Der zunehmende Einsatz von Kunststoffteilen, insbesondere bei hochpräzisen Produkten, veranlasst die Hersteller dazu, nach Fügetechnologien zu suchen, die bessere Schweißnähte, eine höhere Produktionsleistung und geringere Kosten bieten. Das Laserschweißen von Kunststoffen verspricht in all diesen Bereichen Vorteile. Die Einführung des Laserverfahrens führt somit zu optimalen Ergebnissen und Kosteneinsparungen.
Quelle: Coherent-Blog

Es gab Zeiten, in denen das Wort „Kunststoff“ ein Synonym für „billig“ war. Heute werden Kunststoffe, genauer gesagt „Polymere“, jedoch in den unterschiedlichsten Arten hochwertiger und technisch anspruchsvoller Produkte eingesetzt. Dazu gehören Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone, Tablets, Laptops und Fitness- Tracker ebenso wie Autos, Flugzeuge, medizinische Geräte und vieles mehr.

Einer der Gründe für den zunehmenden Einsatz von Kunststoffen ist die Gewichtsersparnis, die in der Luftfahrt- und Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass Kunststoffe weder rosten noch korrodieren, was in allen Bereichen – von Kraftfahrzeugen bis hin zu medizinischen Geräten – von Nutzen ist. Nicht zuletzt spielt auch die einfache Herstellung kleiner, komplexer Formen eine Rolle. Mit Verfahren wie dem Spritzgießen lassen sich einfach, schnell und kostengünstig kleine Kunststoffteile mit komplexen Formen herstellen, die Designer und Hersteller schätzen.

Wie werden Kunststoffe mit dem Laser verschweißt?

Bei der Herstellung von Gegenständen aus Kunststoff, genauer gesagt von Polymerkomponenten, ist es oft notwendig, einzelne Teile dauerhaft miteinander zu verbinden. Bei der Großserienfertigung wird hierfür in der Regel eine der Schweißverfahren verwendet, nicht das bloße Kleben. Der Grund dafür ist, dass das Schweißen in der Regel viel schneller und präziser durchgeführt werden kann als das Kleben und dass durch das Schweißen festere und zuverlässigere Verbindungen entstehen.

In der Praxis gibt es mehrere Verfahren, mit denen Kunststoffe verschweißt werden können. In der Regel wird dabei eine Wärmequelle verwendet, die eine dünne Polymerschicht schmilzt, oder eine mechanische Bewegung zwischen zwei Teilen, die durch Reibung dasselbe bewirkt. In beiden Fällen erstarrt das geschmolzene Polymer anschließend wieder und es entsteht eine Schweißnaht. Beim Laserschweißen wird ein Laserstrahl als Wärmequelle genutzt; diese Methode findet vor allem im Gesundheitswesen und in der Automobilindustrie breite Anwendung.

Transmissionslaserschweißen (TTLW)

Eine der am häufigsten verwendeten Techniken des Laserschweißens von Kunststoffen wird als „Transmissionslaserschweißen“ (TTLW) bezeichnet. Das Prinzip ist eigentlich recht einfach. Eines der beiden zu verschweißenden Teile besteht aus transparentem Kunststoff, während das andere undurchsichtig ist – wobei mit „Transparenz“ hier die Durchlässigkeit für Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls gemeint ist, nicht die Sichtbarkeit für das menschliche Auge. Das transparente Teil absorbiert die Energie des Laserstrahls nicht, das undurchsichtige hingegen schon. Das Schweißen erfolgt so, dass die Teile mit der transparenten Seite nach oben aneinandergefügt werden. Der Laser wird dann durch den transparenten Teil hindurch nach unten auf den undurchsichtigen Teil gerichtet. Anschließend beginnt der Laserstrahl, schnell über die Oberfläche des Bauteils zu fahren ( = zu scannen) und gegebenenfalls die Form der gewünschten Schweißnaht nachzuzeichnen. Das undurchsichtige Polymer absorbiert die Energie des Laserstrahls, erwärmt sich und schmilzt. Die dabei entstehende Wärme schmilzt auch einen Teil des transparenten Bereichs. Die Teile werden aneinandergepresst, während der geschmolzene Kunststoff einen eventuellen Spalt zwischen ihnen ausfüllt. Schließlich wird der Laser ausgeschaltet und das geschmolzene Material erstarrt wieder, wodurch eine feste Schweißverbindung ohne Lücken und Schwachstellen entsteht.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Hauptschritte des quasi-simultanen TTLW-Verfahrens mit „Rippenverformung“.

