Technologieforum

Fused Deposition Modeling (FDM)

3-D-gedruckte Kunststoffbauteile mit dem Laser fügen

Kunststoffbauteile aus dem 3-D-Druck sind bisher nicht  zum Laserdurchstrahlschweißen geeignet. Ein neuer Ansatz soll dies möglich machen – mittels optimierter Parameter, KI und Echtzeitsteuerung. Kleine und mittlere Unternehmen sollen davon profitieren. Projektpartner werden weiterhin gesucht.

Für Spritzgussbauteile aus Kunststoff ist Laserdurchstrahlschweißen bereits ein industriell etabliertes Fügeverfahren. Mittels Laserdurchstrahlschweißen lassen sich Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen verbinden – berührungsfrei, automatisierbar, ohne mechanische und mit geringer thermischer Belastung. Für Bauteile aus dem 3-D-Drucker funktioniert der Fügeprozess aber noch nicht, weil Hohlräume und Grenzschichten in den 3-D-gedruckten Bauteilen eine gleichmäßige Schweißnaht verhindern. Diese Hohlräume und Grenzschichten sind für jedes Bauteil individuell, denn in der additiven Fertigung gleicht kein Bauteil dem anderen. Selbst Bauteile aus der gleichen Serie sind nur äußerlich identisch, der innere Aufbau kann unterschiedlich sein.

Expertensystem ersetzt Bauteilanalyse

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und des Laser Zentrums Hannover (LZH) wollen im neuen Forschungsprojekt ‚Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile‘ (QualLa) ein Expertensystem entwickeln, das kleine und mittlere Unternehmen dabei unterstützt, additive Fertigungsprozesse zu optimieren – sodass die gedruckten Bauteile anschließend sicher mit dem Laser geschweißt werden können, ohne jedes einzelne Bauteil vorab genau zu analysieren.

Im Projekt betrachten die Forschenden dafür das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem additiven Verfahren werden dünne Stränge aus geschmolzenem Kunststoff Schicht für Schicht übereinandergelegt. Das Expertensystem soll bereits vor dem 3-D-Druck Empfehlungen geben, welches Material, welche Schichtdicke und welche Schichtausrichtung am besten geeignet sind, um eine möglichst hohe Transmission für den Laserstrahl zu erreichen. Dank dieser Vorarbeit soll es möglich werden, die gedruckten Bauteile im Anschluss optimal zu schweißen.

Prozess gezielt an Bauteil anpassen mit KI

Zusätzlich wollen die Forschenden eine Methode entwickeln, um die Transmission ortsaufgelöst zu messen. 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 ist es, eine Prozesssteuerung zu entwickeln, die die Laserleistung in Abhängigkeit der Transmission so anpasst, dass eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht.

Zur Informationsverarbeitung sollen Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt werden. Geplant ist, neuronale Netze zu nutzen, die das Expertensystem lernfähig macht. Das System soll lernen, selbstständig Zusammenhänge zwischen verschiedenen Eingangsgrößen und dem Druckergebnis zu erkennen – und so die zu erwartende Transmission vorherzusagen.

Im Forschungsprojekt arbeiten das IPH und das LZH eng mit der Industrie zusammen. Zum Projektbegleitenden Ausschuss gehören unter anderem Unternehmen aus der Lasertechnik, additiven Fertigung und dem Anlagenbau. Weitere Unternehmen sind 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.

Foto und Quelle: www.iph-hannover.de | www.lzh.de