Prozesssicherheit durch Prozessoptimierung - SITEC ...

lasermaterialbearbeitung
Prozesssicherheit durch
Prozessoptimierung
Der Markt für kundenspezifische Laseranwendungen wächst kontinuierlich.
Der Weg zur Prozesssicherheit führt jedoch immer über
ganzheitliche Betrachtungen der technologischen Kette, von der Materialauswahl
über die Gestaltung der Nahtgeometrie und dem optischen
Setup bis hin zur Prozessgestaltung und Qualitätssicherung.
Neue Laserstrahlquellen und optimierte Prozesse erweitern dabei die
Grenzen der Lasertechnik ständig. Dieser Anwendungsbericht zeigt,
dass heutzutage kritische Werkstoffe, z. B. Aluminium oder Kupferlegierungen,
prozesssicher und dicht schweißbar sind.
P
rozesssicherheit ist eine wesentliche
Voraussetzung zur Fertigung eines
Produktes in konstant hoher Qualität
und Quantität – über den gesamten
Fertigungszeitraum des Produktes, insbesondere
bei schwankenden Prozessbedingungen.
Oft ausgelöst durch wechselnde Umgebungsbedingungen
wie Temperatur und
Luftfeuchtigkeit, durch Veränderungen
des Betriebsmittels sowie durch Eigenschaftsänderungen
des Werkstückes,
z. B. durch Materialänderungen und
vorgelagerte Bearbeitungsprozesse und
Toleranzketten.
Dieser Zusammenhang gilt bei der Fertigung
von Prototypen zur Validierung
des Produktes über der Kleinserien- und
Großserienfertigung und endet bei der
Ersatzteilfertigung.
Die Sitec Industrietechnologie GmbH
entwickelt und fertigt nicht nur maßgeschneiderte,
anforderungsspezifische
Anlagensysteme für Montage- und Laseranlagen
und Anlagen zur elektrochemischen
Materialbearbeitung, sondern
unterstützt die Kunden durch Technolo-
Die Autoren
Dipl.-Ing. Jens Hahn ist Produktmanager
Laserstandardanlagen / Photovoltaik
und Dipl.-Ing. Michael Lau,
ist Vertriebsleiter/Systemtechnologie,
beide bei der Sitec Industrietechnologie
GmbH, Chemnitz.
gieberatung,Technologieerprobung sowie Prototypen
und Kleinserienfertigung
aktiv bei
der Produktentwicklung.
Prozesssicherheit beginnt bei der
Produktentwicklung
Dieses Angebot hat gezeigt, dass eine
ganzheitliche Betrachtung der Produktentstehungsphasen
die beste Basis für
eine robuste und prozesssichere Anwendung
ist, und zwar beginnend bei der
Produktgestaltung über die Festlegung
der Fertigungstechnologien, der Prototypenfertigung
sowie letztendlich der
Planung und Realisierung der Betriebs-
mittel inklusive eventueller Qualitätssicherungs-
und Regelsysteme.
Ein wichtiger Bestandteil der Produktentwicklung
ist die Festlegung des
Designs unter funktionellen, fertigungstechnischen
und erforderlichenfalls ästhetischen
Aspekten. Aus wirtschaftlichen
Gesichtspunkten ist die Erstellung
komplexer Bauteile aus möglichst leicht
und kostengünstig herstellbaren Einzelteilen
sinnvoll. Es ergeben sich daraus
immer höhere Anforderungen an die
Verbindungstechnologie, die verstärkt
Materialien unterschiedlicher Werkstoffgruppen
zu einem funktionsgerechten
Bauteil kombinieren muss. Bereits in
der Entwurfsphase muss der Konstrukteur
die spätere Fertigungstechnologie
mit bedenken. Damit beinhaltet die Produktgestaltung
neben der eigentlichen
Sitec-Lasertechnologiezentrum (LTC) zur Applikationsentwicklung und für Prototypen- und Kleinserienfertigung.
Produktfunktion auch die Anforderungen
an eine lasergerechte Konstruktion.
