Kugel- und Rollenoptik für das Schweißen von Folien mit Laser

Für das Schweißen von Folien werden unterschiedliche Techniken eingesetzt. Sie unterscheiden sich darin, wie die Energie eingebracht wird, um den Kunststoff zu schmelzen. Neben dieser Energie ist auch immer ein Andruck zwischen den zu schweißenden Materialien notwendig und Zeit, in der sich der plastifizierte Kunststoff wieder abkühlt und zu einer festen Verbindung erstarrt. Für große Serien mit gleichbleibendem Layout werden oft Hochfrequenz- (HF), oder Heizelement-Schweißen eingesetzt. Beim Heizelement-Schweißen können die Werkzeuge dauernd beheizt sein oder nur während der Schweißung erhitzt werden, sodass der Andruck der Werkzeuge auch während der Abkühlphase aufrechterhalten wird – man spricht bei dieser Technik entsprechend auch von Wärmeimpuls-Schweißen. Während das Heizelement-Schweißen auf alle Folien anwendbar ist, muss beim Hochfrequenz-Schweißen der Kunststoff polare Anteile haben, die sich im starken elektrischen Wechselfeld immer wieder neu ausrichten und damit Wärme erzeugen. Entweder hat das Polymer selbst dipolare Gruppen wie beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) oder thermoplastisches Polyurethan (TPU) oder es muss dem Kunststoff ein entsprechendes Additiv beigemischt werden. Sowohl beim Hochfrequenz- als auch Heizelement-Schweißen wird ein Werkzeug benötigt, das die gewünschte Schweißkontur nachbildet und auch zum Zusammendrücken der Folien dient. Beim Hochfrequenz-Schweißen ist es eine Elektrode in Form der Schweißnaht, an die das elektrische Wechselfeld angelegt wird. Beim Heizelement-Schweißen ist es das meist elektrisch betriebene Heizelement. Für längere Schweißnähte wird teilweise auch schrittweise geschweißt mit geraden Balkenelektroden respektive -heizelementen oder Segmenten mit bestimmten Kurvenradien. Bei großen Serien mit immer gleichen Geometrien sind die Aufwände für die Werkzeuge nicht wesentlich und die Techniken sehr effizient.

Bei kleinen Serien, wechselnden Layouts oder sogar individualisierten Geometrien in Losgröße 1 wird die fehlende Flexibilität ein Problem. Der Aufwand und Zeitverlust für ein Werkzeug werden problematisch. Als alternative Schweißtechnik bietet sich das Laserschweißen an. Es wird kein fixes Werkzeug benötigt, sondern mit einem Achssystem und CNC-Steuerung die Schweißkontur abgefahren. Dies benötigt je nach Geschwindigkeit zwar mehr Zeit als das Schweißen mit Hochfrequenz oder Heizelement, dafür kann die Kontur einfach gewechselt werden durch Laden anderer Daten in die Steuerung. Der fürs Schweißen notwendige Andruck muss auch nicht auf den ganzen Folienflächen gleichzeitig anliegen, sondern kann dynamisch an der Stelle aufgebracht werden, an der zu dieser Zeit auch geschweißt wird. Besonders geeignet dazu sind eine Glaskugel oder Glasrolle, die gleichzeitig den Laserstrahl auf die Schweißstelle fokussieren, dort lokal zusammendrücken und durch Abrollen auch gleichzeitig frei bewegt werden können.

Bei der Kugeloptik befindet sich eine Glaskugel frei drehbar in einem Luftlager. Die Druckkammer hinter dem Luftlager wird nach hinten durch ein Fenster abgeschlossen, durch das der Laser eintritt. Nach vorne zur Glaskugel ist ein Loch, durch das die Luft austritt und der Laserstrahl hindurchstrahlt. Für die Glaskugel kommt je nach Art des Luftlagers und der Spotgröße des Lasers und Schweißnaht entweder Quarzglas oder Saphir zum Einsatz. Standardmäßig hat bei Probylas die Glaskugel einen Durchmesser von 12 mm. Mit bis zu 6 bar Druck für das Luftlager können so Andruckkräfte bis 60 N erzeugt werden, die für Folien normalerweise mehr als ausreichend ist. Die durch das Luftlager ausströmende Luft hat auch gleichzeitig noch die gewünschten Nebeneffekte, dass die Folien gereinigt und gekühlt werden. Auch kleinere und größere Varianten der Kugel sind kundenspezifisch möglich. Für eine spezielle Miniaturanwendung wurde auch schon ein Kugeldurchmesser von nur 3 mm gewählt, mit auch entsprechend kleineren Andruckkräften für die Folien. Der Vorteil der Kugeloptik gegenüber der Rollenoptik ist, dass beliebige zweidimensionale Geometrien abgefahren werden können. Auch enge Kurvenradien oder Ecken sind möglich. Grundsätzlich sind auch dreidimensionale Geometrien möglich, wenn die Kugeloptik beispielsweise durch einen Knickarm-Roboter geführt wird. Die größere Herausforderung ist dann meist wie die Folien für dreidimensionale Anwendungen zugeschnitten und fürs Schweißen in Position gehalten werden. Bei dünnen, leichten oder gar elastischen Folien kann sich durch den Abrollwiderstand eine Welle vor der Glaskugel bilden. Eine geschlossene Kontur lässt sich dann nicht mehr komplett dicht schließen, da am Ende eine Falte aufgestoßen wird. Mit einer starreren Folie oder dünnen Platte aus einem transparenten Material, das sich nicht mit den zu schweißenden Folien verbindet, kann der Wellenbildung einfach entgegengewirkt werden.

