Wenn von Trumpf Lasern die Rede ist, assoziieren damit viele Anwender Metallbearbeitung, doch dass der schwäbische Laser- und Systemhersteller auch hohe Kompetenz in der Laser-Kunststoffbearbeitung besitzt, ist noch nicht an jedes Ohr gedrungen. Ob Kunststoffmarkieren, -schweißen oder -schneiden, es steht ein breites Spek-trum an Lasersystemlösungen bereit. Mit ihrem Know-how unterstützen die Teams im Laser-Applikationszentren in Ditzingen den Anwender bei der Suche nach einer optimalen, wirtschaftlichen Lösung. Kunststoffe bearbeiten mit dem Laser hat sich in den vergangenen Jahren zwar weitreichend etabliert, jedoch stellt diese Bearbeitungsmethode die Experten immer wieder vor neue Herausforderungen.
„Denn die Vielfalt der Kunststoffe mit ihren vielseitigen Eigenschaften ist immens und es kommen immer wieder neue Varianten hinzu. Wir helfen unseren Kunden dann in unserem Applikationszentrum herauszufinden, ob das Material sich für die Laserbearbeitung eignet, wie es beschaffen sein muss und welches Lasersystem optimal dafür ist“, sagt Dr. Birgit Faisst, Leiterin Mikro- und Markierlaser-Anwendungen im Laserapplikationszentrum.
Denn die Abstimmung von Material und Lasersystem und das Auskundschaften der optimalen Parameter sind der Schlüssel zu einer erfolgreichen, profitablen Fertigung. In der Nähe von Stuttgart besitzt der Laser-Systemhersteller ein Laser-Applikationszentrum. Hier befindet sich alles unter einem Dach, zahlreiche Strahlquellen mit Wellenlängen von 343 Nanometer bis 10,6 Mikrometer sowie die fortschrittlichsten Lasersysteme und Lasermaterialbearbeitungszellen. „Wir können Applikationen produktübergreifend und schnell austesten, egal ob der Kunde Kunststoffe mit dem Laser markieren, schneiden oder schweißen möchte“, sagt Martin Sauter, Branchenmanager Nichtmetallbearbeitung bei Trumpf.
Lösungen zum Markieren von Kunststoffen
Lasermarkieren von Kunststoffbauteilen hat in vielen Branchen Einzug gehalten, ob in der Automobil-, Elektro-/Elektronikindustrie oder Medizintechnik. Treiber der Lasermarkierungen ist zum Teil die Rückverfolgbarkeit von Produkten, die durch Aufbringen von verschlüsselten Informationen in Form von Codes, wie etwa dem Datamatrix-Code, realisierbar wird. Aber auch die Individualisierung von Konsumgütern kurbelt die Nachfrage an. Kein Wunder, dass im Applikationszentrum in Ditzingen im Monat gut 180 Markieranfragen eingehen, wobei die Hälfte davon Kunststoffanwendungen zuzuschreiben ist. „Die Anwender wollen zum Beispiel wissen, ob der Laser ihre Kunststoffteile mit einer bestimmten Qualität innerhalb einer bestimmten Taktzeit beschriften kann“, berichtet Faisst. Das Material spielt dabei eine bedeutende Rolle. Mit Infrarot-Festkörperlasern lassen sich die meisten technischen Kunststoffe beschriften – die meisten Thermoplaste können so markiert werden. Hierfür hat der Laserhersteller den kompakten Markierlaser Trumark 1110 entwickelt. Für die Markierung elektronischer Gehäuse, die mit Flammschutzmitteln versetzt sind, braucht es meist UV-Laserlicht.
Hier steht seit einem guten Jahr das neue Modell Trumark 6350 zur Verfügung, das eine höhere Leistung aufweist und damit schnellere Bearbeitungsgeschwindigkeiten zulässt. Es liegt zudem im Trend, mit UV-Lasern kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zu bearbeiten, und zwar nicht nur zu beschriften, sondern auch zu bohren. Faisst betont, „Wir haben alle Wellenlängen, viele verschiedene Leistungsklassen und Pulsdauern zur Verfügung. Wir können so für jedes Material den besten Laser auswählen.“
Die Applikationsteams beraten den Anwender auch in Sachen Additive. Oft ist ein Kunststoff ohne Additive beschriftbar. Doch durch Füllstoffe, Stabilisatoren oder farbgebundene Pigmente lässt sich das Ergebnis verbessern.
„So kann der Kontrast erhöht und häufig auch eine höhere Geschwindigkeit gefahren werden“, meint Faisst. Die Experten unterscheiden zwischen vier Grundmethoden der Lasermarkierung: Karbonisieren, Schäumen, Abtragen und Gravieren. Dunkle Kunststoffe schäumen eher auf und ergeben einen hellen Schriftzug. Helles Material hingegen lässt sich oft gut karbonisieren, was einen dunklen Schriftzug hervorruft. Abtragen empfiehlt sich bei kontrastreicher Beschichtung oder Lackierung wie zum Beispiel beim Tag-Nacht-Design für Bedienelemente im Fahrzeuginnenraum und Gravieren kann materialbedingt nötig sein oder wenn eine vertiefte Markierung gewünscht ist.
