Funktionsbauteile aus dem 3D-Druck erfolgreich Laserstrahlschweißen

Zwei hoch qualifizierte Forschungsinstitute arbeiten mit Erfolg zusammen: Sie entwickeln gemeinsam ein Expertensystem für das Laserdurchstrahlschweißen von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen.

Beim 3D-Druck-Verfahren "Fused Deposition Modeling" (FDM) werden Kunststoffbauteile Schicht für Schicht aufgebaut. Geeignete Fügetechnik wie das Laserdurchstrahlschweißen kann die Anwendungsmöglichkeiten der Bauteile erweitern.

Foto: IPH

Individuell ausgelegte, 3D-gedruckte Bauteile sind im Trend. Doch bisweilen sind den Weiterverarbeitungsmöglichkeiten – aufgrund der Besonderheiten der additiven Fertigungsverfahren – noch Grenzen gesetzt. Eine Problematik ist das Schweißen mit dem Laser. Damit dies künftig gelingt, arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH und des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH) an einem gemeinsamen Ziel. Im neuen Forschungsprojekt „QualLa“ wollen sie ein Expertensystem entwickeln, das kleine und mittlere Unternehmen (KMU) dabei unterstützt, additive Fertigungsprozesse so zu optimieren, dass die gedruckten Bauteile anschließend sicher mit dem Laser geschweißt werden können.

Ablauf des Laserdurchstrahlschweißens

Mittels Laserdurchstrahlschweißen lassen sich Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen verbinden. Dies läuft berührungsfrei, automatisierbar, ohne mechanische und mit nur geringer thermischer Belastung ab. Zwei Fügepartner – einer besteht aus transparentem, einer aus intransparentem Kunststoff – werden mit einem Laserstrahl aufeinander geschweißt. Der Laserstrahl durchdringt dabei das transparente Kunststoffteil. Sobald er dabei auf den intransparenten Fügepartner trifft, wird das Laserlicht absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch schmilzt der Kunststoff im Fügebereich auf und eine Schweißnaht entsteht.

Etabliertes Fügeverfahren auch für 3D-Druck-Teile qualifizieren

Für Spritzguss-Bauteile aus Kunststoff ist das Laserdurchstrahlschweißen bereits ein industriell gut eingeführtes Fügeverfahren. Für Bauteile aus dem 3D-Drucker funktioniert der Fügeprozess aber noch nicht: Die Hohlräume und Grenzschichten in den 3D-gedruckten Bauteilen verhindern, dass eine gleichmäßige Schweißnaht entstehen kann. Diese Fehlstellen und ihre Grenzschichten unterscheiden sich für jedes Teil, denn bei den im Additive Manufacturing (AM) gefertigten Bauteilen gleicht keines dem anderen. Selbst solche aus der gleichen Serie sind nur äußerlich identisch, der innere Aufbau kann unterschiedlich sein.

Um es KMU zu erlauben, 3D-gedruckte Kunststoffbauteile mit dem Laser zu schweißen, ohne jedes einzelne AM-Teil vorab genau zu analysieren, wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPH und des LZH ein Expertensystem entwickeln. In diesem Computerprogramm wird das Prozesswissen gebündelt. Beim Projekt „Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile (QualLa)“ betrachten die Forschenden dafür das Verfahren „Fused Deposition Modeling“ (FDM). Das IGF-Vorhaben Nr. 21571N der Forschungsvereinigung Forschungsgemeinschaft Qualität e.V. (FQS), Frankfurt am Main, wird über die AiF im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.

Das genutzte additive Verfahren

Der Name Fused Deposition Modeling und seine Abkürzung FDM sind geschützte Marken der Firma Stratasys. Das Verfahren wird jedoch auch als „Fused Filament Fabrication“ (FFF) bezeichnet und bereits seit den 1990er Jahren kommerziell angewendet. Es basiert grundsätzlich auf drei Elementen: einem Druckbett, auf dem das Objekt gedruckt wird, einer Spule Filament, die das Druckmaterial liefert, sowie einem Druckkopf (Extruder). Dort wird das Filament auf die (je nach Kunststoff geeignete) Temperatur gebracht und dann das geschmolzene Filament aus der Düse des Geräts herausgepresst. Zur Erzeugung des Bauteils werden dünne Stränge aus dem geschmolzenem Kunststoff Schicht für Schicht übereinandergelegt. Die Schichtdicken liegen je nach Anwendungsfall zwischen 0,025 mm und 1,25 mm. Vollkörper und Hohlkörper lassen sich auf diese Weise gleichermaßen fertigen. Die herstellbaren Wanddicken sind je nach 3D-Drucker unterschiedlich, betragen jedoch mindestens 0,2 mm.

