Lasergerechte Konstruktion beim Kunststoffschweißen

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30 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe2/2004 THOMAS RENNER

MICHEL SIEFFERT

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asermaterialbearbeitung ist in einer Vielzahl von Kunststoffbearbeitun- gen fest etabliert. Beispiele sind das Beschriften, Schneiden oder Strukturie- ren.

Laserschweißen ist das jüngste Mitglied der Laseranwendungsmöglichkeiten für Kunststoffe. Anfang der 90er-Jahre erst- mals am Institut für Lasertechnik in Aachen entwickelt [1], ist seit ca. 5 Jahren ein zunehmender Trend zu industriellen Anwendungen beobachtbar. Treibende Faktoren sind dabei sowohl die sinken- den Kosten der Laser als auch ein ständig steigendes Anwenderverständnis. Markt- experten gehen davon aus, dass der Laser langfristig ca. 10 % aller Schweißanwen- dungen erfüllen kann [2]. Insbesondere die perfekte Oberflächenqualität, die flexible Nahtführung sowie die minimale thermische und mechanische Energie- einbringung werden in immer neue De- signmöglichkeiten umgesetzt. Bereits heute können nahezu alle Thermoplaste und thermoplastischen Elastomere mit sich selber und in einer Vielzahl von un- terschiedlichen Materialpaarungen miteinander verschweißt werden. Anwen- dungsbeispiele finden sich u.a. in der Me- dizintechnik, im Automobilbau, in der Elektronik, bei pharmazeutischen und

kosmetischen Verpackungen oder auch bei Haushaltsgeräten.

Verfahrensbedingte Vorteile vom Laserschweißen

Im Vergleich zu konventionellen Ver- bindungstechniken wie Kleben, Ultra- schall-, Vibrations- oder Heizelement- schweißen zeichnet sich die Lasertechnik durch eine Reihe von verfahrensbeding- ten Vorteilen aus. Im Mittelpunkt stehen dabei Qualität, Flexibilität und Konstanz der Schweißverbindungen.

Die Qualität einer Laserschweißnaht hält in der Regel jedem Vergleich mit einem konventionellen Verfahren stand. So zeigen Zugscherkraft- bzw. Druckzyklus- versuche, dass eine Laserschweißnaht mindestens gleich stark wie eine ver- gleichbare Ultraschallschweißnaht ist.

Zudem entstehen beim Laserschwei- ßen keine Mikropartikel. Dies ist vor al-

lem bei Flüssigkeitsbehältern oder medi- zinischen Komponenten ein entscheidender Vorteil.

Da der Laser die Schmelzenergie äußerst lokal einbringt, können kom- pakte Bauformen realisiert werden, bei denen beispielsweise Schweißnähte in unmittelbarer Nähe von wärmeemp- findlichen Bauteilen gezogen werden. Zu- dem entsteht beim Laserschweißen kein Schmelzaustrieb. Dadurch wird eine Maßhaltigkeit der Bauteile gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass nur das verschweißt wird, was wirklich ver- schweißt werden soll.

Der Laser ist eines der flexibelsten Werkzeuge der industriellen Materialbe- arbeitung. Aufgrund des spitzen Bearbei- tungskegels sowie der flexiblen Strahl- führung können neue Designs binnen kürzester Zeit realisiert werden, ohne dass beispielsweise teure Änderungen am Werkzeug vorgenommen werden müs- sen. Da der Laser keine mechanischen Hilfsmittel benötigt, können zudem auch die Werkzeuge äußerst einfach und somit kostengünstig gestaltet werden.