Eine lasermarkierte Beschriftung weist eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Beschriftungsmethoden auf: Der Laserstrahl gelangt leicht an schwer zugängliche Stellen, die Schrift ist sehr abriebfest und beständig etwa im Vergleich zu Inkjet-Druckverfahren. Es gibt zudem keine verstopften Düsen, es ist kein zusätzliches Verbrauchsmaterial wie Klebeetiketten oder Tintenkartuschen notwendig, das spart Kosten. Laserbeschriften ist wartungsarm, denn es gibt keine Verschleißteile, dies steigert die Verfügbarkeit.
Auch das Schweißen von Kunststoffen mittels Laser hat sich durchgesetzt. Im Vergleich zum Ultraschallverfahren ist Laserschweißen schonender für die Bauteile, es ist flexibel, denn es lässt sich jede beliebige Schweißkontur programmieren, die Oberflächenqualität bleibt erhalten, es ist schnell, reproduzierbar sowie umweltfreundlich und benötigt keine giftigen Bindemittel, wie das bei Klebeverfahren der Fall ist. Die Nähte sind mechanisch hoch belastbar. Die thermische Energieeinbringung ist minimal, was vorteilhaft ist, wenn empfindliche elektronische Bauteile in der Nähe der zu schweißenden Naht sitzen. Nicht zuletzt gibt es eine große Materialvielfalt, die mit dem Laser geschweißt werden kann.
Schweißen von Kunststoffen
Damit zwei Teile im Überlapp-Modus gefügt werden können, muss das obere Bauteil transparent sein für den gängigen Wellenlängenbereich von Diodenlasern zwischen 800 bis 1.100 Nanometer. Das untere Bauteil muss jedoch mit Absorbern wie Farbpigmenten, Ruß dotiert sein, damit die Laserstrahlung vom Material aufgenommen werden und es schmelzen kann. Durch den Wärmeübergang vom unteren auf den oberen Partner schmilzt auch dessen Oberfläche und beide Teile verbinden sich. Es müssen daher die Schmelzbereiche der Schweißpartner zusammenpassen, sodass sich nicht ein Kunststoff bereits zersetzt, während der andere noch nicht mal die Schmelztemperatur erreicht hat.
„Es ist also sehr wichtig, dass der Anwender weiß, welche Materialien er für sein Produkt benötigt: einen laserlichtdurchlässigen Kunststoff für das Oberteil und einen laserlichtabsorbierenden für das Unterteil“, sagt Applikationsingenieur Kaiser. Ein weiterer erfolgsentscheidender Aspekt liegt Kaiser zufolge in der Spannvorrichtung, die zum Laserschweißen benötigt wird. „Beim Aufschmelzen darf kein Spalt zwischen den Bauteilen sein. Deshalb ist eine gute Spannvorrichtung das A&O. Die Teile müssen fest und mit gleichmäßig verteilter Kraft und konstantem Druck aufeinandergepresst und nach dem Schweißvorgang noch eine Weile gehalten werden bis das flüssige Material wieder ausgehärtet ist.“ Diese Kriterien müssen bereits bei der Konstruktion des Bauteils berücksichtigt werden.
Im Gegensatz zum Markieren und Schweißen benötigen Kunststoffe beim Schneiden keine Additive. So lassen sich Polyethylen, Polyamid, faserverstärkte Kunststoffe oder Schäume wie Polyurethanschaum bestens mit dem CO2-Laser schneiden. Beim Fräsen von fasrigem Material können Ausfransungen entstehen, was beim Laserschneiden nicht der Fall ist. Laserschneiden offeriert viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden, weil es hohe Qualität liefert, flexibel, schnell, sauber, trocken, wartungs- und umweltfreundlich ist.
Die Applikationsexperten unterscheiden zwei Hauptverfahren: Schneiden mittels kartesischem Verfahren oder mittels Scanner.
Bei der Wahl des Verfahrens spielt sowohl die Dicke des Materials als auch die Größe der Teile eine Rolle und nicht zuletzt bei Inte-gration in eine Produktionslinie natürlich auch der geforderte Produktionstakt. „Beim kartesischen Verfahren mit normalen x-, y-Achsen habe ich den Vorteil, dass die Schneidkante immer im 90-Grad-Winkel zur Oberfläche steht“, so Sauter, „dafür ist die Verfahrgeschwindigkeit nicht so hoch. Doch beide Verfahren lassen sich auch exzellent kombinieren.“
Zum Laserschneiden von Kunststoffen empfiehlt sich ein CO2-Laser. Das Unternehmen hat seine CO2-Laser weiterentwickelt und energieeffizienter gestaltet. Die CO2-Laser haben einen Wirkungsgrad von cirka 15 Prozent. Der CO2-Laser koppelt die Laserstrahlenenergie sofort in die Oberfläche ein und es lassen sich sehr saubere Schnittkanten erzeugen.
