Laserschweißen von Kunststoffen und die Arbeit mit Polymeren – Teil 2

Vor einiger Zeit haben wir auf unserer Mitglieder-Website einen Artikel über das Laserschweißen von Kunststoffen und die Arbeit mit Polymeren veröffentlicht . Der Artikel befasst sich mit den Grundprinzipien des Laserschweißens, der Auswahl geeigneter Materialien und deren Temperatureigenschaften. Heute möchten wir uns näher mit dem quasi-simultanen Schweißen und dem „Collapsed-Rib“-Verfahren befassen. Beginnen wir jedoch zunächst mit einigen allgemeinen Informationen zum Schweißen von Kunststoffen.

Kunststoffe weisen im Vergleich zu anderen Werkstoffen einige einzigartige Eigenschaften und Vorteile auf. Dazu gehören ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, mechanische Elastizität, Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität, elektrische und thermische Isolierung sowie in einigen Fällen auch optische Transparenz. Aus produktionstechnischer Sicht lassen sich Kunststoffteile oft mit verschiedenen Formgebungsverfahren herstellen. Diese Verfahren bieten eine hohe Produktionskapazität und niedrige Stückkosten.

All dies hat zu einem verstärkten Einsatz von Kunststoffen in so unterschiedlichen Bereichen wie Verpackungen, Automobilbau, Mikroelektronik und Medizinprodukten geführt. Eine gemeinsame Anforderung vieler dieser Anwendungen ist das Verbinden von zwei oder mehr Kunststoffteilen bei der Montage des Produkts. Bei Anwendungen mit hochkomplexen Produkten wie medizinischen Implantaten und elektronischen Sensoren muss diese Verbindung mit hoher mechanischer Präzision, minimaler Partikelbildung und hervorragender Verbindungsfestigkeit hergestellt werden.

In der Großserienfertigung wird in der Regel eine der Schweißverfahren eingesetzt und nicht das reine Kleben. Der Grund dafür ist, dass das Schweißen in der Regel wesentlich schneller und präziser durchgeführt werden kann als das Kleben und eine festere und zuverlässigere Verbindung erzeugt.

In der industriellen Fertigung kommen viele verschiedene Verfahren zum Schweißen von Kunststoffen zum Einsatz. In der Regel handelt es sich dabei um das selektive Schmelzen des Materials durch Wärme, Reibung oder Vibration oder mithilfe chemischer Lösungsmittel. Jede dieser Techniken hat ihre eigenen Vorteile und Anwendungsbereiche. Das Laserschweißen von Polymeren wird für anspruchsvollste Anwendungen immer beliebter, da es eine einzigartige Kombination von Vorteilen bietet. Dazu gehören:

Grundlagen des Laserschweißens von Kunststoffen

Beim Laserschweißen von Kunststoffen wird ein Laser als Wärmequelle genutzt, um das Material zu schmelzen. Je nach den zu verbindenden Materialien, den spezifischen Anforderungen der Anwendung und verschiedenen Produktionsaspekten wie Kosten oder Geschwindigkeit gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, dies zu bewerkstelligen.

Eine der nützlichsten und am häufigsten verwendeten Techniken wird als „Transmissionslaserschweißen“ (TTLW) bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird ein Bauteil aus transparentem Kunststoff mit einem anderen, undurchsichtigen Bauteil verbunden. In diesem Fall beziehen sich die Begriffe „transparent“ und „undurchsichtig“ konkret darauf, ob die Teile die Wellenlänge des verwendeten Lasers absorbieren oder durchlassen, und nicht darauf, ob sie für das menschliche Auge visuell transparent oder undurchsichtig sind.

Das TTLW-Schweißen kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, abhängig von der Größe und Form des Bauteils, der gewünschten Durchlaufgeschwindigkeit, der geforderten Qualität und den Eigenschaften der Schweißnaht sowie weiteren Faktoren. Eine der nützlichsten und vielseitigsten Methoden ist das sogenannte quasi-simultane Schweißen.

Beim quasi-simultanen Schweißen werden zwei Teile entweder aneinander geklemmt oder kommen in direkten Kontakt, wobei sich das freie Teil oben befindet. Der Laserstrahl wird durch den transparenten Teil nach innen und nach unten in Richtung des undurchsichtigen Teils gerichtet. Das undurchsichtige Polymer absorbiert das Laserlicht, erwärmt sich und schmilzt. Die dabei entstehende Wärme schmilzt auch einen Teil des transparenten Bereichs. Der Laserstrahl wird schnell abgetastet, um das Muster der gewünschten Schweißnaht zu erzeugen. Durch den wiederholten schnellen Durchlauf des Strahls über das Material wird die gesamte Schweißnaht gleichzeitig geschmolzen (daher der Name). Nachdem die gesamte Schweißbahn geschmolzen ist, wird der Laser abgeschaltet, und das geschmolzene Material erstarrt schnell und bildet eine Schweißverbindung. Das quasi-simultane TTLW ist ein schnelles, universelles Verfahren, das hervorragende Verbindungen und eine hohe Produktionskapazität bietet. Sie eignet sich am besten für Schweißnähte, die vollständig in einer Ebene liegen (flach) oder nur geringe Höhenunterschiede aufweisen.