Laser arbeiten berührungsfrei und können somit nicht verschleißen. Die Schweißverbindung bleibt also im Rah- men der Bauteiletoleranz konstant. Zu- dem müssen die Bauteile vor dem Schweißen nicht vorbehandelt werden, auch dies wirkt sich auf die Schweißkon- Carl Baasel Lasertech GmbH & Co.KG

Petersbrunner Str. 1b D-82319 Starnberg Tel. +49 (0) 81 51/776-0 Fax +49 (0) 81 51/776-159 www. rofin.com

Hersteller

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Lasergerechte Konstruktion

beim Kunststoffschweißen

Laserschweißen. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Verbindungstechnologie ist eine lasergerechte Konstruktion der Bauteile. Sie berücksichtigt neben

den optischen Streu- und Absorptionseigenschaften der Kunststoffpartner auch vorgegebene Spaltmaße und geeignete Geometrien für eine optimale

Einleitung des Anpressdrucks.

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stanz extrem vorteilhaft aus. Es hat sich gezeigt, dass die Ausschussquote beim La- serschweißen im Vergleich zu konventionellen Verfahren auf ein äußerst attrakti- ves Mindestmaß reduziert werden kann.

Alle oben beschriebenen Argumente können zudem für kreative Designmög- lichkeiten mit perfekter Ästhetik umgesetzt werden.

Beim Laserschweißen wird nahezu aus- schließlich das Überlappungsschweißen verwendet, d.h. der obere Schweißpartner wird für den Laserstrahl transparent und der untere Schweißpartner absorbierend eingestellt. Dadurch findet die Wärme- entwicklung lokal zwischen den beiden Bauteilen statt, ohne dass die Bauteilober- fläche negativ beeinflusst wird (Bild 1).

Je nachdem wie der Laser über das Werkstück geführt wird, ergibt sich eine entsprechende Verfahrenseinordnung:

Beim Konturschweißen wird entweder der Laser über die Schweißkontur oder das Werkstück unter dem Laser bewegt.

Typische Bewegungssysteme sind Robo- ter, Linearachsen, Drehachsen für Rund- teile oder aber auch Scannerspiegel. Die Schweißung erfolgt lokal und die Ab- kühlzeiten sind kürzer als der komplette Bewegungszyklus.

Das Quasi-Simultanschweißen ist vom prinzipiellen Aufbau dem Kontur- schweißen sehr ähnlich. Allerdings wird der Laser sehr schnell mehrfach über das Werkstück bewegt (typische Wieder-

holfrequenzen: > 10 Hz). Dabei sind die Abkühlzeiten größer als ein Bewegungs- zyklus und die komplette Schweißnaht wird quasi simultan aufgeschmolzen.

Aufgrund der hohen benötigten Bewe- gungsgeschwindigkeiten kommen als Be- wegungssysteme lediglich Scannerspiegel für ebene Bauteile und Drehachsen für Rundteile in Frage.

Beim Simultanschweißen wird der La-

serstrahl über Spezialoptiken gleichmäßig auf die komplette Schweißstruktur aufge- teilt. Beispiele für die dafür notwendigen Optiken sind großflächige Beleuchtungen von Masken oder aber die Aufspaltung mehrerer Laser in multiple Glasfasersyste- me mit anschließender paralleler Anord- nung. Die Schweißung erfolgt simultan auf der kompletten Schweißfläche, wobei die Einhaltung der gleichmäßigen Energie-

dichte der kritische Prozessfaktor ist.

Beim Maskenschweißen wird die Schweißkontur über eine Beleuchtungs- maske abgebildet. Die Ausleuchtung erfolgt in der Regel über einen Linien- strahler, welcher über die Maskenstruk- tur bewegt wird (Bild 2).

Derzeitig sind die beiden erstgenann- ten Technologien (Kontur-, Quasi- Simultanschweißen) die praktisch am

einfachsten zu realisierenden und somit im Markt die verbreitetsten Verfahren.

Das Simultanschweißen wird aufgrund der aufwändigeren Rüstzeiten vor allem für größere Bauteile mit hoher Stückzahl eingesetzt. Das Maskenschweißverfahren wird vor allem beim Mikroschweißen verwendet.

