Kunststoffe fixiert und lasergeschweißt

Jonathan Magee | 23. April 2021

Industrielaser werden in vielen Märkten zur Bearbeitung technischer Kunststoffe eingesetzt. Einige Beispiele für gängige Prozesse sind in Abbildung 1 dargestellt, darunter Laserbeschriften, Schneiden und Schweißen. Bekannte Märkte im Bereich Laser-Kunststoffschweißen sind unter anderem die Automobilindustrie (Abbildung 2) und die Medizintechnik.

Das laserbasierte Schweißen bietet für Kunststoffe gegenüber herkömmlichen Kontaktverfahren mehrere wichtige Vorteile. Beim Laserschweißen handelt es sich um einen berührungslosen Prozess an der Schweißstelle, der im Allgemeinen an der Schnittstelle überlappender Teile stattfindet. Dadurch wird die Schweißzone gekapselt. Dadurch entsteht eine ästhetisch ansprechende Schweißnaht, die steril ist und die Oberfläche der zu verbindenden Teile nicht verunreinigt. Es erscheint ein wenig kontraintuitiv, dass Teile, die bereits miteinander in Kontakt stehen, von oben nach unten zusammengeschweißt werden können, ohne dass ihre Außenflächen beeinträchtigt werden. Bei herkömmlichen Kunststoffschweißtechniken wie Ultraschall oder Heißprägen ist ein Kontakt mit den Außenflächen der miteinander zu verschweißenden Teile unvermeidlich. Das berührungslose Laser-Kunststoffschweißen basiert auf dem Prinzip der teilweisen Transmission, Reflexion, Streuung und Absorption von Laserlicht innerhalb der zu verbindenden Polymerketten. Durch sorgfältige Auswahl der Kunststoffe und der optischen Eigenschaften des Lasers wird an gezielten Stellen ausreichend Wärme erzeugt, um die Materialien zu schmelzen und miteinander zu verschmelzen.

Die Gestaltung eines Laserschweißprozesses sollte frühzeitig in der Produktentwicklung festgelegt werden. Der Versuch, einen Laserschweißprozess bei Kunststoffprodukten nachzurüsten, die ursprünglich nicht für das Laserschweißen konzipiert waren, kann manchmal funktionieren. Durch die Übernahme von Design-für-Laser-Herstellungsprinzipien in einem frühen Stadium der Kunststoffproduktentwicklung werden spätere Herstellbarkeitsprobleme jedoch erheblich reduziert.

Kunststoffprodukte verfügen unter anderem über mechanische, geometrische, thermische und optische Eigenschaften (Abbildung 3). Grundsätzlich kann die Laserschweißbarkeit von Kunststoffbaugruppen im Großen und Ganzen wie folgt bestimmt werden:

Kunststoffe schmelzen und zersetzen sich bei viel niedrigeren Temperaturen als Metalle. Typische Schmelztemperaturen von technischen Kunststoffen liegen bei etwa 250 °C. Es gibt einige Kunststoffe mit deutlich höheren Schmelztemperaturen, wie zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK), die im Bereich von 350 °C bis 400 °C liegen. Eine enge Kompatibilität der Schmelztemperaturen unterstützt die Vermischung des Schweißbades und verbessert die mechanische Festigkeit bei der Wiedererstarrung. Bestimmte Kombinationen von Kunststoffen, deren Schmelztemperaturen relativ ähnlich sind, eignen sich gut für das Kunststoffschweißen. Auch die chemische Zusammensetzung des Kunststoffs spielt eine Rolle. Beispielsweise wird der Versuch, Polyethylen hoher Dichte (HDPE) mit Polypropylen (PP) zu verschweißen, nicht erfolgreich sein, aber es ist möglich, Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) mit Polypropylen (PP) zu verschweißen, auch wenn Polyethylene zur selben Familie gehören . Auf die Materialkombinationen muss sorgfältig geachtet werden.

