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LPKF Laser & Electronics AG: Heissverstemmen mit Laserunterstützung

Redakteur: Luca Meister

>> Das Heissverstemmsystem «LPKF LQ-Spot» stellt eine neue Möglichkeit dar, stoffschlüssige Verbindungen überwacht und prozesssicher zu erzeugen, insbesondere für Serienfertigungen. Durch die kompakte Bauweise ist es einfach in ein bestehendes System zu integrieren. Die intern vorhandenen Schutzvorrichtungen erleichtern und der saubere Prozess sichert einen dauerhaften, wartungsarmen Betrieb ohne zeitaufwendige Reinigungsarbeiten oder Justage-Anforderungen.

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Das laserbasierte Heissverstemmen stellt eine neue Art der Befestigung von Metallteilen auf Kunststoff dar. (Bild: LPKF)
Das laserbasierte Heissverstemmen stellt eine neue Art der Befestigung von Metallteilen auf Kunststoff dar. (Bild: LPKF)

Es gibt viele Möglichkeiten, Bauteile oder Baugruppen zu befestigen. Schrauben, Kleben und Nieten bekommen einen Mitbewerber mit interessanten Eigenschaften: das laserbasierte Heissverstemmen. Bei diesem Verfahren durchdringt ein Dom das zu befestigende Bauteil. Darauf wird ein transparenter Fügepartner mit Laser-Durchstrahlschweissen aufgeschweisst.

Der Laserstrahl durchdringt den transparenten Nietkopf und schmilzt den Dom auf. Ein Stempel presst den transparenten Fügepartner mit moderatem Druck auf den Dom. Durch Wärmeleitung schmilzt die Kontaktstelle im Nietkopf und bildet nach der Verfestigung eine zuverlässige, feste Verbindung. Der Stempel hat dabei keinen Kontakt mit dem schmelzflüssigen Material. Die Reinigung entfällt, dadurch ergeben sich hohe Standzeiten und kurze Zykluszeiten. Da die Schweissungen eine hohe Qualität bei Festigkeit und den optischen Eigenschaften erreichen, kann das Laser-Heissverstemmen auch im sichtbaren Bereich erfolgen.

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Begrenzte Wärmeeinflusszone

Die lokal begrenzte Energieeinbringung in die Fügezone schliesst eine Schädigung von empfindlichen Bauteilen und Materialien in der Umgebung aus. Durch die direkte Überwachung der Prozesszeit, des Schweisswegs und der Schweissgeschwindigkeit lassen sich sichere Schweissvorgänge durchführen und dokumentieren.

Die Vorteile des Verfahrens liegen in der räumlich begrenzten Wärmeeinflusszone, der hohen Reproduzierbarkeit und der geringen mechanischen Belastung der Fügepartner. Das Einsatzgebiet ist dort, wo eine prozesssichere, stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei thermoplastischen Kunststoffen gefordert ist. Gleichzeitig lassen sich auch nichtthermoplastische Materialien sicher fixieren. Bei der Befestigung von Elektronikplatinen in Gehäusen werden die Platinen auf Dome im Umgebungsgehäuse gesetzt und mit den transparenten Nietköpfen sicher befestigt. Gleiches ist mit Komponenten aus Metall möglich.

Sofortige Abkühlung

Das Heissverstemmen mittels Laserstrahl leitet sich von dem Laser-Durchstrahlschweissen ab, das sich in den letzten Jahren als führendes Verfahren der Kunststoff-Fügetechniken etabliert hat. Bei diesem Verfahren werden die Fügepartner mit Hilfe eines Laserstrahls verbunden. Üblicherweise kommen Laser im nahen infraroten Wellenlängenbereich zum Einsatz. Der obere Fügepartner muss für die Wellenlänge transparent sein, der untere nimmt die Laserenergie auf. Der Laserstrahl durchdringt den transparenten Teil und wird vom unteren Fügepartner absorbiert. Ein Stempel drückt auf das obere Bauteil und erhöht die Wärmeleitung – auch der transparente Bereich der Schweissnaht schmilzt auf.

Der Spannstempel übernimmt auch das Nachführen des transparenten Fügepartners während des Schweissprozesses. In der Abkühlzeit des Kunststoffes wird der Spanndruck aufrechterhalten. Es findet ein Nachsetzen des oberen Fügepartners statt.