Lasergerechte Konstruktion

Laserschweißen unterscheidet sich teilweise signifikant von anderen konventionellen Verfahren. Für eine lasergerechte Konstruktion sind die folgenden vier Fak- toren maßgebend für eine erfolgreiche Schweißverbindung:

■ Auswahl der Kunststoffe

■ Auswahl der Pigmente/Farbstoffe

■ Spaltmaßüberbrückung

■ Laser

Auswahl der Kunststoffe

Prinzipiell lassen sich alle Thermoplaste und thermoplastischen Elastomere mit sich selber verschweißen. Zudem sind eine Reihe von Materialpaarungen möglich – vorausgesetzt, die Schmelztemperatu- ren überlappen und die chemische Ver- träglichkeit der beiden Partner ist gege- ben. Im Gegensatz zu den länger be- kannten konventionellen Verfahren gibt es für das Laserschweißen noch keine de- taillierten und aussagekräftigen Tabellen für Materialpaarungen. Als erste Orien- tierungshilfe können jedoch die gängigen Ultraschalltabellen verwendet werden.

Prinzip des Überlappungsschweißens

Bild 1. Der Laserstrahl wird vom unteren Partner absorbiert und erwärmt diesen lokal. Der obere Partner wird über Wärmeleitung ebenfalls zum Schmelzen gebracht und die Schmelzzone erstarrt unter einem extern aufgebrachten Druck

Prinzipdarstellung

Bild 2. Prinzip von Kontur-, Simultan-, Masken- und Quasi-Simultanschweißen (von links oben) V

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Die Aussage, ob etwas verschweißt werden kann, hängt dabei sowohl von den Qualitätsanforderungen wie Zugkraft, Druckdichte, Oberflächenbeeinflussung etc. als auch von der Qualität bzw. vom Lieferanten des Polymermaterials ab.

Mittlerweile werden von einer Reihe von Kunststoffherstellern laseroptimierte Ma- terialien angeboten.

Im Extremfall können auch Verbin- dungen von Teflon-Folien mit einigen Kunststoffen oder Kunststoffe mit Metal- len hergestellt werden, welche lehr- buchmäßig nicht als Schweißung einzu- stufen sind, pragmatisch gesehen jedoch oft ihren Zweck erfüllen.

Auswahl der

Pigmente/Farbstoffe

Laserschweißen ist ein optisches Verfah- ren. Die Schweißeigenschaften werden demnach ganz wesentlich durch die optischen Parameter wie Absorption und Streuung bestimmt.

Reine Kunststoffe absorbieren im UV- Bereich (elektronische Anregung) sowie im IR-Bereich ab ca. 1.7 µm (vibronische Anregung). Zwischen diesen beiden Ban- den ist die Absorption nahezu vernachläs- sigbar. Die Tatsache, dass viele Kunststof- fe trotzdem nicht transparent sind, ist auf die Streuung des Lichts zurückzuführen.

Zum Laserschweißen werden bevor- zugt Diodenlaser (808, 940 nm Wellen- länge) oder Nd:YAG-Laser (1064 nm) eingesetzt. Diese Wellenlängen liegen außerhalb der beiden Absorptionsbanden (UV, IR) der Kunststoffrohmaterialien.

Die Absorption des Laserstrahls wird da- her bewusst durch Zusatzwerkstoffe be- werkstelligt. Die Konzentration dieser

Zusatzwerkstoffe kann dabei so eingestellt werden, dass ein für den Laserschweiß- prozess gewünschter Volumenabsorber- effekt entsteht, d.h. die Laserleistung wird nicht an der Oberfläche, sondern in einem Volumen mit einer Tiefe von ca. 0,1 bis 1 mm in Wärme umgewandelt.

Typische Zusatzwerkstoffe, die als La- serabsorber geeignet sind, sind Ruß, Farb- pigmente, Farbstoffe oder spezielle La- serpigmente. In der Regel muss hier oft ein Kompromiss zwischen dem visuell- optischen Erscheinungsbild und der Funktionalität in Bezug auf die Schweiß- barkeit geschlossen werden (Bild 3).

