Optische Kohärenztomographie für Laserdurchstrahlschweißprozesse bei Kunststoffen

Laserdurchstrahlschweißen (LDS) ist ein etabliertes Kunststofffügeverfahren, welches hermetisch dichte Verbindungen unterhalb der Werkstückoberfläche ermöglicht. Um einen stabilen Prozess zu gewährleisten, ist eine Prozessüberwachung erforderlich. Die Herausforderung bei der Stabilität des LDS besteht in der Anpassung an neue Materialien, um eine optimale schweißtechnische Lösung zu finden. Die Laserprozesse sind bei bekannten Materialien sehr stabil und bestehende Überwachungsmethoden (z.B. Pyrometer-basierte Methoden oder Fügewegüberwachung) liefern hervorragende Resultate. Die genannten Überwachungsmethoden haben dennoch einen entscheidenden Nachteil. Die eigentliche Überwachung der erzeugten Schweißnaht ist mit ihnen nicht möglich. Das heißt, dass diese Systeme keine geometrischen Informationen über das Fügen des Materials liefern. Hierzu muss, je nach Lage der erzeugten Schweißnaht, das Materialinnere tomographisch untersucht werden, was nur mit wenigen Prüfmethoden physikalisch zu realisieren ist. Die Erfassung von geometrischen Parametern in Bauteilen (Materialfehler, Poren in der Schweißnaht, Lücke zwischen den Schweißpartnern etc.) benötigt eine Messmethode, welche in der Lage ist, tomographische oder topographische Daten aufnehmen zu können. Mittels der Optischen Kohärenztomographie (OCT) können diese Parameter erfasst werden. In dieser Arbeit wird ein OCT-basiertes Konzept zur In-Prozess-Erfassung von geometrischen Parametern im Laserdurchstrahlschweißprozess erarbeitet, validiert und bewertet. Zunächst wird das System optisch simuliert, um eine mechanische und optische Adaption an die Laseranlage zu gewährleisten. Dabei werden die erforderlichen OCT-Systemparameter bestimmt, um eine Auswahl relevanter Komponenten zu ermöglichen. Das Messsystem wird als Prototyp im Labor aufgebaut, charakterisiert und validiert. Zur Tauglichkeitsprüfung des OCT-Systems wird eine Messmittelfähigkeitsanalyse nach VDA 5 vorgenommen. Abschließend erfolgt die optische Integration in den Strahlengang einer Laseranlage. In-Prozess-Messungen der generierten Schweißnaht dienen der finalen Charakterisierung und Validierung der OCT als Inline-Überwachungstool. Damit kann gezeigt werden, dass eine qualitative Erfassung der Materialstrukturen sowie der Schweißnaht In-Prozess möglich ist. Das Messsystem basiert auf dem Prinzip der kurzkohärenten optischen Interferometrie.