Laser-Zentrum Hannover: Generative Bauteile schweissen Experten optimieren Laserschweissen

Von Konrad Mücke

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH und des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH) erforschen, wie generativ gefertigte Bauteile mit dem Laser prozesssicher geschweisst werden können.

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Im Verfahren Fused Deposition Modeling gefertigte Bauteile sind – verglichen mit im Spritzgiessverfahren in Serien hergestellten Verfahren – nicht homogen hinsichtlich der Transparenz für Laserlicht.
Im Verfahren Fused Deposition Modeling gefertigte Bauteile sind – verglichen mit im Spritzgiessverfahren in Serien hergestellten Verfahren – nicht homogen hinsichtlich der Transparenz für Laserlicht.
(Bild: LZH)

Die Forscher in Hannover beabsichtigen, ein Expertensystem zu entwickeln, mit dem sich additive Fertigungsprozesse optimieren lassen. Das soll speziell kleine und mittlere Fertigungsunternehmen befähigen, auch 3D-gedruckte Bauteile sicher mit dem Laser zu schweissen.

Laser bereits genutzt

Für Bauteile aus Kunststoff, die im Spritzgiessverfahren aus Thermoplasten hergestellt sind, hat sich das Durchstrahlschweissen mit dem Laser bereits industriell etabliert. Für generativ gefertigte Bauteile funktioniert der Fügeprozess aber noch nicht. Hohlräume und Grenzschichten in den 3D-gedruckten Bauteilen verhindern eine gleichmässige Schweissnaht. Hinzu kommt, dass die Hohlräume und Grenzschichten bei jedem Bauteil individuell sind. Additiv gefertigte Bauteile erweisen sich als jeweils individuelle – hinsichtlich der inneren Struktur gleicht keines dem anderen. Auch Bauteile aus einer fortlaufend gefertigten Serie sind nur äusserlich identisch, ihr innerer Aufbau kann unterschiedlich sein.

Expertensystem statt aufwendige Analyse

Um kleinen und mittleren Unternehmen zu ermöglichen, 3D-gedruckte Kunststoffbauteile mit dem Laser zu schweissen, ohne jedes einzelne Bauteil vorab genau zu analysieren, wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPH und des LZH ein Expertensystem entwickeln und in diesem Computerprogramm Prozesswissen bündeln. Im Projekt «Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweissen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile (QualLa)» betrachten die Forschenden dafür das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem additiven Verfahren werden dünne Stränge aus geschmolzenem Kunststoff Schicht für Schicht übereinandergelegt. Das beabsichtigte und geplante 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.

Mit Künstlicher Intelligenz Prozess anpassen

Zusätzlich wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Methode entwickeln, um die Transmission abhängig von der jeweiligen Position im Bauteil zu messen. Dabei werden für ein individuelles Bauteil die Zusammenhänge von Transparenz für den Laserstrahl und Position im Bauteil ermittelt. Diese Daten werden dann genutzt, um den Prozess des Durchstrahlschweissens mit dem Laser mithilfe des Expertensystems zu steuern. Wird der Laserstrahl an einer bestimmten Position weniger transmittiert – ist das Bauteil also weniger «lichtdurchlässig» –, muss die Laserleistung erhöht werden. Ist das Bauteil an einer anderen Stelle lichtdurchlässiger, genügt eine kleinere Laserleistung. Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es, eine Prozesssteuerung zu entwickeln, die die Laserleistung abhängig von der Lichttransmission so anpasst, dass eine gleichmässige Schweissnaht entsteht – auch wenn das 3D-gedruckte Bauteil den Laserstrahl nicht gleichmässig durchlässt. Zur Informationsverarbeitung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Methoden des maschinellen Lernens einsetzen. Geplant ist, neuronale Netze zu nutzen, eine Art Künstliche Intelligenz, die das Expertensystem lernfähig macht. Das System soll lernen, selbstständig Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Fertigungsparametern und dem Druckergebnis zu erkennen und so die zu erwartende Transmission vorherzusagen.

Mit Laser Durchstrahlschweissen

Mit dem Verfahren Durchstrahlschweissen mit dem Laser lassen sich Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen verbinden. Das geschieht berührungsfrei ohne mechanische und bei wenig thermischer Belastung. Das Verfahren ist automatisierbar. Die Fügepartner – einer aus transparentem, einer aus intransparentem Kunststoff – werden mit dem Laserstrahl verbunden (geschweisst). Der Laserstrahl durchdringt dabei den transparenten Fügepartner. Sobald er auf den intransparenten Kunststoff trifft, wird das Laserlicht absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch schmilzt der Kunststoff im Fügebereich auf und eine Schweissnaht entsteht.

Forscher offen für Partner

Im Forschungsprojekt arbeiten das IPH und das LZH eng mit der Industrie zusammen. Zum Ausschuss, der das Forschungsprojekt intensiv begleitet, gehören Unternehmen aus den Bereichen Lasertechnik, Additive Fertigung und Anlagenbau. Weitere Unternehmen sind herzlich willkommen, sich am Projekt zu beteiligen. Gesucht werden insbesondere Spezialisten, die sich mit Künstlicher Intelligenz oder Additiver Fertigung beschäftigen. - kmu - SMM

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