Bei einem Laserlichttaster, der in zahlreichen Varianten gefertigt wird, sollten vier Teile durch Kunststoffschweißen verbunden werden. Die Forderung bestand darin, dass die Schweißstellen keine Verformungen aufweisen dürfen und wasserdicht sind. Und um die geforderte Produktionsleistung zu erreichen sollte die Taktzeit kleiner als 20 Sekunden sein.

Der verwendete Werkstückträger war dann so konzipiert, dass für alle vier Fertigungsschritte Werkstückaufnahmen vorhanden waren. Denn bis ein Werkstück fertig gestellt ist, muss das Teil im Werkstückträger einmal bestückt und anschließend dreimal umgesetzt werden. Dies geschieht manuell, weil bei der vergleichsweise geringen Stückzahl dieser gefertigten Teile ein automatisches Umsetzen nicht wirtschaftlich ist.
Jede einzelne Werkstückaufnahme wird gegen einen Niederhalter gedrückt, wobei prinzipiell drei verschiedene Niederhaltertypen möglich sind. Eine einfache Glasplatte fand wegen der Verschmutzungsgefahr keine Anwendung. Eine Anpressung durch eine entsprechende Auslegung der Produktkonstruktion war nicht gegeben. Die Produktkonstruktion ließ auch keine Anpressung entlang der Außenkontur zu. So wurde für die vorliegende Anwendung die Alternative Glasplatte mit Formteil gewählt. Segmentiertes Niederhalten waren im vorliegenden Fall zu aufwändig.
Eine weitere Herausforderung war die Störkontur, die durch das Anschlusskabel verursacht wird. Um diese zu umgehen sind verschiedene Prinzipien möglich. Das einfachste Prinzip, die Ablenkung des Laserstrahls über einen, an der Werkstückaufnahme angebrachten Spiegel wurde wegen des ungünstigen Einstrahlwinkels und wegen der Verschmutzungsgefahr verworfen. Schließlich wurde aufgrund der hohen Investitionskosten für zwei Laserscanner das Prinzip des schwenk- und verfahrbaren Laserscanners gewählt. So wird für zukünftige Varianten eine größtmögliche Flexibilität ermöglicht.
Bei dem inzwischen in der industriellen Fertigung vielfach angewandten Verfahren des Laserschweißens werden die Fügeteile meistens überlappt und durchstrahlgeschweißt. Dabei strahlt der Laserstrahl durch den einen Fügepartner hindurch und wird an der Oberfläche des zweiten Fügepartners absorbiert. Dies führt zum Aufschmelzen des absorbierenden Partners. Wobei jedoch durch den flächigen Kontakt der aneinander gepressten Fügepartner auch der lasertransparente Fügepartner örtlich sehr begrenzt aufgeschmolzen wird. Der Prozess des Kunststoffschweißens wird heute überwiegend im Konturschweißverfahren oder Quasisimultanschweißverfahren durchgeführt.
Beim Konturschweißen erfolgt die Wärmeeinbringung durch einen Punktstrahl, der mit definierter Geschwindigkeit entlang der Schweißnaht geführt wird. Der Punktstrahl kann durch einen Roboter oder durch ein zweifaches Spiegelablenksystem (Laserscanner) bewegt werden. Laserscanner erlauben, dass dieser Vorgang extrem schnell erfolgen kann. Die Kontur kann innerhalb von Sekunden mehrfach überfahren und somit gleichmäßig erwärmt werden. Man spricht in diesem Falle von „Quasisimul-tanschweißen“. Besonders bei kleinen Teilen, insbesondere Gehäusen von elektrotechnischen Baugruppen ist die Anwendung von Laserscannern ideal. Die Hauptvorteile sind kompakte Abmessungen und praktisch verschleißfreies Arbeiten.

Software für unterschiedliche Verfahrenseinstellungen

Die leistungsfähige Steuerungstechnik für den Laserscanner mit komfortabler und leicht bedienbarer Software, die sich meist aus Beschriftungsaufgaben herleitet, ermöglicht unterschiedlichste Verfahrenseinstellungen für den Schweißprozess. So sieht ein Verfahrenspatent von LPKF Laser & Electronics, Garbsen, ein sogenanntes Taumelschweißen vor. Dabei wird die Vorschubgeschwindigkeit des Laserscanners unter 1000 mm/s gehalten. Sie liegt damit deutlich unter den technischen Möglichkeiten eines Laser-scanners. So kühlt das Werkstück entlang der Kontur wieder deutlich ab. Hier handelt es sich um einen bewusst herbeigeführten Effekt eines umlaufenden Temparaturpeaks. Bei diesem Verfahren wird die Werkstückoberfläche entlang der Kontur durch die geringere Vorschubgeschwindigkeit einem längeren Zeitraum der Laserleistung ausgesetzt.Bei Verschmutzungen an der Oberfläche kann es so jedoch leichter zu Verbrennungen führen.

In der Regel wird beim Quasisimul-tanschweißen davon abweichend ein einfacherer Erwärmungs- und Schweißprozess vorgezogen. Um die Kontur gleichmäßig zu erwärmen und das Abkühlen nach dem Laserdurchgang zu minimieren, bewegt der Laserscanner den Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit deutlich über 1000 mm/s.
Ohne Berücksichtigung einer Zwischentemperatur wird dieser Vorgang solange fortgesetzt bis der Soll-Schweißweg erreicht ist. Je nach Produktkonstruktion ist der Soll-Schweißweg durch einen Anschlag in der Schweißkontur oder durch die Schweißvorrichtung vorgegeben. Der Schweißweg wird durch ein geeignetes Wegmesssystem aufgenommen.

Da beim quasisimultanen Schweißprozess im Gegensatz zum Konturschweißprozess die ganze Schweißkontur erwärmt wird, ist ein definierter Schweißweg realisierbar. Damit können Undichtigkeiten durch Riefen in der Oberfläche vermieden werden. Der Nachteil gegenüber dem Konturschweißen sind die höheren Kosten, da eine mindestens vierfach höhere Laserleistung benötigt wird.

Erhöhte Marktchancen
Low Cost Intelligent Automation (LCIA)

Bei der Produktion in Niedriglohnländern ist eine aufwändige Automatisierung von Handhabungstätigkeiten nicht sinnvoll. Andererseits sollen die Fertigungsprozesse ohne Abstriche an die Prozesssicherheit bei gleicher Qualität durchgeführt werden. Dies gilt in hohem Maß auch für das Laser Kunststoffschweißen. Bedingt durch die Finanzkrise sind aber auch in heimischen Fertigungen zunehmend kostengünstigere Lösungen gefragt. Für Handarbeitsplätze nach der LCIA-Philosophie wurde deshalb eine kompakte Desktop-Maschine entwickelt.

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Dr. Ernst Wolf, Geschäftsführer, Wolf Produktionssysteme, Freudenstadt, erw@wolf-produktionssysteme.de