Schweißen ungefärbter Kunststoffe mit dem Laser

Heute wird das Laserstrahlschweißen von Kunststoffen in aller Regel mit dem sogenannten Durchstrahlschweißen in Verbindung gebracht. Das Verfahren wird im Überlapp ausgeführt und basiert auf einer unterschiedlichen Absorption der beiden Fügepartner. Der Laserstrahl, üblicherweise mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1.100 nm, durchdringt das obere, transmissive Bauteil und wird im unteren Bauteil absorbiert. Dadurch entsteht die erforderliche Prozesswärme, um eine Schweißnaht zwischen den beiden Fügeteilen auszubilden.

Da thermoplastische Kunststoffe in ihrem Naturzustand in den meisten Fällen eine gute Transmission für die in dieser Verfahrensvariante eingesetzten Wellenlängen aufweisen, wird gewöhnlich im unteren Fügepartner ein den Laserstrahl absorbierender Zusatzstoff eincompoundiert, um den Wärmeeintrag zu ermöglichen. Im einfachsten Fall wird für diesen Zweck Pigmentruß verwendet. Nebeneffekt dieser Methode des Absorberzusatzes ist, dass die eingesetzten Stoffe auch in dem für den Menschen wahrnehmbaren Spektralbereich von circa 380 bis 740 nm absorbieren, somit erscheinen diese Kunststoffe farbig. Im Falle von Rußbeigaben in ausreichender Konzentration werden sie schwarz, was häufig ungewünscht ist.

Die Additivierung hat zur Folge, dass die zu fügenden Bauteile in einem separaten Spritzgießprozess gefertigt werden müssen. Dies ist speziell bei sehr hohen Stückzahlen ein erheblicher wirtschaftlicher Faktor. Neben den reinen Werkzeug- und Prozesskosten müssen auch die Materialqualitäten kontinuierlich überwacht werden, um Fehler im Schweißprozess zu vermeiden.

Ohne Additiv möglich

Beim 2-µm-Schweißen (links) besteht die Baugruppe aus zwei klaren Bauteilen, die mit Durchstrahlschweißen gefügte Baugruppe (rechts) benötigt einen additivierten Grundkörper. (Bildquelle: Evosys)

Als Alternative bietet sich das Laserschweißen von Kunststoffen mit Wellenlängen im Bereich 1.500 bis 2.200 nm an. Anders als beim herkömmlichen Durchstrahlverfahren können mit dieser Variante zwei Werkstücke ohne zusätzlichen Absorber gefügt werden.

Der wesentliche Unterschied liegt in der Art der Energieeinbringung in die zu fügenden Kunststoffe. Das Verfahren nutzt die Eigenschaft der meisten Thermoplaste aus, im ungefärbten Naturzustand Wellenlängen über 1.500 nm stärker zu absorbieren. Die Deponierung der Energie erfolgt im Wesentlichen nicht im Kontaktbereich der beiden Fügepartner, sondern im kompletten Volumen, das be- und durchstrahlt wird. Der Laserstrahl tritt an der Oberfläche der Kunststoffbaugruppe ein und verliert dann kontinuierlich im Bauteil Energie, die dieses erwärmt. Die Strahlformung spielt dabei für die pro Volumeneinheit eingebrachte Wärme eine entscheidende Rolle. In der Fügezone ist die Energiedichte so hoch, dass beide Fügepartner plastifiziert werden. Gleichzeitig bleibt im Idealfall der Energieeintrag durch den Laserstrahl in allen anderen durchstrahlten Bereichen so gering, dass keine Plastifizierung erfolgt.

Diese Variante des Laserschweißens besitzt mehrere Vorzüge, die einen industriellen Einsatz wirtschaftlich machen. Zum einen können die zu fügenden Bauteilhälften im gleichen Werkzeug gespritzt werden. Das ermöglicht einen Einsatz auch bei höchsten Stückzahlen, wie sie beispielsweise bei Einwegartikeln zum Tragen kommen. Zum anderen sind Produkte in den Bereichen Pharma- und Medizintechnik herstellbar, da keine Additive eingesetzt werden.

Die Vorteile, die bereits vom konventionellen Laserschweißen bekannt sind, wie absolute Sauberkeit und Partikelfreiheit, hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit sowie die nahezu wartungsfreie Systemtechnik, treffen hier ebenfalls zu.

Material und Konstruktion

T-Stoß Geometrie im Vergleich zur bevorzugten flach-auf-flach-Stoßgeometrie beim 2-µm-Laserschweißen. (Bildquelle: Evosys)

Für die Bearbeitung mit dem 2-µm-Schweißen kommen grundsätzlich alle thermoplastischen Kunststoffe infrage. Von Evosys Laser, Erlangen, wurden bisher die gängigsten Materialien erfolgreich getestet. Dazu gehören unter anderem Polyamide (PA), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Copolymere (COC), Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie Polystyrol (PS).

Hinsichtlich der konstruktiven Auslegung der Fügezone und der Gesamtbaugruppe ergeben sich bei dieser Technologie durch die Volumenabsorption im Vergleich zum konventionellen Durchstrahlschweißen verfahrensspezifische Besonderheiten. Je nach Prozessgestaltung und Auslegung der Strahlformung, wird die Lasereintrittsfläche sehr hoher Energie ausgesetzt und kann somit zu Verbrennungsanfälligkeit oder Verformung neigen. Des Weiteren können absorbierende Komponenten unterhalb der Fügezone durch transmittierte Laserleistung ungewollt erhitzt oder beschädigt werden. Um diese unerwünschten Effekte zu reduzieren, empfiehlt sich eine frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Applikationsingenieur.

