So werden 3D-gedruckte Kunststoffbaugruppen mit Laserdurchstrahlschweißen gefügt

Additive Fertigung wird heute in vielen Bereichen in der Industrie eingesetzt. Die Einsatzgebiete erstrecken sich dabei von der Individualisierung von Serienteilen, über Kleinserienproduktion bis hin zum Prototypenbau. Die großen Vorteile dieses Prozesses liegen in der Flexibilität, der Formfreiheit und der kurzen Zykluszeit. Von den unterschiedlichen verfügbaren Prozessvarianten wird in der Industrie häufig das selektive Lasersintern (SLS) eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden die Komponenten aus dem Pulverbett gefertigt. Das Pulver wird Schicht für Schicht aufgetragen und selektiv mit einem Laser aufgeschmolzen. Im Vergleich zum Spritzgießen ergeben sich dabei mehrere Vorteile. Durch den schichtweisen Aufbau ist es beispielsweise möglich, Hinterschneidungen und Leichtbaustrukturen anzufertigen. Außerdem ist die Zeit vom Modell zum fertigen Teil deutlich kürzer als bei spritzgegossenen Komponenten, da es nicht notwendig ist, ein Spritzgusswerkzeug anzufertigen. Daher ist das Verfahren bei kleinen Stückzahlen und im Prototypenbau wirtschaftlicher.

Funktionsprototypen oder auch bei der Individualisierung von Serienteilen ist ein Fügeverfahren notwendig, welches genauso wie das Fertigungsverfahren sehr variabel und auch für kleine Stückzahlen praktikabel ist. Ein solches Fügeverfahren, das zu qualitativ sehr hochwertigen Fügenähten führt, ist das Laserkunststoffschweißen. Eine besondere Herausforderung stellt beim Schweißen von pulverbettbasierten additiv gefertigten Teilen die heterogene Mikrostruktur und damit einhergehende geringe Transmission, welche für das Laserschweißen nötig ist, der Bauteile dar. Auch die hohe Rauheit der Oberfläche kann beim Laserschweißen zu Qualitätseinbußen wie Verbrennungen an der Oberfläche führen.

Die in der industriellen Fertigung am häufigsten eingesetzte Prozessvariante beim Fügen von Kunststoffen mittels Laser ist das Laserdurchstrahlschweißen. Hier wird die Laserstrahlung durch den oberen, für die Wellenlänge des Lasers transparenten, Fügepartner auf den unteren, absorbierenden Fügepartner fokussiert. An der Grenzfläche zwischen den Komponenten wird der Laserstrahl in der unteren Komponente absorbiert und erwärmt diese. Durch eine aufgebrachte Spannkraft besteht ein guter Kontakt zwischen beiden Komponenten, und die obere Komponente erwärmt sich durch Wärmeleitung. Im Bereich der Schweißnaht plastifizieren beide Fügepartner und bilden eine stoffschlüssige Verbindung. Ist die Transmission der oberen Komponente nicht hoch genug, kann das zu verlängerten Schweißzeiten, verringerter Festigkeit der Schweißnaht oder sogar Materialschädigungen bei der Schweißung führen. Durch das Vorbehandeln des lasertransparenten Teils mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 1.940 nm ist es allerdings möglich, die Transmission um mehr als 50 % zu erhöhen. Dies führt zu einer verkürzten Schweißzeit und verringert die Verbrennungsneigung im Vergleich zu nicht vorbehandelten Bauteilen.

