Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Laseroptik und Prozessführung sowie einer Prozesskontrolle für das prozesssichere und qualitätsgerechte Laserfügen flexibler Kunststoffverbunde

Übergeordnetes Ziel ist die Etablierung eines Laserwerkzeugs zum konturvariablen Bearbeiten polymerbasierter marktüblicher Verbundfolien.

Das Vorhaben konzentriert sich auf das Fügen der flexiblen Verbunde und die dabei erzielbare Nahtfestigkeit, Prozessstabilität und -geschwindigkeit. Eine Laseroptik und eine Prozesskontrolle werden dahingehend entwickelt und getestet. Die Erkenntnisse sowie Rahmenbedingungen fließen in ein Merkblatt ein, das Interessenten bei der Verwirklichung eigener Applikationen unterstützt.

Aus einem gemeinsamen Vorprojekt beider Forschungsstellen stehen Versuchsstand und Erfahrungen zur Verfügung. In Parameterstudien werden das zeitlich-räumliche Temperaturfeld und die erreichte Nahtqualität beim Fügen marktnaher Musterfolien - beispielhaft aus der Verpackungsbranche - ausgewertet und zu den klassischen Verfahren referenziert. Unterstützt durch Strahlformungssimulation fliesen die Ergebnisse in die Entwicklung der Laserfügeoptik ein. Deren Wirkung und die richtige Prozessführung werden in weiteren Versuchsreihen validiert. Zur Prozesskontrolle sind Methoden auszuwählen, auf prinzipielle Eignung zu testen und eine Vorzugslösung zu validieren.

Das Laserfügen erleichtert eine effiziente Produktion kleinster Losgrößen. Das Knowhow hilft dem KMU-geprägten deutschen Maschinenbau, innovative Lösungen bereitzustellen und seine Marktstellung zu sichern. In der gesamten Verbrauchsgüterproduktion sind individuelle Produkte am P.O.S. erfolgsentscheidend. Medizinprodukte und OLED-Applikationen lassen sich konturgetreuer und langlebiger gestalten. Automobilzulieferer und dgl., die Laserwerkzeuge bereits nutzen, profitieren von der kompakten, preisgünstigen Alternative. Zulieferern für Laserausrüstung erschließen sich neue Einsatzfelder. Die Technologie verzichtet auf spezifische Folien und relativiert so in perspektivischer Funktionsintegration von Fügen und Trennen den Investitionsaufwand. Letzteres wird Bestandteil separater Projekte sein.

Ergebniszusammenfassung:

1. Methodik und Versuchsaufbau zur thermographischen Analyse des Temperaturfeldes in der Folie während des Laserfügens inklusive Kalibrierung des Messaufbaus

2. Charakteristik der Modellfolien mit DSC, FSC, rheom. Klebrigkeitstest, TGA und UV-VIS-Spektroskopie

3. Parameterstudien mit verschiedenen Modellfolien, Laserleistungen, Vorschüben, Fokusdurchmessern sowie Charakterisierung der Naht anhand Festigkeit, Breite und Optik zur (I) Bestimmung der Prozessgrenzen der Modellfolien, (II) Abschätzung der minimalen Schmelzehaltezeit, (III) Übertragbarkeit auf höhere Laserleistung

4. Modell zur numerischen Simulation des Erwärmungsverhaltens beim Laser- und beim Wärmekontaktfügen mit qualitativer Übereinstimmung, aber noch quantitativen Abweichungen durch unbekannte Materialkennwerte

5. Fokussieroptik mit verstell- bzw. wechselbaren optischen Elementen zur Anpassung von Brennweite, Fokusdurchmesser und numerischer Apertur; Entwurf Inprozesskontrolle; Validierung

--> Korrelation Temperaturprofil und tatsächlicher Nahtbreite herstellbar, wenn tatsächliche Nahtbildungstemperatur identifizierbar (hinreichend genaue Kalibrierung vorausgesetzt).

--> Mit Zersetzungstemperatur aus TGA und dem Temperaturprofil kann auf Energieeintrag der Materialzerstörung und damit Abnahme der Nahtfestigkeit geschlossen werden.

--> Thermische Foliencharakterisierung mit DSC für Laserprozess nicht ausreichend --> FSC, Klebtest.

--> Nötige Schmelzehaltezeit aus Temperaturprofilen abschätzbar, aber physikalisch nicht exakt zu quantifizieren.

--> Ergebnisse von 30W- auf 100W-Diodenlasersystem skalierbar, Abweichungsursachen noch zu spezifizieren.

Anwendungen: Prognose & Inprozesskontrolle der Nahtqualität basierend auf IR-Thermographie & Simulation; Klebrigkeitstests (& FSC) für Eingrenzung der Nahtbildungstemperatur bei hohen Erwärmungsraten; Anpassung der Strahlformung an die Prozessanforderungen durch verstellbare Fokussieroptik