Bei der Rollenoptik dreht sich anstatt der Kugel eine Glasrolle im Luftlager. Gegenüber Achsen am Ende der Zylinderfläche hat dies den Vorteil, dass sie nicht ausgewuchtet werden müssen und die Glasrolle einfach gewechselt werden kann. Zudem kommt wie schon bei der Kugeloptik der reinigende und kühlende Nebeneffekt dazu. Anstatt einer punktförmigen Fokussierung des Laserstrahls wird eine kurze Laserlinie generiert. Damit sie über die ganze Länge die gleiche Leistung hat und homogen ist, wird im Strahlengang ein Mikrolinsenarray verwendet, das den Strahl entsprechend in eine Richtung auffächert. Standardmäßig hat die Glasrolle bei Probylas eine Breite von 10 mm und der Laserstrahl eine Breite von typischerweise 5 mm. Anwenderspezifisch sind aber auch andere Breiten der Glasrolle und Laserlinie möglich, abhängig von der Anwendung. Dementsprechend ist der Vorteil der Rollenoptik gegenüber der Kugeloptik, dass auch breitere Schweißnähte möglich sind. Bei der Kugeloptik ist die Schweißnaht auf maximal rund 2 mm breit beschränkt durch den punktförmigen Andruck gegenüber der Glasrolle. Der Nachteil der Glasrolle ist einerseits der größere Luftverbrauch gegenüber der Kugel und anderseits, dass nur gerade Schweißnähte möglich sind oder mit sehr großen Radien.

Das Laserschweißen funktioniert wie das Heizelement-Schweißen grundsätzlich für allen Polymertypen, wenn sie thermoplastisch sind. Damit sich die Polymerschmelzen mischen, müssen sie neben einem ähnlichen Schmelzpunkt auch chemisch mischbar sein. Das Einfachste ist, Folien vom gleichen Polymer miteinander zu schweißen. Beim traditionellen Ansatz des Laserschweißens ist eine Folie für den Laser transparent und die andere absorbierend. Beispielsweise transparent durch kein Farbadditiv und absorbierend durch beigemischten Kohlenstoff (Carbon Black). Diese Farbadditive sind aber für viele medizintechnische Anwendungen unerwünscht, da sie eine erneute Qualifikation des Materials erfordern. Alternativ kann anstatt dem Farbadditiv auch die Wellenlänge des Lasers anders gewählt werden. Anstelle der sonst üblichen Wellenlängen 800-1100 nm, bei denen alle Polymere transparent sind, werden 1700-2000 nm eingesetzt, bei denen die meisten Polymere eine schwache Absorption haben, die fürs Laserschweißen genutzt werden kann. Allerdings ist der Prozess deutlich langsamer und die Laser bei gleicher Leistung klar teurer. Neben Folien können auch Textilien oder Vliesstoffe miteinander geschweißt werden, falls die Fasern oder die Beschichtung des Textils thermoplastisch sind. Bei den meisten Kunstfasern wie Polyester und Polyamid trifft dies zu, aber nicht für die Naturfasern wie Baumwolle, Wolle oder Seide. Ein gutes Beispiel für eine starke dichte Schweißung mit Laser sind etwa aufblasbare Luftkissen, die aus einer transparenten und schwarzen TPU-Folie bestehen. Für das selbstschließende Ventil in der Oberfläche wurden zwei transparente TPU-Folien mit den längeren Wellenlängen miteinander verbunden. Diese Anwendung wird dieses Jahr auf verschiedenen Messen live demonstriert wie an der Medteclive im Mai, der Swiss Medtech Expo im September und auch der Fakuma im Oktober.

Quelle: Probylas