Welche Prozessparameter sind für eine gute Transmission einzuhalten?

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 optimal zu schweißen.

Zusätzlich wollen die Forschenden eine Methode entwickeln, um die Transmission ortsaufgelöst zu messen. Dabei wird für ein individuelles Bauteil ermittelt, an welchen Stellen der Laserstrahl wie gut „hindurchgelassen“ wird. Diese Daten werden im Anschluss genutzt, um den Prozess des Laserdurchstrahlschweißens mithilfe des Expertensystems zu steuern.

Wird der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle geringer transmittiert, muss die Laserleistung erhöht werden. Ist das Bauteil an einer anderen Stelle lichtdurchlässiger, genügt eine geringere Laserleistung. Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es, eine gut geeignete Prozesssteuerung zu entwickeln. Mit deren Hilfe wird die Laserleistung in Abhängigkeit von der Transmission so anpasst, dass eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht – auch wenn das 3D-gedruckte Bauteil den Laserstrahl nicht gleichmäßig gut transmittiert.

3D-gedrucktes Probebauteil: Die sogenannte Transmissivität, also die Lichtdurchlässigkeit, variiert je nach Schichtdicke und Schichtausrichtung.

Foto: LZH

Künstliche Intelligenz macht das Expertensystem lernfähig

Zur Informationsverarbeitung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Methoden des maschinellen Lernens einsetzen. Geplant ist, dafür neuronale Netze zu nutzen – Algorithmen, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind. Dies ist eine Art Künstlicher Intelligenz (KI), die das Expertensystem befähigt, aus gewonnenen Daten zu lernen. Dabei lassen sich generell verschiedene Datenquellen wie Bilder, Geräusche, Texte, Tabellen oder Zeitreihen interpretieren und Informationen oder Muster extrahieren, um diese auf unbekannte Daten anzuwenden. So lassen sich datengetrieben Vorhersagen für die Zukunft erstellen. Im Fall des Expertensystems geht es darum, selbstständig Zusammenhänge zwischen verschiedenen Eingangsgrößen und dem Druckergebnis zu erkennen – und so die zu erwartende Transmission vorherzusagen.

Das Forschungsprojekt – die beteiligten Partner

Im Forschungsprojekt „QualLa“ arbeiten das IPH und das LZH eng mit der Industrie zusammen. Beim Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH beschäftigen sich die etwa 70 Mitarbeitenden interdisziplinär mit allen Bereichen einer Fabrik: beginnend bei der Logistik, die alle Prozesse miteinander vernetzt, über die Produktionsautomatisierung, die Zusammenarbeit von Maschinen untereinander, bis zur Fertigung einzelner Bauteile in der Prozesstechnik. Das IPH forscht und entwickelt, berät Industrieunternehmen und bildet den ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchs aus. Gegründet wurde es 1988 aus der Leibniz Universität Hannover heraus. Bis heute wird es als gemeinnützige GmbH von drei Professoren der Universität geleitet. Zu den Kunden zählen Unternehmen aus den Branchen Werkzeug- und Formenbau, Maschinen- und Anlagenbau, Luft- und Raumfahrt und der Automobil-, Elektro- und Schmiedeindustrie.

Das Laser Zentrum Hannover e.V. ist ein unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut für Photonik und Lasertechnologie. Es wurde 1986 gegründet mit dem Ziel, interdisziplinäre Forschung und Entwicklung zu betreiben, Forschung und Praxis zusammenzuführen und Fachkräfte industrienah auszubilden. Die Zusammenarbeit von Mitarbeitenden aus naturwissenschaftlichen Bereichen sowie Ingenieuren und Ingenieurinnen erlaubt dabei innovative Ansätze in verschiedenen Bereichen: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. Derzeit sind fast 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH beschäftigt, das gefördert wird durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Digitalisierung.

Zum projektbegleitenden Ausschuss von „QualLa“ gehören unter anderem auch Unternehmen aus den Bereichen Lasertechnik, Additive Fertigung und Anlagenbau. Weitere Unternehmen sind herzlich willkommen, sich am Projekt zu beteiligen – gesucht werden insbesondere Firmen, die sich mit Künstlicher Intelligenz oder Additiver Fertigung beschäftigen. Weitere Informationen sind unter qualla.iph-hannover.de zu finden.