Einstieg in das Laser-Kunststoffschweißen

Dipl.-Ing. FH Kreshnik Ahmeti, Product Manager bei Evosys Laser, Erlangen/as,

Passt auf jeden Tisch

Das Verbinden zweier Kunststoffteile mittels Laser ist aufgrund seiner weitreichenden Vorzüge ein etabliertes Verfahren zur Herstellung komplexer Baugruppen in verschiedenen Anwendungsbereichen. Das notwendige Equipment war bisher nur für Produktionsumgebungen und höhere Automation vorgesehen. Evosys Laser hat mit dem System Evo-Weld Mini ein System entwickelt, das den Zugang zur Technik des Laser-Kunststoffschweißens erleichtert.

Evo-Weld Mini mit intuitiver, touchfähiger Bedienoberfläche samt Kurvendarstellung. © Evosys

Dieses neue System reduziert die Investkosten auf einen Bruchteil einer hochautomatisierten Lösung. Gleichzeitig bietet Evo-Weld Mini alle Vorteile des Laserschweißens, sodass es jederzeit möglich ist, neue Anwendungen oder Materialtests in kürzester Zeit einzurichten und Teile zu produzieren. So können erste Muster zur Ansicht oder für Tests hergestellt werden, um in einem frühen Produktentwicklungsstadium schon das Ergebnis bewerten und die Baugruppe effizient bis zur Perfektion optimieren zu können.

Aber auch für den weiteren Verlauf bieten sich Kostenvorteile. Bereits in der Entwicklungsphase werden wertvolle Erkenntnisse über das Produkt selbst und das Produktionsverfahren gesammelt. Dadurch profitiert der gesamte weitere Entwicklungsprozess einer Baugruppe; bestimmte Fragestellungen und Aspekte lassen sich prüfen, optimieren und beantworten, noch bevor ein Design-Freeze erfolgt. Ganz nebenbei lassen sich die so produzierten Teile auch zeigen, präsentieren und anfassen – sicher ein stärkeres Verkaufsargument als ein rein im CAD oder in Präsentationen dargestelltes Teil. Die Evosys Evo-Weld Mini schafft den Einstieg in das Laser-Kunststoffschweißen für alle, die bisher nicht die Möglichkeit dazu hatten, diese fortschrittliche und saubere Technologie selbst einzusetzen.

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Quasisimultanschweißen wird ganz einfach

Bei der Entwicklung der Evo-Weld Mini sollten möglichst alle Verfahrensvarianten und vor allem das sogenannte Quais-Simultan-Schweißverfahren ermöglicht werden. Hier fährt der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu mehreren tausend Millimeter pro Sekunde die vorgegebene Schweißkontur mehrfach ab. So wird ein gezielter und gleichmäßiger Energieeintrag in die Fügepartner sichergestellt und die Fügezone bis zum schmelzflüssigen Temperaturbereich erwärmt. Gleichzeitig wird eine konstante Kraft auf die Fügebaugruppe ausgeübt, um die Wärmeleitung zwischen den zwei Fügepartnern sicherzustellen. Bei der Kombination der Fügekraft und des Laserstrahls, der die Kontur mehrfach mit hoher Geschwindigkeit abfährt, kommt es zu einer relativen Setzbewegung zwischen den zwei Fügepartnern, die mit einem integrierten Wegmesssystem genau erfasst wird. Üblicherweise wird der Schweißprozess so eingestellt, dass ein Setzweg entsteht, der größer ist als die Ebenheitstoleranz der zwei Fügepartner. So wird sichergestellt, dass eine dichte und dauerhaft feste Schweißverbindung entsteht.

Das Wegmesssystem ist eine integrierte und taktzeitneutrale Prozessüberwachung während des Schweißprozesses. In der Praxis erweist sich diese Methode als robust; sie wird in der Industrie gern genutzt und stellt eine gleichbleibend hohe Qualität der geschweißten Baugruppe sicher. Daher ist das Quasi-Simultan-Schweißen bei den meisten Anwendungen als Verfahrensvariante gesetzt. Andere Varianten sind zum Beispiel das Kontur- oder Radialschweißen, haben jedoch üblicherweise kein messbares Setzverhalten während des Schweißprozesses, sodass Ebenheitstoleranzen nur bedingt ausgeglichen werden können. Beim Simultanschweißen wiederum entsteht ebenso wie beim Quasi-Simultanschweißen eine messbare Setzbewegung zwischen den Fügepartnern. Allerdings ist der Invest für einen Simultanschweißaufbau üblicherweise höher. Außerdem sind die Größe der Fügepartner und die Komplexität der Schweißnaht mehr eingeschränkt.

