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Wo Diodenlaser an ihre Grenzen stoßen

Laserschweißen: Kombiverfahren für Miniatur-Bauteile aus Kunststoff
Wo Diodenlaser an ihre Grenzen stoßen

Vor allem für Klein- und Mittelserien, die einer schnellen Umrüstung bedürfen, hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT eine kompakte Schweißstation für das Laserschweißen von Kunststoffen entwickelt.

Durch den Trend zur Miniaturisierung steigen die Anforderungen an das Fügeverfahren für Miniatur-Bauteile. Mit herkömmlichen Ansätzen, die auf der Verwendung von Diodenlasern beruhen, lassen sich die geforderten geringen Schweißnahtbreiten und hohen Schweißnahtqualitäten nicht oder nur unzureichend erreichen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat durch die Kombination eines Faserlasers und einer innovativen, hochdynamischen Bestrahlungsstrategie hierfür ein neues Verfahren entwickelt und qualifiziert. Transmission Welding by an Incremental Scanning Technique heißt es, kurz Twist. Es kombiniert die Eigenschaften des Konturschweißens mit denen der quasi-simultanen Bearbeitung: Hohe Flexibilität in der Nahtgeometrie und geringe Prozesszeiten.

Der Vorschubbewegung entlang der Schweißnahtgeometrie wird eine schnelle Oszillationsbewegung überlagert. Die Kombination dieser beiden Bewegungen führt dazu, dass beim Einsatz von Faserlasern mit hohen Intensitäten im Fokus keine Überhitzung des Werkstoffes auftritt. Fügegeometrien mit Breiten von weniger als 100 µm lassen sich auf diese Weise erzielen.
Das Konzept verbindet die inkrementelle Vorgehensweise des Konturschweißens mit der hohen Dynamik und den damit einhergehenden Effekten des Quasi-Simultanschweißens. Derart komplexe, genaue und schnelle Bewegungen des Laserstrahls können derzeit nur mit den Komponenten der Hochgeschwindigkeits-Scantechnologie wie beispielsweise Galvanometer, Polygonscanner oder Resonanzscanner realisiert werden.
Die unterschiedlichen Bewegungselemente wie Kreise, sinusförmige Bewegungen oder Bernoulli’sche Lemniskaten können zu komplex geformten Nahtgeometrien kombiniert werden. Hochwertige Schweißnähte mit flexibel einstellbarer Nahtbreite lassen sich dann erzeugen, wenn der Laserstrahl mit einer sehr hohen Bahngeschwindigkeit von bis zu 4 m/s in einem solchen Element bewegt wird und dieses gleichzeitig mit der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 15 m/min entlang der definierten Nahtkontur geführt wird.
In Polykarbonat konnten so Schweißnahtbreiten von 500 bis 120 µm bei Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/min erzielt werden. Die Analyse des Nahtquerschnitts offenbart einen wesentlichen Vorteil des Verfahrens: Im Gegensatz zum konventionellen Schweißen mittels Diodenlasern führt die hohe Bahngeschwindigkeit innerhalb der Bewegungsfiguren beim Faserlaser zu einer deutlich reduzierten Tiefe der Wärmeeinflusszone mit einer flachen und homogenen Ausprägung. Das Verfahren wird aktuell zum Beispiel bei Mikrofluidik-Bauteilen ausgenutzt, wo Kanalstrukturen in einem Spritzgussbauteil mit einer Breite von 50 µm mit einer Decklage versiegelt werden müssen. Beim konventionellen Konturschweißen ist die Wärmeeinflusszone zu groß. Die Kanäle können durch Schmelze verschlossen werden, somit verlöre das Bauteil seine Funktion. Ebendies kann durch den Einsatz von Twist vermieden werden, da aufgrund der geringen thermischen Belastung die Schweißnähte bis auf wenige Mikrometer Abstand an den Kanalwänden entlang geführt werden können. Solche Spritzgussbauteile werden für den Aufbau von In-Vitro- Diagnostika für Blut und andere Körperflüssigkeiten eingesetzt. Auch beim Verschweißen dünner Folien, etwa von Polypropylen mit einer Dicke von 100 µm, findet das Konzept Anwendung.
Insgesamt erweitert die Twist-Verfahrensvariante die Anwendbarkeit des Laserstrahl-Schweißens von Kunststoffen und führt zu einer größeren Prozessflexibilität sowie zu einer höheren Präzision insbesondere für Anwendungen im Mikrobereich, wo neben den angeführten Mikrofluidkstrukturen auch Mikrotiterplatten mit unterschiedlichen Geometrien zum Beispiel für Hochdurchsatz-Fluoreszenz-Messungen mit einem transparenten Deckel versehen werden müssen.
Neben diesen prozesstechnischen Vorteilen ermöglicht der Ansatz die Entwicklung einer neuen Generation kompakter und preisgünstiger Maschinen. Darüber hinaus führt die Verwendung von Strahlquellen mit hoher Strahlqualität – und somit hohen Intensitäten im Brennpunkt – in Kombination mit dem Verfahren zu einer schnelleren Bearbeitung der Bauteile bei gleichzeitig geringerer benötigter Laserleistung.
Alexander Olowinsky Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen
Kanäle für Mikrofluidik-Bauteile werden nicht beeinträchtigt

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