Warum Kunststoffe mit dem Laser verschweißen?

 

Das Schweißen von Thermoplasten und Thermoplastischen Elastomeren mittels Laserstrahlung hat gegenüber den klassischen Verfahren, wie dem Kleben oder Schrauben, eine Reihe von Vorteilen.

- Das Verfahren ist berührungslos und dadurch nahezu verschleißfrei.
- Die Energieeinbringung findet nur lokal, also nur an der zu schweißenden Stelle statt
- Es sind luft-, gas- und wasserdichte, nicht sichtbare Schweißnähte herstellbar
- In der Regel ist keine Vor- oder Nachbearbeitung nötig
- Es besteht die Möglichkeit dreidimensionaler Nahtgeometrien
- Der Schmelzeaustrieb ist gering oder gar nicht vorhanden
- Hohe Reproduzierbarkeit
- ...

Jedes Verfahren hat aber auch Nachteile.

- So sind die Investitionskosten auf den ersten Blick relativ hoch
- Es werden Werkstoffe mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften benötigt
- Bei komplexen und/oder großen Bauteilen kann die Spannvorrichtung aufwändig werden

 

 

Wie funktioniert das "Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen"?

 

Bei den meisten Fügeverfahren spielt die Einbringung der Energie in die Werkstoffe eine große Rolle. Ob durch Wärmeleitung (z.B. Heizelementschweißen), durch Konvektion (z.B. Warmgasschweißen), durch Reibung (z.B. Ultraschall- oder Vibrationsschweißen), durch Induktion (z.B. elektromagnetische Schweißen), durch Wärmestrahlung oder Licht- bzw. Laserstrahlung. Das Laserdurchstrahlschweißen nimmt dabei eine immer wichtigere Rolle ein.

 

Dabei wird ein lasertransparenter und ein
laserabsorbierender Werkstoff benötigt. Beim
Schweißvorgang trifft der Laserstrahl auf den
lasertransparenten Fügepartner. Dieser wird
durchstrahlt und im laserabsorbierenden Bauteil
die Laserenergie in Wärme umgewandelt. Der
absorbierende Kunststoff wird in den plastischen
Zustand übergeführt. Durch den Fügedruck und
Wärmeübertrag wird auch der lasertransparente
Partner plastifiziert. Die beiden Schmelzen verbinden  sich und es entsteht nach dem Abkühlen eine Schweißnaht.

 

 

Ist der Prozess sicher?


Der Schweißprozess kann mit unterschiedlichen Verfahren überwacht werden.

Zum einen besteht die Möglichkeit, während dem Prozess die entstehende Wärme in der Schweißnaht, bzw. die Wärme, welche bis zur Kunststoffoberfläche gelangt, mittels Wärmebildkamera zu messen. Weichen die Messwerte von den Sollwerten ab, können die Istwerte optimiert werden oder das Bauteil als Ausschuss deklariert werden.

 

Eine weitere Möglichkeit besteht z.B. im
sogenannten „Setzweg“. Dabei wird die
gesamte Schweißnaht im
Bauteil als
Erhöhung konstruiert. Der Laserstrahl
schmilzt diesen Steg auf und durch den
Fügedruck werden die beiden zu verschweißenden Bauteile zueinander bewegt.
Dadurch tritt eine messbare Verringerung der Bauteilhöhe auf.

 

 

Welche Kunststoffe lassen sich mittels Laserstrahlung schweißen?


Beim Laserschweißen von Kunststoffen sollten die Werkstoffe einige Grundvoraussetzungen erfüllen. Neben der nötigen Wiederaufschmelzbarkeit sollten die zu verschweißenden Polymere möglichst überlappende Erweichungsbereiche oder Schmelzpunkte besitzen, damit nicht ein Kunststoff thermisch zerstört wird, während der andere noch nicht in den schmelzeflüssigen Zustand übergegangen ist. Eine weitere Vorraussetzung ist eine Verträglichkeit der Schmelzen, damit eine Verbindung entstehen kann. Darüber hinaus muss der absorbierende Kunststoff zur Absorption in der Laser-Wellenlänge fähig sein (z. B. 800 nm, 940 nm, 1064 nm).

 

Am einfachsten lassen sich gleiche
Werkstoffe miteinander verschweißen,
wie z.B. ABS-ABS oder PP-PP. Wenn
sich die Kunststoffe "vertragen" ist auch
eine Kombination aus unterschiedlichen
Materialien denkbar, wie z.B. ABS-PMMA,
PP-TPE, ABS-TPE, ....

 

 

Beeinflussen Additive oder Verstärkungsstoffe das Schweißergebnis?

Farbmittel (Pigment oder Farbstoff) haben einen erheblichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften und somit auf das Laserschweißen von Kunststoffen. Farbstoffe sind löslich in der Kunststoffmatrix, liegen also als Atome oder Moleküle vor. Pigmente hingegen haben eine Kornstruktur, an welcher der Laserstrahl leichter absorbiert werden kann. Dabei spielt allerdings die chemische Zusammensetzung eine große Rolle. Die optische Wirkung der Buntpigmente beruht auf ihrer Eigenschaft, einen bestimmten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes zu absorbieren. Falls die Laserwellenlänge und die selektive Lichtabsorption übereinstimmen, wird der Laserstrahl vom Pigment absorbiert.

 Es sollte jede Anwendung einzeln geprüft werden, da eine allgemeine Vorhersage des Einflusses von Farbmitteln nur schwer möglich ist.

  

Glasfasern und -kugeln absorbieren keine Laserstrahlen. Durch Beugungs- und Re­flexionseffekte wird der Laserstrahl aber abgelenkt und der Weg durch den Kunst­stoff somit länger. Die Absorption des Werkstoffes erhöht sich.