assoziierten Partnern ein neues Verfahren entwickelt, um über grosse Flächen Kunststoff an Kunststoff aber auch Kunststoff an Metall zu fügen.

Laserleistung in einem Feld individuell einstellen
Dazu hat die neoLASE GmbH zusammen mit der COHERENT Inc. eine Diodeneinheit mit neun einzeln ansteuerbaren Diodenstacks entwickelt. Das Besondere: Die Laserleistung der Spots kann unabhängig voneinander eingestellt werden. Mit einer speziell entwickelten Optik der Sill Optics GmbH & Co. KG ist es so möglich, die Intensitätsverteilung anzupassen. Damit lässt sich die Temperatur in der Schweissnaht je nach lokaler Dicke und Beschaffenheit des Materials sowie die Schweissnahtgeometrie einstellen. Die LMB Automation GmbH hat die Komponenten in einem Schweisskopf vereint. Möglich wurde die Entwicklung erst durch ein Messgerät der PRIMES GmbH, mit dem sich erstmalig multifokale Optiken vermessen lassen.

Prozess- und Softwareentwicklung aus dem LZH
Den Prozess für den neuen Schweisskopf haben die Wissenschafterinnen und Wissenschafter des LZH entwickelt. Für eine optimale Anbindung von Kunststoff an Metall, strukturieren sie das Metall vorab. Danach er-hitzen sie das Metall des Werkstücks so stark, dass über eine Wärmeleitung der Kunststoff aufschmilzt und sich fest mit dem Metall verbindet. Mit dem Prozess konnten sie erfolgreich Türelemente aus Kunststoff an einen metallenen Rahmen fügen.
Wichtig für den Einsatz in der Serienproduktion im Automobilbau ist die Automatisierbarkeit des Prozesses. Dafür haben die Wissenschafterinnen und Wissenschafter zusammen mit LMB Automation GmbH Konzepte für den Einsatz des Schweisskopfs auf einem Roboterarm entwickelt und notwendige Software-Programme geschrieben. Dadurch kann das vorgegebene Laserleistungsprofil beim Verfahren des Roboterarms exakt eingehalten werden. Die Volkswagen AG hat dabei bei der praktischen Umsetzung unterstützt und Demonstratorteile zur Verfügung gestellt.

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