Projekte

Weldable

Adaptives Laserdurchstrahlschweißen basierend auf inlinefähiger optischer Kohärenztomographie (MANUNET-Weldable)

Programm: Forschung für die Produktion von morgen (bis 2015)
Bekanntmachung: Hochleistungsfertigungsverfahren für die Produkte von Morgen - Technologieinnovationen auf dem Weg zur intelligenten Fertigung
Wettbewerb: Hochleistungsfertigungsverfahren für die Produkte von Morgen innerhalb transnationaler Forschungsprojekte des europäischen ERA-Net MANUNET

Kurzbeschreibung:
Das Forschungsprojekt Weldable entwickelte einen adaptiven Laserdurchstrahlschweißprozess mit einer innovativen Mess- und Regelungstechnik. Dieser Ansatz ermöglicht die Erfassung von quantitativen Informationen der Schweißnahtbildung, beispielsweise über die Schweißnahtform und die entstehenden Poren. Dazu wurde u. a. ein neuartiges räumlich hochauflösendes optisches Messsystem entwickelt. Eine erhebliche Steigerung der Fertigungsstabilität, -robustheit, -flexibilität und -qualität wurde erreicht und damit neue Anwendungsmöglichkeiten für den industriellen Einsatz, wie z. B. im Automobilbau und in der Medizintechnik, erschlossen. Die transnationale Aufstellung der beteiligten Entwicklungspartner aus Belgien und Deutschland garantierten dabei die Einbeziehung notwendiger Kernkompetenzen und die Erschließung neuer Märkte.

www:
http://www.weldable.eu

Projektdauer: 01.04.2014 − 31.12.2017

Projektkoordinator:
Manuel Sieben
LPKF Laser & Electronics Aktiengesellschaft
Telefon: +49 911 669859-7444
E-Mail: manuel.sieben@lpkf.com

Ansprechpartner bei PTKA:
Dipl.-Ing. Stefan Scherr
Telefon: +49 721 608-25286
E-Mail: stefan.scherr@kit.edu

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung
Kunststoffe haben in fast allen Bereichen unseres täglichen Lebens als "Werkstoffe nach Maß" Einzug gehalten. Viele der komplexen Produkte des Automobilbaus und der Elektronik sind ohne Fügeverfahren für Kunststoffe sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht herstellbar. Das Laserdurchstrahlschweißen zeichnet sich hierbei durch hohe Schweißnahtfestigkeit und Gleichmäßigkeit aus. Mit diesem Hochleistungsverfahren, bei dem Erwärmung und Fügevorgang zeitgleich ablaufen, können hermetisch abgedichtete Fugen hergestellt werden. Um auch bei schwankenden Prozesseinflüssen, beispielsweise durch unterschiedliche Werkstoffeigenschaften, konstante Schweißnähte zu erzielen, wurde ein adaptiver Schweißprozess erforderlich. Regelsysteme bieteten hierfür nur limitierte Lösungen, da ihre Sensorik keine quantitativen Schweißinformationen über verschiedene Werkstoffe und Materialstärken erfassen. Für diese Prozessregelung wurde daher ein Messverfahren notwendig, welches tiefenaufgelöste und hochgenaue Daten liefert.

Ziel
Das Forschungsprojekt Weldable entwickelte einen adaptiven Laserdurchstrahlschweißprozess mit einer innovativen Mess- und Regelungstechnik. Dieser Ansatz ermöglichte die Erfassung von quantitativen Informationen der Schweißnahtbildung, beispielsweise über die Schweißnahtform und die entstehenden Poren.

Vorgehensweise
Dazu wurde ein neuartiges räumlich hochauflösendes optisches Messsystem entwickelt. Damit wurde ermöglicht, fehlerhafte Hohlstellen und Verengungen während des Schweißvorgangs auch unter der Bauteiloberfläche zu ermitteln. Der Zusammenhang zwischen Schweißnaht und Funktionalität wurde durch eine Prozesssimulation zerstörungsfrei berechenbar. Die Erprobung der Schweissanlage erfolgte mittels einer zu entwerfenden Regeleinheit, die den Laserdurchstrahlprozess mit den notwendigen Prozessparametern, wie z. B. Laserleistung, Vorschub und Brennpunkt, steuert.

