Laserdurchstrahlschweißen von transparenten Kunststoffen mit Thulium-Faserlaserstrahlung

Nguyen, Nam-Phong Andrej; Häfner, Constantin Leon; Hopmann, Christian

doi:HT030363334

Laserdurchstrahlschweißen von transparenten Kunststoffen mit Thulium-Faserlaserstrahlung = Laser transmission welding of transparent plastics with thulium fibre laser radiation

Nguyen, Nam-Phong Andrej^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeNam-Phong Nguyen

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-172-9

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-05-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08822
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/968817/files/968817.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fügetechnik (frei) ; Kunststoffverarbeitung (frei) ; Laser (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Gegensatz zu klassischen Fügeverfahren bietet das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen technologische Vorteile wie z.B. eine kontaktlose und präzise Energieeinbringung. Dies ermöglicht die Generierung hochkomplexer und feiner Nahtgeometrien, sodass dieses Verfahren insbesondere für die Verkapselung sensitiver Bauteile in der Elektronik-, Automobil- oder Medizinindustrie verwendet wird. Das Absorptionsverhalten kann durch die Zugabe von Zusatzstoffen wie z.B. Ruß induziert werden. In Bereichen wie z.B. der Medizintechnik ist die Nutzung von Zusatzstoffen oftmals nicht zulässig. Grund hierfür sind die hohen Anforderungen hinsichtlich der Transparenz und Biokompabilität der Kunststoffe. Eine Lösungsmöglichkeit stellt das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen dar: Durch die Nutzung von Strahlquellen, welche im natürlichen Absorptionsbereich der Kunststoffe Strahlung emittieren, kann auf den Einsatz absorptionssteigender Additive verzichtet werden. Somit ist es möglich, auch transparente Kunststoffe zu fügen. Da beide Fügepartner identische optische Eigenschaften besitzen, wird die auftreffende Laserstrahlung im gesamten bestrahlten Volumen absorbiert. Es entstehen hierdurch Wärmeeinflusszonen, welche sich entlang des gesamten Materialquerschnitts erstrecken. Die erhöhte Schmelzebildung bewirkt eine höhere thermische Belastung des Kunststoffs, was insbesondere in flachen Bauteilen zu Rissbildung und Verzug führen kann. Im Rahmen der Arbeit werden die Absorptionsvorgänge sowie der Einfluss der Energiedeposition auf die Ausbildung der Wärmeeinflusszone am Beispiel des Kontur- und Quasisimultanschweißens untersucht. Das Ziel ist die Entwicklung einer Fügetechnik, bei der Nahtgeometrien mit Nahtbreiten zwischen 50 – 400 µm erzeugt werden können. Hierdurch kann die thermische Belastung des Kunststoffs geringgehalten werden. Zunächst werden die Temperaturverteilung und -entwicklung während des Schweißprozesses mit Hilfe eines thermischen Simulationsmodells analysiert, um ein grundlegendes Verständnis hinsichtlich der Energiedeposition zu generieren. Neben der Bestrahlungsstrategie wird der Einfluss des Materialgefüges auf die Ausbildung der Wärmeeinflusszone untersucht. Das Simulationsmodell wird mit Hilfe von experimentellen Versuchen bewertet und es findet ein Vergleich der Energiedepositionsmechanismen beim Kontur- und Quasisimultanschweißen statt. Um das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen im industriellen Umfeld etablieren zu können, müssen Beschädigungen des Bauteils während des Produktionsprozesses identifiziert werden. Hierfür werden zwei unterschiedliche Ansätze untersucht und verglichen: Bei der pyrometrischen Messung wird die während des Schweißprozesses emittierte Wärmestrahlung mittels eines Pyrometers messtechnisch erfasst. Weiterhin wird als neuartiger Ansatz zur Prozessüberwachung eine kamerabasierte Analyse mittels Deep Learning Algorithmen untersucht.

In contrast to classic joining processes, laser transmission welding of plastics offers technological advantages such as a contactless and precise energy input. This enables the generation of highly complex and fine seam geometries, which is why this process is used in particular for the encapsulation of sensitive components in the electronics, automotive or medical industries. The absorption behaviour can be induced by adding additives such as carbon black. In areas like the medical technology, the use of additives is often not permitted. The reason for this is the high requirements regarding the transparency and biocompatibility of the plastics. One possible solution is absorber-free laser transmission welding: By using beam sources that emit radiation in the natural absorption range of the plastics, the use of absorption-enhancing additives is no longer necessary. This makes it possible to join transparent plastics as well. Since both joining partners have identical optical properties, the incident laser radiation is absorbed in the entire irradiated volume. This creates heat-affected zones that extend along the entire cross-section of the material. The increased melt formation causes a higher thermal load on the plastic, which can lead to cracking and distortion especially in flat components. The absorption processes and the influence of energy deposition on the formation of the heat-affected zone are investigated in this work by using contour and quasi-simultaneous welding. The aim is to develop a joining technique in which seam geometries with seam widths between 50 - 400 µm can be produced. In this way, the thermal load on the plastic can be kept low. First, the temperature distribution and development during the welding process are analysed with the help of a thermal simulation model in order to generate a basic understanding regarding the energy deposition. In addition to the irradiation strategy, the influence of the material structure on the formation of the heat-affected zone is investigated. The simulation model is evaluated with the help of experimental tests and the energy deposition mechanisms in contour and quasi-simultaneous welding are compared. In order to be able to establish absorber-free laser transmission welding in the industrial environment, damages in the weld seam must be identified during the production process. For this purpose, two different approaches are investigated and compared: With the help of a pyrometer, the heat radiation emitted during the welding process is measured. Furthermore, a camera-based analysis using deep learning algorithms is investigated as a novel approach to process monitoring.

OpenAccess:
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