Hierzu zählen die Zugänglichkeit für
den Laserstrahl und weitere relevante
Merkmale wie die Materialauswahl,
Nahtgeometrie und Nahtlage.
Werkstoffeigenschaften
berücksichtigen
Dies ist besonders bei kritischen Werkstoffen
und Werkstoffpaarungen wich-
24 Laser 2-2011

Laser 2-2011
lasermaterialbearbeitung
tig, welche in zunehmendem Maße zum Einsatz kommen –
getrieben durch den ökonomischen Druck im Umgang mit
teuren Rohstoffen und nicht zuletzt durch den Vormarsch
der Elektromobilität. Ein Beleg dafür sind die heute zur Verfügung
stehenden Strahlquellen mit hoher Brillanz, die weit
vielseitigere Einsatzmöglichkeiten bieten, als sie noch vor einigen
Jahren mit etablierten Laserstrahlquellen möglich waren.
Durch den Einsatz hochbrillanter Laserstrahlquellen können
gezielt spezielle Nahtgeometrien erstellt und Wärmeeinflusszonen
gering gehalten werden. Im Folgenden werden einige
Aspekte der Prozessoptimierung basierend auf unterschiedlichen
Anforderungen vorgestellt.
Das erste Beispiel belegt, dass bei einer erfolgreichen Prozessoptimierung
auch Werkstoffe mit hohen Kohlenstoffgehalt (C
> 0,4 %) mit angepassten Parametern und ggf. Zusatzwerkstoffen
prozesssicher verschweißt werden können. Gleichzeitig
gelingt es dabei, Aufhärtungserscheinungen zu minimieren
und den Einfluss auf die Festigkeit bei Wechselbeanspruchungen
gering zu halten. Durch einen gepulsten Betrieb des Lasers
kann dieser Wärmeeintrag weiter reduziert werden, wo-
Fügezone kohlenstoffhaltiger Werkstoffe.
bei dies zur Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit führt.
Dem Prozess sind aber auch Grenzen gesetzt, die in den bekannten
werkstofftechnischen Gegebenheiten ihre Grundlage
haben. Es sollte daher bei der Wahl der Werkstoffe immer die
mechanische Bearbeitbarkeit, die Festigkeitsanforderungen
und die Schweißbarkeit gemeinsam betrachtet werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Prozessoptimierung und
der daraus resultierenden Prozesssicherheit beschreibt neben
der Materialauswahl die Lage und Gestalt der Schweißnähte.
Schweißnähte sollten so gestaltet sein, dass Kräfte nicht
direkt an der Schweißwurzel oder senkrecht zur Flanke der
Schweißnaht eingeleitet werden. Vorhandene Kerbwirkungen
und daraus resultierende Risse sowie Bauteilversagen können
so verhindert werden.
In der Praxis werden sehr häufig I-Nähte am Überlappstoß
vorgesehen, da die Anforderungen an die Genauigkeit der
25

lasermaterialbearbeitung
Kupferschweißverbindung. Alle Abb.: Sitec
Fügeteile sowie die Positionierung des
Laserstrahles hier meist unkritisch sind.
Die Zweckmäßigkeit dieser Verbindungsform
ist in jedem Fall genau zu
prüfen. Prinzipiell gilt, dass die erzeugte
Anbindungsbreite größer sein sollte als
die Dicke des durchzuschweißenden
Materials.
Gründe hierfür sind unter anderen der
notwendige Energieeintrag, um die
Decklage zu durchdringen, welcher
nicht zur Anbindung beiträgt, sondern
sehr viel Wärme in das Bauteil einbringt,
was zu Spannungen und Verzug
führen kann. Des Weiteren kann
je nach Beanspruchung eine potentielle
Rissgefährdung an den Stoßflächen auftreten.
Nicht zuletzt können Oberflächenverunreinigungen
der Fügepartner
zu Schweißfehlern führen.
