Klar-Klar-Schweißen ohne Additive

Ein transparenter Wafer mit mikrofluidischen Strukturen: feinste Schweißnähte, präzise gefügt. Das Laserschweiß-Verfahren erfordert dabei eine präzise Fokussierung auf die Schweißebene. (Bildquelle: alle LPKF)

Als Ergänzung zum Laser-Durchstrahlschweißen ist das Clear-Joining-Verfahren gedacht: Damit lassen sich transparente Fügepartner mit einer Schweißnahtbreite von mehreren Millimetern bis zu gerade einmal 100 µm bei einer Toleranz von nur 10 µm verbinden. Diese Anforderung kommt in erster Linie aus der medizinischen Mikrofluidik. Sie ist auf exakte Kanalgeometrien ohne Störungen durch Zusatzstoffe oder Partikel angewiesen. Die Kanäle sind so fein, dass die Gravita­tion gegenüber den Kapillarkräften vernachlässigt werden kann. Mikrofluidiken kommen in der Medizintechnik zum Beispiel als „Lab on a Chip“ oder beim exakten Dosieren von Flüssigkeiten zum Einsatz.

Während das übliche Laser-Durchstrahlschweißen den oberen Fügepartner durchstrahlt und erst im unteren Bauteil Wärme erzeugt, folgt das neue Verfahren einem anderen Prinzip. Ein Laserstrahl mit der Wellenlänge von 1.940 nm bringt Wärme in den gesamten durchstrahlten Körper ein. Durch eine präzise Fokussierung auf die Schweißebene schmelzen die Materialien auf und gehen eine sichere Verbindung ein – ohne dass dafür Zusatzstoffe erforderlich sind.

Klar-Klar-Schweißen ohne Additive

Ein Vision-System im Strahlengang liefert kontrastoptimierte Bilder von transparenten Bauteilen.

Um transparente Mikrofluidiken exakt zu fügen, sind eine Reihe von Voraussetzungen zu erfüllen. Der erste Aspekt betrifft die Präzision, die bislang mit keinem anderen Schweißverfahren zu erreichen war. Konstruktiv wird dies auch durch eine mechanische Entkopplung von Gehäuse und Arbeitsraum erreicht. Diese Konstruktion hat sich in der Praxis bewährt: Sie basiert auf den Proto-Laser-Systemen des Herstellers und liefert im industriellen Einsatz gute Ergebnisse. Die Schweißanlage Precision Weld verfügt sowohl über ein Scannersystem zum Lenken des Laserstrahls als auch über einen schwingungsgedämpft aufgehängten Positioniertisch. So wird die effektive Bearbeitungsfläche bis auf 320 mm x 320 mm erweitert.

Herausforderungen Kanal­geometrie und Spanntechnik

Klar-Klar-Schweißen ohne Additive

Die Bilder sind so kontrastreich, dass die Schweißnähte gut zu erkennen sind.

Der zweite Aspekt betrifft die visuelle Erkennung der Kanalgeometrien. Ein integriertes Vision-System nutzt den Strahlengang des Lasers. Damit lassen sich Positionsmarken, aber auch Bauteilgeometrien exakt erkennen. Es
detektiert kontrastoptimiert Position, Größe und Drehorientierung. Mithilfe dieses Systems passt die Maschine selbstständig die programmierte Schweißkontur den reellen Bauteil­gegebenheiten an. Kleinere – noch in der Toleranz liegende – Fehler am Bauteil werden so durch das Schweißsystem ausgeglichen. Der dritte Aspekt betrifft die Spanntechnik. Üblicherweise bestehen die funktionalen Bereiche einer Mikrofluidik aus planen Flächen, die nur eine einfache, günstige Bauteilaufnahme erfordern. Das untere Bauteil erhält seine Kanäle durch Heiß-Prägen. Darauf wird die obere, dünne Scheibe zum Abschließen der Kanalstruktur befestigt. Bei herkömmlichen Spannverfahren könnten die Grate aus dem Prägeprozess eine stoffschlüssige Verbindung und damit ein erfolgreiches Schweißen verhindern. Dem begegnet das Schweißsystem mit einer besonderen Spanntechnik. Die Spannkraft wird mit Überdruck durch einen auf das Bauteil abgesenkten Überdruck-Tubus aufgebracht. Die gleichmäßige Pressung ohne zusätzliches Werkzeug sorgt für den nötigen Kraftschluss – das Ergebnis sind Schweißungen nahe dem Schweißfaktor 1. Damit entfällt auch ein wesentlicher Teil der Vorkosten – weitere Werkzeuge werden nicht benötigt.

Die gesamte Technik ist kompakt verpackt und genügsam: Sie benötigt einen Stromanschluss und Druckluft, passt auf Rollen durch jede Labortür. Das Einsatzgebiet ist primär die Prototypen- oder Kleinserienfertigung, bei Bedarf lassen sich Automatisierungslösungen nachrüsten.

Über den Autor

Lars Ederleh

ist Leiter des Geschäftsbereichs Laser Welding, LPKF, Fürth.
lars.ederleh@lpkf.com