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Prozessüberwachung in der Produktion

Prozessüberwachung ist ein zentrales Thema der Produktion mit dem Ziel die Funktionalität der Produkte zu gewährleisten und die Qualität zu sichern.

Vor, während oder nach jedem Prozessschritt werden Methoden zur Qualitätsüberwachung definiert, die dieses Ziel erreichen sollen. Die Qualifizierung der Prüfmethoden wird parallel zur Entwicklung betrieben und in den Produktionsablauf integriert.

Überwachungsmethoden sind vielfältig und sollten dem gesamten Produktionsprozess angepasst werden. Dabei kann die Kontrolle aktiver Prozessparameter genauso relevant sein wie die passive Überwachung einzelner Prozesse. Um schon in einem frühen Stadium der Produktion Schlechtteile auszusortieren, ist eine prozessübergreifende Überwachung empfehlenswert. Indizien der Schweissbarkeit können oftmals mit einfachen Methoden erkannt werden.

Bauteile können schon vor der Schweissung auf Dimensionen, Ebenheit und Passform überprüft werden.

Während der Schweissung sind je nach Schweisstechnik sowohl Überwachungs- als auch Regelungsmethoden anwendbar. Nachgeschaltete Qualitätskontrollen können auch zielführend sein, solange sie die Bauteile nicht schädigen. Die Beschaffenheit der Bauteile und die Produktionsumgebung bestimmen welche Methode am besten geeignet ist. Die Qualitätskontrolle des Schweissprozesses ist also in drei Phasen unterteilbar

  1. Pre-Prozess, eine vorgeschaltete Überwachung
  2. In-Prozess, eine prozessbegleitende Überwachung oder Regelung
  3. Post-Prozess, eine nachgeschaltete Kontrolle
  4. In jeder dieser drei Phasen sind von der Schweisstechnik abhängige Methoden anwend-bar. Für das Laserschweissen von Kunststoffen sind einige dieser Methoden beispielhaft im Bild dargestellt.

Schweissrelevante Daten aus dem Pre-Prozess sind meist Material und Design bezogen. Hier sind die optischen Eigenschaften und die Abmasse bzw. Form der Fügezone hervorzuheben. Während des Schweissens werden die Wegmessung und die Pyrometrie am häufigsten eingesetzt.

Eine Aussage über die Schweissnahtqualität ist aber ausschliesslich im Post-Prozess möglich. Da die meisten Prüfmethoden in dieser Phase die Bauteile jedoch belasten, werden sie nur stichprobenweise eingesetzt.Im Folgenden sind einige gängige Prüfmethoden näher beschrieben.

In-Prozess

In-Process
Kontur zur P-Kurve
  • Laserleistung

    Eine kontinuierliche Messung der Laserleistung kann im Prozess an verschiedenen Stellen durchgeführt werden. Messungen nach der Laserquelle und in der Optik bieten sich an, um Leistungsverluste im optischen System zu qualifizieren und Abweichungen zu überwachen. In welchen Toleranzen die emittierte Leistung variieren darf, kann in der Prozesskontrolle eingestellt und überwacht werden.

  • Schweisszeit/Geschwindigkeit

    In Laserschweissanlagen, die mit Servomotoren bestückt sind, wird das Achsverhalten intern überwacht. Die Novolas WS-AT z. B. gibt eine Fehlermeldung aus, sobald die Achsen von den definierten Werten abweichen.

    Bei Simultanschweissprozessen ist die eingestellte Schweisszeit von Bedeutung und kann vom System ausgelesen und überwacht werden.

  • Spannkraft

    Die Spannkraft kann entweder direkt über eine Kraftmessdose gemessen oder indirekt über den eingestellten Druck verifiziert werden.

  • Fügeweg

    Bauteile, die einen Abschmelzweg im Fügeprozess vorsehen, werden üblicher-weise im Simultan- oder im Quasisimultanprozess geschweisst. Die gleichzeitige Erwärmung der Schweisskontur gekoppelt mit einem Spanndruck führt zu einem Abschmelzen, das über Wegmesssensoren detektiert wird.

    Je nach Bauteilkonstruktion sind unterschiedliche Abbruchbedingungen vorstellbar:

    1. Fügeweg:

      Abbruch nach einem eingestellten Weg

    2. Schweissen auf Zeit:

      Abbruch nach einer bestimmten Zeit

    3. Schweissen auf Block:

      Abbruch nach Abschmelzgeschwindigkeit

    Ein typischer Verlauf beim Schweissen mit Abschmelzweg zeigt einen kurzfristigen negativen Verlauf des Abschmelzweges. Dieser Bereich beschreibt die Volumenzunahme des Kunststoffs in der Aufheizphase bevor er in den dünnflüssigen Zustand übergeht.

     
  • Pyrometrie

    Die Pyrometrie ist eine berührungslose Methode Oberflächentemperaturen innerhalb eines Wellenlängenbereiches zu messen. Das Pyrometer ist auf die Schweissebene fokussiert und detektiert die Wärme, welche durch die im Strahlengang liegenden Medien dringt. Beim Laserdurchstrahlschweissen liegt also mindestens der transparente Fügepartner im Strahlengang und dämpft das Signal. Die Signalstärke der detektierbaren Strahlung ist von den zu durchdringenden Materialien selber und den Weglängen durch diese Materialien abhängig, also zusätzlich von der Dicke und der Streuung.

    Daher sollte ein Einsatz der Pyrometrie in Vorversuchen evaluiert werden. Übli-cherweise wird die Pyrometrie im Kontur-, vereinzelt auch im Quasisimultanverfah-ren eingesetzt. Der Temperaturverlauf entlang der Schweissnaht ergibt ein charakteristisches Bild, das als Referenz zur Qualitätsauswertung hinzugezogen wird.

Post-Prozess

 
Post-Prozess - nicht zerstörende Prüfung

 

  • Optische Beurteilung
  • Sichtbare Schweissnähte können auch optisch von geschultem Personal oder Ka-merasystemen qualifiziert werden. Die Schweissnaht wird auf Fehlstellen wie Einschnürungen, Verbrennungen oder Fremdpartikel hin untersucht und qualifiziert. In der Regel ist eine Schweissnahtfestigkeit mit dieser Methode jedoch nicht qualifizierbar.

  • Dichtigkeitsprüfung

    Bauteile durch die Medien strömen, können durch Druckbeaufschlagung auf Dichtigkeit geprüft werden. Hierbei wird ein vorgegebener Druck über eine eingestellt Zeit gehalten und der Druckabfall gemessen, welcher ein Mass für die Dichtigkeit darstellt.

 
Post-Prozess - zerstörende Prüfung

Stichprobenweise können natürlich auch zerstörende Prüfmethoden herangezogen werden.

  • Berstdruck

    Dicht geschweisste Bauteile werden mit Druckluft bis zum Bersten beaufschlagt. Vorzugsweise wird diese Methode in Flüssigkeit durchgeführt, um auch kleinste Öffnungen an einer Bläschenentwicklung erkennen zu können.

  • Zugprüfungen

    Bauteile werden auf Zug bis zur Zerstörung belastet. Die aufgewendete Kraft wird gemessen und als Qualitätsmerkmal herangezogen.

Post-Process

 

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