Mittlerweile ist das Verständnis für diesen Zusammenhang so gut, dass für eine Reihe von Problemstellungen Standard- lösungen zur Verfügung stehen. So kön- nen zum Beispiel eine Vielzahl von

schwarz eingefärbten Kunststoffen, die für den Laserstrahl durchlässig sind, im Standardproduktprogramm der großen Kunststofflieferanten bezogen werden (Bild 4).

Für farbige Kunststoffe sind ebenfalls eine Reihe von Sonderlösungen entwickelt worden – hier gilt die Faustregel, dass dunkle Farbstoffe leichter absorbierend modifiziert werden können als helle. Bei sehr hellen oder gar transparenten Kunststoffen sind ebenfalls Lösungen entwickelt worden – hier liegt die Heraus- forderung darin, Pigmentierungen zu finden, die hinreichend absorbieren, im En- deffekt jedoch nicht vom Auge detektiert werden können [5] (Bild 5).

Neben der Absorption spielt auch die Streuung des Kunststoffs eine wesentli- che Rolle. Die Streuung bewirkt, dass der

Spektren beim Kunststoffschweißen

Bild 3. Die meisten Kunststoffe (beige Kurve) absorbieren Licht im UV und IR-Bereich.

Im sichtbaren und nahen IR Bereich sind sie in der Regel transparent oder milchig streuend. Um das Absorp- tionsverhalten für das Laser- schweißen geeignet einzu- stellen, werden hierzu Zusatz- pigmente (schwarze Kurve) in die Polymermatrix einge- bettet [4]

Schwierigkeitsgrad

Bild 4. Genereller Schwierigkeitsgrad beim Überlappungsschweißen von Kunststoffen. Der obere Part- ner ist für den Laserstrahl transparent, während der untere Partner den Laserstrahl absorbieren muss

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34 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe2/2004 Bild 5. Beispiel

für eine Mikro- schweißung mit laser- transparentem schwarzen Oberteil (Mikrofon auf Auto- gurt – mit freundlicher Genehmi- gung der Paragon AG)

die Laserleistung zudem gleichmäßiger verteilt und die optische Weglänge für die Absorption sogar erhöht. Dadurch kann die Pigmentierung sogar gelegentlich reduziert werden.

Spaltmaßüberbrückung

Neben der Einstellung der optischen Ei- genschaften ist die mechanische Kon- struktion des Bauteils der zweite wesent- liche Bestandteil für eine lasergerechte Konstruktion. Im Mittelpunkt steht dabei die Einhaltung eines minimalen Spalt- maßes zwischen den beiden Bauteilen [3].

Da beim Überlappungsschweißen das obere Bauteil nur indirekt erwärmt wird, ist der Wärmeübertrag vom unteren Bau- teil ein entscheidender Faktor. Luft ist ein exzellenter thermischer Isolator und somit ist der Spalt zwischen den beiden Bauteilen eine Wärmebarriere, welche überwunden werden muss. Die Grundla- ge hierfür ist die thermische Ausdehnung des unteren Kunststoffpartners beim La- serschweißen. Ein typischer Ausdeh- nungskoeffizient beim Phasenübergang fest-flüssig liegt bei ca. 10 % [6]. Dies bedeutet, dass wenn der untere Partner 1 mm tief aufgeschmolzen wird, ein Spalt von ca. 100 µm überbrückt werden kann.

Dieser Grenzwert deckt sich als erste Ori- entierungshilfe mit experimentellen Er- fahrungswerten für das Konturschwei- ßen, wobei immer gilt: je kleiner der Ma- ximalspalt, desto besser die Schweißver- bindung. Aus diesem Grunde sind kleine Bauteile mit kleinen Spaltmaßen besser mit dem Laser zu verschweißen als große Bauteile.

Bei größeren Bauteilen kann dieses Spaltmaß oft nicht eingehalten werden.