Bei allen Verfahrensvarianten kommt neben dem Laser und einem optischen Aufbau auch eine speziell für das Laserschweißen abgestimmte Steuerung und Software zum Einsatz. Die Steuerung entspricht industriellen Vorgaben und beinhaltet beispielsweise sicherheitsrelevante Komponenten. Die Software enthält die Ablaufsteuerung für den maschinellen Betrieb und auch die Steuerung der Laserkomponenten, hier speziell für die Verfahrensvarianten des Laserkunststoffschweißens. Das Zusammenspiel all dieser Komponenten so aufzubauen und zu konfigurieren, dass gesetzliche und kundenspezifische Vorgaben am Ende eine serienproduktionstaugliche Maschine ergeben, ist mit einem vergleichsweise hohen Aufwand und Invest verbunden. Hier hat Evosys Laser jahrzehntelange Erfahrung im Laser-Kunststoffschweißen gesammelt und in eine kostengünstige Maschine für alle gepackt.

Aufbau und Spezifikationen der Evo-Weld Mini

Headwave-Helmlautsprecher gehörten zu den typischen lasergeschweißten Anwendungen einer Evo-Weld Mini. © Evosys

Die hochkomplexe Technik ist in einem kompakten Tisch-Gehäuse untergebracht. In dem 320 Millimeter breiten, 530 Millimeter hohen und 660 Millimeter tiefen Gerät finden alle erforderlichen Komponenten Platz. Es können Teile bis zu einer Größe von rund 100 mal 100 Millimeter geschweißt werden. Spannmodule stehen in verschiedenen vordefinierten Kraftbereichen zur Verfügung oder können vom Kunden bereitgestellt werden.

Zu den Einsatzgebieten gehört auch das Testen neuer Materialien und Materialkombinationen. Sollte es hierbei zu Materialüberhitzungen und Ausgasungen kommen, führt ein Absaugrohr in der Maschine die Gase ab. Am Gehäusedach ist eine externe Absaugung anschließbar, die innerhalb der Maschine bis zum Schweißbereich durchgeschleust wird und dort effektiv die entstandenen Gase ableitet. Im unteren Bereich der Front befindet sich für alle Fälle eine Not-Aus-Taste. Ebenso ist eine Leuchte für den Betriebszustand angebracht sowie ein Schalter zum Spannen oder Entspannen der eingelegten Baugruppe. Zugang zum Schweißbereich erhält der Bediener über die manuell zu öffnende Haube, die für den lasersicheren Betriebszustand leicht wieder geschlossen werden kann.

Der hintere, abgedeckte Bereich der Maschine beinhaltet alle für den Betrieb benötigten Komponenten samt der luftgekühlten Laserquelle und der Ablenkeinheit, um den Laserstrahl flexibel positionieren und hochdynamisch verfahren zu können. Rückseitig befindet sich der Hauptschalter der Maschine, die Stromversorgung, ein USB-Anschluss und Anschlüsse für ein pneumatisches Spannsystem, das innerhalb der Maschine komplett verlegt und bis zum Schweißbereich durchgeführt ist. Die Parametrierung der Maschine erfolgt über die hauseigene Software Evosys-Evolap – der Evolutionary Laser Path. Hierin wird die Schweißkontur eingestellt und die Schweißparameter definiert. Für Prozessvarianten mit Setzweg wird der Weg-Zeit-Verlauf graphisch dargestellt. Anwendungsbereiche für die Evo-Weld Mini sind zum Beispiel der Medizinbereich mit Spritzendüsen oder Insulinspendern, Tracker zum Aufspüren von Haustieren im Consumerbereich oder klassische Baugruppen aus der Automotive-Branche wie beispielsweise Rückfahrkameras.

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