Laserdurchstrahlschweißen transparenter Thermoplaste ohne Strahlungsabsorber

Mamuschkin, Viktor; Poprawe, Reinhart; Hopmann, Christian

doi:HT021143312

Laserdurchstrahlschweißen transparenter Thermoplaste ohne Strahlungsabsorber = Laser transmission welding of transparent thermoplastics without radiation absorbers

Mamuschkin, Viktor

2021

VerantwortlichkeitsangabeViktor Mamuschkin

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-004-3

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor) ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10213
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/834999/files/834999.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Prozesstechnologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Nicht jede Anwendung erlaubt es die Absorptionseigenschaften eines Fügeteils derart anzupassen, wie es für das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen im Normalfall erforderlich ist. Die zur Steigerung der Absorption eingesetzten Zusatzstoffe verändern nicht nur die Farbe der Kunststoffmatrix, sie verursachen auch Mehrkosten und können darüber hinaus die Funktionalität oder gar Biokompatibilität des Bauteils beeinträchtigen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Variante des Laserdurchstrahlschweißens untersucht, die ohne solche Zusatzstoffe auskommt, indem sie die intrinsische Absorption der Kunststoffe durch eine entsprechende Laserwellenlänge ausnutzt. In einer vereinfachten Betrachtung des Energieeintrags wird zunächst der Bereich hergeleitet, in dem die Rayleighlänge des Laserstrahls liegen sollte, um das Volumen zweier optisch gleicher Fügeteile nicht großräumig, sondern selektiv im Kontaktbereich plastifizieren zu können. Es folgen Simulationen, in denen der Einfluss der Rayleighlänge und anderer Prozessparameter auf das Temperaturfeld gezeigt wird. Neben der Rayleighlänge und dem Absorptionskoeffizienten werden so auch die Beugungsmaßzahl und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls als signifikante Einflussgrößen auf die Volumenselektivität des Energieeintrags identifiziert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse führen zum Ansatz der quasisimultanen Bestrahlung, mit dem eine selektive Erwärmung erzielt werden kann, ohne dass die Rayleighlänge des Strahls im zuvor hergeleiteten Bereich liegt. Anstelle eines instantanen Eintrags wie beim Konturschweißen, wird die Energie schrittweise in schnellen aufeinanderfolgenden Zyklen eingetragen und so im Kontaktbereich der Fügeteile akkumuliert. Im Hinblick auf einen Einsatz in der Serienfertigung erfolgt neben einem Vergleich beider Bestrahlungsvarianten auch die Betrachtung der Pyrometrie, dem gängigsten Verfahren der Qualitätssicherung beim Laserdurchstrahlschweißen. Durch die langwelligere Laserstrahlung beim absorberfreien Schweißen kommt es zur Überlagerung mit der weniger intensiven Wärmestrahlung, die folglich von dem Pyrometer nicht mehr gemessen werden kann. Da die Extraktion der Laserwellenlänge durch optische Filter das ohnehin schon schmale Band der Wärmestrahlung weiter verkleinern würde, wird alternativ ein gepulster Betrieb der Laserstrahlquelle getestet, bei dem die Wärmestrahlung in den Zeiträumenzwischen den Pulsen störungsfrei gemessen werden kann.

In many applications it is not possible to adjust the absorption properties of a joining part in a way that is normally required for laser transmission welding of plastics. The additives used to enhance absorption not only change the color of the plastic, they also cause additional costs and can impair the functionality or even biocompatibility of the component. In this thesis a variant of laser transmission welding is investigated that exploits the intrinsic absorption of the plastics by an appropriate laser wavelength to bypass the use of those additives. At first, the range is derived in which the Rayleigh length of the laser beam should be in order to not heat up the volume of two optically identical parts over a large area, but selectively in the contact area. Then, simulations are carried out showing the influence of Rayleigh length and other process parameters on the temperature field. In addition to the Rayleigh length and the absorption coefficient, the diffraction index and the feed rate of the laser beam are identified as significant factors influencing the selectivity of the energy input inside the volume. The knowledge gained from this leads to the approach of quasisimultaneous irradiation, with which selective heating can be achieved without the Rayleigh length of the beam being in the previously derived range. Instead of an instantaneous input as in contour welding, the energy is introduced gradually in fast successive cycles and thus accumulated in the contact area of the joined parts. With regard to the use in series production, a comparison of both irradiation variants is made followed by an examination of pyrometry, the most common method of quality assurance in laser transmission welding. Due to the longer-wave laser radiation in absorber-free welding, there is a superposition with the less intensive thermal radiation, which can therefore no longer be measured by the pyrometer. Since the extraction of the laser wavelength by optical filters would further reduce the already narrow band of thermal radiation, a pulsed operation of the laser beam source is being tested in which the thermal radiation can be measured without interference in the intervals between the pulses.

OpenAccess:
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