21 - 23 Jun 2022 International Trade Fair for Laser Material Processing
02.06.2021 - 14:28

3-D-gedruckte Bauteile optimal für das Laserstrahlschweißen anpassen

3-D-gedruckte Bauteile mit dem Laser schweißen: An diesem Ziel arbeiten Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH und des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH).

Im neuen Forschungsprojekt „QualLa“ wollen sie ein Expertensystem entwickeln, das kleine und mittlere Unternehmen dabei unterstützt, additive Fertigungsprozesse zu optimieren – sodass die gedruckten Bauteile anschließend sicher mit dem Laser geschweißt werden können.

Für Spritzguss-Bauteile aus Kunststoff ist das Laserdurchstrahlschweißen bereits ein industriell etabliertes Fügeverfahren. Für Bauteile aus dem 3-D-Drucker funktioniert der Fügeprozess aber noch nicht, weil Hohlräume und Grenzschichten in den 3-D-gedruckten Bauteilen eine gleichmäßige Schweißnaht verhindern. Diese Hohlräume und Grenzschichten sind für jedes Bauteil individuell, denn in der Additiven Fertigung gleicht kein Bauteil dem anderen. Selbst Bauteile aus der gleichen Serie sind nur äußerlich identisch, der innere Aufbau kann unterschiedlich sein.

Expertensystem ersetzt aufwändige Analyse

Um kleinen und mittleren Unternehmen zu ermöglichen, 3-D-gedruckte Kunststoffbauteile mit dem Laser zu schweißen, ohne jedes einzelne Bauteil vorab genau zu analysieren, wollen die Wissenschaftler des IPH und LZH ein Expertensystem entwickeln und in diesem Computerprogramm Prozesswissen bündeln.

Im Projekt „Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile (QualLa)“ betrachten die Forscher dafür das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem additiven Verfahren werden dünne Stränge aus geschmolzenem Kunststoff Schicht für Schicht übereinandergelegt.

Das Expertensystem soll bereits vor dem 3-D-Druck Empfehlungen geben, welches Material, welche Schichtdicke und welche Schichtausrichtung am besten geeignet sind, um eine möglichst hohe Transmission zu erreichen – also eine möglichst hohe Durchlässigkeit für den Laserstrahl. Dank dieser Vorarbeit wird es möglich, die gedruckten Bauteile im Anschluss optimal zu schweißen.

Prozess gezielt an Bauteil anpassen mit KI

Zusätzlich wollen die Wissenschaftler eine Methode entwickeln, um die Transmission ortsaufgelöst zu messen. Dabei wird für ein individuelles Bauteil ermittelt, an welchen Stellen der Laserstrahl wie stark hindurchgelassen wird. Diese Daten werden im Anschluss genutzt, um den Prozess des Laserdurchstrahlschweißens mithilfe des Expertensystems zu steuern.

Wird der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle geringer transmittiert, muss die Laserleistung erhöht werden. Ist das Bauteil an einer anderen Stelle lichtdurchlässiger, genügt eine geringere Laserleistung. Ziel der Forscher ist es, eine Prozesssteuerung zu entwickeln, die die Laserleistung in Abhängigkeit der Transmission so anpasst, dass eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht – auch wenn das 3-D-gedruckte Bauteil den Laserstrahl nicht gleichmäßig durchlässt.

Zur Informationsverarbeitung wollen die Wissenschaftler Methoden des maschinellen Lernens einsetzen. Geplant ist, neuronale Netze zu nutzen, eine Art Künstliche Intelligenz, die das Expertensystem lernfähig macht. Das System soll lernen, selbstständig Zusammenhänge zwischen verschiedenen Eingangsgrößen und dem Druckergebnis zu erkennen – und so die zu erwartende Transmission vorherzusagen.

Kunststoffe mit Laserdurchstrahlschweißen fügen

Mittels Laserdurchstrahlschweißen lassen sich Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen verbinden – berührungsfrei, automatisierbar, ohne mechanische und mit geringer thermischer Belastung. Zwei Fügepartner – einer aus transparentem, einer aus intransparentem Kunststoff – werden mit einem Laserstrahl aufeinander geschweißt. Der Laserstrahl durchdringt dabei den transparenten Fügepartner und sobald er auf den intransparenten Kunststoff trifft, wird das Laserlicht absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch schmilzt der Kunststoff im Fügebereich auf und eine Schweißnaht entsteht. 

Im Forschungsprojekt arbeiten das IPH und das LZH eng mit der Industrie zusammen. Zum Projektbegleitenden Ausschuss gehören unter anderem Unternehmen aus den Bereichen Lasertechnik, Additive Fertigung und Anlagenbau. Weitere Unternehmen sind herzlich willkommen, sich am Projekt zu beteiligen – gesucht werden insbesondere Firmen, die sich mit Künstlicher Intelligenz oder Additiver Fertigung beschäftigen.

https://www.lzh.de/

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