Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile

Bei der Herstellung von funktionellen Prototypen, Kleinserien und personalisierten Einzelstücken aus thermoplastischen Kunststoffen werden verstärkt additive Fertigungsverfahren wie das Fused Deposition Modeling (FDM) eingesetzt. Beim additiven Fertigungsprozess können aber nicht immer alle erforderlichen Funktionen im Bauteil integriert werden oder es handelt sich grundsätzlich um Verbindungselemente. Solche Bauteile müssen dann qualitätssicher zu komplexen Baugruppen zusammen oder an bestehende große Baugruppen gefügt werden. Ein flexibles und industriell etabliertes Fügeverfahren für thermoplastische Kunststoffe ist das Laserdurchstrahlschweißen. In der Praxis muss der Laserprozess individuell auf die Bauteilform, das Transmissionsverhalten und den Schmelzpunkt des jeweiligen Kunststoffes angepasst werden.

Um das Laserdurchstrahlschweißen auch für FDM-Bauteile einsetzen zu können, wird in diesem Projekt eine Qualitätssicherung mit einem Expertensystem entwickelt. Durch die Unterstützung der gesamten Prozesskette vom Design zum fertigen Produkt durch das Expertensystem wird das qualitätssichere Fügen mit dem Laser gewährleistet. Mit der Rückkopplung prozessrelevanter Daten in das Expertensystem wird dieses fortlaufend verbessert und kann so auch auf die sich stetig verändernden Prozessvariablen reagieren.

Ziel des Projektes ist es, das Potenzial des qualitätssicheren Laserdurchstrahlschweißens für additiv gefertigte Kunststoffbauteile unterstützt durch das Expertensystem an Hand eines konkreten Fertigungsprozesses aufzuzeigen. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Projektbegleitenden Ausschuss und der Bereitstellung der Projektergebnisse ist eine schnelle Anwendung der Qualitätsscherung mit einem Expertensystem in der Fertigung der beteiligten KmU gesichert. Mit dem einfacheren Zugang zur Fertigungstechnik Laserdurchstrahlschweißen wird für KmU in Deutschland ein entscheidender Wettbewerbs- und Innovationsvorteil erbracht.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die Verkettung des FDM-Verfahrens mit dem Laserdurchstrahlschweißprozess können komplexe und individualisierte Baugruppen in großen Stückzahlen hergestellt werden. Das Anwendungsspektrum der Fügetechnologie Laserdurchstrahlschweißen sowie das Funktionsspektrum der FDM-Bauteile wird durch diesen hybriden Prozess erheblich erweitert.

Außerdem wird die Hürde zur Nutzung beider Technologien erheblich reduziert, da durch den Einsatz des Expertensystems ein barrierefreier und risikoarmer Zugang zu dem erforderlichen Fertigungswissen bereitgestellt wird, welcher mit einem geringen Ressourceneinsatz verknüpft ist. Besonders KMU profitieren davon, da das Fachwissen zur Anwendung der Prozesse digital verfügbar ist. Hersteller von Laseranlagen können auf Basis der Forschungsergebnisse ihre Anlagen weiterentwickeln und neben bestehenden Produktreihen Module anbieten, die eine Laserbearbeitung von additiv hergestellten FDM-Bauteilen zulassen, sodass der Schweißprozess ortsaufgelöst gesteuert werden kann. Dies ermöglicht ein sicheres Fügen der additiv gefertigten Bauteile. Die erzielten Ergebnisse leisten daher einen direkten Beitrag zur Stärkung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit von Laseranlagenherstellern und Anbietern von additiv gefertigten Bauteilen, da das Wissen mithilfe des Expertensystems ohne große Hürden anwendbar ist und für die Systemintegration keine großen Ressourcen zur Anwendung der Ergebnisse notwendig sind. KMU, die zur Herstellung ihrer Produkte das Laserdurchstrahlschweißen sowie additive Fertigungsverfahren nutzen oder planen, diese Verfahren einzusetzen, können mithilfe der Ergebnisse des Forschungsvorhabens die Verfahren mit wenig Aufwand einführen.