Als letzter, wesentlicher Unterschied lässt sich die Geometrie im Bereich der Fügezone definieren. Anders als beim herkömmlichen Verfahren, wird beim 2-µm-Schweißen die Flach-auf-flach-Stoßvariante bevorzugt. Bei Varianten mit T-Stoß kann durch den Effekt der Volumenabsorption der Schweißsteg zu schnell plastifizieren und sich dieser ungewollt im Prozess verformen.

Systemtechnik

Die erforderliche Systemtechnik für das Schweißverfahren ist in seinem Grundaufbau dem herkömmlichen Laserdurchstrahlschweißen zwar ähnlich, weist aber wegen der unterschiedlichen Wellenlänge sowie der zuvor geschilderten Volumenabsorption verfahrensspezifische Besonderheiten auf. Aufgrund der sehr guten Strahlqualität und der Verfügbarkeit unterschiedlicher Wellenlänge im Bereich von 1,5 bis 2,2 µm, sind Faserlaser besonders geeignet. Sie stellen auch die wirtschaftlichste Laservariante für das Verfahren dar. Ansteuerung, grundsätzlicher Systemaufbau sowie Prozesssoftware können vom konventionellen Schweißen übernommen werden. Auch die üblicherweise eingesetzten Methoden zur Prozessüberwachung, wie Pyrometrie, Fügewegkontrolle, IR-Kamera, sind in der Regel kompatibel mit dem Prozess, müssen aber in ihrer Auslegung darauf angepasst werden.

Tabelle 1: Unterschied zwischen konventionellem und 2-µm-Schweißen

Besonderheiten weist das Klar-klar-Schweißen vor allem in den Bereichen Spannvorrichtung und Sicherheitstechnik auf. Bei der Sicherheitstechnik ist einerseits der geänderte Wellenlängenbereich relevant. Schutzgläser oder auch persönliche Schutzausrüstung müssen auf diese Bedingungen abgestimmt werden. Andererseits entsteht aufgrund der Prozesscharakteristik mehr hochenergetische Streustrahlung im Bearbeitungsraum. Dies bedeutet, neben deutlich lichtdichterem Laserschutz und einer umfangreicheren Strahlungsmessung, auch die Berücksichtigung beim internen Aufbau des Schweißsystems. In diesem Punkt spielt der Aufbau der Spanntechnik eine entscheidende Rolle. Neben dem Fixieren ist ihre Aufgabe auch das kontrollierte Abführen überschüssiger Energie aus der Bearbeitungszone. Der Anlagenhersteller arbeitet hier mit einer eigens für das Verfahren entwickelten Vorrichtung. Diese kann zum einen die überschüssige Wärme zielgerichtet abführen und sorgt zum anderen zusätzlich für den Ausgleich eventuell vorhandener Bauteilunebenheiten. Insgesamt werden Prozesse dadurch deutlich stabiler und wirtschaftlicher.

GMP-fähiges Verfahren

Zu Unrecht wird das Klar-klar-Schweißen in der Literatur fast ausnahmslos mit dem Schweißen von Mikrofluidik-Bauteilen in Verbindung gebracht. Zwar ist diese Anwendung prädestiniert für das Verfahren, allerdings wird es auch für vermeintlich einfachere Produkte eingesetzt. Schon spezielle ästhetische Anforderungen an die Transparenz von Baugruppen können das Verfahren erforderlich machen. Sinnvoll ist der Einsatz beispielsweise auch dort, wo aufgrund technischer Anforderungen, wie sie im Bereich medizinischer Produkte bestehen, ein Verzicht auf Absorberzusätze erforderlich ist. Das Klar-klar-Verfahren ist durch GMP-Fähigkeit leicht auch in der Medizintechnik- und Pharmaproduktion einsetzbar.

Nadellose Spritze

Ein Beispiel für ein medizinisches Einwegprodukt, das in großen Stückzahlen hergestellt wird, ist die nadellose Spritze. Sie kann in der geforderten Qualität weder im Spritzguss, noch mit anderen Fügeverfahren wirtschaftlich hergestellt werden. Das Bauteil wird aufgrund der medizinischen und mechanischen Anforderungen aus einem COP (Cyclic Olefin Polymer) hergestellt. Der schwermetallfreie Kunststoff ist glasklar, nahezu unzerbrechlich und zeichnet sich durch seine sehr guten Sauerstoffbarriereeigenschaften aus.

Die beiden Einzelteile, Düse und Spritzenkörper, werden im Spritzguss ohne weitere Zugabe von Additiven gefertigt. Im Anschluss erfolgt in einer standardisierten Schweißanlage des Typs EVO 2800 von Evosys Laser das Präzisionsausrichten und die Montage. Abschließend verschweißt die Anlage vollautomatisch die beiden Bauteile im 2-µm-Schweißverfahren. Während des Fügeprozesses werden sowohl die Prozessdaten als auch das Schweißergebnis kontinuierlich erfasst und für jedes Bauteil digital archiviert.

Wirtschaftlich und serientauglich

Das sogenannte 2-µm-Schweißen kann heute unter Berücksichtigung der verfahrensspezifischen Randbedingungen gut und wirtschaftlich in der Serienproduktion eingesetzt werden. Dabei reduzieren sich die möglichen Einsatzgebiete nicht nur auf hochspezialisierte Mikrofluidikbaugruppen. Auch einfache Massenprodukte können mit dem Verfahren effizient bearbeitet werden. Durch den Entfall von Additiven im Polymer, wie sie das herkömmliche Laserschweißen erfordert, kann auch in den vorgelagerten Prozessen, wie dem Spritzguss, effizienter gearbeitet werden.