Laser in der Materialbearbeitung emittieren im Allgemeinen einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge oder einer sehr schmalen Wellenlängenbandbreite. Im Gegensatz zu natürlichem Licht ist der Laserstrahl kohärent und fokussierbar. Nahinfrarote und infrarote Wellenlängen werden am häufigsten beim Kunststoffschweißen von 800 nm bis 2 µm verwendet, häufig mit Hochleistungsdiodenlasern. Diese Wellenlängen sind länger als die für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängen, beispielsweise Grün mit 532 nm im sichtbaren Spektrum und Rot mit 635 nm. Bei Wellenlängen von 800 bis 2000 nm müssen die zu verschweißenden Kunststoffe in diesem Bereich eine gewisse Transmission und Absorption aufweisen. Kunststoffe sind zum Teil teilkristalline Strukturen und weisen amorphe und kristalline Phasen auf. Unterschiede im Brechungsindex zwischen der amorphen und der kristallinen Phase innerhalb eines Kunststoffs führen zusätzlich zur notwendigen Transmission und Absorption zu Lichtstreuung und -reflexion, wenn ein Laserstrahl auf sie trifft. Dies kann für das Laserschweißen je nach Ausmaß dieser Effekte vorteilhaft oder hinderlich sein. Designkombinationen dieser Eigenschaften tragen dazu bei, die Übertragung des Laserstrahls durch den oberen Kunststoffteil und die Absorption im unteren Teil zu erreichen (Abbildung 4). Manchmal sind dem Masterbatch Zusatzstoffe beigefügt, damit Polymere Laserlicht absorbieren. In der Entwurfsphase sollte darüber nachgedacht werden, ob Zusatzstoffe im Produkt akzeptabel sind – würde das aus diesem Kunststoff hergestellte Medizinprodukt beispielsweise eine FDA-Zulassung erhalten?

Der Anteil an Glasfasern in bestimmten Kunststoffen wie Polyamid (PA-66), allgemein als Nylon bezeichnet, kann die Lichtdurchlässigkeit durch sie beeinträchtigen, insbesondere bei höheren Glasfaserkonzentrationen, bei denen die Durchlässigkeit geringer ist. Eine häufige Frage im Zusammenhang mit Kunststoffen ist: Welche Farben lassen sich miteinander verschweißen? Eine einfache Antwort gibt es nicht: Viele Kombinationen sind möglich, selbst gleichfarbige Materialien wie klar zu klar, weiß zu weiß und schwarz zu schwarz können bei sorgfältiger Gestaltung der Komposition verbunden werden. Auch wenn sichtbares Licht farbige Kunststoffe nicht durchdringt, kann dies bei einer einzelnen Laserwellenlänge völlig umgekehrt sein.

Konstrukteure müssen stets darauf achten, sicherzustellen, dass die Teile in Geometrien geformt werden, die sich durch gute Passung der Montagekomponenten und eine zugängliche Verbindung für das Laser-Kunststoffschweißen eignen. Beim Laserschweißen ist die Wärmeübertragung über Luftspalte nicht gut und es ist wichtig, dass die Komponenten einer Verbindung Kontakt haben. Dies wird durch Überlappschweißkonfigurationen erreicht. Stumpfschweißungen sind in manchen Fällen möglich und hängen stark davon ab, wie der Laserstrahl auf die Schweißnaht aufgebracht wird und von den Bauteiltoleranzen, die sich aus der Formmaschine ergeben, die die Kunststoffteile herstellt. Das Anschweißen von Deckeln an Behälter ist ein Beispiel für eine gute Teilepassung.

