Konstruktive und verfahrenstechnische Aspekte zum Laserdurchstrahlschweißen großformatiger und dünnwandiger Kunststoffbauteile

Das stoffschlüssige Verbinden von Kunststoffen mittels Laserstrahlung hat in den vergangenen Jahren aufgrund einiger verfahrensspezifischer Vorteile zunehmende Verbreitung in der industriellen Praxis gefunden. Seit der erstmaligen industriellen Anwendung Mitte der 1990er Jahre hat sich dieses Verfahren heute als ein sowohl anlagen- als auch prozesstechnisch hoch entwickeltes Fügeverfahren etabliert. Ausgehend von der Automobilbranche hat es in nahezu allen Bereichen Einzug gehalten, in denen Kunststoffbauteile stoffschlüssig miteinander verbunden werden müssen. Ausgenommen davon sind derzeit jedoch noch Anwendungen, die auf das Verbinden großformatiger Bauteile mit Abmaßen von mehr als 200 x 200 mm2 ausgelegt sind. Die wesentliche Herausforderung dabei besteht darin, die Fügekraft derart in die Bauteile einzuleiten, dass eine spaltfreie Verbindung mit einer im Idealfall konstanten Verteilung des Kontaktdrucks zwischen den Fügepartnern hergestellt wird. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass sich die Schweißnaht nicht auf einer Sichtfläche der gefügten Bauteile abzeichnet. Dabei ist insbesondere durch die aus Gründen der Kosten- und Gewichtsersparnis angetriebene Reduzierung der Bauteilwanddicken ein Zielkonflikt zu erwarten. Aus diesen Gründen werden in dieser Arbeit zwei Ziele verfolgt. Im ersten Teil wird durch den Einsatz von CAE-Methoden untersucht, inwiefern sich eine spaltfreie Verbindung zwischen den Fügepartnern abschätzen lässt. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss einer optimierten, rechteckförmig fokussierenden Bearbeitungsoptik auf das Risiko der Schweißnahtabzeichnung ermittelt. Zur Ermittlung des Schweißspaltes und der Fügedruckverteilung wird ein integrativer Ansatz verfolgt, bei dem zunächst der fertigungsbedingte Bauteilverzug mithilfe der Füllsimulation berechnet wird, um anschließend in einer Struktursimulation die Einleitung der Fügekraft beim Spannen der Fügepartner unter Berücksichtigung des Bauteilverzugs zu ermitteln. Dabei werden insbesondere Lösungen zur konturfernen Einleitung der Fügekraft sowie zur Reduzierung des fertigungsbedingten Bauteilverzugs erarbeitet. Um eine möglichst abzeichnungsfreie Fügenaht zu erzielen, wird der Einsatz einer rechteckförmig fokussierenden Bearbeitungsoptik mit Top-Hat-Verteilung untersucht. Hierbei werden in Abhängigkeit der Prozessparameter die Schweißnahtabzeichnung, die Schweißnahtfestigkeit, die Spaltüberbrückbarkeit und der Einfluss des Einstrahlwinkels für die optimierte Bearbeitungsoptik untersucht und mit den Ergebnissen einer konventionellen, punktförmig fokussierenden Bearbeitungsoptik mit gaußförmiger Intensitätsverteilung verglichen. Durch die vorgestellten Untersuchungen erschließen sich dem Anwender neue Erkenntnisse sowohl zur Abschätzung der Schweißnahtqualität durch den Einsatz von Simulationsmethoden als auch zur Beeinflussung der Schweißnahtabzeichnung durch den Einsatz alternativer Bestrahlungsoptiken.