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3D-Druck und Fügetechnik: Laser wird angepasst

Verbindungstechnik
Laserstrahlschweißen: Leistung an Bauteile aus dem 3D-Drucker anpassen

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3D-gedrucktes Probebauteil: Die Lichtdurchlässigkeit – also die Transmissivität für den Laserstrahl – variiert je nach Schichtdicke und Schichtausrichtung (Bild: LZH)
3D-Druck an sich ist in manchen Fällen immer noch eine Herausforderung. Aber was, wenn das gedruckte Bauteil im nächsten Schritt mit dem Laser geschweißt werden soll? Die Lichtdurchlässigkeit ist schließlich nicht überall identisch. An einer Lösung inklusive KI arbeiten Forscher aus Hannover.

Für Spritzguss-Bauteile aus Kunststoff ist das Laserdurchstrahlschweißen bereits ein industriell etabliertes Fügeverfahren. Für Bauteile aus dem 3D-Drucker funktioniert der Fügeprozess aber noch nicht, weil Hohlräume und Grenzschichten in den 3D-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.

Wissen zum Laserschweißen von 3D-Druck-Teilen gebündelt

Um es kleinen und mittleren Unternehmen dennoch zu ermöglichen, 3D-gedruckte Kunststoffbauteile mit dem Laser zu schweißen, ohne jedes einzelne Bauteil vorab genau zu analysieren, wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Hannover ein Expertensystem entwickeln und in diesem Computerprogramm Prozesswissen bündeln.

Im Projekt „Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile (Qualla)“ betrachten die Forschenden vom Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH und vom Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) dafür das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem additiven Verfahren werden dünne Stränge aus geschmolzenem Kunststoff Schicht für Schicht übereinandergelegt.

Expertensystem gibt schon früh die Empfehlungen

Das Expertensystem soll bereits vor dem 3D-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 ohne Probleme zu schweißen.

Zusätzlich wollen die Forscher 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 dienen im Anschluss dazu, den Prozess des Laserdurchstrahlschweißens mithilfe des Expertensystems zu steuern.

Leistung des Laserstrahls: zum Schweißen angepasst

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

Zur Informationsverarbeitung sollen Methoden des maschinellen Lernens genutzt werden. Geplant ist, neuronale Netze einzusetzen, 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.

Unternehmen für Mitarbeit im Projekt willkommen

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 willkommen, sich am Projekt zu beteiligen – gesucht sind insbesondere solche, die sich mit Künstlicher Intelligenz oder Additiver Fertigung beschäftigen. (op)

qualla.iph-hannover.de


Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen

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. Sobald er auf den intransparenten Kunststoff trifft, absorbiert dieser das Laserlicht und Wärmeenergie wird frei. Dadurch schmilzt der Kunststoff im Fügebereich auf und eine Schweißnaht entsteht.


Kontakt zum LZH:
Hollerithallee 8
30419 Hannover
www.lzh.de


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