Oktober 2010

Schon im Kindergarten werden Verbindungsspezialisten ausgebildet: Mit Schere, Papier und Klebstoff entstehen kleine Kunstwerke. Dazu wird ein zusätzlicher Klebstoff zwischen den beiden Fügepartnern aufgetragen. Das Laser-Kunststoffschweißen ist dagegen nicht so einfach nachzuvollziehen. Bei diesem Verfahren wird ein lasertransparenter mit einem laserabsorbierenden Kunststoff verbunden. Das Laserlicht durchstrahlt den transparenten Fügepartner und absorbiert auf der Oberfläche des absorbierenden Fügepartners. Dabei wird die vom Laser ausgesendete Strahlung in Wärme umgewandelt, es kommt zum Aufschmelzen des absorbierenden Kunststoffes. Durch das Aufeinanderpressen der beiden Teile findet eine Wärmeübertragung in das lasertransparente Kunststoffteil statt. Damit schmelzen beide Fügepartner in diesem Bereich der Laseraktivität auf und es entsteht eine stabile Verbindung ohne eine mechanische Bauteilbelastung.

Klebeverfahren und Lasertechnik haben je nach Materialkombination und Anwendungsgebiet ihre besonderen Stärken und Schwächen. Um diese miteinander zu vergleichen, werden fünf Verfahrenseigenschaften heranzogen:

  • Die mechanische Festigkeit und Langzeitstabilität,
  • die Möglichkeiten der Materialkombination,
  • die Flexibilität bei der Prozessgestaltung und Prozessautomatisierung,
  • die Fügequalität und Prozessüberwachung sowie
  • die Wirtschaftlichkeit beider Verfahren.

Sehr feste Materialverbindung und dauerhafte Stabilität erzielbar

Beim Laserschweißen lassen sich sehr kleine und genaue Schweißnähte erzielen. So sind beispielsweise auf einer Einweg-Kartusche für flüssige DNA-/RNA-Analysen (Bild 1) auf der Fläche eines Mobiltelefons zwei Meter präzise Schweißnähte für die Mikrokanäle untergebracht; alle drei Bauelemente dieses Bauteils sind also miteinander durch Laserschweißen miteinander verbunden. Beim Laserschweißen wird die Energie genau da eingebracht, wo sie benötigt wird. Durch diese Eigenschaften und die große Reinheit dieses Schweißverfahrens – es werden keine Partikel freigesetzt – eignet sich dieser Prozess beispielsweise sehr gut für Medizinprodukte. Die mechanische Festigkeit und Langzeitstabilität ist beim Laserschweißen sehr hoch, da das Schweißen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kunststoffes nicht verändert.

Beim Kleben erfolgt keine oder nur eine sehr geringe thermische Belastung der Fügewerkstoffe. Allerdings sind der Einsatzbereich der Klebstoffe und die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen von der Temperatur abhängig. Durch Temperaturveränderungen kommt es zu verschiedenen Ausdehnungen der beiden Fügeteile mit daraus resultierenden Schubspannungen in der Klebeverbindung. Zudem können lang einwirkende Beanspruchungen ein Kriechen der Klebstoffe bewirken.

Materialkombinationen – keine allzu verschiedenen Schmelzpunkte

Mit Kleben lassen sich sehr unterschiedliche und auch sehr große Teile verbinden. Es bietet die Möglichkeit der Repositionierbarkeit nach Klebebeginn, bringt aber zusätzlich Stoffe in die Verbindung ein. Bei der Materialauswahl und der Größe der fügbaren Teile hat das Laser-Kunststoffschweißen inzwischen aufgeholt. Selbst große Teile wie Automobilheckleuchten lassen sich seit neuerem mit einem speziellen Hybridverfahren (Laser- und Infrarot-Wärmestrahler) so schweißen, dass die Schweißnaht selbst konstruktiver Teil der Lichtleittechnik wird (Bild 2). Eine wesentliche Einschränkung beim Laser-Kunststoffschweißen: Die Schmelzpunkte der beteiligten Kunststoffe dürfen nicht zu unterschiedlich sein.

