3D-gedruckte Bauteile mit dem Laser schweißen: An diesem Ziel arbeiten Forschende des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH und des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH). Im neuen Forschungsprojekt „QualLa – Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile “ wollen sie ein Expertensystem entwickeln, das kleine und mittlere Unternehmen (KMU) dabei unterstützt, additive Fertigungsprozesse zu optimieren – sodass die gedruckten Bauteile anschließend sicher mit dem Laser geschweißt werden können.
Für Spritzguss-Bauteile aus Kunststoff ist das Laserdurchstrahlschweißen bereits ein industriell etabliertes Fügeverfahren. Für Bauteile aus dem 3D-Drucker funktioniert der Fügeprozess aber noch nicht, weil Hohlräume und Grenzschichten in den 3D-gedruckten Bauteilen eine gleichmäßige Schweißnaht verhindern. Diese sind für jedes Bauteil individuell, denn in der Additiven Fertigung gleicht kein Bauteil dem anderen. Selbst Bauteile aus der gleichen Serie sind nur äußerlich identisch, der innere Aufbau kann unterschiedlich sein.
Um den KMU zu ermöglichen, 3D-gedruckte Kunststoffbauteile mit dem Laser zu schweißen, ohne jedes einzelne Bauteil vorab genau zu analysieren, soll in dem Forschungsprojekt ein Expertensystem entwickelt und darin Prozesswissen gebündelt werden. Dafür betrachten die Forschenden das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem additiven Verfahren werden dünne Stränge aus geschmolzenem Kunststoff Schicht für Schicht übereinandergelegt.
Das Expertensystem soll bereits vor dem 3D-Druck Empfehlungen geben, welches Material, welche Schichtdicke und welche Schichtausrichtung am besten geeignet sind, um eine möglichst hohe Transmission zu erreichen – also eine möglichst hohe Durchlässigkeit für den Laserstrahl. Dank dieser Vorarbeit wird es möglich, die gedruckten Bauteile im Anschluss optimal zu schweißen.
Zusätzlich wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Methode entwickeln, um die Transmission ortsaufgelöst zu messen. Dabei wird für ein individuelles Bauteil ermittelt, an welchen Stellen der Laserstrahl wie stark hindurchgelassen wird. Diese Daten werden im Anschluss genutzt, um den Prozess des Laserdurchstrahlschweißens mithilfe des Expertensystems zu steuern.
Wird der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle geringer transmittiert, muss die Laserleistung erhöht werden. Ist das Bauteil an einer anderen Stelle lichtdurchlässiger, genügt eine geringere Laserleistung. Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es, eine Prozesssteuerung zu entwickeln, die die Laserleistung in Abhängigkeit der Transmission so anpasst, dass eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht – auch wenn das 3D-gedruckte Bauteil den Laserstrahl nicht gleichmäßig durchlässt.
Im Forschungsprojekt arbeiten das IPH und das LZH eng mit der Industrie zusammen. Zum Projektbegleitenden Ausschuss gehören unter anderem Unternehmen aus den Bereichen Lasertechnik, Additive Fertigung und Anlagenbau.
Bild oben: 3D-gedrucktes Probebauteil: Die sogenannte Transmissivität, also die Lichtdurchlässigkeit, variiert je nach Schichtdicke und Schichtausrichtung. (Quelle: LZH)
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, ingenieur.de, Laser-Zentrum Hannover
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