Das Laser-Durchstrahlschweißen von Kunststoffen hat sich in der Medizintechnik als besonders sauberes, präzises und gut kontrollierbares Verfahren etabliert. Durch eine Reihe von Qualitätssicherungsmethoden lassen sich Null-Fehler-Strategien bei wirtschaftlich attraktiven Rahmenbedingungen realisieren.
Das Laserschweißen steht relativ am Ende einer Produktionskette. Um die Qualität eines Prozesses einzuschätzen, sind verschiedene Betrachtungen erforderlich: Entsprechen die zugeführten Grundbauteile den Parametern, die in der Prozessauslegung angenommen wurden? Läuft der Schweißprozess selbst fehlerfrei ab? Und wie lässt sich die Qualität nach dem Schweißen dokumentieren?
Für einen erfolgreichen Fügeprozess ist die geometrische Eignung der Bauteile unerlässlich. Werden Toleranzen im Fertigungsprozess nicht eingehalten, kann auch die Lasertechnologie keine fehlerfreien Bauteile herstellen. Für die nachfolgende Betrachtung wird die Maßhaltigkeit und Unversehrtheit der Fügepartner vorausgesetzt.
Das Laser-Kunststoffschweißen verbindet zwei Fügepartner mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften. Die erste Prüfung ist daher eine Transmissionsmessung. Ausgehend von einer vollständigen Transmission wird der Strahlendurchgang des Laserstrahls im oberen Fügepartner gemessen. LPKF bietet kleine Stand-Alone Geräte an und kann diese Messung auch direkt in Schweißsysteme integrieren. Abweichungen bei den eingesetzten Kunststoffen werden so schon vor dem Schweißprozess detektiert. Sind ganze Bauteilchargen betroffen, lässt sich dies häufig durch Nachsteuern der Prozessparameter kompensieren.
In der Medizintechnik ist ein lückenloses Tracking & Tracing mit Übernahme einzelner Bauteilnummern erforderlich. Ein wesentlicher Vorteil des Laser-Durchstrahlschweißens ist die ausgezeichnete Online-Prozessüberwachung. Alle Schweißparameter werden erfasst und ausgegeben, sodass sich Veränderungen der Bauteile oder Unregelmäßigkeiten im Prozess aufdecken lassen.
Bei simultanen Schweißprozessen liefert die Überwachung des Fügewegs gute Anhaltspunkte. Ausgehend vom vorher festgelegten Nullpunkt startet das Schweißsystem den Energieeintrag in das Bauteil und stoppt, sobald ein vorgegebener Abschmelzweg erreicht ist. Nun wird die dafür benötigte Zeit mit vorgegeben Grenzen verglichen. Das Bauteil wird bei Einhaltung der Grenzen als Gutteil bewertet. Werden Grenzen über- oder unterschritten, deutet dies auf Abweichungen bei der Bauteiltransmission oder -geometrie hin.
Als Pyrometerüberwachung wird die Erfassung der Temperatur anhand des emittierten thermischen Strahlungsspektrums verstanden. In der Praxis werden bei der Prozessdefinition obere und untere Temperaturschranken ermittelt. Die Bewertung des Schweißprozesses findet automatisch statt: Das Messsystem meldet Bauteilfehler, wenn der gemessene Temperaturgraph den Sollkorridor verlässt – beispielsweise bei Lücken im Bauteilkontakt.
Wenn die optische Qualität der Oberfläche eine große Rolle spielt, sollen auch kleine Verbrennungen erkannt werden, die zum Beispiel bei Verunreinigung des oberen Fügepartners auftreten können. Beeinträchtigte Stellen erzeugen eine von der Schweißlaserwellenlänge abweichende Strahlungsemission. Ein Detektionsmodul im Strahlengang des Schweißlasers kann diese Veränderungen erkennen. Eine verbreitete Methode der optischen Kontrolle bei Konturschweißverfahren ist die Online-CCD-Überwachung. Sie kann bei kontraststarken Materialpaarungen verwendet werden. Mit einer Auswerteroutine werden kleinste Fehler in der Schweißnaht zuverlässig erkannt. Zusätzlich kann die Schweißnahtbreite analysiert und als weiteres Qualitätskriterium herangezogen werden.
Das patentierte Verfahren der Reflexionsdiagnostik im Laser-Kunststoffschweißen basiert darauf, dass auftreffendes Licht einer Prüfstrahlung an Grenzflächen reflektiert wird. Nach einer fehlerfreien Schweißung verbinden sich Ober- und Unterteil, sodass eine Grenzfläche entfällt. Bleibt eine Grenz- fläche bestehen, steigt das Signal an, bei einer Schweißnahtunterbrechung entsteht ein Peak.
Auch wenn die Qualitätsüberwachung im Prozess gute Anhaltspunkte liefert: Bei kritischen Anwendungen sind zumindest Stichprobenkontrollen erforderlich, um die fehlerfreie Schweißung zu bestätigen. Diese Untersuchungen liefern auch bei der Prozessoptimierung wertvolle Hinweise für die Applikationsingenieure.
Für die Auflichtmikroskopie wird ein vorhandenes Bauteil an der Schweißnaht aufgebrochen, um Anbindungsfehler und Materialüberhitzungen zu erkennen. Die Bruchstelle zeigt, ob die Schweißnaht oder ein gut verbundenes Materialgefüge versagt hat.
- Bei der Materialografie wird ein dünner, lichtdurchlässiger Dünnschnitt (Mikrotomschnitt) senkrecht zur Schweißnaht hergestellt und mit Durchlicht- und Auflichtmikroskopie untersucht. Das ergibt Aussagen zu Verbindung beider Fügepartner und zeigt beispielsweise überhitzte Bereiche im Schweißbereich.
- Bei einer Berstdruckprüfung wird ein fertig geschweißtes Gehäuse so lange mit steigendem Luftdruck belastet, bis entweder Gehäuse oder Schweißnaht versagen. Der erreichte Druck lässt Rückschlüsse über die Schweißnahtgüte zu.
- Beim Leckage- oder Bubbletest wird das zu testende Bauteil mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt. Ein Durchflussmessgerät erfasst die nachströmende Luftmenge, sie sinkt im Idealfall auf Null ab.
- Bei der Ultraschalluntersuchung mit einem akustischen Mikroskop lassen sich sowohl Fehlstellen in der Schweißnaht als auch Blasen im Schweißbereich zuverlässig erkennen.
Die Röntgenanalyse oder die Röntgen-Computertomographie (RCT) prüfen die Schweißnaht und erkennen Inhomogenitäten im Basismaterial, Abweichungen der Bauteilgeometrie oder geänderte Materialeigenschaften. Beide Verfahren sind zerstörungsfrei und lassen sich zur Qualifizierung einzelner Bauteile einsetzen.
Frank Brunnecker LPKF Laser & Electronic, Erlangen
Weitere Informationen Über der Hersteller: www.lpkf-laserwelding.com Auf der Medtec Europe: Halle 3, Stand B20
Breite der Schweißnaht ist entscheidend für die Qualität des Vorgangs
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