Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen hat sich seit den 1990er Jahren als feste Größe in der Serienfertigung etabliert. Im Fokus aktueller Forschungsaktivitäten steht die Frage, ob der Schweißprozess weiter beschleunigt werden kann, ohne dass dabei Einbußen in der Schweißnahtqualität in Kauf genommen werden müssen. Am IKV wurde bereits in einem früheren Projekt eine Methodik entwickelt, um über ein Simulationsmodell die Temperaturverteilungen im Schweißprozess abzubilden. Als entscheidender Faktor für die dauerhafte Festigkeit der Naht erwies sich neben den maximal erreichten Temperaturen insbesondere die Verweildauer des Kunststoffs im schmelzeförmigen Zustand.
In einem aktuellen Forschungsprojekt mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) wurde dieser Ansatz weiterentwickelt. Ein zentrales Anliegen war dabei, den Energieeintrag so zu optimieren, dass einerseits ausreichend hohe Temperaturen und ausgeprägte Schmelzzonen erreicht werden und andererseits die Zersetzungstemperatur des Werkstoffs nicht überschritten wird. Daher wurde die numerische Berechnungsmethode erweitert, um die Vorhersagegüte der thermischen Simulation zu verbessern.
© IKVHierzu wurde der latente Wärmeeintrag, der infolge von Phasenumwandlungen entsteht durch Flash-DSC Versuche bei verschiedenen Heizraten experimentell erfasst (Abb. 1). Dieser latente Wärmeeintrag wurde in das Simulationsmodell integriert, sodass die dreidimensionale Temperaturverteilung approximiert werden kann. Die im Modell verwendete Laserstrahl-Wärmequelle wurde durch statistische Strahlverfolgung ermittelt. Zudem wurden in das Modell temperaturabhängige Materialparameter wie Dichte, spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit einbezogen, was zu einer realitätsnahen Simulation des Schweißprozesses führt. Um das thermomechanische Verhalten des Laserdurchstrahlschweißprozesses zu beschreiben, wurden darüber hinaus Druck-Volumen-Temperatur-Effekte und thermisch elastisch-plastische Eigenschaften in der numerischen Vorhersage berücksichtigt. Des Weiteren wurden Messungen und Analysen zur Einstellzeit des Lasers speziell für das Hochgeschwindigkeitsschweißen in die numerische Temperaturvorhersage integriert.
Diese Verknüpfung von experimentellen Daten und numerischer Simulation ermöglicht nicht nur eine Vorhersage der Schweißnahtqualitäten, sondern stellt auch einen signifikanten Beitrag zur Optimierung und Beschleunigung des Laserdurchstrahlschweißens dar.
Projektdaten und Förderung
Wir danken der DFG für die Förderung des Projekts (Förderkennzeichen HO 4776/ 73-1) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 03.2022 – 02.2025
Förderung:
