Schweißen Laserschweißen von technischen Textilien in der Airbagindustrie

Unter dem Blickwinkel des Produktlebenszyklus vom Prototyp, über die Großserie bis hin zur Produktion von Ersatzteilen nach Auslauf des Modells müssen neue produktionstechnologische Ansätze für das Fügen von Airbags gefunden werden. Immer kürzere Planungs- und Umsetzungszyklen in der Airbagindustrie erfordern möglichst fehlerlose Fügeverfahren. Deshalb stellt Laserschweißen eine Alternative zum traditionellen Nähen dar.

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Das Laserstrahlschweißen von technischen Textilien besitzt ein großes, zur Zeit noch weitgehend ungenutztes Potenzial, sowohl für Anwender aus der Textilindustrie als auch für die Hersteller von Bearbeitungsmaschinen. Eines der potenziellen Einsatzgebiet des Laserfügens von Textilien stellt die Airbagindustrie dar.

Weltweit wird bisher nur das Nähen als Fügeverfahren für Airbags eingesetzt. Dieser traditionelle Prozess für Textilien ist sehr arbeitsintensiv, was zu einer weitgehenden Produktionsverlagerung in Niedriglohnländer geführt hat. Nur wenn es gelingt, den Fügeprozess stärker zu automatisieren und damit die Vorteile eines High-Tech-Standorts zur Geltung zu bringen, ist ein gegenläufiger Trend ist zu erwarten.

Produktflexibilität in der Airbagproduktion erforderlich

Neue produktionstechnologische Ansätze für das Fügen von Airbags müssen unter dem Blickwinkel des gesamten Produktlebenszyklus betrachtet werden. Bevor ein Airbag in Großserie produziert wird, wird er zunächst als Prototyp und Kleinserie in geringen Mengen gefertigt. Nach Auslauf des Modells muss über viele Jahre die Versorgung mit Ersatzteilen gesichert sein, was weiterhin die Aufrechterhaltung einer gewissen Produktionskapazität erforderlich macht.

Vor diesem Hintergrund ist eine Fügetechnik erforderlich, die hinsichtlich produzierter Menge und konstruktiver Auslegung des Airbags sehr flexibel einsetzbar ist. Dies bedeutet, dass Maschinen in der Lage sein müssen, ohne großen Umrüstung verschiedene Modelle fertigen zu können. Flexible Produktionstechnik in der Airbagindustrie ist umso wichtiger, als der gegenwärtige Trend zu immer kürzeren Planungs- und Umsetzungszyklen geht, wobei insbesondere auch kurzfristige Änderungswünsche von Kunden zum Tagesgeschäft gehören.

Unter dem Gesichtspunkt der Produktionsflexibilität stößt die herkömmliche teilautomatisierte Nähtechnik an ihre Grenzen. Dafür benötigt jedes Airbagmodell eine eigene Produktionsanlage und die Anpassung an ein neues Modell erfordert einen erheblichen Aufwand zum Umrüsten.

Ein weiterer Schwachpunkt des gegenwärtigen Nähprozesses stellt die Qualitätssicherung dar. Das Nähen ist grundsätzlich fehleranfällig. Eine sicheres, automatisiertes Auffinden von Nahtfehlern ist nicht möglich, sodass jeder Airbag nach der Produktion durch Fachpersonal auf Nahtfehler inspiziert werden muss. Ein nicht erkannter Nahtfehler kann im Einsatzfall über Leben und Tod entscheiden. In diesem Zusammenhang wäre ein Fügeverfahren wünschenswert, dass zum einen weniger Nahtfehler produziert und zum anderen eine automatisierte Detektion von Fehlern ermöglicht.

Möglichkeiten des Laserstrahlschweißens bei Airbags

Das Laserstrahlschweißen von Textilien stellt deshalb eine viel versprechende Alternative zum Nähen dar. Es beruht auf dem Prinzip des Lasertransmissionsschweißens von thermoplastischen Polymeren im Überlappstoß. Hierbei durchdringt die Laserstrahlung den oberen Fügepartner und wird in der Kontaktzone vom unteren Fügepartner absorbiert. Durch das gezielte Einbringen der Energie in die Fügezone kann die Aufschmelzung auf die Kontaktzone begrenzt werden, was mit alternativen Schweißverfahren wie dem Ultraschall-, Heizkeil- und Heißluftschweißen nicht möglich ist.

Das Laserstrahlschweißen birgt das Potenzial, sowohl eine stärkere Automatisierung als auch eine erhöhte Prozessflexibilität für das Fügen von Textilien zu ermöglichen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es gelingt, flächig ausgelegte Teile beliebiger Kontur zu verschweißen. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Prozess herkömmliche Nahtfehler vermeiden und der Schweißprozess automatisch überwachen, so dass eine verbesserte Produktqualität möglich erscheint.

Technische Ziele und Projektinhalte

Bevor die viel versprechenden Möglichkeiten des Lasers für das Fügen von technischen Textilien genutzt werden können, besteht noch Forschungsbedarf. Aus diesem Grund wurde ein Projekt zum Laserstrahlschweißen von Airbags im BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für die Produktion von morgen“ ins Leben gerufen, um ein lasergestützten Verfahrens zum Fügen von Airbags zu entwickeln. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die extrem hohe Zugfestigkeit, die die Nähte für den Ernstfall aufweisen müssen. Der Schwerpunkt zu Beginn des Projekts liegt deshalb in der Entwicklung von Schweißnähten, die dieser Anforderung gerecht werden. Neben grundlegenden Untersuchungen zur Ermittlung und Optimierung der verschiedenen prozesstechnischen Einflussgrößen werden hierzu spezielle Zusatzwerkstoffe für die Schweißnähte entwickelt.

Des weiteren wird eine Spann- und Anpresstechnik entwicklung, da zur Realisierung einer festen Schweißnaht ein Mindestanpressdruck in der Fügezone erforderlich ist, der Laserstrahl aber durch die Anpressvorrichtung nicht abgeschirmt werden darf.

Die Regelung des Schweißprozesses sowie die automatisierte Erfassung von Qualitätsmerkmalen stellen weitere wichtige Bausteine des Gesamtprojekts dar. Hierbei kommt moderne optische Messtechnik zum Einsatz. In der zweiten Hälfte des Forschungsprojekts werden die verschiedenen Einzelkomponenten zu einem Prototyp zusammengeführt. Mit dessen Hilfe sollen dann Demonstrations-Airbags geschweißt werden, deren Funktionsfähigkeit in realen Schussversuchen nachgewiesen werden soll.

Dr. Johannes Stein und Dr. Michael Hustedt sind Mitarbeiter am Laser Zentrum Hannover

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