Das „verformte Rippen“-Verfahren

Eine bestimmte Teilekonfiguration, die häufig für das quasi-simultane TTLW verwendet wird, wird als „Rippen-Einpressverfahren“ bezeichnet. In diesem Fall weist das untere Teil eine dünne, hervorstehende Rippe auf, die in eine entsprechende Nut im oberen Teil eingreift. Die Nut ist jedoch etwas breiter als die Rippe. Die untere Rippe wird während des Schweißvorgangs teilweise durch den Laser geschmolzen, während Klemmen beide Teile aktiv aneinanderpressen. Ein Teil der unteren Rippe wird geschmolzen, und dieses Material fließt und füllt einen Teil des Spalts zwischen Ober- und Unterteil aus. Dieses Material erstarrt dann wieder und bildet eine Schweißverbindung.

Diese spezielle Ausführung des TTLW ist besonders nützlich, da sie eine gute Schweißverbindung liefert, auch wenn die Teile nicht perfekt gerade sind oder strenge Toleranzen aufweisen. Zudem lässt sich die „Absackhöhe“, d. h. der Betrag, um den sich das Oberteil während des Schweißvorgangs nach unten verschiebt, überwachen und zur Prozesssteuerung im geschlossenen Regelkreis nutzen. Dies ermöglicht sehr konsistente Ergebnisse in der Serienfertigung, selbst wenn sich die einzelnen Teile in ihren Abmessungen oder der Absorption der Laserenergie durch das Material unterscheiden. Es ist sogar möglich, Schwankungen in der Laserausgangsleistung oder den Eigenschaften des fokussierten Laserstrahls auszugleichen.

So erzielen Sie Erfolg

Bei der Einführung des TTLW-Polymer-Schweißens in die Produktion gibt es natürlich viele Details und Faktoren zu beachten. Wie lässt sich diese Technologie also am besten einführen? Tatsächlich gibt es drei entscheidende Punkte, die vor Produktionsbeginn und möglicherweise sogar bereits in der Produktentwicklungsphase berücksichtigt werden müssen.

Der erste Punkt ist die Materialauswahl. Damit das Verfahren funktioniert, muss ein bestimmter Temperaturbereich vorhanden sein, in dem beide Polymere (das transparente und das undurchsichtige) geschmolzen bleiben (ohne jedoch zu zerfallen). Je größer diese Überschneidung ist, desto breiter ist das Prozessfenster. Und ein breiteres Prozessfenster erleichtert die Fertigung und erhöht deren Robustheit. Die Tabelle fasst zusammen, welche gängigen Polymerkombinationen mit dem Laserschweißen kompatibel sind.

Ein weiterer Aspekt ist die Frage des „Design for Manufacturing“. Die Umsetzung der „Collapsed-Rib“-Methode erfordert beispielsweise, dass die Konstruktion des Bauteils an geeigneter Stelle ausreichend Platz für den Eingriff der Klemmen während des Schweißvorgangs bietet und gleichzeitig einen ungehinderten Zugang des Laserstrahls zur gesamten Schweißnaht ermöglicht. Die Abmessungen und Formen von Rippe und Nut müssen zudem so gewählt werden, dass sie ausreichend Material für den Schweißprozess bereitstellen und die entstehende Schmelze aufnehmen können. Darüber hinaus müssen die Teile so konstruiert werden, dass sie eine ausreichende Einwölbungshöhe ermöglichen. Bei hochpräzisen Anwendungen kann es erforderlich sein, Ausrichtungselemente wie beispielsweise Positionierstifte in die Bauteilkonstruktion zu integrieren. Ziel ist es, eine feste Schweißnaht und ein gutes optisches Erscheinungsbild der Schweißnaht zu erzielen und gleichzeitig die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung zum Beschneiden oder Entfernen von Graten zu vermeiden. Nicht zuletzt stellen sich alle Fragen zur Prozessentwicklung. Dazu gehören die Auswahl der richtigen Laserquelle für Polymerwerkstoffe, die Ermittlung der optimalen Betriebsparameter des Lasers sowie die Festlegung, welche Prozessvariablen überwacht oder gesteuert werden müssen, um die gewünschten Ausbeuten zu erzielen. Zudem können verschiedene praktische Probleme auftreten, was die Handhabung der Bauteile, die mechanischen und softwaretechnischen Schnittstellen des Polymer-Schweißsystems zu anderen Produktionsanlagen sowie natürlich die Betriebskosten betrifft.

Fazit

Das Laserschweißen ermöglicht das präzise Verbinden von Kunststoffbauteilen und ist ein kosteneffizientes Verfahren für ein breites Spektrum an Produktionsmengen. Es kann dazu beitragen, das Versprechen einzulösen, dass Kunststoffe Kosten senken, Gewicht einsparen und fortschrittliche Funktionalität in einer breiten Palette von Produkten bieten. Und wenn Sie noch keine Erfahrung mit der Implementierung des Laserschweißens haben, wenden Sie sich an uns. In Zusammenarbeit mit den Anwendungslabors von Coherent schlagen wir Ihnen einen geeigneten Laser sowie ein geeignetes Schweißverfahren vor und unterstützen Sie von Anfang an bei der Implementierung.