Durch den optischen Aufbau des Systems LQ-Spot wird die gesamte Domfläche vom Laser simultan, das heisst gleichzeitig bestrahlt. Der Dom schmilzt auf und es findet eine formschlüssige Verbindung des transparenten Fügepartners mit dem Dom statt. Die hierdurch stattfindende Setzbewegung wird über den Spannstempel nachgeführt. Der entstehende Schmelzaustrieb wird von der Bohrung im zu befestigenden Bauteil aufgenommen. Die Temperatur der Schweissstelle sinkt direkt nach dem Prozess wieder auf Zimmertemperatur ab – das Bauteil lässt sich sofort weiterverarbeiten.

Kompaktes System

Speziell für diese Art des Laser-Durchstrahlschweissens hat LPKF das Laserschweisssystem «LQ-Spot» entwickelt. Es ist kompakt aufgebaut und besteht aus dem Schweisskopf und einer Steuerung. Aufgrund der geringen Masse lässt sich der Schweisskopf leicht in eine Bearbeitungszelle integrieren. Im Kopf befinden sich der Laser, die zur Strahlformung benötigten optischen Komponenten und die Spanneinheit. Das Gehirn des Systems ist die Steuerung, sie ist in einem 19-Zoll-Einschub mit sechs Höheneinheiten untergebracht. Daneben sind hier sämtliche elektrischen und pneumatischen Komponenten wie z. B. Ventile, Sicherheitsmodule und Stromversorgungen verbaut.

Integrierter Shutter mit Sicherheitsmodul

Für die Parametrierung des Systems, wie z. B. Laserleistung oder Schweissweg ist eine serielle Schnittstelle zuständig. In diesem so genannten manuellen Modus können die gesamten Prozessparameter angepasst und die einzelnen Zylinder verfahren werden. Diese Kommunikation ist entweder über eine von LPKF zur Verfügung gestellte Software oder über die Verwendung eines SPS-Moduls möglich.

Zusätzlich zu den funktionellen Bausteinen ist im LQ-Spot noch ein mechanischer Shutter mit einem Sicherheitsmodul integriert. Dieser liegt im Strahlengang des Lasers und verhindert das unbeabsichtigte Austreten von Laserstrahlung. Er wird durch das Sicherheitsmodul überwacht. Dieses ist über eine Schnittstelle in den Interlock- und den Not-Aus-Kreis der Zelle einzubinden, so dass ein sicherer Betrieb des Systems zu jeder Zeit gewährleistet ist (Laserklasse 1).

Überprüfung nach eingestellten Kriterien

Ist das LPKF-LQ-Spot-System erst einmal in die Produktionslinie integriert, gestaltet sich der Ablauf einer Schweissung einfach: Über eine individuell gestaltete Zuführeinheit wird der transparente Fügepartner dem Schweisskopf zugespielt. Der Kopf nimmt das Kunststoffbauteil mit Unterdruck auf. Dann fährt der Kopf in Z-Richtung auf den Dom bis zum Nullpunkt. Dabei überprüft das System, ob sich der Nullpunkt innerhalb der angegebenen Grenzen befindet. Anschliessend öffnet sich der Shutter und lässt den Laserstrahl passieren. Nach dem Erreichen des Schweissweges wird der Laser abgeschaltet und der Shutter geschlossen. Nun läuft die eingestellte Nachhaltezeit, in der der Spanndruck aufrechterhalten wird, ab. Anschliessend wird nochmals der Weg überprüft und die Schweissung nach den eingestellten Kriterien beurteilt. Der Kopf fährt in seine Ausgangsstellung zurück und ist bereit für die nächste Schweissung.

Nach dem Zuführen des transparenten Fügepartners läuft das Heissverstemmen vom Antriggern bis zum Ende der Schweis-sung inklusive Beurteilung komplett selbständig ab. Ein typischer Schweissweg beträgt 0,3 bis 0,5 Millimeter bei einer durchschnittlichen Schweisszeit von 500 bis 1000 Millisekunden. Damit ergibt sich eine durchschnittliche Prozesszeit von 1,5 bis zwei Sekunden vom Start bis zur abschlies-senden Beurteilung. <<

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