LTEX

Problemstellung
Das Laserschweißen von Textilien aus thermoplastischen Werkstoffen besitzt ein großes, noch weitgehend ungenutztes industrielles Anwendungspotenzial. Hier bietet sich nicht nur für die Anwender aus der Textilindustrie (insbesondere Hersteller von technischen Textilien), sondern auch für die Hersteller von Textil- und Laserbearbeitungsmaschinen ein enormes Markt- und Wachstumspotenzial.
Der herkömmliche teilautomatisierte Nähprozess bei der Produktion von Airbags ist wenig flexibel und benötigt nicht nur für jedes Airbagmodell, sondern sogar für jeden Nahttyp eine aufwändige Anpassung der Produktionsanlage. Das Laserschweißen birgt großes Potenzial hinsichtlich der Erhöhung der Flexibilität dieses Fertigungsprozesses, insbesondere für die verschiedenen Phasen des Produktlebenszyklus (Prototyp, Kleinserie, Großserie, Ersatzteile). Ferner bietet das Laserschweißen von Airbags die Möglichkeit einer automatisierten kontinuierlichen Qualitätsüberwachung, was im Vergleich zu den derzeit eingesetzten manuellen, weitgehend subjektiven Prüfverfahren eine höhere Produktqualität entsprechend den hohen Anforderungen der Automobilindustrie gemäß TS 16949 ermöglicht.

Projektziele
Ziel des Projekts war, das Laserschweißen von technischen Geweben unter besonderer Beachtung von Aspekten des Produktlebenszyklus in der Airbagindustrie als innovatives Fügeverfahren industriell anwendbar zu machen. Hierzu sollten die prozesstechnischen Grundlagen, neuartige Handhabungstechniken, eine Prozessregelung auf Basis optischer Messgrößen aus der Prozesszone und schließlich eine Online-Qualitätsüberwachung entwickelt werden. Die industrielle Anwendbarkeit der verschiedenen Einzeltechniken sollten in einem zu entwickelnden Anlagen-Prototyp nachgewiesen werden.

Vorgehensweise
Das Projekt umfasste folgende Teilaufgaben:
- Grundlegende Untersuchungen zur Nahtfestigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussparametern. Hierbei wurden zwei verschiedene Nahtgeometrien betrachtet, die im Belastungsfall unterschiedlichen Beanspruchungsmechanismen ausgesetzt sind (Schälbelastung, Zugscherbelastung). Als Einflussparameter wurden hauptsächlich Zusatzwerkstoff, Prozessgeschwindigkeit, Anpressdruck, Strahldurchmesser, Strahlprofil, Laserleistung, Prozesstemperatur und die Art der Anpressvorrichtung systematisch variiert.
- Entwicklung von Fixier- und Anpresskonzepten: Es wurden dynamische Anpresskonzepte entwickelt, die eine flexible zweidimensionale Nahtkonturgestaltung ermöglichen. Hierbei bestand die große Herausforderung darin, einen hinreichend großen Anpressdruck in der Fügezone zu realisieren, ohne den Laserstrahl abzuschirmen.
- Entwicklung einer pyrometrischen Prozessregelung und prozessintegrierten Qualitätsüberwachung. Die Aufgabe umfasste die Bestimmung von optischen Merkmalen von Schweißnahtfehlern sowie die Integration von Kamera- und Beleuchtungstechnik.
- Entwicklung von polymeren Zusatzwerkstoffen für das Laserschweißen. Die Zusatzwerkstoffe wurden in Form von Folien, Geweben und Pulvern hergestellt.
- Erstellung eines Funktionsprototyps für Airbag-Rundnähte durch Zusammenführung der verschiedenen Einzeltechniken

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das verwendete Airbaggewebe (Dicke ca. 350 µm) ist zu ca. 50 % transparent und zu 50 % rückstreuend. Da praktisch keine Eigenabsorption vorhanden ist, muss ein laserabsorbierendes Farbmittel in die Prozesszone eingebracht werden. Dies kann entweder durch direkten Auftrag auf die dem Laser abgewa
ndte Gewebelage oder mittels eines gefärbten polymeren Zusatzwerkstoffes als Zwischenlage realisiert werden.
Bei direktem Auftrag des Farbmittels auf die vom Laser abgewandte Gewebelage erreicht man in Schälnahtgeometrie mit optimalen Prozessparametern Zugkräfte von etwa 300 N/5cm, in Überlappgeometrie (Zugscherbelastung) von etwa 500 N/5cm. Unter Verwendung eines polymeren Zusatzwerkstoffs in Form von Folien oder dünnen kalandrierten Geweben (Gewebefolien) lassen sich im Vergleich dazu deutlich höhere Nahtfestigkeiten von etwa 500 N/5cm ohne und von etwa 1.200 N/5cm mit polymerem Zusatzwerkstoff erzielen. Bei Schweißnähten mit Zusatzwerkstoff ist die von außen sichtbare Oberfläche der Gewebe bei maximaler Nahtfestigkeit völlig intakt. Für die hoch belastete Umfangsnaht des Airbags entspricht nur die Überlappgeometrie mit Zusatzwerkstoff den Anforderungen an die Nahtfestigkeit für Airbags (> 1000 N/5cm). Andere Nahtgeometrien können jedoch für andere Airbagnähte, z.B. für Opfernähte, interessant sein.
Die Überlappgeometrie lässt sich prozesstechnisch insbesondere bei runden Airbags schwer realisieren. Im konventionellen Nähprozess werden Ober- und Unterplatte des Airbags ganzflächig übereinander gelegt und längs des Umfangs vernäht. Würde man dieselbe Gewebeanordnung im Laserschweißprozess realisieren, so würde im Belastungsfall zwangsläufig eine Schälbelastung auftreten. Aus diesem Grund wurden alternative an den Laserschweißprozess angepasste Konstruktionsmöglichkeiten für den Airbag untersucht.
Hierbei sind auf alle Fälle Gewebeanordnungen erforderlich, bei denen mehr als zwei Lagen miteinander zu verbinden sind. Es wurde gezeigt, dass Schweißnähte in mehrlagigen Konstruktionen auch in tieferen Lagen mit gleich hoher Zugfestigkeit realisiert werden können. Aufgrund der hohen Rückstreuung des Airbaggewebes ist jedoch mit zunehmender Lagentiefe eine höhere Laserleistung erforderlich. Wichtiges Ergebnis ist ebenfalls, dass die Schweißnaht für jede Lagentiefe einzeln hergestellt werden muss. Das Verbinden mehrerer Lagen ist deshalb nur mit Hilfe versetzter Schweißnähte zu realisieren. Die verschiedenen im Rahmen des Projekts entwickelten Konzepte wurden schließlich in einem Anlagenprototyp zusammengeführt. Dieser Prototyp ist in der Lage, die Rundnähte eines Airbags in konventioneller Lagenanordnung zu verschweißen. Dabei lassen sich verschiedene Nahtdurchmesser realisieren.