Laserschweißen eines Mehrwegbehälters

Bob, das ist nach den Worten der Erfinder „der kleinste Geschirrspüler der Welt!“ Der Geschirrspüler wurde von der Daan Technologies, Paris, Frankreich, entwickelt und ist nicht nur für den kleinen Haushalt, sondern auch für Camping- und Freizeit geeignet. Mit seinen geringen Abmessungen ist er kaum größer als eine Mikrowelle. Außerdem kommt er auch ohne feste Installation aus und verfügt über neueste Netzwerktechnologie. Beim Fügen der Bob Cassette, so heißt das All-in-One Spülmittelverteilungssystem des Gerätes, setzt das Unternehmen auf das Laserkunststoffschweißen. Das 2016 gegründete französische Unternehmen hat mit Bob den Zeitgeist getroffen. Mit Abmessungen 34 cm breit, 49 cm tief und 49 cm hoch, die etwas größer sind als die einer Mikrowelle, findet der Geschirrspüler nahezu überall einen Platz, nicht nur in der Küche, sondern auch auf dem Messestand oder im Wohnmobil. Bob kann an der Wasserversorgung angeschlossen, aber auch autonom betrieben werden, denn er besitzt einen Wassertank, der von vorne befüllt wird. Der Minigeschirrspüler kann das tägliche Geschirr für ein bis zwei Personen innerhalb von 20 Min. abwaschen. Dabei verbraucht er laut Hersteller fünfmal weniger Wasser als beim Abwaschen von Hand. Seine Lebensdauer ist für mindestens zehn Jahren ausgelegt und er wird zu 50 % aus recyceltem Kunststoff gefertigt.

Kernelement von Bob ist die Bob Cassette, die das Geschirrspülmittel bevorratet. Dadurch muss nicht bei jedem Spülgang aufs Neue Spülmittel hinzugefügt werden, da der Inhalt an Spülmittel und Klarspüler für 30 Spülgänge ausgelegt ist. Was einfach klingt ist in der technischen Umsetzung eine anspruchsvolle Aufgabe, denn eine der Kammern ist für eine kleine Elektronik, die für die Steuerung der Spülmittelzufuhr und die Füllstandsmessung zuständig ist. Alle drei Kammern müssen somit zu 100 % zuverlässig gegeneinander abdichten, um Ausfälle und Leckagen zu verhindern. Da die Cassette von einer großen Anzahl von Endkunden genutzt wird, ist außerdem die Festigkeit der Schweißverbindung wichtig. Die Cassette ist wiederverwendbar, das heißt, entleert kann sie zurück ins Werk geschickt und neu befüllt werden.

Für das Laserschweißen der Baugruppe sprachen neben der kurzen Taktzeit insbesondere der geringe Platzbedarf des Fügeverfahrens sowie die hohe Prozesssicherheit und die Möglichkeit, den Prozess online zu überwachen. Auch die Werkzeugkosten für einen Laserschweißprozess sind vergleichsweise gering und das Verfahren kommt ohne Verbrauchsmaterial aus. Alternative Schweißverfahren wurden nicht weiter in Erwägung gezogen, da sie die Anforderungen an die Genauigkeiten nicht erreichen und für die innenliegende Elektronik ein Risiko darstellen. Durch die sehr geringe Wärmeeinflusszone bei der Laserbearbeitung können die geforderten engen Toleranzen eingehalten werden. Da die Energieeinbringung berührungslos erfolgt, werden empfindliche Elektronikbaugruppen durch den Schweißprozess nicht beeinträchtigt.

Das Laserschweißen von Kunststoffen wird heute überwiegend im Durchstrahlverfahren eingesetzt. Dabei wird die Laserstrahlung durch den für die Laserwellenlänge transparenten Kunststoff hindurch auf das absorbierende Formteil fokussiert, wodurch es oberflächlich aufschmilzt. Über Wärmeleitung wird auch der transmissive Partner plastifiziert, sodass sich die beiden Teile verbinden. Während des Schweißvorgangs müssen die Fügepartner gespannt werden, um einen gleichmäßigen Wärmeübergang sicherzustellen.

