Der zunehmende Einsatz von Polymerbauteilen, insbesondere bei hochpräzisen Produkten, veranlasst 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 zu bieten. Die Einführung des Laserverfahrens, damit es dauerhaft optimale Ergebnisse liefert und die Kosten minimiert, erfordert jedoch ein Verständnis dieser Technologie. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es oft sinnvoll, bereits in der Produktentwicklungsphase mit einem Anbieter zusammenzuarbeiten, der sich mit dieser Technologie bestens auskennt.

Das Laserschweißen von Polymeren bietet gegenüber anderen Fügeverfahren mehrere Vorteile, doch seine korrekte Umsetzung erfordert technologisches Fachwissen, und oft ist es von Vorteil, bereits zu Beginn des Produktentwicklungszyklus einen erfahrenen Anlagenlieferanten zu konsultieren.

POLYMERE – CHANCEN UND HERAUSFORDERUNGEN

Polymere 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 sogar optische Transparenz. Was die Fertigung betrifft, können Polymerteile häufig mit verschiedenen Formgebungsverfahren hergestellt werden. Diese Verfahren bieten eine hohe Produktionskapazität und niedrige Stückkosten.

All dies hat zu einem verstärkten Einsatz von Polymeren in so unterschiedlichen Bereichen wie Verpackungen, Automobilbau, Mikroelektronik und Medizinprodukten geführt. Eine gemeinsame Anforderung vieler dieser Anwendungen ist das Verbinden von zwei oder mehr Polymerbauteilen 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 festere sowie zuverlässigere Verbindungen erzeugt.

In der Praxis kommen viele verschiedene Verfahren zum Schweißen von Polymeren zum Einsatz. In der Regel handelt es sich dabei um das selektive Schmelzen des Materials durch Wärme, Reibung oder Vibrationen oder sogar durch chemische 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:

Präzision

  • Die hochlokalisierte Einbringung von Laserenergie verursacht nur geringe oder gar keine Verformungen der Bauteile, ermöglicht enge Maßtoleranzen und lässt sich bei Bauteilen mit komplexen Geometrien anwenden.

Wiederholbarkeit

  • Der Laserprozess ist von Natur aus äußerst konsistent und lässt sich mithilfe von Prozessüberwachungsgeräten präzise steuern.

Schweißnahtqualität

  • Die Schweißnähte sind schmal und optisch hervorragend (ohne Grate und Spritzer). Eine Nachbearbeitung ist nur selten erforderlich.

Festigkeit der Schweißnaht

  • Das Laserschweißen liefert eine feste, lückenlose Schweißnaht, die eine hermetische Abdichtung gewährleisten kann.

Keine Verunreinigungen

  • Beim Laserschweißen werden keine Zusatzwerkstoffe verwendet, und es entstehen praktisch keine Verunreinigungen.

Geschwindigkeit

  • Der gesamte Schweißprozess ist schnell und eignet sich gut für die Automatisierung

GRUNDLAGEN DES LASERSCHWEISSENS VON POLYMEREN

Beim Laserschweißen von Polymeren 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 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 Teil aus transparentem Kunststoff mit einem anderen Teil verbunden, das undurchsichtig ist. 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 optisch transparent oder undurchsichtig sind.

Abbildung 1: Beim TTLW durchdringt der Laserstrahl das transparente Kunststoffteil und wird vom darunterliegenden undurchsichtigen Teil absorbiert. Dadurch wird das untere Teil erhitzt und geschmolzen, wodurch die Teile miteinander verschweißt werden.

Das TTLW kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, abhängig von der Größe und Form des Bauteils, der gewünschten Durchlaufgeschwindigkeit, der gewünschten 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 berühren sich direkt, wobei das freie Teil oben liegt. 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 von ihm abgegebene Wärme schmilzt auch einen Teil des transparenten Teils.

Der Laserstrahl wird schnell abgetastet, um das Muster der gewünschten Schweißnaht zu erzeugen. In der Regel wird das Muster mehrfach abgetastet, was dazu führt, dass die gesamte Schweißnaht gleichzeitig geschmolzen wird (daher der Name). Nachdem die gesamte Schweißbahn geschmolzen ist, wird der Laser abgeschaltet, das geschmolzene Material erstarrt 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.

Abbildung 2: Beim quasi-simultanen Schweißen wird der Laserstrahl schnell über die gesamte Schweißnahtbahn gescannt, um diese auf einmal zu schmelzen.

