Laserdurchstrahlfügen

Forschungstitel:
Entwicklung einer Laseroptik und Prozessführung sowie einer Prozesskontrolle für das prozesssichere und qualitätsgerechte Laserfügen flexibler Kunststoffverbunde

Arbeitsgruppe: Abfüll- und Verpackungsprozesse

Forschungsstelle und wissenschaftliche Projektbetreuung:

  1. Fraunhofer IVV, Außenstelle für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik Dresden, Dipl.-Ing. Ralph Jänchen
  2. Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Aachen, M. Eng. Maximilian Brosda

IGF-Vorhaben: 19458 BG
Finanzierung: BMWi
Laufzeit: 2017 – 2019

Zunehmende Herausforderungen bei der Massenbedarfsgüterherstellung ist die Individualisierung der Produkte. Häufig geschieht dies über die Verpackung und deren Funktionalität. Hinzu kommen der Trend zu immer kleineren Losgrößen, die Verkürzung der Lieferzeit und eine Interna­tio­nali­sie­rung der Märkte. Ständige Formatwechsel erschweren dabei eine schnelle, kostengünstige Einführung neuer Produkte, verursachen Logistik-, Personalaufwand und erhebliche Stillstandszeiten. Für effiziente Prozesse fehlen insbesondere Lösungen zum konturflexiblen Fügen (und Trennen) von Verbundfolien. Vor allem in der Metallverarbeitung und der Automobilindustrie hat sich die Lasertechnologie als formatunabhängiges Werkzeug etabliert und zu einer erheblichen Qualitäts- und Produktivitätssteigerung geführt. Abgesehen von der laserbasierten Kennzeichnungstechnik konnte die preissensible Verbrauchsgüterproduktion bislang nicht vom Potenzial eines Laserwerkzeuges profitieren.

Aktuelle Untersuchungen der beteiligten Forschungseinrichtungen zeigen, dass beim Fügen flexibler Kunststoffe mittels Diodenstrahllaser ähnliche Nahtfestigkeiten wie bei den etablierten Verfahren Wärmekontakt- bzw. Ultraschallfügen erreicht werden können. Das Vorhaben zielt nunmehr darauf, zu klären, welche Temperaturfelder bei verschiedenen Prozessparametern erzeugt werden und welche Nahtqualität daraus resultiert. Da der Laser im Falle eines punktförmigen Strahls die Fügezone nur für den Bruchteil einer Sekunde erwärmt, gilt es zu ermitteln, welche Schmelzehaltezeit (und Abkühlzeit) für die Ausbildung hinreichend hohe Nahtfestigkeiten erforderlich sind. Die diesbezüglich unter Verwendung einer vorhandenen Laseroptik gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Entwicklung einer angepassten Optik sowie die Optimierung der Prozessreglung ein. Eine Prozessüberwachung soll den hohen Anforderungen an Produktqualität und Prozesssicherheit Rechnung tragen.

Wesentliche Bestandteile des Vorhabens sind:

  • Bereitstellung und Charakterisierung von Modellfolien
  • Konzeption, Umsetzung, Kalibrierung eines Versuchsaufbaus zur IR-thermographischen Prozessanalyse
  • Parameterstudien mit Analyse des Temperaturfeldes und der relevanten Nahteigenschaften; Ableitung von Maßnahmen für Versuchsaufbau und Prozessführung
  • Simulation von Strahlengang und Energieintensitätsverteilung, Entwicklung einer angepassten Laseroptik
  • Eruierung von Möglichkeiten und Realisierung einer Methoden zur systematischen Prozesskontrolle sowie Anlernen derselben mithilfe zuvor charakterisierter Fehlerbilder
  • Validierung der angepassten Laseroptik und der Prozesskontrolle mittels weiterer Parameterstudien

Projektergebnisse und identifizierter Entwicklungsbedarf finden Eingang in einen Leitfaden, der dabei unterstützt, Potenziale und Grenzen sowie das Kosten-Nutzen-Verhältnis von Laserfügeanwendungen bei der Entwicklung künftiger Anlagen, Produkte und Prozesse besser einzuschätzen.

Die Kenntnis der Zusammenhänge von Prozessparameter und Temperaturverteilung in der Fügezone ist elementar für die Erzielung homogener und hinreichend fester Nähte sowie eine hohe Prozessstabilität. Damit liefert das Vorhaben einen wesentlichen Beitrag zur Akzeptanz und Etablierung eines Laserwerkzeuges zum Fügen flexibler Kunststoffe. Die Technologie ist ebenso geeignet, die Begrenzung auf eine zweidimensionale Nahtgeometrie aufzuweichen.

Projektberichte

Sitzungen

Seitenpasswort:

Das hier vorgestellte IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. (IVLV e.V.) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Aktuelle Termine zu diesem Projekt

06. / 07.02.2019