Prüfen, was sich ewig bindet

Schon im Kindergarten werden Verbindungsspezialisten ausgebildet: Mit Schere, Papier und Klebstoff entstehen kleine Kunstwerke. Bei einer solchen Klebeverbindung wird ein zusätzlicher Klebstoff zwischen den beiden Fügepartnern aufgetragen. Das Laser-Kunststoffschweißen ist nicht ganz so einfach nachzuvollziehen, hat sich aber eine wichtige Stellung unter den Fügeverfahren erobert. Bei diesem Verfahren wird ein lasertransparenter mit einem laserabsorbierenden Kunststoff verbunden. Das Laserlicht durchstrahlt den transparenten Fügepartner und wird auf der Oberfläche des anderen Fügepartners absorbiert. Dabei wird die vom Laser ausgesendete Strahlung in Wärme umgewandelt, es kommt zum Aufschmelzen des absorbierenden Kunststoffes. Durch das Aufeinanderpressen der beiden Teile findet eine Wärmeübertragung in das lasertransparente Kunststoffteil statt. Beide Fügepartner schmelzen im Bereich der Laseraktivität auf, es kommt zu einer stabilen Verbindung.

Doch Klebeverfahren und Lasertechnologie haben je nach Materialkombination und Anwendungsgebiet ihre besonderen Stärken und Schwächen und lassen sich in fünf Verfahrenseigenschaften vergleichen.

Mechanische Festigkeit und Stabilität

Beim Laserschweißen lassen sich sehr kleine und genaue Schweißnähte erzielen. Die Energie wird genau da eingebracht, wo sie benötigt wird. Durch diese Eigenschaften und die große Reinheit des Laserschweißens – es werden keine Partikel freigesetzt – eignet sich dieser Prozess besonders gut für die Medizinprodukteindustrie. Die mechanische Festigkeit und Langzeitstabilität sind beim Laserschweißen sehr hoch, da das Schweißen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kunststoffes nicht verändert.

Beim Kleben erfolgt keine oder nur eine sehr geringe thermische Belastung der Fügewerkstoffe. Allerdings sind der Einsatzbereich der Klebstoffe und die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen von der Temperatur abhängig. Infolge von Temperaturveränderungen kommt es zu Ausdehnungen der beiden Fügeteile mit daraus resultierenden Schubspannungen in der Verbindung.

Mögliche Materialkombinationen

Bei der Materialauswahl und der Größe der fügbaren Teile hat das Laser-Kunststoffschweißen inzwischen aufgeholt. Eine Einschränkung beim Laser-Kunststoffschweißen gibt es aber dennoch: Die Schmelzpunkte der beteiligten Kunststoffe dürfen nicht zu unterschiedlich sein.

Prozessgestaltung und -automatisierung

Auch bezüglich der Automatisierungsmöglichkeit zeigt das Laserschweißen Vorteile, da hier kein Verbindungswerkstoff zugeführt werden muss. Die Anzahl der Prozessschritte und damit die Durchlaufzeiten sind deutlich geringer als bei einem Klebeprozess, da sowohl die aufwendige Reinigung als auch das anschließende Aushärten entfallen.

Beim Laserstrahlschweißen sind die Anforderungen an das Bauteildesign etwas höher. Eine frühzeitige Auslegung der Bauteile für diesen Fügeprozess sorgt für eine optimale Schweißung. Für die oft geforderten sehr kurzen Taktzeiten sind die zusätzlich notwendigen Prozessschritte beim Kleben nachteilig. Sowohl bei Ein- als auch bei Zwei-Komponenten-Klebern sind Aushärtezeiten zu beachten. Im Gegensatz zum Laserstrahlschweißen müssen die Oberflächen der zu verbindenden Teile vor dem Klebeprozess behandelt werden. In diesem zusätzlichen Prozessschritt werden die Verbindungsflächen mechanisch oder chemisch gereinigt, um störende Fremdschichten zu entfernen. Für das Laserschweißen sind Vorbehandlungen der Fügezone in der Regel nicht erforderlich.

Qualität und Prozessüberwachung

Beim Kleben kann das Ergebnis erst nach vollständigem Ablauf des Prozesses beurteilt und geprüft werden – in einem nachfolgenden Arbeitsschritt. Beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen lässt sich die Fügeverbindung bereits während des Prozesses mit verschiedenen Verfahren überwachen. So kann die während des Schweißprozesses entstehende Wärme in der Schweißnaht mittels eines Pyrometers kontrolliert werden. Sie gibt sicheren Aufschluss über eine fehlerfreie Verbindung.

Am häufigsten wird die Methode der Fügewegüberwachung beim Quasisimultanschweißen eingesetzt. Dabei wird die Schweißnaht als erhöhter Steg ausgelegt, so dass der Laserstrahl diesen Bereich gleichzeitig aufschmilzt und sich die beiden Fügepartner unter dem anliegenden Füge-druck aufeinander zu bewegen. Der Betrag der Verringerung der Bauteilhöhe wird gemessen und geregelt – auch während des Schweißprozesses. Die Überwachung und Dokumentation der Schweißqualität kommt Forderungen aus der Medizin- und Automobilbranche nach einer lückenlosen Prozessüberwachung entgegen.

Wirtschaftlichkeit

Für die Wirtschaftlichkeit müssen neben den Kosten für Maschinen und Werkzeuge auch die Aufwendungen für den Prozess, das Material und zusätzliche Teile berücksichtigt werden. Beim Laserschweißen ist zunächst von höheren Anlageninvestitionen auszugehen. Mit steigendem Fertigungsvolumen verlieren die Anlagenkosten bei der Stückkostenbetrachtung allerdings an Bedeutung. Bei den Materialaufwendungen ist das Laserschweißen vor allem bei steigenden Stückzahlen und zunehmenden Bauteilgrößen im Vorteil – ein zusätzlicher Klebstoff ist nicht erforderlich.

Die entscheidende Größe für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit sind die laufenden Fertigungskosten pro Bauteil. Bei der Lasertechnologie entfällt die Reinigung der Fügeflächen, die Prozesszeit ist deutlich kürzer und es gibt auch keinen zusätzlichen Prozessschritt für das Aushärten der Klebeverbindung. Wirtschaftlichkeitsberechnungen unter Berücksichtigung typischer Bauteile und Mengen zeigen, dass das Laserstrahlschweißen von Kunststoffen meist günstiger ist als das Kleben.

Das Laserschweißen hebt sich also durch seine Flexibilität, die hohe Präzision, die zuverlässig hohe Qualität und seine Wirtschaftlichkeit von konventionellen Fügeverfahren wie dem Kleben ab. Es werden keine zusätzlichen Stoffe in die Werkstücke eingebracht, die Schweißnaht bleibt partikelfrei und von höchster optischer Qualität. Laser-Kunststoffschweißen ist ein eher anspruchsloses Verfahren: eine einfache Werkstückaufnahme und geringe Ansprüche an die Spannwerkzeuge, die berührungslose und damit wartungsfreie Schweißung sowie die Qualitätsüberwachung im Fügeprozess sprechen für dieses Verfahren.

Wirtschaftlichkeit der Lasertechnologie spricht für Einsatz in der Medizintechnik