Zusatzstoffe für glasklare Schweißnähte und präzise fokussierte Faserlaser ermöglichen neue Anwendungen für das Laserstrahl-Kunststoffschweißen. Sie erfüllen auch die Anforderungen aus der Medizintechnik.
Das Laserstrahl-Kunststoffschweißen von Thermoplasten ist eine der wirtschaftlichsten und sichersten Fügetechnologien. Die am häufigsten eingesetzte Variante ist das Laserdurchstrahlschweißen. Hier dringt die Laserstrahlung mit geringer Dämpfung durch die Decklage in die Fügezone und wird dort vom unteren Fügepartner absorbiert. Dieser schmilzt oberflächlich auf, die Schmelze dehnt sich aus und benetzt den oberen Fügepartner. Weil der Spanndruck die Wärmeleitung in den transparenten, oberen Fügepartner begünstigt, wird der Kunststoff lokal plastifiziert. Das Ergebnis ist ein sicherer Stoffschluss.
Bei Klar-Klar-Verbindungen aus gleichen Materialien fehlt jedoch der absorbierende Fügepartner. Daher müssen erst die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, dass die Energie für das Schmelzen beider Fügepartner in die Fügezone gelangt.
Eine Möglichkeit hierfür ist die Beimengung laserabsorbierender Partikel in einen der Fügepartner. Dafür werden in der Regel Rußpartikel verwendet, die eine gute Absorption über einen breiten Wellenlängenbereich bewirken, den Kunststoff allerdings schon in geringen Konzentrationen schwarz färben. Bei zahlreichen Anwendungen ist das unproblematisch. Die Medizintechnik allerdings stellt teilweise besondere Anforderungen an das Design der Bauteile und die optische Beschaffenheit der Schweißnähte. Ruß oder auch andere Pigmente kommen dann nicht in Frage.
Eine Alternative ist der Schweißzusatzstoff Clearweld, der in die Fügezone eingebracht wird. Er besteht aus organischen Farbstoffen, die die Laserstrahlung im erforderlichen Bereich absorbieren. Der Zusatzstoff hat im ungeschweißten Zustand im sichtbaren Bereich des Lichtes nur eine geringe Eigenfarbe, woraus sich neue Möglichkeiten beim Design der zu schweißenden Bauteile ergeben. Entwickelt wurde das Verfahren von der englischen TWI Ltd. in Cambridge und der US-amerikanischen Gentex Corporation in Carbondale. Die Erlanger LPKF Laser & Electronics GmbH kann als Partner dieser Unternehmen interessierte Anwender zu den Möglichkeiten des Verfahrens beraten.
Das zwischen die zu schweißenden, lasertransparenten Fügepartner aufgebrachte Clearweld absorbiert die Laserstrahlung und wandelt sie in Prozesswärme um, die eine lokale Plastifizierung ermöglicht. So kommt es zur Verbindung der Fügepartner – und sobald das Infrarot-Laserlicht auf den Zusatzstoff trifft, wird dieser aufgrund einer chemischen Reaktion glasklar. Wie beim gewöhnlichen Laserschweißen können mit diesem Verfahren die meisten thermoplastischen Kunststoffe geschweißt werden.
Wo aus medizinischen und optischen Gründen der Einsatz solcher Füllstoffe nicht möglich ist, müssen andere Ansätze das Fügen identischer Polymerbauteile mit dem Laser ermöglichen. Hier sind die Wellenlänge des Lasers, die Fokussierung und die Strahlqualität entscheidend. Die Strahlquelle muss auf das Absorptions- und Transmissionsverhalten des Kunststoffs und die geometrischen Abmaße des Bauteils abgestimmt werden.
Bei besonders dünnen Materialien, wie beispielsweise Folien, lässt sich die Energie zum Schweißen direkt an der Oberfläche einbringen. Auch wenn Polymere die Wärme kaum weiterleiten, gelangt genügend davon in die Fügezone, so dass durch die Plastifizierung beider Materialien eine stoffschlüssige Verbindung entsteht.
Manchmal ist der dem Laser zugewandte Fügepartner jedoch zu groß, um ausreichend Wärme in die Fügezone zu leiten. Dann muss die Laserenergie in die Schweißebene fokussiert werden. In der Fügezone ist die Energiedichte dann so hoch, dass beide Fügepartner in einen schmelzflüssigen Zustand gebracht werden. Gleichzeitig bleibt die Energiedichte in allen anderen durchstrahlten Bereichen so gering, dass weder eine Verbrennung noch eine Plastifizierung erfolgt. Das funktioniert jedoch nur, wenn das Material selbst ein relativ geringes Absorptionsvermögen bei der verwendeten Laserwellenlänge hat und sich der Laserstrahl gut fokussieren lässt. So können auch Bauteile mit Dicken größer als 0,5 mm mit dem Laser geschweißt werden.
Weil Faserlaser eine herausragende Strahlqualität besitzen und mit unterschiedlichen Wellenlängen verfügbar sind, kommen sie für diese Aufgabe am ehesten in Frage. Der neu zu definierende Prozess ähnelt dabei dem des klassischen Laserdurchstrahlschweißens. Zunächst wird der Strahl aufgeweitet – das sichert die geringe Energiedichte im durchstrahlten Material. Gleichzeitig bündelt eine Fokussierlinse mit kurzer Brennweite den Laserstrahl exakt auf die Schweißebene. Wie beim herkömmlichen Laser-Durchstrahlschweißen bewegt sich der Laser ein- oder mehrmals relativ zur Schweißkontur, bis der gewünschte Fügeweg erreicht ist.
Beim Fügen zweier Polymerbauteile im Stumpfstoß ist hingegen eine durchgängige Erwärmung durch den Laserstrahl erwünscht. Die Laserenergie wird hier in allen Ebenen annähernd gleichmäßig absorbiert und der Kunststoff entsprechend dem Strahlverlauf in einen schmelzflüssigen Zustand gebracht. Die Polymerketten diffundieren von einem Fügepartner in den anderen. Das Resultat ist eine äußerst feste und reine Schweißverbindung.
Die Entwicklung des Faserlasers war also ein Glücksfall für die Mikromaterialbearbeitung mit dem Laser. Er liefert eine bessere Strahlqualität und reduziert die Wartungskosten deutlich. Diese Qualitäten lassen sich in der Praxis nutzen – wie die Lösungen bei den Klar-Klar-Verbindungen beweisen.
Frank Brunnecker, René Geiger, Rico Bühring LPKF Laser & Electronics, Erlangen
Ihr Stichwort
- Klar-Klar-Verbindungen
- Zusatzstoff für unsichtbare, glasklare Schweißnähte
- Fokussierter Laserstrahl für gezielte Verbindungen ohne Zusatzstoffe
- Faserlaser
Unsere Webinar-Empfehlung
Erfahren Sie, was sich in der Medizintechnik-Branche derzeit im Bereich 3D-Druck, Digitalisierung & Automatisierung sowie beim Thema Nachhaltigkeit tut.
Teilen:
