Technologie

Kunststoffe in höchster Präzision schweißen

19.06.2020 - Laserverfahren erlaubt mikrofeine Schweißnähte in transparenten Kunststoffbauteilen.

Im erfolgreich abgeschlossenen NRW-Leitmarkt­projekt SeQuLas hat das Fraunhofer-Institut für Laser­technik ILT gemeinsam mit drei Industrie­partnern ein Fügeverfahren entwickelt, mit dem kleinste Schweißnähte in transparenten Kunststoff­bauteilen erzeugt werden können. Zum Einsatz kommt dabei ein Thulium-Faserlaser, der einen besonderen Vorteil bietet: Da Kunststoffe die entsprechende Wellen­länge gut absorbieren, kommt der Prozess ohne zusätzlich Absorber wie Ruß aus. Insbesondere für die Medizin­technik ist das Verfahren interessant, das die Flexibilität und Effizienz in der industriellen Produktion in Nordrhein-Westfalen steigern kann. 
 

Im Life-Science-Bereich haben sich mikrofluidische Chips beim Transport, der Mischung und Filterung von kleinsten Flüssigkeits­mengen bewährt. Eine große Herausforderung ist die mediendichte Verkapselung der in den Chips integrierten Mikrokanäle: Konventionelle Fügtechnik kommt im Mikrometer­bereich an ihre Grenzen. Stattdessen bietet sich hier das absorber­freie Laser­durchstrahl­schweißen (LDS) mit Strahl­quellen im nahen Infrarot-Bereich an, das eine hohe Präzision und Flexibilität erlaubt.

Im Jahr 2017 startete das Fraunhofer ILT daher mit der Aachener Amtron GmbH, der Attendorner Ortmann Digital­technik GmbH und der Dortmunder Bartels Mikro­technik GmbH das Projekt SeQuLas, das im Rahmen des Programms „Produktion.NRW“ der Leitmarkt­agentur NRW gefördert wurde. Das Akronym steht für die „segmentale Quasi­simultan-Laser­bestrahlung“, bei der in diesem Fall als Strahl­quelle ein Thulium-Faserlaser mit einer Emissions­wellenlänge von 1940 Nanometer verwendet wurde. In diesem Wellenlängen­bereich besitzen Kunststoffe eine natürliche Absorption. Da zusätzliches Absorber­material wie Ruß nicht nötig ist, wird die Transparenz des Chips bei der Laser­bearbeitung nicht beeinträchtigt.

Doch diese Form des absorberfreien Laser­durchstrahl­schweißens weist ein Problem auf: Durch die Volumen­absorption entsteht eine Wärme­einfluss­zone, die sich vertikal über den gesamten Bauteil­querschnitt erstreckt. Die thermische Expansion während des Aufschmelz­vorgangs begünstigt die Bildung von Lunkern und Rissen, die im Naht­gefüge für undichte Stellen sorgen. Außerdem besteht insbesondere bei flachen Bauteilen die Gefahr, dass sich der Werkstoff verzieht.

Um die vertikale Ausdehnung der Wärme­einfluss­zone zu verringern, bietet sich die quasi­simultane Bestrahlung an, bei der ein Laserstrahl mit Hilfe eines Scanner­systems mit hoher Geschwindigkeit mehrmals entlang der Schweiß­kontur geführt wird: Dabei wird die gesamte Naht­kontur simultan erwärmt, die das Kontur­schweißen sonst nur sequentiell aufschmilzt. Das Fraunhofer ILT wies anhand von Versuchen mit Bauteilen aus Polycarbonat nach, dass während des Schweiß­prozesses die Wärme an den Außenflächen abgeführt wird, während im Material­inneren eine Wärme­akkumulation stattfindet. Die steigende Anzahl an Überfahrten und die hohe Scan­geschwindigkeit verringern sogar die vertikale Ausdehnung der Wärme­einfluss­zone um bis zu dreißig Prozent gegenüber dem Kontur­schweißen.

Im zweiten Schritt entwickelten die Projekt­partner eine Prozess­regelung für den Laser­schweiß­prozess. Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst dabei während des Schweiß­prozesses die Temperatur im Bauteil. Die Kopplung des Messsignals mit der Position der Scannerspiegel ermöglicht eine orts­aufgelöste Aufnahme der Wärme­verteilung im Bauteil. Auf diese Weise lassen sich thermische Schäden schon während des Schweiß­prozesses erfassen und zielgenau lokalisieren. Der neu entwickelte Schweiß­prozess kann daher schnell auf Temperatur­abweichungen reagieren und die Laserleistung entsprechend regeln. Somit lassen sich homogene Naht­eigenschaften entlang der Nahtkontur sicherstellen.

Das im Februar 2020 abgeschlossene Projekt „SeQuLas – Laser­schweißen absorberfreier Thermoplaste durch segmentale Quasi­simultan­bestrahlung“ mit Laufzeit von drei Jahren wurde mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. 

Fh.-ILT / DE
 

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