Hier bietet sich das Quasi-Simultan- schweißen mit Scannerköpfen für die schnelle Strahlablenkung an. Da bei dieser Technologie die komplette Schweiß- zone gleichzeitig aufgeschmolzen wird, können die beiden Partner während der

Schweißung durch den von außen ange- legten Druck ineinander geschoben werden. Dadurch können Spitzen in der Oberfläche geglättet und größere Spalte überbrückt werden. Die maximale Über- brückbarkeit hängt stark von den Kunst- stoffen, der Schweißfestigkeitsanforde- rung und der zur Verfügung stehenden Laserleistung ab. Eine typische Faustregel besagt 300 µm für den Maximalspalt, in Ausnahmefällen auch mehr.

Grundlage für ein wirkungsvolles Quasi-Simultanschweißen ist eine Kon- struktion, welche einen Setzweg vor- sieht. Im Idealfall sind hierbei Laserzu- gänglichkeit,

Setzweg, Puffer-

Bild 6. Beispiel für die Verschweißung eines Bauteils mit streuendem Deckelteil (PBT-30 %GF)

Teilekonstruktion

Bild 7. Typisches Beispiel für eine Konstruktion eines Deckelteils mit Setzweg für das Quasi-Simultan- schweißverfahren

volumen für die verdrängte Schmelze sowie Setzwegstopper vorgesehen. Der Druck wird in der Regel über eine Pneumatik und nicht über ein Feder- prinzip angebracht. Dadurch ist für alle Setzwegpositionen ein gleich bleibender Druck gewährleistet.

Setzwegkonstruktionen sind sowohl für ebene Deckelteile als auch für Rund- teil-in-Rundteil-Schweißungen möglich (Bild 7).

Der von außen aufgebrachte Druck ist wie bei allen Schweißverfahren ein wich- tiger Prozessparameter. Seine wesentli- chen Funktionen sind, die Polymerketten ineinander zu verknäueln sowie dem Ex- fokussierte Laserstrahl aufgeweitet wird

und im Extremfall im Kunststoff ver- pufft. Ursachen für die Streuung können die kristallinen Anteile oder die unter- schiedlichen Kunststoffdomänen in ihrer Dimension oder Morphologie bei Homopolymeren oder Mehrphasenpo- lymeren (Copolymere, Blends: z. B. ABS, PC-ABS) sein. Zusatzwerkstoffe wie Ver- stärkungsmittel (Glasfasern, Glasku- geln), Flammschutzmittel (Halogen-, Phosphor-, Bor-, Stickstoffverbindun- gen sowie von Aluminiumoxidhydrat oder Antimontrioxyd als Synergist), Tal- kum, etc. erhöhen in ihrer herkömmlichen Konzentration den Streubeitrag. Bei Einfärbungen kann, hauptsächlich bei streuenden Kunststof- fen, die falsche Auswahl an Farbmitteln, beispielsweise Pigment weiß TiO2und andere, den Kunststoff komplett laser- opak beeinflussen. Bei richtiger Auswahl der Farbmittel und ihrer Konzentration im transparenten Teil kann man errei- chen, dass sich die Lasertransmission kaum oder sogar überhaupt nicht ver- schlechtert (Bild 6). Findet die Streuung im oberen transparenten Bauteil statt, so wird die Leistungsdichte in der Schweiß- zone signifikant reduziert. Dies bedeutet, dass mehr Laserleistung benötigt wird und die Schweißspurbreite größer ist. In der Regel sind die Materialien jedoch durch andere Funktionalitäten bereits vorgegeben. Allerdings geht die Dicke des oberen Materials exponentiell in das Streuverhalten ein. Je dünner ein streuendes Oberteil eingestellt werden kann, desto günstiger wirkt sich dies auf die Laserschweißbarkeit aus.

Streuung im unteren absorbierenden Bauteil hat in der Regel keinen negativen Einfluss. Durch die Vielfachstreuung wird

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pansionsdruck beim Erwärmen der Kunststoffe entgegenzuwirken. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass in der Praxis ein jeweiliger Maximaldruck ausreichend ist. Eine Faustregel „je höher der Druck, desto besser die Schweißverbin- dung” gilt hier nicht. Der typische Druck liegt bei einigen Newton pro mm Schweißnaht, wobei diese Größe natür- lich stark von den verwendeten Kunst- stoffen und der Schweißnahtbreite ab- hängt und somit nur als grobe Orientie- rung zu verwenden ist.

Das Aufbringen eines gleichmäßigen Drucks, ohne den Bewegungsablauf des Lasers zu stören, stellt in vielen Fällen eine konstruktive Herausforderung dar.

Die beiden gängigsten Methoden sind die Verwendung einer Druckmaske sowie die Druckaufbringung über eine Glasplatte.

Die Vorteile der Glasplatte liegen in einer gleichmäßigen Druckaufbringung sowie in einer sehr einfachen Konstruktion.

Der Nachteil ist in der Verschmutzungs- gefahr sowie in möglichen Einbränden zu sehen. In der Praxis sind Glasplatten deshalb Verschleißteile, welche regel- mäßig überprüft und ausgetauscht werden müssen.

Der Vorteil der Druckmasken liegt im verschleißfreien Einsatz. Da der Weg für den Laserstrahl jedoch freigehalten wer-

den muss, erfolgt die Druckaufbringung ungleichmäßig, was bei mechanisch schwachen Bauteilen in der Erwär- mungsphase zu einer entsprechenden Deformation führen kann.

Bei Rund-in-Rund-Bauteilen kann bei vielen Kunststoffen ein Presspassung kon- struiert werden, wobei der jeweilige Press- druck in der Regel vollkommen ausreichend ist.

Bei biegbaren Kunststoffen kann durch Luftabsaugen ein Unterdruck im Bauteil aufgebaut werden und somit die beiden Bauteile miteinander verpresst werden.

Diese Technik funktioniert jedoch nur bei größeren Bauteilen, da in der Praxis ma- ximal 1 bar Druckdifferenz aufgebaut werden kann und die Andruckkraft auf die Schweißnaht von der Fläche des Bau- teils abhängt.

Laser zum Kunststoffschweißen

Zum Laserschweißen von Kunststoffen im transparent-absorbierenden Überlap- pungsverfahren werden nahezu aus- schließlich Diodenlaser oder Nd:YAG-La- ser eingesetzt.

Diodenlaser bestehen aus einer ge- schickten Anordnung mehrerer Einzel- strahler, wie sie in ähnlicher Form auch in CD-Spielern Einsatz finden. Durch ei-

ne entsprechende optische Strahlfor- mung können viele dieser Strahler auf einen gemeinsamen Schweißfleck fokus- siert werden. Die Bauform ist sehr kom- pakt und die Kosten sind für einen Laser sehr attraktiv. Aufgrund der einfachen Skalierbarkeit können Strahlquellen von wenigen Watt bis zu mehreren tausend Watt realisiert werden. Es gibt eine Viel- zahl von verfügbaren Wellenlängen, wobei die beiden Standardwellenlängen 808 und 940 nm die höchste Verfügbarkeit bei den niedrigsten Kosten aufweisen. Im Vergleich zu konventionellen Lasern mit vergleichbarer Leistung wie Nd:YAG La- sern ist die Strahlqualität, d. h. die Fo- kussierbarkeit des Laserstrahls, um eine Größenordnung schlechter. Für viele Kunststoffschweißanwendungen ist sie jedoch meistens ausreichend, so dass Di- odenlaser häufig für diese Anwendung eingesetzt werden.

Nd:YAG Laser sind Festkörperlaser, die seit über drei Jahrzehnten im industriellen Einsatz sind. Zum Kunststoff- schweißen werden Dauerstrichlaser im multi-mode Betrieb verwendet. Die Strahlqualität ist selbst bei den leistungs- starken Varianten erheblich besser als bei vergleichbaren Diodenlasern, so dass das Haupteinsatzgebiet bei kleinen Fokus- durchmessern sowie bei Scannerkopfan- wendungen, die eine gute Fokussierbar- keit verlangen, liegt. Die Wellenlänge ist 1064 nm. Typische Leistungen, die zum Kunststoffschweißen verwendet werden, liegen zwischen 50 und 250 Watt.

Nd:YAG Laser können sowohl lampen- gepumpt als auch diodengepumpt be- trieben werden. Hier liegt die Abwägung lediglich im wirtschaftlichen Bereich und wird durch das Wartungsintervall ge- genüber Investitionskosten bestimmt (Bild 8).

In den meisten Fällen absorbieren die Zusatzpigmente, wie Ruß, bei allen oben Bild 8. Diodenlaser (links) und Nd:YAG Laser

mit Scannerkopfanbindung (rechts)

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angegebenen Wellenlängen gleich stark, in einigen Sonderfällen, wie z.B. helle Far- ben oder gar transparent-Absorber, kann die korrekte Wahl der Laserwellenlänge eine Schlüsselrolle haben. Auch sind die meisten oberen Fügepartner für alle NIR Wellenlängen transparent, wobei im Fal- le farbiger Oberplatten in der Regel größere Wellenlängen (also 1064 oder 940 statt 808 nm) zu bevorzugen sind.

Diodenlaser haben prinzipiell den Vor- teil des kompakteren Aufbaus und sind für Anwendungen, bei denen eher größe- re Fokusdurchmesser (> 1 mm) gefordert sind, kostenmäßig etwas günstiger. Bei Anwendungen mit hoher Anforderung an die Strahlqualität wie bei Mikroschwei- ßungen oder Scannerkopfanwendungen sind Nd:YAG Laser unterm Strich effek- tiver [7] (Tabelle 1).

Die typischen benötigten Leistungen liegen im Bereich zweistelliger Watt- größen für das Konturschweißen und zwischen 50 und 750 Watt für das Quasi- Simultanschweißen. In diesem Leis- tungsbereich finden auch neuartige La- serkonzepte wie der Scheibenlaser weite- re Anwendungsmöglichkeiten.

Typische Schweißgeschwindigkeiten betragen ca. 10–40mm/s (kunststoffab- hängig). Dies bedeutet, dass die meisten Bauteile im Bereich weniger Sekunden, teilweise sogar im sub-Sekundenbereich, verschweißt werden können. Die minimale Spurbreite liegt unterhalb 100 µm (YAG direkt oder Diode über Maske).

Für dünne Kunststofffolien oder -schläuche können Laser verwendet werden, welche direkt in die Kunststoffmatrix einkoppeln. Dies stellt eine Ausnahme zu dem oben beschriebenen Sachverhalt dar.

Die hierfür gängigsten Strahlquellen sind CO2Laser mit einer Wellenlänge zwischen 9,4 und 10,6 µm. Da hier die Absorption wesentlich höher als im oben beschriebenen Fall ist, handelt es sich quasi um einen Oberflächenabsorbereffekt.Aufgrund der vergleichsweise schlechten thermi- schen Leitfähigkeit von Kunststoffen kön-

nen deshalb nur Kunststoffe mit einer Dicke bis ca. 100 µm, d. h. Folien oder dünne Schläuche, mit diesen Lasern ver- schweißt werden.

Fazit

Diodenlaser bieten in vielen Fällen eine kostengünstige, flexible Möglichkeit, Kunststoffe miteinander zu ver- schweißen. Zum Konturschweißen kann ein XY-Tisch eingesetzt werden, um das Werkstück oder die Fokussieroptik zu bewegen. Alternativ kann man den Strahl durch einen Scannerkopf bewegen. Die- se Konfiguration kann auch zum Quasi- Simultanschweißen eingesetzt werden.

Wegen seiner besseren Strahlqualität stellt der Nd-YAG-Laser ein ideales Kombisystem dar, mit dem sowohl Quasi-

Simultan- als auch Konturschweißappli- kationen durchgeführt werden können.

