DE102008038014A1 - Verfahren für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen - Google Patents

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Frank Brunnecker
René Geiger
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LPKF Laser and Electronics AG
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    • B29C66/7377—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the state of the material of the parts to be joined amorphous, semi-crystalline or crystalline
    • B29C66/73775—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the state of the material of the parts to be joined amorphous, semi-crystalline or crystalline the to-be-joined area of at least one of the parts to be joined being crystalline
    • B29C66/73776—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the state of the material of the parts to be joined amorphous, semi-crystalline or crystalline the to-be-joined area of at least one of the parts to be joined being crystalline the to-be-joined areas of both parts to be joined being crystalline

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Abstract

Verfahren für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen, das die Verfahrensschritte Erstellen eines Transmissionsprofils (13) eines transmissiven Fügepartners (2) entlang einer Kontur (10) einer zu erstellenden Schweißnaht, Führen einer Bearbeitungsstrahlung (8) mit einer Laserleistung in eine Fügezone (9) für einen nachfolgenden Fügeprozess mit einem absorbierenden Fügepartner (7) entlang der Kontur (10) und dabei Steuerung des Fügeprozesses, derart, dass in einem Bereich verringerter Transmission (11) des transmissiven Fügepartners (2) ein erhöhter Energieeintrag in die Fügezone (9) erfolgt, umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen zur Messung der transmissiven Materialeigenschaften sowie zur Steuerung der Laserleistung in einem nachfolgenden Fügeprozess.
  • Das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen ist aus der DE 44 32 081 A1 bekannt. Dabei dringt Bearbeitungsstrahlung mit nur geringer Dämpfung durch einen transmissiven Fügepartner in eine Fügezone und wird von einem absorbierenden Fügepartner absorbiert, der daraufhin lokal plastifiziert. Infolge von Wärmeleitung in den transmissiven Fügepartner wird auch dieser lokal plastifiziert, so dass ein Stoffschluss zwischen den beiden Fügepartnern erfolgt.
  • Mangelhafte Fügeverbindungen können bei dem Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen auf Geometriefehlern der Fügepartner oder auf gegenüber der Prozessauslegung veränderten optischen Eigenschaften der Fügepartner basieren. Durch Geometriefehler kann der thermische Kontakt zwischen den Fügepartnern derart beeinträchtigt werden, dass die resultierende Wärmeleitung nicht ausreicht, um den transmissiven Fügepartner lokal zu plastifizieren. Typische Geometriefehler sind Kerben oder Nahtspalte, wobei die Spalte durch Verzug der Fügepartner entstehen können. Im Gegensatz zu Geometriefehlern, die auch bei konventionellen Fügeverfahren zu mangelhaften Fügeverbindungen führen können, können die optischen Eigenschaften – das sind die Reflexion einer Strahlung an einer Oberfläche sowie die Transmission, die Absorption und die Streuung bei dem Eintreten einer Strahlung in einen Körper – der Fügepartner eine spezifische Fehlerursache für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen darstellen. Abweichungen der optischen Eigenschaften während des Fügepro zesses gegenüber dem Zustand der Prozessauslegung können eine Überhitzung eines Fügepartners oder mangelnden Stoffschluss bewirken.
  • In einem Spritzgießprozess, mittels dem die Fügepartner hergestellt werden, können durch die Wahl von Prozessparametern und der Werkzeugform sowohl die Geometrie als auch die optischen Eigenschaften in dem Kunststoffteil, insbesondere bei einem gefüllten, verstärkten oder hochkristallinen Kunststoff, beeinflusst werden. Während bei einem faserverstärkten Kunststoff Faseranhäufungen im Bereich eines Anspritzpunktes auftreten können, kann die Verarbeitung eines teilkristallinen Kunststoffs bei ungeeigneter Abkühlgeschwindigkeit zu einem erhöhten Kristallinitätsgrad führen. In beiden Fällen resultieren lokal variierende Transmissionswerte im Fügepartner.
  • Für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen wird typischerweise ein Diodenlaser verwendet, dessen Strahlung im Infrarotbereich emittiert und damit für das menschliche Auge unsichtbar ist, so dass eine visuelle Qualitätsprüfung eines im Spritzguss hergestellten Fügepartners unzureichend ist. Für eine präventive Qualitätssicherung wird deshalb die Messung des Absorptions- bzw. Transmissionsverhaltens der Fügepartner mit einer Messstrahlung, deren Wellenlänge nahe der Wellenlänge der Bearbeitungsstrahlung ist, durchgeführt.
  • Aus der DE 103 26 992 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Transmissionswerten bekannt, wobei ein zu messendes Material zwischen einer Lichtquelle, die Messstrahlung emittiert, und einem Lichtsensor angeordnet ist. Der Lichtsensor erfasst ein Messsignal, das mit einem gemessenen Signal eines Referenzteils verglichen wird. Nachteilig ist hierbei die Notwendigkeit des Referenzteils selbst sowie eine mögliche Alterung des Refe renzteils, die eine Veränderung der optischen Eigenschaften zur Folge haben und somit zu abweichenden Messergebnissen führen kann.
