Laser verbindet Kunststoffe mit metallischen Bauteilen

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Der innovative Ansatz der Kombination des Sublimierens und der Schmelzebildung erlaubt eine um den Faktor 50 bis 100 schnellere Bearbeitung im Vergleich zu konventionellen Laserstrukturierungsmethoden. Der Verdampfungsdruck, der durch die hohe Intensität in der Strukturmitte erzeugt wird, drückt die umgebende Schmelze aus der Struktur in Richtung Oberfläche (Bild 2). Dieser Prozess wird wiederholt, bis die Schmelze nicht mehr an die Oberfläche gelangt, sondern im Strukturhals erstarrt. Dadurch entsteht der für die Verkrallung erforderliche Hinterschnitt (Bild 3).

Anbindung des Kunststoffs durch Verkrallen mit dem Fügepartner

Die Mikrostruktur erlaubt die Anbindung des Kunststoffs durch Verkrallung mit dem metallischen Fügepartner. Für eine feste Verbindung muss der plastifizierte Kunststoff in die Strukturen fließen und dann erstarren.

Die Verwendung von Laserstrahlung zur Plastifizierung ermöglicht eine berührungslose, lokale und definierte Energieeinbringung und verhindert eine thermische Schädigung des Kunststoffes. Aufgrund der hohen Energiedichte von Laserstrahlung ist eine gezielte, schnelle Erwärmung möglich. Durch die geringe Energieeinbringung ist die Halte- und Abkühlzeit gering. Auch mechanische Belastungen werden gering gehalten, weil die Fügeteile während des Fügeprozesses keine Relativbewegung zueinander ausführen müssen. Während des Prozesses kommt es zu keiner Gas-, Rauch- oder Partikelbildung.

Beim Laserdurchstrahlfügen von Kunststoff und Metall wird der der Strahlquelle zugewandte lasertransparente, thermoplastische Fügepartner durchstrahlt. Die transmittierte Strahlung wird in der oberflächennahen Schicht des metallischen Fügepartners im Bereich der Fügezone von elektromagnetischer Energie nahezu verlustfrei in Wärme umgewandelt. Über Wärmeleitung wird der in Kontakt stehende, thermoplastische Fügepartner ebenfalls aufgeschmolzen. Der Kontakt der beiden Fügepartner bewirkt unter dem Einfluss der äußeren Kräfte ein Benetzen der Metalloberfläche.

Lokales Aufschmelzen vermeidet thermische und mechanische Schädigungen

Durch die gezielte Energieeinbringung wird der Kunststoff nur lokal aufgeschmolzen. Thermische und mechanische Schädigungen der Bauteile werden so weitestgehend vermieden. Durch eine Ausrichtung der Strukturen können sogar glasfaserverstärkte Kunststoffe mit mikrostrukturiertem Metall verbunden werden.

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