Erwartete Ergebnisse
Zukünftig wird es möglich sein, perfekte Schweißnähte für Kunststoffbauteile zuverlässig, schnell und wirtschaftlich herzustellen. Eine erhebliche Steigerung der Fertigungsstabilität, -robustheit, -flexibilität und -qualität wurde erreicht und damit neue Anwendungsmöglichkeiten für den industriellen Einsatz, wie z. B. im Automobilbau und in der Medizintechnik, erschlossen. Die transnationale Aufstellung der beteiligten Entwicklungspartner aus Belgien und Deutschland garantierten dabei die Einbeziehung notwendiger Kernkompetenzen und die Erschließung neuer Märkte.

Publikationen

Adaptive laser transmission welding based on inline optical tomography
Autor: Sieben, M.; Jaus, T. (pub.)
Verlag: Eigenverlag
Erscheinungsjahr: 2018
Beschreibung: Within the area of plastic joining, laser plastic welding has seen a remarkable development over the last 10 years. Due to increasingly strict requirements from the automotive and medical industries, where the failure of, for example, sensory devices, can lead to harm for the physical well-being of the customer, quality control mechanisms are continuously gaining in importance. Until now, no process control system for plastic welding is capable of delivering quantitative information about the quality of the joining operation, much less actively avoid the production of scrap parts.

The objective of this project was the implementation of an adaptive feedback-controlled laser transmission welding process by means of inline optical tomography. By the development and machine integration of a high-precision optical coherence tomography system, quantitative information of the weld-forming process (weld seam geometry, pore detection and evaluation, leakage, weld-partner gap) can be acquired inline. The obtained information is processed and fed back to a central control system, which adapts the process parameters in real time (i.e. laser power, feed rate). The implementation of the control unit is based on a specially developed process and control model with experimental and simulative support.
The results of the transnational ERANET-MANUNET joint project Weldable, with the participation of Belgian and German partners, are available in English in this final report.

Im Bereich des Fügens von Kunststoffen hat das Laserkunststoffschweißen in den letzten 10 Jahren eine bemerkenswerte Entwicklung erlebt. Infolge zunehmend strikterer Anforderungen der Automobil- und Medizintechnikindustrie, in denen Ausfälle von Komponenten, beispielsweise Sensorik, zu erheblichen Risiken für die Gesundheit des Kunden bzw. Patienten führen können, gewinnen Methoden der Qualitätskontrolle stetig an Bedeutung. Für das Laserkunststoffschweißen gibt es bislang jedoch keine Prozesskontrolle die in der Lage ist, quantitative Aussagen über die Qualität der Fügeoperation zu treffen, geschweige denn, diese aktiv sicherzustellen.

Die Zielsetzung des Weldable-Projekts war die Implementierung eines adaptiven Regelkreises für das Laserkunststoffschweißen auf Basis optischer Kohärenztomographie. Durch die Entwicklung und Integration einer hoch präzisen Tomographieeinheit in eine Laserschweißanlage besteht nun die Möglichkeit, quantitative Informationen über die Ausprägung des Schweißprozesses (z.B. Schweißnahtgeometrie, Porenerkennung und -evaluierung, Fehlstellen, Fügespalte) inline zu akquirieren. Die so erfasste Information wird prozessiert und in einen Regelkreis eingespeist der Prozessparameter, beispielsweise Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit, in Echtzeit anzupassen vermag. Die Implementierung des Regelkreises erfolgte hierbei auf Grundlage eines speziell entwickelten, auf experimentellen und simulativen Ergebnissen beruhenden Prozessmodells.
Die Ergebnisse des transnationalen ERANET-MANUNET Verbundprojektes Weldable, unter Beteiligung belgischer und deutscher Partner, liegen in englischer Sprache in diesem Abschlussbericht vor.

Projektträger

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

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

+49 (0)721 608-25281
+49 (0)721 608-992003

info@ptka.kit.edu
Standort Dresden
PTKA

Ansprechpartner

Sekretariat Karlsruhe

Celina Gabber und Solvig Grünitz

+49 (0)721 608-25281
zentralessekretariat@ptka.kit.edu

Sekretariat Standort Dresden

Heike Blumentritt

+49 (0)721 608-31435
heike.blumentritt@kit.edu