  • Aus der DE 195 20 094 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit welcher die Transmission und die Dicke von Folien oder Platten ermittelt werden kann. Die DE 10 2004 000 022 A1 offenbart ein Transmissionsmessgerät zur Bestimmung der optischen Durchlässigkeit von Werkstoffen. Aus der DE 10 2007 021 715 A1 ist eine automatische Werkstück-Rückkopplungskompensation beim Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen bekannt, bei der mittels einer integrierten Reflexionsmesseinrichtung ein vom transmissiven Fügepartner reflektierter Strahlungsanteil entlang einer Schweißkontur ermittelt wird, um damit eine Nachregelung der Laserleistung vorzunehmen. Allerdings lässt die Reflexion des transmissiven Fügepartners keine direkten Rückschlüsse auf einen für den Schweißprozess entscheidenden transmittierten Strahlungsanteil zu. Eine Anpassung der Laserleistung erfolgt in diesem Regelkreis mit zeitlichem Abstand zu der Erfassung der gemessenen Reflexion, so dass lokal hohe Gradienten der optischen Eigenschaften entlang der Schweißkontur wie beispielsweise Glasfaseranhäufungen nicht ausgeglichen werden können. Aus diesen Gründen ist die automatische Werkstück-Rückkopplungskompensation ungenau.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen zu schaffen, das die lokalen Unterschiede der transmissiven Materialeigenschaften entlang einer Kontur einer zu erstellenden Schweißnaht für die Steuerung eines nachfolgenden Schweißprozesses berücksichtigt.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, ein Transmissionsprofil eines transmissiven Fügepartners entlang einer Kontur einer zu erstellenden Schweißnaht zu bestimmen. In einem nachfolgenden Fügeprozess wird eine Strahlquelle entlang der Kontur geführt, wobei der Fügeprozess derart gesteuert wird, dass an Stellen verringerter Transmission ein erhöhter Energieeintrag erfolgt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zusätzliche Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Messung der Transmission eines transmissiven Fügepartners,
  • 2 einen Querschnitt einer Fügeverbindung eines transmissiven Fügepartners und eines absorbierenden Fügepartners,
  • 3 eine Draufsicht eines transmissiven Fügepartners mit einer Darstellung einer Kontur einer zu erstellenden Schweißnaht und
  • 4 und 5 eine Darstellung eines Transmissionsprofils und eines korrespondierenden Laserleistungsprofils.
  • Eine in der 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient der Messung einer Transmission eines transmissiven Fügepartners 2. Dazu wird der transmissive Fügepartner 2 von einer Messstrahlung 3, die von einer Strahlquelle 4 ausgeht, bestrahlt. Auf einer der Strahlquelle 4 gegenüberliegenden Seite des transmissiven Fügepartners 2 ist ein Lichtdetektor 5 angeordnet, der eine transmittierte Messstrahlung 6 erfasst. Aus einem Vergleich der Messstrahlung 3 und der transmittierten Messstrahlung 6 kann die Transmission des transmissiven Fügepartners 2 ermittelt werden.
  • 2 zeigt einen Querschnitt einer Fügeverbindung, die im Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen hergestellt wird. Dazu werden der transmissive Fügepartner 2 und ein absorbierender Fügepartner 7 derart angeordnet, dass eine Bearbeitungsstrahlung 8 ausgehend von der Strahlquelle 4 durch den transmissiven Fügepartner 2 durchstrahlt und von dem absorbierenden Fügepartner 7 absorbiert wird. Infolge eines Fügeprozesses bildet sich eine Fügezone 9 aus.
  • In 3 ist eine Draufsicht auf den transmissiven Fügpartner 2 mit einer Kontur 10 einer zu erstellenden Schweißnaht dargestellt. Vor der Durchführung des Fügeprozesses erfolgt die Messung der Transmission des transmissiven Fügepartners 2 entlang der Kontur 10. Damit kann ein Bereich verringerter Transmission 11, der sich beispielsweise um einen Anspritzpunkt 12 ausbilden kann, identifiziert werden.
  • 4 zeigt ein Transmissionsprofils 13 des transmissiven Fügepartners 2 als funktionalen Zusammenhang zwischen der Transmission T und einem Weg s entlang der Kontur 10. In 5 ist ein zu dem Transmissionsprofil 13 korrespondierendes Laserleistungsprofil 14 als funktionaler Zusammenhang zwischen einer Laserleistung P und dem Weg s entlang der Kontur 10 dargestellt.
  • In dem nachfolgenden Fügeprozess wird die Bearbeitungsstrahlung 8 mit einer Relativgeschwindigkeit bzgl. der Fügepartner 2, 7 entlang der Kontur 10 geführt, um die Schweißnaht zu erstellen. Dabei erfolgt in Bereichen verringerter Transmission 11 des transmissiven Fügepartners 2 ein erhöhter Energieeintrag in die Fügezone 9. Dazu kann die Laserleistung der Bearbeitungsstrahlung 8 bei konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen der Bearbeitungsstrahlung 8 und den Fügepartnern 2, 7 erhöht werden. Die Reduzierung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Bearbeitungsstrahlung 8 und den Fügepartnern 2, 7 bei konstanter Laserleistung der Bearbeitungsstrahlung 8 bewirkt ebenfalls eine Erhöhung des Energieeintrags in die Fügezone 9. Weiterhin ist auch eine Kombination beider Einflüsse derart möglich, dass die Laserleistung der Bearbeitungsstrahlung 8 bei verringerter Relativgeschwindigkeit zwischen der Bearbeitungsstrahlung 8 und den Fügepartnern 2, 7 erhöht wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - DE 102007021715 A1 [0007]

