Kunststoffe stabil gefügt mit Laserpulsen

  • 23. September 2016

Neue Technologien für das Fügen von Kunststoffen und Metallen auf Kunststoffmesse „K” in Düsseldorf zu sehen.

Alle drei Jahre trifft sich die Kunststoffbranche zur „K” in Düsseldorf. Wieder dabei ist auch das Fraunhofer-Institut für Laser­technik ILT mit vielen innovativen Technologien, so zum Beispiel für das Fügen von Kunststoffen mit Metallen unter Verwendung von Ultra­kurz­puls­lasern. Sie finden das ILT vom 19. bis 26. Oktober auf dem Stand der Fraunhofer-Gesellschaft SC01 in Halle 7.  Die „K” ist die weltgrößte Messe der Kunst­stoff- und Kautschuk­industrie. Auch in diesem Jahr werden 3.000 Aussteller und mehr als 200.000 Besucher aus aller Welt erwartet. Schwer­punkte sind neben Industrie 4.0 und Ressourcen­effizienz auch neue Werk­stoffe und Leichtbau.

Abb.: Strukturierung einer Metallprobe mit einem Hochleistungs-Faserlaser als Vorbereitung für eine Metall-Kunststoff Verbindung (Bild: Fh.-ILT)

Abb.: Strukturierung einer Metallprobe mit einem Hochleistungs-Faserlaser als Vorbereitung für eine Metall-Kunststoff Verbindung (Bild: Fh.-ILT)

Für den Leichtbau ist es von enormer Bedeutung, metallische und Kunst­stoff­oberflächen form­schlüssig und dauerhaft zu verbinden. Gerade bei Faser­verbund­materialien in der Luft- und Raum­fahrt oder in der Auto­mobil­branche ist ein Laser­verfahren dafür eigentlich schon bekannt. Dabei wird zuerst die Metall­oberfläche mit dem Laser strukturiert und in einem zweiten Schritt mit der erhitzten Kunst­stoff­oberfläche verbunden. Bislang geschah die Laser­strukturierung in einem Scanprozess, der Linien auf der Metall­oberfläche erzeugt.

Im Rahmen des BMBF-geförderten „HyBriLight”-Projekts entwickelten die Experten vom Fraunhofer-ILT einen neuen Prozess für die Strukturierung mit einem Ultra­kurzpuls-Laser. Der erzeugt sogenannte Cone-Like-Protrusions auf dem Metall. Diese zufällig verteilten Mikro-Erhebungen vergrößern die Oberfläche um das Fünf- bis Zehnfache.

Damit wird die Verbindung nicht nur fester, sie hält auch in alle Richtungen gleich. Denn anders als bei den Scanlinien ist die Oberfläche jetzt isotrop strukturiert. Der Prozess ist im Labor erprobt und funktioniert auch für Spritz­guss mit metallischen Einlegern. Mit einem großen Demonstrator wird das Verfahren auch auf der „K” zu sehen sein.

Beim Laserschweißen von Thermo­plasten ist gewöhnlich ein Füge­partner transparent, dem zweiten wird ein Absorber­stoff beigemischt, so dass er die Laser­strahlung besser absorbiert. Der Laser geht dann durch den ersten Fügepartner, schmilzt den zweiten und so werden die Partner verbunden.

Auf den Zusatzstoff kann man verzichten, wenn man einen Laser mit längeren Wellen­längen benutzt. Dann absorbieren beide Füge­partner die Strahlung und es kommt darauf an, eine selektive Aufschmelzung ohne Bildung einer zu großen Wärme­einfluss­zone zu erzeugen. Am Fraunhofer-ILT wurde der nötige Prozess entwickelt. Der Laserstrahl wird dafür schnell mehrmals entlang der Schweiß­kontur geführt. Gleichzeitig wird über und unter den Füge­partnern die Wärme abgeführt.

Das Verfahren dürfte vor allem für die Medizin­technik interessant sein, wo die Zusatzstoffe ein Risiko für die Bio­kompatibilität darstellen können. Aber auch in anderen Anwendungen, wo Absorber aus optischen, wirtschaftlichen oder funktionellen Gründen unzulässig sind, lässt sich das Verfahren einsetzen.

Mit einem ähnlichen Laser lassen sich auch Multilayer-Folien medien­dicht verschweißen. Sinnvoll ist das zum Beispiel bei der Verarbeitung von Lithium-Akkus oder OLED-Displays. Einige der Werkstoffe darin reagieren sehr empfindlich auf Sauerstoff oder Wasser­dampf. Deshalb werden sie mit speziellen Hochbarriere-Multilayer-Folien gekapselt.

Normalerweise verklebt oder verschweißt man die zu schützenden Bauteile umlaufend mit der Folie, so dass sich eine Tasche ergibt, die beispiels­weise die flexible organische LED enthält. Mit einem speziellen Laser kann man jetzt gezielt nur eine Schicht der Folie aufschmelzen, wodurch der serientaugliche Versiegelungs­prozess noch schonender für das verpackte Bauteil wird.

Die Technik eignet sich nicht nur für die Elektronik, sondern auch für Medizin­verpackungen mit erhöhten Anforderungen dürfte sie interessant sein. Die im Rahmen eines Forschungs­projekts entwickelte Technik wird derzeit noch weiter verbessert, jetzt visieren die Forscher die Kapselung flexibler Solar­zellen und die Verarbeitung in roll-to-roll-Prozessen an.

Fh.-ILT / DE

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