Leister

Die mittels Simultan-Laserschweißen gefügte Probe wurde unter stetig wachsendem Druck bis zum Bersten belastet und riss im Material, nicht in der Fügezone – ein Beleg für die Festigkeit der Schweißnaht.
(Bildquelle: Leister)

Kunststoffmembranen übertragen in der Akustik elektronische Signale in Schwingungen, bei Lautsprechern beispielsweise. In Pumpen regen sie die Hubbewegung an. In der Automobilindustrie werden Membranen verwendet, um elektronische Gehäuse gegen Feuchtigkeit zu schützen und gleichzeitig für Druckausgleich zu sorgen. In den weitaus meisten Fällen kommen sie aber in der Filtration zum Einsatz. Mechanisches Verbinden wird bei solchen Bauteilen selten verwendet, weil die notwendigen Zusatzkomponenten das Gewicht sowie die Lager- und Produktionskosten erhöhen. Auch Kleben kommt meist nicht in Betracht. Das zusätzliche Gewicht durch den Kleber ist in den meisten Anwendungen zwar irrelevant, dennoch erfordert das Verfahren zusätzliche Prozessschritte wie Auftragen und Aushärten. Das erhöht die Produktionskosten.

Nur das Einbringen von Wärme verursacht keine zusätzlichen Prozessschritte. Wärmeenergie kann jedoch die empfindlichen Membranen in ihrer Funktion beeinträchtigen und sollte daher gut dosiert werden. Denn thermische Verfahren wie das Heizelement- oder Ultraschallfügen schmelzen viel Trägermaterial auf und die Energie dringt tief ins Material ein. Das resultiert in einer großen Menge aufgeschmolzenen Volumens, was die Membran beschädigt oder in ihrer Funktion einschränken kann. Einerseits kann die eingebrachte Wärme die feinen Poren der Membran beschädigen und andererseits kann das mechanische Spannen das Trägermaterial aus der Fügezone drücken, wodurch sich ein Wulst bildet und die Membran unter Spannung setzt und dehnt. Das wiederum schränkt die Funktion ein oder führt im schlimmsten Fall zu einem Bruch der Membran.

Das Laserfügen verursacht dagegen durch das berührungslose Einbringen der Energie die kleinste thermische und mechanische Belastung. Die kurzen Fügezeiten und die hohe Prozessstabilität liefern die besten Ergebnisse. Die Technologie basiert auf dem Prinzip des Laser-Durchstrahlschweißens von Kunststoffen. Der Laser durchdringt hier einen für den Strahl transparenten Kunststoff und trifft auf einen absorbierenden Bereich, der die Energie des Strahls in Wärme wandelt und infolgedessen aufschmilzt. Ein im Vorfeld aufgebrachter Fügedruck bewirkt einen physischen Kontakt der beiden Fügepartner, wodurch die entstandene Wärme auch den transparenten Fügepartner erreicht. Dieser schmilzt dadurch ebenfalls und verbindet sich stoffschlüssig mit dem absorbierenden Fügepartner. Dieses Prinzip funktioniert jedoch nur bei materialverträglichen Paarungen mit etwa gleicher Schmelztemperatur.

Phonak

Damit die kleinen im Ohr (IDO) getragenen Hörgeräte zuverlässig funktionieren, schützt sie eine hochelastische Kunststoffmembran gegen Schmutz und Feuchtigkeit durch Ohrenschmalz. Diese Membran ist 15 µm dick und auf einem Trägerring befestigt. Die Schweißnaht ist 0,2 mm breit.
(Bildquelle: Phonak)

Phonak

Damit die kleinen im Ohr (IDO) getragenen Hörgeräte zuverlässig funktionieren, schützt sie eine hochelastische Kunststoffmembran gegen Schmutz und Feuchtigkeit durch Ohrenschmalz. Diese Membran ist 15 µm dick und auf einem Trägerring befestigt. Die Schweißnaht ist 0,2 mm breit.
(Bildquelle: Phonak)

Konturverfahren

Beim Laserfügen im Konturverfahren besteht die Möglichkeit, den Prozess mit einem Pyrometer zu überwachen oder zu regeln. Das Pyrometer verwendet denselben optischen Weg wie der Laserstrahl: Es detektiert die entstehende Wärme über einen begrenzten Wellenlängenbereich in der Fügezone. Der Spot des Strahls und die Messfläche des Pyrometers liegen also exakt übereinander. Auf diese Weise wird die maximale Intensität der Wärmestrahlung gemessen, die in der Fügenaht entsteht.

In einem optimal eingestellten Prozess lassen sich so Fehlstellen in der Fügenaht erkennen. Ein Spalt zwischen den beiden Fügepartnern zum Beispiel äußert sich durch eine kurzfristig höhere Temperatur. Auch das Durchdringen der Membran mit Trägermaterial kann zu Temperaturschwankungen führen. In der Qualitätskontrolle kommen daher Hüllkurven mit Toleranzen zum Einsatz, bei deren Über- oder Unterschreiten das Bauteil als „schlecht“ erkannt und aussortiert wird.