Typische Schweißgeschwindigkeiten beim Konturschweißen liegen, abhängig von der Materialart und -dicke der IR- transparenten Schicht, zwischen 10 und 100 mm/s, beim Quasi-Simultanschwei- ßen bei 0,2–10 m/s. Durch eine CAD- Software, die bei der Ansteuerung des Scannerkopfes eingesetzt wird, können beliebig komplexe Werkstückgeometrien schnell und einfach über eine grafische Benutzeroberfläche erstellt werden. Ein besonderer Vorteil ist der große Bereich von möglichen Spotgrößen, der Schweiß- spurbreiten von 0,1 bis 3 mm erlaubt.

In den meisten Fällen kann in der Schweißnaht die Festigkeit des Grund- materials erreicht werden. Das heißt zum Beispiel, dass lasergeschweißte Kunst- stoffbehälter unter Druckbelastung in der Regel nicht im Bereich der Schweißnaht zerstört werden.

Eine Möglichkeit der Prozesskontrolle beim Quasisimultanverfahren ist die Messung des tatsächlichen Setzweges. Um dabei ein mögliches Verkippen erkennen zu können, ist es vorteilhaft, diesen Wert an mehreren Stellen der Schweißnaht zu

messen. Andere Möglichkeiten der Pro- zesskontrolle sind Temperaturmessung mit Pyrometer oder Wärmebildkamera oder eine optische Kontrolle der Schweiß- naht durch eine integrierte Kamera.■

LITERATUR

1 Klein, R.-M.: “Bearbeitung von Polymerwerkstof- fen mit infraroter Laserstrahlung” Doktorarbeit am Institut für Lasertechnik, RWTH Aachen 1990 2 Optech Consulting, Markstudie Laser Material

Processing, 2003

3 Russek, U.: “Prozeßtechnische Aspekte beim La- serstrahlschweißen von Thermoplasten” Doktorar- beit am Institut für Lasertechnik, RWTH Aachen 2004

4 Renner, T.: Laserschweißen von Kunststoffen – Diode oder YAG ?, Laser 1/03, Titelbeitrag 5 Renner, T.; Sieffert, M.: Laserschweißen von

Kunststoffen – es geht auch bunt, Plastverarbeiter 5/03, S. 48

6 Bachmann, F.; Russek, U.: Laserwelding of poly- mers using high power diode lasers, Photonics West 2002, Proc. SPIE Vol. 4637B

7 Renner, T.; Mayerhofer, R.: Schweißen, Schneiden, Strukturieren und Beschriften von Kunststoffen – der beste Laser für die jeweilige Anwendung, VDI Tagung Productronica 2003

DIE AUTOREN

DR. THOMAS RENNER, geb. 1965, ist bei Rofin/Baasel Lasertech, Starnberg, für Innovation und Marketing verantwortlich.

DR. MICHEL SIEFFERT, geb. 1969, ist bei Treffert, Bingen-Sponsheim, für den Bereich Forschung und Entwicklung verantwortlich.

SUMMARY PLAST EUROPE

LASER-ADAPTED CONSTRUCION FOR PLASTIC WELDING

LASER WELDING.The laser welding of plastics is developing increasingly into a genuine alternative to conventional technologies. In particular, perfect sur- face quality, flexible guiding of the weld and minimal introduction of thermal and mechanical energy are combining to open up more and more new design possibilities. An important aspect is the laser-friendly design of the parts being welded. This includes good optical scattering and absorption properties of the plastics, as well as suitable gap specifications and appropriate geometries for optimum application of the contact pressure.

NOTE: You can read the complete article by entering the number PE102798 on our website at www.kunststoffe.de/PE.

Diode (808, 940 nm) Nd:YAG (1064 nm)

Schweißnaht > 1,5 mm +

Schweißnaht < 0,5 mm +

Roboterführung +

Scannerkopf (+) +

Farbige Oberplatte 940 nm +

Dunkle Unterplatte + +

Helle bzw. transparente Unterplatte Sonder Sonder

Tabelle 1. Orientierungshilfe für die Wahl zwischen Dioden- und Festkörperlasern zum Kunststoffschweißen