Laserdurchstrahlschweißen transparenter Thermoplaste ohne Strahlungsabsorber

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2-3 Tage
Autor:
Mamuschkin, Viktor
ISBN
978-3-98555-004-3
39,00 €
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Quick Overview

Mit entsprechenden Strahlquellen lässt sich das Laserdurchstrahlschweißen auch zum Fügen klarer Kunststoffteile einsetzen. Anders als beim klassischen Verfahren wird dabei die intrinsische Absorption der Kunststoffe ausgenutzt, um die Energie der Laserstrahlung im Inneren der Fügeteile ohne Zusatzstoffe zu deponieren. Dies bringt einige Herausforderungen mit sich, insbesondere bezüglich der räumlichen Selektivität des Energieeintrags, dessen Einflussfaktoren in dieser Arbeit untersucht werden.

Nicht jede Anwendung erlaubt es die Absorptionseigenschaften eines Fügeteils derart anzupassen, wie es für das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen im Normalfall erforderlich ist. Die zur Steigerung der Absorption eingesetzten Zusatzstoffe verändern nicht nur die Farbe der Kunststoffmatrix, sie verursachen auch Mehrkosten und können darüber hinaus die Funktionalität oder gar Biokompatibilität des Bauteils beeinträchtigen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Variante des Laserdurchstrahlschweißens untersucht, die ohne solche Zusatzstoffe auskommt, indem sie die intrinsische Absorption der Kunststoffe durch eine entsprechende Laserwellenlänge ausnutzt. In einer vereinfachten Betrachtung des Energieeintrags wird zunächst der Bereich hergeleitet, in dem die Rayleighlänge des Laserstrahls liegen sollte, um das Volumen zweier optisch gleicher Fügeteile nicht großräumig, sondern selektiv im Kontaktbereich plastifizieren zu können. Es folgen Simulationen, in denen der Einfluss der Rayleighlänge und anderer Prozessparameter auf das Temperaturfeld gezeigt wird. Neben der Rayleighlänge und dem Absorptionskoeffizienten werden so auch die Beugungsmaßzahl und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls als signifikante Einflussgrößen auf die Volumenselektivität des Energieeintrags identifiziert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse führen zum Ansatz der quasisimultanen Bestrahlung, mit dem eine selektive Erwärmung erzielt werden kann, ohne dass die Rayleighlänge des Strahls im zuvor hergeleiteten Bereich liegt. Anstelle eines instantanen Eintrags wie beim Konturschweißen, wird die Energie schrittweise in schnellen aufeinanderfolgenden Zyklen eingetragen und so im Kontaktbereich der Fügeteile akkumuliert. Im Hinblick auf einen Einsatz in der Serienfertigung erfolgt neben einem Vergleich beider Bestrahlungsvarianten auch die Betrachtung der Pyrometrie, dem gängigsten Verfahren der Qualitätssicherung beim Laserdurchstrahlschweißen. Durch die langwelligere Laserstrahlung beim absorberfreien Schweißen kommt es zur Überlagerung mit der weniger intensiven Wärmestrahlung, die folglich von dem Pyrometer nicht mehr gemessen werden kann. Da die Extraktion der Laserwellenlänge durch optische Filter das ohnehin schon schmale Band der Wärmestrahlung weiter verkleinern würde, wird alternativ ein gepulster Betrieb der Laserstrahlquelle getestet, bei dem die Wärmestrahlung in den Zeiträumen zwischen den Pulsen störungsfrei gemessen werden kann.

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Autor Mamuschkin, Viktor
Gewicht 0.238 kg
Erscheinungsdatum 02.11.2021
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Nicht jede Anwendung erlaubt es die Absorptionseigenschaften eines Fügeteils derart anzupassen, wie es für das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen im Normalfall erforderlich ist. Die zur Steigerung der Absorption eingesetzten Zusatzstoffe verändern nicht nur die Farbe der Kunststoffmatrix, sie verursachen auch Mehrkosten und können darüber hinaus die Funktionalität oder gar Biokompatibilität des Bauteils beeinträchtigen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Variante des Laserdurchstrahlschweißens untersucht, die ohne solche Zusatzstoffe auskommt, indem sie die intrinsische Absorption der Kunststoffe durch eine entsprechende Laserwellenlänge ausnutzt. In einer vereinfachten Betrachtung des Energieeintrags wird zunächst der Bereich hergeleitet, in dem die Rayleighlänge des Laserstrahls liegen sollte, um das Volumen zweier optisch gleicher Fügeteile nicht großräumig, sondern selektiv im Kontaktbereich plastifizieren zu können. Es folgen Simulationen, in denen der Einfluss der Rayleighlänge und anderer Prozessparameter auf das Temperaturfeld gezeigt wird. Neben der Rayleighlänge und dem Absorptionskoeffizienten werden so auch die Beugungsmaßzahl und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls als signifikante Einflussgrößen auf die Volumenselektivität des Energieeintrags identifiziert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse führen zum Ansatz der quasisimultanen Bestrahlung, mit dem eine selektive Erwärmung erzielt werden kann, ohne dass die Rayleighlänge des Strahls im zuvor hergeleiteten Bereich liegt. Anstelle eines instantanen Eintrags wie beim Konturschweißen, wird die Energie schrittweise in schnellen aufeinanderfolgenden Zyklen eingetragen und so im Kontaktbereich der Fügeteile akkumuliert. Im Hinblick auf einen Einsatz in der Serienfertigung erfolgt neben einem Vergleich beider Bestrahlungsvarianten auch die Betrachtung der Pyrometrie, dem gängigsten Verfahren der Qualitätssicherung beim Laserdurchstrahlschweißen. Durch die langwelligere Laserstrahlung beim absorberfreien Schweißen kommt es zur Überlagerung mit der weniger intensiven Wärmestrahlung, die folglich von dem Pyrometer nicht mehr gemessen werden kann. Da die Extraktion der Laserwellenlänge durch optische Filter das ohnehin schon schmale Band der Wärmestrahlung weiter verkleinern würde, wird alternativ ein gepulster Betrieb der Laserstrahlquelle getestet, bei dem die Wärmestrahlung in den Zeiträumen zwischen den Pulsen störungsfrei gemessen werden kann.

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