Kunststofffügen über große Flächen mit Multifokal-Laseroptik

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 Wissenschaftler:innen des LZH entwickelt. Für eine optimale Anbindung von Kunststoff an Metall, strukturieren sie das Metall vorab. Danach erhitzen 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 Wissenschaftler:innen 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.

Gefördert wurde das Projekt MULTISPOT vom Bundeministerium für Bildung und Forschung im Rahmen von KMU-innovativ.