Qualitativ hochwertige, intakte und belastbare Schweißverbindungen konnten mit und ohne Vorbehandlung hergestellt werden. Zum Testen des Verfahrens wurden von Evosys eigens entwickelte Probebauteile aus PA12 sowohl additiv gefertigt als auch im Spritzgussverfahren hergestellt. Auf diese Weise konnten spritzgegossen – spritzgegossen, additiv – spritzgegossen, spritzgegossen – additiv und additiv – additiv Kombinationen untersucht werden. Spritzgegossen – spritzgegossen ist dabei die klassische Kombination, die in vielen Industriezweigen in unzähligen Fertigungsprozessen verwendet wird. Additiv – spritzgegossen beziehungsweise spritzgegossen – additiv kommt zum Tragen, wenn massengefertigte Spritzgussteile mit individualisierten, in kleinen Stückzahlen additiv gefertigten Komponenten verbunden werden sollen. Dies kommt auch bei großen Bauteilen, deren komplette Herstellung mittels additiver Fertigung zu teuer oder aufgrund der begrenzten Bauraumgröße limitiert ist, zur Anwendung. Bei der additiv – additiv Kombination werden zwei additiv gefertigte Komponenten gefügt, beispielsweise im Prototypenbau sowie bei Vor- oder Kleinserien. Die Bauteile wurden in den genannten Kombinationen verschweißt und anschließend unterschiedlichen Prüfungen zur Validierung der Schweißnahtqualität unterzogen. Um Fehlstellen oder Lufteinschlüsse in der Schweißnaht auszuschließen, wurden Querschliffe quer durch die Schweißnähte angefertigt und unter dem Mikroskop beurteilt. Zur Evaluierung der Schweißnahtfestigkeit dienten Zugversuche. Beide Tests zeigten, dass bei allen Kombinationen qualitativ sehr hochwertige Schweißnähte hergestellt werden konnten. Im Querschliff zeigt sich eine sehr gute, fehlerfreie Durchmischung der beiden Komponenten in der Fügezone. Bei Zugversuchen rissen die Proben nicht im Bereich der Schweißnaht, sondern außerhalb im Bereich des Grundkörpers der additiv gefertigten Bauteile sowie auch der spritzgegossenen Bauteile. Dieses Verfahren erreicht somit eine qualitativ sehr hochwertige Schweißnaht mit einem Schweißfaktor nahe eins. In Bild 1 sind beispielhaft drei der angefertigten Schliffbilder unter unterschiedlichen Mikroskopen zu sehen. a und b zeigen die Schweißnaht zwischen zwei additiv gefertigten Komponenten. In diesen ist die teilweise noch bestehende Pulverstruktur zu erkennen. Durch diese Pulverstruktur ist sehr gut erkennbar, dass beide Fügepartner im Bereich der Schweißnaht komplett auf- und miteinander verschmolzen sind. Auch in Abbildung c, einer Kombination aus additiv (transparenter Fügepartner) und spritzgegossen (absorbierender Fügepartner) ist eine sehr gute Anbindung ohne Fehlstellen zu sehen.

Um die Wärmeübertragung vom absorbierenden zum transparenten Fügepartner während des Schweißprozesses sicherzustellen, werden die zu schweißenden Teile in herkömmlichen Verfahrensvarianten mit einer Außen- oder kombinierten Außen- und Innenspanntechnik in Verbindung mit einer aufwendig gestalteten Werkstückaufnahme zur wiederholgenauen Positionierung der Bauteile gespannt. Die Spanntechniken werden material- und zeitintensiv spanend gefertigt, was für diesen Einsatzbereich nicht wirtschaftlich ist.

Stattdessen wurde eine Möglichkeit entwickelt, die genauso flexibel ist wie der Fertigungs- und Schweißprozess. Mithilfe von umlaufenden Schnappverbindungen im Inneren des Bauteils können die beiden zu fügenden Komponenten vor dem Schweißen in Position gebracht werden, und durch eine geschickt gewählte Geometrie der Verbindungselemente spannt sich das Bauteil selbst. Die speziell für diesen Zweck ausgelegten Schnappverbindungen ermöglichen einen gleichmäßigen und ausreichenden Spanndruck entlang der gesamten Schweißnaht. Zum Schweißen wird das Bauteil im Arbeitsbereich der Anlage platziert und kann ohne zusätzliche Spannwerkzeuge geschweißt werden. Auch auf diese Weise gespannte und geschweißte Bauteile wurden mit den herkömmlich gespannten mittels Zugfestigkeitsprüfungen verglichen. Die Bauteile erzielten dabei ebenso gute Ergebnisse wie herkömmlich gespannte. Das Einrichten der zu schweißenden Kontur wird durch die Integration eines Kamerasystems in die Anlagentechnik erleichtert. Durch dieses System kann die aktuelle Aufnahme des Arbeitsraums als Hintergrund in der firmeneigenen Scanner-Steuerungssoftware Evolap angezeigt werden und die Schweißbahn wird somit auf einfache Weise an Position gebracht. Gerade im Bereich der Prototypenfertigung mit wenigen angefertigten Funktionsmustern ist diese Funktion unabdingbar, und es wird dadurch bereits beim ersten Versuch eine hochwertige Schweißnaht erreicht.

Quelle: Evosys