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Kunststoffschweißen Thulium-Laser schweißen transparente Polymere sauberer

| Redakteur: Peter Königsreuther

Ohne die Hilfe eines Absorbermaterials wie Ruß, kann man transparente Kunststoffteile jetzt sauber und präzise mit dem Laser schweißen. Das haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik jetzt bewiesen.

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Mit einem Thulium-Laser lassen sich kleinste Schweißnähte an transparenten Kunststoffteilen ausführen. Eine Absorberhilfe durch Ruß brauche es nicht, denn das Spektrum des Thulium-Lasers werde auch ohne Zusatz gut absorbiert.
Mit einem Thulium-Laser lassen sich kleinste Schweißnähte an transparenten Kunststoffteilen ausführen. Eine Absorberhilfe durch Ruß brauche es nicht, denn das Spektrum des Thulium-Lasers werde auch ohne Zusatz gut absorbiert.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Transparente Kunststoffteile haben den Nachteil, dass Licht logischerweise durch sie hindurch geht. Und der Laser ist ja das flexible Werkzeug, das mit gebündeltem Licht arbeitet. Deshalb musste man bisher die Bauteile schwärzen, damit in die Oberfläche der Bauteile genügend Energie zum Aufschmelzen für den Schweißprozess gebracht werden konnte.

Im nun erfolgreich abgeschlossenen, von der Leitmarktagentur NRW geförderten, Projekt „Sequlas“ hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit drei Industriepartnern ein Fügeverfahren entwickelt, mit dem kleinste Schweißnähte in transparenten Kunststoffteilen erzeugt werden können. Die Erklärung liefert der Einsatz eines Thulium-Faserlasers, dessen Wellenlänge und damit dessen Energie diese Kunststoffe von Haus aus gut absorbieren können, heißt es weiter. Deshalb ist die Hilfe eines Absorbers, wie Ruß, eben nicht mehr nötig. Weil das Ganze so sauberer wird, steht dem Einsatz des Verfahrens in der Medizintechnik kaum etwas im Weg, sagen die Forscher.

Mikrofluidische Chips als Anwendungsbeispiel

Besonders hervorgehoben wird dabei die Fertigung von mikrofluidischen Chips (siehe Bilder), die kleinste Flüssigkeitsvolumina fördern, mischen und filtern. Zum Abdichten der winzigen Berührungsflächen zwischen den Bauteilen seinen übliche Fügemethoden nur begrenzt einsetzbar. Das Laserdurchstrahlschweißen im nahen Infrarotbereich (NIR) schafft das, wie es heißt, hoch präzise und nicht zuletzt formflexibel.

Ein Problem ist die Volumenabsorption der Laserenergie

Vor drei Jahren starteten das ILT, Amtron aus Aachen, Ortmann Digitaltechik aus Attendorn und Bartel Mikrotechnik aus Dortmund das oben genannte Forschungsvorhaben, dessen volle Lesart „Segmentale Quasisimultan-Laserbestrahlung“ bedeutet. Kern der Arbeit war der Umgang mit einem Thulium-Faserlaser, der mit einer Wellenlänge von 1940 nm strahlt. Diese sei optimal für das Fügen von transparenten Kunststoffen, heißt es.

Das hört sich nun alles genial einfach an, doch es gab laut ILT-Experten ein gravierendes Problem: Denn durch die sogenannte Volumenabsorption, die beim Laserdurchstrahlschweißen auftritt, bildet sich eine Wärmeeinflusszone (WEZ) vertikal über die gesamte Bauteildicke aus. Weil sich die Kunststoff dort dann ausdehnen, kommt es zu Lunkern und Rissen, welche die Dichtheit der Schweißnaht beeinträchtigen, erklären die Forscher. Flache Bauteile und Bereiche können sich außerdem verziehen.

Abhilfe durch rasche Erwärmung der ganzen Nahtkontur

Jetzt kommt die quasisimultane Bestrahlung zum Zug, die für Abhilfe sorgt, weil sie den Ausdehnungseffekt verringert, heißt es weiter. Der Laserstrahl wird dabei über ein Scannersystem geführt, relativ schnell, mehrmals entlang der Schweißnahtkontur bewegt. Das bewirkt eine simultane Erwärmung der kompletten Nahtkontur. Je öfter man die Schweißnahtkontur schnell abfährt, umso kleiner wird außerdem die vertikale Materialausdehnung, haben die ILT-Forscher dabei herausgefunden. Das soll im Vergleich zum Konturschweißen, bei dem das Material nur an einem kleinen Bereich aufgeschmolzen wird, diesen Ausdehnungseffekt um bis zu 30 % verringern können.

Die neuartige Fügemethode per Thulium-Laser erlaubt etwa das präzise Schweißen solcher Mikrofluidkomponenten für die Medizintechnik sehr sauber.
Die neuartige Fügemethode per Thulium-Laser erlaubt etwa das präzise Schweißen solcher Mikrofluidkomponenten für die Medizintechnik sehr sauber.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Regelung reagiert schnell auf Temperaturabweichungen

Danach entwickelte man eine geeignete Regelung für den Laserschweißprozess: Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst dabei während des Schweißens die Temperatur im Bauteil, heißt es dazu. Die Kopplung des Messsignals mit der Position der Scannerspiegel ermögliche eine ortsaufgelöste Kenntnis über die Wärmeverteilung im Bauteil. So lassen sich thermische Schäden schon während des Schweißprozesses erfassen und zielgenau lokalisieren.

Der neu entwickelte Schweißprozess könne deshalb schnell auf Temperaturabweichungen reagieren und die Laserleistung entsprechend regeln. Damit lassen sich nun homogene Materialeigenschaften entlang der ganzen Nahtkontur sicherstellen, betonen die Protagonisten.

Das Projekt wurde außerdem durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) unterstützt.

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