In verschiedene Anwendungen, z. B.
im Bereich der Sensortechnik wird die
Technologie des Durchschweißens
sehr erfolgreich eingesetzt. Hier werden
meist Membranen in einem gepulsten
oder modulierten Laserbetrieb
verschweißt. Die Bauteilvorbereitung
ist dabei ideal und das Verhältnis von
Decklage zu Anbindungsbreite stellt sicher,
dass die eingebrachte Energie in
Anbindungsbreite umgesetzt wird und
nicht größtenteils zum Aufschmelzen
von Material genutzt werden muss. Als
Richtgröße soll hierbei eine Materialstärke
von 1 mm genannt sein (je nach
Material), ab der eine genaue Prüfung
der Wirtschaftlichkeit einer Durchschweißung
sinnvoll ist, um unnötig
hohe Investitionen in Multi-Kilowatt-
Lasersysteme zu vermeiden.
Bewährung durch
Prototypenfertigung
Auch in den Bereichen der Elektrokontaktierung
und der elektrischen
Speichertechnik hält der Laser als Fügewerkzeug
verstärkt Einzug. Typische
Werkstoffe sind hierbei Kupfer und
Aluminium in unterschiedlichen Legierungen
bzw. Reinheiten. Neben den
Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindungen
rücken dabei weitere
funktionsbestimmende Eigenschaften in
den Vordergrund, die bei der Technologieentwicklung
und Prozessoptimierung
mit beachtet werden müssen.
Ein geringer elektrischer Widerstand
in der erzeugten Verbindungszone, die
Vermeidung der Freisetzung funktionsbeeinträchtigender
stofflicher Verbindungen
sowie die zusätzliche Sicherstellung
einer dichten Fügezone sind einige
dieser Herausforderungen. Bei der Ermittlung
der Prozessgrenzen ist außer-
dem unbedingt der Einfluss veränderter
Bauteiloberflächen zu berücksichtigen.
Unter Serienbedingungen können in
Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen
und zeitlichen Fertigungsabläufen
die Reflexionseigenschaften, z. B.
von Kupfer, variieren, wodurch die
Schweißparameter entscheidend beeinflusst
werden.
Die Prozesserprobung und die Prozessoptimierung,
d. h. das optische Setup
sowie die Prozessparameterermittlung,
inkl. Schutzgas, werden im Rahmen der
Prototypenfertigung realisiert. Diese
Form einer hybriden Produktentwicklung
unterstützt das Konstruktions-
und Produktentwicklungsteam bei der
funktionsgerechten Produktgestaltung
unter Beachtung des aktuellen technischen
und technologischen Standes
aus F&E und der Produktionstechnik.
Anforderungen und Möglichkeiten aus
Vorrichtungsbau und Anlagentechnik
(Mechanik, Steuerungstechnik, Optik
und Lasertechnik) können frühzeitig
bewertet und berücksichtigt werden.
Mit den modernen Laserstrahlquellen
stehen Werkzeuge zur Verfügung, mit
der auch anspruchsvolle Aufgabenstellungen
technisch und wirtschaftlich immer
besser gelöst werden können. Die
praktische Prozessoptimierung und das
Freifahren des Prozesses unter seriennahen
Bedingungen sowie die Ermittlung
der Prozessgrenzen sind entscheidend
für eine möglichst hohe Prozesssicherheit.
Ergänzend können im Rahmen dieser
praktischen Prozessoptimierungsphase
Merkmale des Prozesses herausgearbeitet
werden, welche eine prozessbegleitende
Qualitätssicherung und Dokumentation
für Traceability-Systeme ermöglichen.
Dazu gehören vorgelagerte
Prozesse, z. B. eine Nahtpositionserkennung,
überlagerte Prozesse wie Systeme
zum Erfassen und Bewerten des Prozessleuchtens
bzw. der Infrarotstrahlung
bzw. der reflektieren Laserleistung
sowie nachgelagerte Prozesse zur Nahtinspektion.
KONTAKT
Sitec Industrietechnologie GmbH
www.sitec-laser.de
26 Laser 2-2011