DIE „RIBBE-COLLAPS“-METHODE

Eine bestimmte Anordnung der Bauteile, die häufig für das quasi-simultane TTLW verwendet wird, wird als „Rippen-Einpressverfahren“ bezeichnet. In diesem Fall weist das untere Bauteil eine dünne, hervorstehende Rippe auf, die in eine entsprechende Nut im oberen Bauteil passt. Die Nut ist jedoch etwas breiter als die Rippe.

Die untere Rippe wird während des Schweißvorgangs teilweise mit dem Laser geschmolzen, während Klemmen beide Teile aktiv gegeneinander drücken. 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 anschließend wieder und bildet eine Schweißverbindung.

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

Diese spezielle Ausführungsform des TTLW ist besonders nützlich, da sie eine gute Schweißverbindung liefert, auch wenn die Teile nicht perfekt gerade oder exakt aufeinander abgestimmt sind. 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. Dadurch lassen sich in der Serienfertigung sehr konsistente Ergebnisse erzielen, selbst wenn die einzelnen Teile hinsichtlich ihrer Abmessungen oder der Absorption der Laserenergie durch das Material voneinander abweichen. Die Regelung im geschlossenen Regelkreis kann sogar Schwankungen der Laserausgangsleistung oder der Eigenschaften des fokussierten Laserstrahls ausgleichen.

SCHRITTE ZUM ERFOLG

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

Abbildung 4: Für das TTLW-Schweißen geeignete Werkstoffe.

MATERIALAUSWAHL

Damit das Verfahren funktioniert, muss ein bestimmter Temperaturbereich vorhanden sein, in dem beide Polymere (das transparente und das undurchsichtige) geschmolzen bleiben, ohne sich thermisch zu zersetzen. 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.

PRODUKTENTWURF

Ein weiterer Aspekt ist die Frage der „Konstruktion für die Fertigung“. Beispielsweise erfordert die Umsetzung der Methode der eingekerbten Rippe, dass die Konstruktion des Bauteils an geeigneter Stelle ausreichend Platz für den Eingriff der Klemmen während des Schweißens bietet und gleichzeitig den freien Zugang des Laserstrahls zur gesamten Schweißnaht ermöglicht. Die Abmessungen und die Form der Rippe und der Nut müssen ebenfalls 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 Höhe der Verformung ermöglichen. Bei hochpräzisen Anwendungen kann es erforderlich sein, Ausrichtungselemente wie Positionierstifte in die Konstruktion des Bauteils zu integrieren. Ziel ist es, eine feste Schweißnaht und ein gutes optisches Erscheinungsbild der Schweißnaht zu erzielen und gleichzeitig das nachträgliche Abschneiden von Überläufen oder das Entfernen von Graten überflüssig zu machen.

AUSWAHL DER RICHTIGEN LASERQUELLE UND DER PARAMETER

Nicht zuletzt stellen sich alle Fragen rund um die 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 Ergebnisse zu erzielen. Zudem können verschiedene praktische Probleme auftreten, was die Handhabung der Werkstücke, die mechanischen und softwaretechnischen Schnittstellen des Polymer-Schweißsystems zu anderen Produktionsanlagen sowie natürlich die Anschaffungs- und Betriebskosten betrifft.

Der einfachste Weg, all diese Faktoren zu bewältigen, ist die Zusammenarbeit mit einem Lieferanten, der bei der Anwendungsentwicklung Unterstützung leisten kann. Konkret bedeutet dies, einen Anbieter zu finden, der Tests durchführen kann, um festzustellen, welche Systemkonfiguration die besten Ergebnisse liefert, und der dabei hilft, die optimalen Laserparameter für den Produktionsprozess zu ermitteln. Das Unternehmen Coherent Labs bietet genau diese Dienstleistungen an und ist gleichzeitig Hersteller von Lasersystemen zum Schweißen von Polymeren, die sich problemlos in die Produktionsumgebung integrieren lassen.

FAZIT

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Laserschweißen eine präzise Verbindung von Polymerbauteilen ermöglicht und über einen breiten Bereich von Produktionsvolumina hinweg ein kosteneffizientes Verfahren darstellt. Es kann dazu beitragen, das Versprechen einzulösen, dass Polymere Kosten senken, Gewicht einsparen und fortschrittliche Funktionalität in einer breiten Palette von Produkten bieten. Verfügt ein Unternehmen noch nicht über Fachwissen im Bereich des Polymer-Schweißens, trägt die Zusammenarbeit mit einem sachkundigen Anlagenlieferanten von Beginn an zu einer effektiven Umsetzung bei.

Quelle: coherent.com