Transparente Kunststoffe ohne Additive schweißen

Malte BorgesLPKF Laser & Electronics, Garbsen

Das Laser-Durchstrahlschweißen hat sich als wirtschaftliche, präzise und besonders saubere Fügetechnologie behauptet – insbesondere in Bereichen, die als besonders qualitätssensitiv gelten. Das klassische Laser-Durchstrahlschweißen fügt zum Beispiel Behälter für Flüssigkeiten, Hydraulik- oder Pneumatikkomponenten, die das ganze Autoleben trotz hoher Belastung dicht bleiben müssen. Auch in der Medizintechnologie ist das Laserschweißen gefragt: Die Lasersysteme sind reinraumgeeignet, können die Schweißnähte flexibel durch Softwareeinstellungen verändern und sind besonders hygienisch.

Beim klassischen Laser-Kunststoffschweißen müssen Ober- und Unterbauteil unterschiedliche Absorptionswerte für die Laserwellenlänge aufweisen. Der obere Fügepartner ist für die eingesetzte Laserwellenlänge (beispielsweise 980 nm) transparent, der untere (oft ein Thermoplast mit Kohlenstoffbeimengung) laserabsorbierend. An der Fügefläche des unteren Fügepartners wird die Laserenergie absorbiert und in Wärme umgewandelt – und das Thermoplast schmilzt. Ein moderater Fügedruck stellt die Wärmeübertragung auf den oberen Fügepartner sicher, so dass auch dieser im Bereich der Schweißnaht aufschmilzt.

Diese Unterschiede im Absorptionsgrad benötigt das Clear-Joining-Verfahren nicht. Es macht sich unterschiedliche Absorptionswerte vieler Kunststoffe für unterschiedliche Laser-Wellenlängen zu nutze. Höchste Absorptionsraten sind für dieses Verfahren nicht optimal. Bei etwa 1940 nm verspricht eine ausgewogene Absorptionsrate eine zuverlässige Prozessführung. Dank geringer Absorption und durch die Fokussierung des Laserstrahls lassen sich Auswirkungen auf die Oberfläche minimieren. Der Schweißvorgang findet ausschließlich in der Fokuszone statt, an der Schnittstelle beider Fügepartner. Mit dem Clear-Joining-Verfahren lassen sich transparente Fügepartner mit einer minimalen Schweißnahtbreite von gerade einmal 100 µm verbinden. Diese Anforderung kommt in erster Linie aus der medizinischen Mikrofluidik.

Moderne Mikrofluidiksysteme aus Kunststoff weisen Kanaldurchmesser von wenigen Mikrometern auf. Die geringen Kanalquerschnitte reduzieren die zur Analyse benötigten Volumina an Proben, Reagenzien und Flüssigkeiten. Die Kanäle werden mit planen Decklagen verschlossen. Das Laser-Kunststoffschweißen bringt dabei die Energie präzise entlang der Kanalränder in die Schweißnaht ein. Das Risiko des Blockierens oder Verformens von Kanälen sinkt deutlich. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Thermoplaste kann das Kanalsystem sogar mit temperaturempfindlichen Bioreagenzien vorgeladen sein.

Das Clear-Joining-Verfahren setzt auf einen Laser mit einer Wellenlänge von 1940 nm und eine Prozessteuerung, die einen exakten Energietransfer in die Schweißnahtebene erlaubt. Dies leistet das hierfür entwickelte Precision-Weld-Laser-Schweißsystem von LPKF.

Für die Umsetzung des Schweißvorgangs in der geforderten Präzision ist zunächst ein entsprechend ausgerüstetes Gehäuse erforderlich. Konstruktiv wird dies durch eine mechanische Entkopplung von Gehäuse und Arbeitsraum erreicht. Diese Konstruktion hat sich in der Praxis bewährt: Sie setzt auf die Proto-Laser-Systeme von LPKF auf und liefert seit Jahren im industriellen Einsatz hervorragende Ergebnisse. Die Precision Weld verfügt sowohl über ein Scannersystem zur Lenkung des Laserstrahls als auch über einen schwingungsgedämpft aufgehängten Positioniertisch. So wird die effektive Bearbeitungsfläche bis auf 300 mm x 300 mm erweitert.

Ein weiterer wichtiger Baustein ist ein leistungsfähiges Vision-System. Hier kommt ein in den Strahlengang des Lasers eingekoppeltes Kamerasystem zum Einsatz, das dank einer speziellen Lichtführung die Konturen der Kanäle im Bauteil sicher erkennt. Anhand der ermittelten Positionswerte aus geometrischen Kanalstrukturen lässt sich der Laserstrahl mit der erforderlichen Genauigkeit entlang der Schweißkonturen führen.

Der dritte Aspekt betrifft die Spanntechnik. Üblicherweise bestehen die funktionalen Bereiche einer Mikrofluidik aus planen Flächen, die nur eine einfache, günstige Bauteilaufnahme erfordern. Das untere Bauteil erhält seine Kanäle durch Heißprägen. Darauf wird die obere, dünne Scheibe zum Abschließen der Kanalstruktur befestigt. Die LPKF Precision Weld begegnet dem mit einer besonderen Spanntechnik: Diese wird mittels Überdruck durch einen auf das Bauteil abgesenkte Überdruck-Tubus aufgebracht. Die gleichmäßige Pressung ohne zusätzliches Werkzeug sorgt für den nötigen Kraftschluss. Damit entfällt auch ein wesentlicher Teil der Vorkosten – weitere Werkzeuge werden nicht benötigt. ■

www.lpkf.com Auf der Messe K: Halle 11, Stand E04