Fakultät Maschinenbau
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Festigkeits- und zeitoptimierte Prozessführung beim quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißen
(2022)
Mit Blick auf Leichtbauanwendungen ist der Bedarf an thermoplastischen Strukturbauteilen sowohl in der Automobil- als auch in der Luftfahrtindustrie in den letzten Jahren deutlich angestiegen. Das quasi-simultane Laser-Durchstrahlschweißen ist ein etabliertes Kunststoffschweißverfahren, welches jedoch zur Herstellung von tragenden und sicherheitsrelevanten Bauteilen bislang kaum in Betracht gezogen wird. In der vorliegenden Arbeit wird die Korrelation zwischen dem Prozessablauf und der Schweißnahtfestigkeit beim quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißen von Polyamid 6 (Ultramid B3s) erstmalig untersucht. Zur Prozessanalyse wird ein 3D-Scanner mit integriertem Pyrometer realisiert und für die Messaufgabe kalibriert. Es wird gezeigt, dass die detektierte Wärmestrahlung dem Kern der Schweißnaht zuzuordnen ist. Die Kerntemperatur in der quasi-stationären Prozessphase steht in direkter Korrelation mit der Schweißnahtfestigkeit. Mit steigender Kerntemperatur bzw. Molekülbeweglichkeit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Molekül-Verschlaufungen in der Fügeebene. Zur Ermittlung der Kerntemperatur ist sowohl die in dieser Arbeit entwickelte Temperaturmesstechnik als auch die realisierte numerische Prozesssimulation nutzbar. Die Erkenntnisse in dieser Arbeit sind für eine festigkeits- und zeitoptimierten Prozessführung des quasi-simultanen Laser-Durchstrahlschweißens nutzbar.
Fused layer modeling (FLM) is widely used and is gaining more acceptance in the industry mainly due to its material variety and low costs. However, the usage is limited by a process-related anisotropy of the produced parts. The strength and ductility of the printed parts are significantly lower in the build-up direction than perpendicular to it. This is caused by insufficient interlayer bonding resulting from a reduced surface temperature in the process zone. To overcome this problem, a diode laser is integrated into the conventional FLM process to increase the surface temperature between the already printed surface and the newly applied substrate directly at the deposition zone. The investigations carried out show a significant improvement in the mesostructure, as well as a clear reduction in the anisotropy of the printed test specimens.
Absorber-free laser transmission welding enables clean and precise joining of plastics without additives or adhesives. It is therefore well suited to produce optical and medical devices, which place high demands on cleanliness and accuracy.
However, the weld usually has an undesirably large vertical expansion, causing bulges and distortion. To improve this, the intensity distribution of the laser beam as well as the processing strategy must be adapted. Due to the complexity, this is aided by process simulation. However, simulation parameter calibration and verification are usually done considering the seam width and height, which is of limited significance. To overcome this, we propose a new method for image processing of microtome sections, determining the spatially resolved geometry of the weld. Thus, the deviation between experiment and simulation can be calculated pixel by pixel. This spatially resolved value is predestined for the calibration of the simulation parameters: For a parameter field with 18 different settings, the total deviation between experiment and simulation is less than 11 % after calibration.
Additive Manufacturing (AM) is a future-oriented manufacturing technology that is experiencing an enormous boom in the times of Industry 4.0. As a result, various AM technologies and printer models from different manufacturers are entering the market over a short time span. With the advancing establishment of this manufacturing technology for series applications, the expectations and requirements of the fabricated components are also increasing. However, a major challenge is the application-specific selection of the most suitable AM process due to a lack of comparable data. Furthermore, there needs to be more know-how regarding the geometrical and mechanical characteristics of AM parts. This paper addresses this problem by comparing the three most common plasticbased AM processes in the areas of surface quality, dimensional accuracy, and mechanical properties. Roughness measurements, evaluation of a benchmark artifact, tensile tests, and load increase tests are carried out. Based on the results, the individual possibilities and limitations of the compared AM processes can be detected.
Obwohl das Laserdurchstrahlschweißen sehr reproduzierbar arbeitet, können Fehler aus den Vorprozessen Compoundieren, Spritzgießen etc. das Schweißergebnis negativ beeinflussen. Dem Anwender steht inzwischen eine breite Palette an Prozessüberwachungsmethoden zur Verfügung, um eine gleich bleibende Produktqualität zu erzielen.
Quality and reliability are of the utmost importance for manufacturing in the optical and medical industries. Absorber-free laser transmission welding enables the precise joining of identical polymers without additives or adhesives and is well-suited to meet the demands of the aforementioned industries. To attain sufficient absorption of laser energy without absorbent additives, thulium fiber lasers, which emit in the polymers’ intrinsic absorption spectrum, are used. Focusing the laser beam with a high numerical aperture provides significant intensity gradients inside the workpiece and enables selective fusing of the internal joining zone without affecting the surface of the device. Because seam size and position are crucial, the high-quality requirements demand internal weld seam monitoring. In this work, we propose a novel method to determine weld seam location and size using optical coherence tomography. Changes in optical material properties because of melting and re-solidification during welding allow for weld seam differentiation from the injection-molded base material. Automatic processing of the optical coherence tomography data enables the identification and measurement of the weld seam geometry. The results from our technique are consistent with microscopic images of microtome sections and demonstrate that weld seam localization in polyamide 6 is possible with an accuracy better than a tenth of a millimeter.
Simulation of Pyrometer Based Temperature Measurement Systems using Non-Sequential Raytracing
(2018)
Die additive Fertigung bietet vielfältige Möglichkeiten hinsichtlich der Bauteilgestaltung. Jedoch sind auch bei den generativen Fertigungsverfahren konstruktive Randbedingungen zu beachten, um Bauteile kostengünstig und mit optimalen Eigenschaften herzustellen. Es ist bereits umfangreiche Fachliteratur erhältlich, die entsprechende Konstruktionsempfehlungen gibt. Um Produktentwickler bedarfsgerecht zu unterstützen, ist jedoch ein Nachschlagewerk erforderlich, das mit geeigneter Systematik Konstruktionsvorschläge ausgibt, die zur aktuellen Problemstellung passen. Aufbauend auf dem Stand der Technik, eigenen Analysen und experimentellen Untersuchungen werden erste Ansätze für ein solches Nachschlagewerk vorgestellt.
Durch das Laserkunststoffschweißen können sowohl filigrane Nähte in der Mikrotechnik als auchtragfähige Verbindungen für Strukturbauteile hergestellt werden. In der Automotiv- oder der Medizintechnik-Industrie ist diese Fügetechnologie mittlerweile etabliert, jedoch sind die Anwen-dungsmöglichkeiten bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. In kürzlich gestarteten Forschungsprojekten mit regionalen Industrieunternehmen und internationalen Forschungspartnern werden im Labor Lasermaterialbearbeitung weitere Potenziale gehoben.