Claims (7)

  1. Verfahren für das Laserdurchstrahl-Kunststoffschweißen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Erstellen eines Transmissionsprofils (13) eines transmissiven Fügepartners (2) entlang einer Kontur (10) einer zu erstellenden Schweißnaht, – Führen einer Bearbeitungsstrahlung (8) mit einer Laserleistung in eine Fügezone (9) für einen nachfolgenden Fügeprozess mit einem absorbierenden Fügepartner (7) entlang der Kontur (10) und dabei – Steuerung des Fügeprozesses derart, dass in einem Bereich verringerter Transmission (11) des transmissiven Fügepartners (2) ein erhöhter Energieeintrag in die Fügezone (9) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstellung des Transmissionsprofils (13) durch Messung einer durch den transmissiven Fügepartner (2) transmittierten Messstrahlung (6) mit einem Lichtdetektor (5) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Messstrahlung (3) in direkter Beziehung zu der Wellenlänge der Bearbeitungsstrahlung (8) steht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Messstrahlung (3) und die Wellenlänge der Bearbeitungsstrahlung (8) gleich sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Energieeintrag durch Erhöhung einer Laserleis tung der Bearbeitungsstrahlung (8) insbesondere bei konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen der Bearbeitungsstrahlung (8) und den Fügepartnern (2, 7) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Energieeintrag durch Reduzierung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Bearbeitungsstrahlung (8) und den Fügepartnern (2, 7) insbesondere bei konstanter Laserleistung der Bearbeitungsstrahlung (8) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatisierte Abfolge der Verfahrensschritte erfolgt.
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