Vorteile des Laserschweißens von Kunststoffen

Eine der besten Eigenschaften des Laserschweißens von Polymeren ist, dass dabei keinerlei Verunreinigungen, Staub oder Partikel entstehen. Im Gegensatz dazu verursachen fast alle verschiedenen Reib- oder Vibrationsverfahren (wie beispielsweise das Ultraschallschweißen) Verunreinigungen. Das verunreinigungsfreie Schweißen ist besonders nützlich bei der Herstellung von medizinischen Geräten und verschiedenen elektronischen Sensoren. Dadurch ist das Laserschweißen mit Reinräumen kompatibel.

Das Fehlen von Vibrationen sowie die geringe thermische und mechanische Belastung beim Laserschweißen minimieren zudem jegliche Formveränderungen der zu schweißenden Teile und verhindern deren Beschädigung. Dies ist besonders bei feinen Präzisionsteilen wichtig, beispielsweise in der Elektronik und bei medizinischen Anwendungen. Die mit dem Laser erzeugte Schweißnaht selbst ist fest und für das Auge nahezu unsichtbar. Dies ist vor allem bei Konsumgütern von Bedeutung.

Nicht zuletzt ist das Laserschweißen für Hersteller schnell und lässt sich sehr genau überwachen und kontrollieren. Dies maximiert die Ausbeute und gewährleistet eine hervorragende Konsistenz der einzelnen Teile. Zudem ist es relativ einfach, die Prozessparameter anzupassen, um sie an Konstruktionsänderungen oder Materialwechsel anzupassen.

Vorbereitung für erfolgreiches Kunststoffschweißen

Was müssen Sie tun, damit das Laserschweißen von Kunststoffen für Sie geeignet ist? Es gibt drei wesentliche Punkte, die Sie vor Produktionsbeginn und möglicherweise sogar vor dem Kauf einer Anlage berücksichtigen sollten.

Temperaturverhalten der Werkstoffe

Der erste Punkt ist die Auswahl der richtigen Werkstoffe für Ihre Bauteile. Der Temperaturbereich, in dem beide Polymere (transparent und undurchsichtig) geschmolzen bleiben (ohne sich jedoch zu zersetzen), muss sich bis zu einem gewissen Grad überlappen, damit das Verfahren funktioniert. Eine größere Überlappung vergrößert zudem das Prozessfenster, was die Fertigung erleichtert und deren Robustheit erhöht. Die Tabelle fasst zusammen, welche gängigen Polymerkombinationen mit dem Laserschweißen kompatibel sind.

Mit dem Laserschweißen kompatible Polymerkombinationen

Ein weiterer Aspekt sind Fragen der „Fertigungsgerechtheit“. Wenden Sie sich rechtzeitig an Experten für Laserschweißen , um sicherzustellen, dass die Konstruktion des Bauteils mit dem Laserprozess kompatibel ist, und um herauszufinden, ob eventuelle Konstruktionsänderungen zu einer Verbesserung der Fertigungsergebnisse führen könnten.

Test und Entwicklungsunterstützung

Und schließlich: Wenn Sie noch nicht viel Erfahrung mit dem Laserschweißen von Polymeren haben, arbeiten Sie mit jemandem zusammen, der Sie bei der Entwicklung Ihrer Anwendungslösung unterstützen kann. Wenden Sie sich insbesondere an einen Anbieter, der Tests durchführen und vorschlagen kann, welche Systemkonfiguration die besten Ergebnisse liefert, und der Ihnen dabei hilft, die optimalen Laserparameter für den gesamten Fertigungsprozess zu ermitteln. Das Unternehmen Coherent Labs bietet genau diese Dienstleistungen in seinen Anwendungslabors an. Der abschließende Bericht enthält dann auch den konkreten Lasertyp und die Einstellparameter, die für Ihre Anwendung geeignet sind.

Quelle: coherent.com