Beim Laser-Kunststoffschweißen wird zwischen Kontur-, Simultan- und Quasisimultanschweißen unterschieden. Für die Bob Cassette wird das Quasisimultanschweißen eingesetzt. Das bedeutet, der Laser wird mit sehr hohen Geschwindigkeiten entlang der Schweißkontur geführt. Ziel dabei ist es, die Kontur mehrfach so schnell abzufahren, dass die Schweißnaht sozusagen gleichzeitig erwärmt und aufgeschmolzen wird. Dadurch ist es möglich, einen Fügeweg zum Ausgleich von Formteiltoleranzen zu überbrücken.

Bei der Materialauswahl fiel die Entscheidung auf ein Polypropylen-Copolymer. Neben der geringen Feuchtigkeitsaufnahme zeichnet sich dieser Werkstoff durch eine hervorragende chemische Beständigkeit, insbesondere gegen Löse- und Entfettungsmittel aus. Um sowohl den optischen Ansprüchen des Herstellers als auch den Anforderungen des Schweißprozesses gerecht zu werden, besteht das Spülmittelverteilungssystem aus einem schwarzen Gehäuse mit einem weißen Deckel.

Aufgrund des kompakten Aufbaus der Cassette und der Schweißverbindungen zwischen den einzelnen Kammern, können für den Prozess keine Standardspannwerkzeuge eingesetzt werden. Geschweißt wird mit der Mirror Clamp Device (MICD)-Technologie. Hierbei leitet ein sogenanntes Spiegelwerkzeug den Laserstrahl mittels standardisierter Spiegelelemente auch in schwer zugängliche Zonen des Schweißbereichs.

Für die Fertigung des Spülmittelverteilungssystems wurde in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller ein geeignetes Fügesystem ausgewählt. Die Cassette, bestehend aus Gehäuse, Elektronik und Deckel, wird in der Einlegestation montiert und anschließend in einer zweiten Station geschweißt. Das Aussortieren von Gut- und Schlechtteilen erfolgt ebenfalls in der Einlegestation.

Unterschiedliche Varianten und das manuelle Bestücken der Laserschweißanlage ermöglichen das Verwenden eines Komplettsystems für die Produktion. Im Einsatz ist eine EVO 2800 von Evosys Laser, Erlangen, das sich aufgrund des intuitiven Bedienkonzepts, der leichten Prozessumstellung mittels der Prozesssoftware Evolap und der integrierten Prozessüberwachung gut eignet. Die Laserschweißanlage greift auf standardisierte Out-of-the-box Module des Schweißanlagenherstellers zurück.

Zentrales Modul des Systems ist der Laser mit nachfolgender Strahlformung und -führung. Der Strahl wird mit einem speziellen Optikaufbau in einen Galvanometerscanner geleitet. Danach folgt eine F-Theta-Linse, die den Strahl in die Bearbeitungsebene fokussiert. Dabei wird der Strahl, wie zuvor beschrieben, über ein Spiegelwerkzeug in den Schweißbereich geführt.

Ein weiteres für die Fertigung wichtiges Modul ist die Positionier- und Spanneinheit für die beiden zu fügenden Bauteile. Wechselbare, bauteilspezifische Aufnahmen und Spannbrillen sorgen für eine exakte Positionierung der Bauteile vor dem Schweißvorgang. Sobald beide Fügeteile in der korrekten Lage sind, erfolgt das Spannen mit einem Pneumatikzylinder, der die gesamte Baugruppe von unten gegen die Spannbrille drückt und die erforderlichen Kräfte für den Schweißprozess dosiert. Während des Schweißvorgangs erfolgt eine Online-Prozesskontrolle mittels Fügewegüberwachung. Der reine Schweißvorgang benötigt trotz der anspruchsvollen Geometrie nur etwas mehr als drei Sekunden.

Eine benutzerfreundliche Bedienung der Anlage im Produktionsalltag gewährleistet das Human-Machine-Interface (HMI) auf Basis einer Industrie-SPS. Die HMI übernimmt auch das Visualisieren und Auswerten der Prozessdaten, die Speicherung von Datensätzen und weitere Systemfunktionen. Eine Kontursoftware erhöht die Flexibilität der Anlage, sodass der Anwender schnell die Daten für Schweißkontur, Vorschubgeschwindigkeiten und Laserleistung einprogrammieren kann.

Halle/Stand FGO-01