Die nach unten gerichtete Kraft während des Schweißvorgangs ist für bestimmte komplexe Teile von entscheidender Bedeutung, insbesondere für große Teile, bei denen es schwierig ist, eine gute, natürliche Passung rund um die Ränder zu erreichen. Die Spannkraft kann durch Servoantriebe oder durch pneumatische Spannkraft erzeugt werden. Beim Kunststoffschweißen gibt es eine Kollapskraft, die bestimmt, wie viel Kraft der heiße und schmelzende Kunststoff aushalten kann, bevor er sich deutlich zu verformen beginnt, und wie viel Kraft erforderlich ist, um die Teile im geschmolzenen Zustand zusammenzudrücken. Oft sind Kraft-Weg-Sensoren in Laser-Kunststoffschweißwerkzeuge integriert, um die auf die Komponenten während des Schweißzyklus ausgeübte Kraft zu überwachen und zu steuern.

Beim Laserschweißen gibt es mehrere Methoden zur Laserstrahlführung auf das Werkstück. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz kartesischer Achsensysteme, bei denen es zu einer Relativbewegung zwischen einem festen Laser-Kunststoffschweißkopf und einem XYZR-Tischbewegungssystem kommt. Aufgrund der erforderlichen Beschleunigung an Start- und Stopppunkten sowie bei Richtungsänderungen kann es sein, dass diese Geräte keine gleichmäßige Erwärmung großer Teile bewirken. Diese Methode ist jedoch flexibel, da der Laserpfad anhand von CAD-Daten generiert werden kann. Der Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Galvo-Scanköpfen ermöglicht eine extrem schnelle Bewegung des Laserstrahls mit bis zu 10 m/s. Das Abtasten einer Schweißnaht mit sehr hoher Geschwindigkeit und ausreichender Leistung ermöglicht eine nahezu augenblickliche Erwärmung der gesamten Schweißnaht von einem Ende bis zum anderen. Dies reduziert die Auswirkungen der gleichzeitigen Erwärmung und Abkühlung, die kartesische Achsensysteme erzeugen.

Eine andere, weniger flexible Methode besteht darin, die Teile mit einem Laser durch eine Maske zu beleuchten. In diesem Fall nimmt die Maskenöffnung die Form der gewünschten Schweißnaht an, muss aber bei jeder Konstruktionsänderung neu gefertigt werden. Gelegentlich werden spezielle Laserlinsen eingesetzt, die einen Linienfokus erzeugen, der eine Stichschweißung entlang einer definierten Länge ermöglicht. Während des Prozesses kann eine Steuerung der optischen Leistung erforderlich sein. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass Pyrometer die Werkstücktemperatur während des Schweißens messen und diese Informationen an einen Leistungsregelkreis in der Lasersteuerung zurückgeben.

Beim Laser-Kunststoffschweißen gibt es viele gegenseitige Abhängigkeiten und bei der Entwicklung einer Lösung für komplexe Teile und exotische Materialien ist ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich. Die Verbreitung des Laser-Kunststoffschweißens in der Industrie ist beeindruckend: Verschiedene Großserienprodukte, von Autolampenbaugruppen bis hin zu Tintenstrahldruckerpatronen, werden routinemäßig laserplastisch geschweißt.

In diesem Artikel werden einige grundlegende Überlegungen erläutert, die beim Laserschweißen von Kunststoffen berücksichtigt werden müssen. Am wichtigsten ist, dass das Produkt selbst unter Berücksichtigung des Laserschweißens entworfen werden muss. Deshalb sollten Produktdesign- und Prozessentwicklungsteams schon früh in der Produktdesign- und Entwicklungsphase mit ihren Kunden einen kooperativen Ansatz verfolgen und dabei die oben genannten Punkte berücksichtigen. Die Herstellung von Formwerkzeugen für die Herstellung komplexer Kunststoffprodukte ist sehr teuer, und Werkzeugkonstrukteure müssen sich über Design-for-Manufacturing-Probleme rund um das Laserschweißen im Klaren sein, bevor sie den Entwurf eines Formwerkzeugs abschließen. Dadurch wird sichergestellt, dass die aus den Formwerkzeugen kommenden Teilegeometrien anschließend lasergeschweißt werden können.

Über den Autor

Jonathan Magee ist Geschäftsführer, ACSYS Lasertechnik UK Ltd., Coventry, Großbritannien.

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