Laserschweißen mit Zieltemperatur

Bei sehr sensiblen Materialpaarungen ist das Regeln auf Temperatur eine Alternative. Dabei bestimmt eine Zieltemperatur die Laserleistung, die der Laser für eine bestimmte Zeit hält. Geeignete Parameter halten den Wärmeeintrag konstant und vermeiden Beschädigungen der Membran oder des Grundmaterials. Auch im Zieltemperaturmodus lassen sich Bedingungen für die Gut/Schlecht-Teileauswertung festlegen. Der Kurvenverlauf der Temperatur ist hier jedoch flacher, wodurch Grenzwerte schwieriger zu definieren sind als bei konstanter Laserleistung.

Beide Methoden dieser Qualitätskontrolle, die der Hüllkurven- und der Temperaturverlauf-Auswertung,  werden in der Industrie angewendet. Neben dem Parameter Temperatur lassen sich im Prozess zusätzliche Parameter wie Laserleistung und Anpresskraft überwachen.

Leister

In der Automobilindustrie werden Membranen häufiger verwendet, um elektronische Gehäuse gegen Feuchtigkeit zu schützen und gleichzeitig für Druckausgleich zu sorgen.
(Bildquelle: Leister)

Maskenfügen

Ein Beispiel zum Maskenfügen von Membranen kommt aus der Medizintechnik. Phonak stellt mit diesem Verfahren Einwegprodukte gegen Verschmutzung von Hörgeräten her. Damit die kleinen in dem Ohr (IDO) getragenen Hörgeräte zuverlässig funktionieren, schützt sie eine hochelastische Kunststoffmembran gegen Schmutz und Feuchtigkeit durch Cerumen, auch Ohrenschmalz genannt. Diese ist 15 µm dick und auf einen kleinen Trägerring befestigt. Die Anforderungen an eine möglichst hohe Festigkeit und Medienbeständigkeit stehen dabei einer kleinen Schweißfläche gegenüber. Die Schweißnaht ist 0,2 mm breit. Dafür bestehen die Membran und das Trägermaterial bei dieser Anwendung aus kompatiblen Materialien und lassen sich miteinander verschweißen.

Beim Maskenschweißen fährt ein linienförmiger Laserstrahl über eine strukturierte Maske. Die Maske ist nur im Bereich der Schweißnaht transparent für den Strahl, an allen anderen Stellen wird er reflektiert. Die dünnen Stege des Trägermaterials und die Membran werden thermisch nur in oberflächennahen Schichten belastet und mechanisch über einen kleinen Fügedruck. Die Schweißnähte sind trotzdem wasserdicht und fest. Durch halbautomatische Verarbeitungsprozesse lassen sich mit dieser Technologie Volumen von mehreren Millionen Stück im Jahr produzieren.

Die stoffschlüssige Verbindung von Membran und Trägermaterial mit dem Laser hat sich auch in diesem Anwendungsbeispiel als effektivste Lösung herauskristallisiert. Sie erfüllte die Kundenanforderung bezüglich Kosten und Produktionsvolumen.

(Quasi-) Simultanschweißen

Weitere Anwendungen mit Membranen sind in der Pumpentechnologie zu finden. Für die Druckübertragung müssen sie dehnbar und gleichzeitig stabil sein. Die Verbindung von Membran zum Trägermaterial muss hier absolut dicht sein und mindestens so fest wie die Membran sein. Vorangegangene Untersuchungen ergaben, dass das Schweißverfahren für die kreisrunde Naht zwischen Quasisimultan und Simultan-Schweißen liegen muss. Am Ende bekam das Simultanverfahren den Zuschlag, weil die Komponenten im Vergleich kleiner und günstiger sind. Im Vergleich zu den oben vorgestellten Laserverfahren wird beim Simultanschweißen die Kontur gleichmäßig erwärmt, was mehr Wärme produziert als bei den oben erwähnten Verfahren. Aber auch mit diesem ist die Belastung klein genug, um die Membran nicht zu schädigen. Für den mittleren Schweißnahtdurchmesser von 23 mm bei einer Breite von 1 mm liegt die Schweißzeit unter 1 Sekunde. Wie stabil die Naht tatsächlich ist, konnten die Besucher der Medizintechnikmesse Medtec 2015 in Stuttgart anhand einer Prüfvorrichtung live testen. Die geschweißte Probe wurde unter stetig wachsendem Druck bis zum Bersten belastet und riss immer im Material, nie in der Fügezone.

Laser-Schweißverfahren im Vergleich

Über den Autor

Carsten Wenzlau

ist Produktmanager Laser Plastic Welding bei Leister in Kägiswil, Schweiz.