Gute Automatisierbarkeit mit kurzen Durchlaufzeiten

Bezüglich der Automatisierungsmöglichkeit zeigen sich beim Laserschweißen Vorteile, da hier kein Verbindungswerkstoff zugeführt werden muss. Die Anzahl der Prozessschritte und damit die Durchlaufzeiten sind deutlich geringer als bei einem Klebeprozess, weil sowohl der aufwändige Reinigungsprozess als auch das anschließende Aushärten entfallen. Sehr große Unterschiede gibt es beim Platzbedarf (Bild 4) der verschiedenen Verfahren, da die zusätzlichen Anlagen beim Kleben wertvolle Fertigungsfläche in Anspruch nehmen.

Beim Laserstrahlschweißen sind die Anforderungen an das Bauteildesign etwas höher. Eine frühzeitige Auslegung der Bauteile für diesen Fügeprozess sorgt für eine optimale Schweißung. Für die oft geforderten sehr kurzen Taktzeiten sind die zusätzlich notwendigen Prozessschritte beim Kleben nachteilig. Sowohl bei ein- als auch bei zwei-komponentigen Klebern sind Aushärtezeiten zu beachten. Im Gegensatz zum Laserstrahlschweißen müssen die Oberflächen der zu verbindenden Teile vor dem Klebeprozess behandelt werden. In diesem zusätzlichen Prozessschritt werden die Verbindungsflächen mechanisch oder chemisch gereinigt, um störende Fremdschichten zu entfernen. Für das Laserschweißen sind Vorbehandlungen der Fügezone in der Regel nicht erforderlich.

Verbindungsqualität läßt sich online zuverlässig kontrollieren

Beim Kleben kann das Ergebnis erst nach vollständigem Ablauf des Prozesses beurteilt und geprüft werden – in einem nachfolgenden Arbeitsschritt. Beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen lässt sich die Fügeverbindung bereits während des Prozesses mit verschiedenen Verfahren überwachen. So kann die während des Schweißprozesses entstehende Wärme in der Schweißnaht mittels eines Pyrometers kontrolliert werden. Sie gibt sicheren Aufschluss über eine fehlerfreie Verbindung.

Am häufigsten wird die Methode der Fügewegüberwachung beim Quasisimultanschweißen eingesetzt. Dabei wird die Schweißnaht als erhöhter Steg ausgelegt, so dass der Laserstrahl diesen Bereich gleichzeitig aufschmilzt und sich die beiden Fügepartner unter dem anliegenden Fügedruck aufeinander zu bewegen. Der Betrag der Verringerung der Bauteilhöhe wird gemessen und geregelt – auch während des Schweißprozesses. Die Überwachung und Dokumentation der Schweißqualität kommt Forderungen aus der Automobil- und Medizinbranche nach einer lückenlosen Prozessüberwachung entgegen.

Stückzahl und Bauteilgröße sind entscheidende Kostenfaktoren

Für die Wirtschaftlichkeit müssen neben den Kosten für Maschinen und Werkzeuge auch die Aufwendungen für den Prozess, das Material und zusätzliche Teile berücksichtigt werden.

Beim Laserschweißen (Bild 4) ist zunächst von höheren Anlageninvestitionen auszugehen. Mit steigendem Fertigungsvolumen verlieren die Anlagenkosten bei der Stückkostenbetrachtung allerdings an Bedeutung. Bei den Materialaufwendungen ist das Laserschweißen vor allem bei steigenden Stückzahlen und zunehmenden Bauteilgrößen im Vorteil – ein zusätzlicher Klebstoff ist nicht erforderlich.

Entscheidend für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit sind die laufenden Fertigungskosten pro Bauteil. Bei der Lasertechnologie entfällt die Reinigung der Fügeflächen, die Prozesszeit ist deutlich kürzer und es gibt auch keinen zusätzlichen Prozessschritt für das Aushärtender Klebeverbindung. Wirtschaftlichkeitsberechnungen unter Berücksichtigung typischer Bauteile und Mengen zeigen, dass Laserstrahlschweißen von Kunststoffen meist günstiger ist als das Kleben.

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