Für Kunststoffspritzgussteile ist das Laserdurchstrahlschweißen bereits ein ausgereiftes industrielles Fügeverfahren. Bei Bauteilen aus 3D-Druckern funktioniert die Verbindung jedoch nicht, da die Hohlräume und Grenzschichten in den 3D-gedruckten Bauteilen eine gleichmäßige Verschweißung verhindern. Diese Kavitäten und Grenzschichten sind für jedes Bauteil unabhängig, denn in der additiven Fertigung gleicht kein Bauteil dem anderen. Sogar die Komponenten der gleichen Serie haben das gleiche Aussehen; die interne Struktur kann unterschiedlich sein.

Expertensystem ersetzt zeitraubende Analyse

Damit kleine und mittlere Unternehmen (KMU) das Laserschweißen von 3D-gedruckten Kunststoffbauteilen nutzen können, ohne jedes Bauteil im Detail analysieren zu müssen, hoffen Wissenschaftler des IPH und des LZH, in diesem Computerprogramm ein Expertensystem zu entwickeln und Prozesswissen zu bündeln.

Im Projekt „Qualitätssicherung beim Laserschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile (QualLa)“ untersuchen Forscher dazu Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem additiven Fertigungsverfahren werden dünne geschmolzene Kunststofffäden übereinander geschichtet.

3D-gedruckte Musterbauteile: Der sogenannte Transmissionsgrad oder Lichttransmissionsgrad ist abhängig von Schichtdicke und Schichtorientierung. (Foto: Laserzentrum Hannover)

Schon vor dem Start des 3D-Druckprozesses sollte das Expertensystem beraten, welches Material, welche Schichtdicke und welche Schichtrichtung am besten geeignet sind, um eine möglichst hohe Transmission – also eine möglichst hohe Durchdringung des Laserstrahls – zu erreichen. Dank dieser Vorarbeit können die gedruckten Bauteile in Zukunft optimal verschweißt werden.

Mit KI Prozesse an Komponenten anpassen

Darüber hinaus hoffen die Wissenschaftler, eine Methode zu entwickeln, mit der sich die Transmission ortsaufgelöst messen lässt. Dabei wird festgestellt, an welcher Stelle und in welchem ​​Umfang der Laserstrahl eines einzelnen Bauteils durchgelassen wird. Mit Hilfe eines Expertensystems werden diese Daten dann zur Steuerung des Laserdurchstrahlschweißprozesses verwendet.

Sendet der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle weniger, muss die Laserleistung erhöht werden. Ist das Bauteil an anderer Stelle transparenter, reicht eine geringere Laserleistung aus. Ziel der Forscher ist es, ein Prozessleitsystem zu entwickeln, das die Laserleistung in Abhängigkeit von der Transmission so anpasst, dass eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht, auch wenn das 3D-gedruckte Teil den Laserstrahl nicht gleichmäßig übertragen kann.

Wissenschaftler hoffen, Methoden des maschinellen Lernens nutzen zu können, um Informationen zu verarbeiten. Geplant ist der Einsatz von neuronalen Netzen, einer Art künstlicher Intelligenz, die es Expertensystemen ermöglicht, zu lernen. Das System wird lernen, die Korrelation zwischen verschiedenen Eingabevariablen und gedruckten Ergebnissen selbstständig zu erkennen und dadurch die erwartete Übertragung vorherzusagen.

Verbinden Sie Kunststoffe mit dem Laserdurchstrahlschweißen

Mit dem Laserdurchstrahlschweißen lassen sich Teile aus Thermoplasten berührungslos, automatisiert, mechanisch und thermisch spannungsarm verbinden. Zwei Fügepartner – einer aus transparentem Kunststoff und einer aus opakem Kunststoff – werden mit einem Laserstrahl miteinander verschweißt. Der Laserstrahl durchdringt den transparenten Klebepartner, trifft auf den opaken Kunststoff, wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Dadurch schmilzt der Kunststoff im Anschlussbereich und es entsteht eine Schweißnaht.

IPH und LZH arbeiten bei Forschungsprojekten eng mit der Industrie zusammen. Dem projektbegleitenden Gremium gehören Unternehmen aus den Bereichen Lasertechnik, Additive Fertigung und Anlagenbau an. Andere Unternehmen können sich gerne an dem Projekt beteiligen – besonders gefragt sind Unternehmen im Bereich Künstliche Intelligenz oder Additive Manufacturing.

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