Besseres Laserpolymerschweißen

Die einzigartigen Eigenschaften von Polymeren – leicht, korrosionsbeständig, biokompatibel, elektrisch und thermisch isolierend und kosteneffizient – führen zu ihrem verstärkten Einsatz in medizinischen Geräten, Automobilen, Unterhaltungselektronik und mehr. Beim Zusammenbau von Polymerkomponenten werden Teile oft zusammengeschweißt. Bei anspruchsvollen Anwendungen muss der Schweißprozess eine hohe mechanische Präzision, eine minimale Partikelproduktion sowie eine ausgezeichnete Haftfestigkeit aufweisen und darf keine Verformung der Teile zulassen.

Das Laserschweißen erfüllt alle diese Anforderungen. Insbesondere eine Art des Laserschweißens – das quasi-simultane (QS) Laserdurchstrahlschweißen – bietet die besten Ergebnisse bei Anwendungen, bei denen ein Verzug der Teile vollständig vermieden werden muss, oder bei denen komplexe Schweißnahtgeometrien erforderlich sind.

Um einen konsistenten, qualitativ hochwertigen QS-Schweißprozess in die Produktion zu bringen, sind jedoch einige Schritte erforderlich. Erstens eine sorgfältige Prozessüberwachung, die in der Regel eine Schließkraftkontrolle und Wärmebildtechnik umfasst. Zweitens, ein Teiledesign, das sich für den Prozess eignet. 

„Collapse Control” – Setzwegkontrolle

Eine beliebte Form des QS-Schweißens für Präzisionsanwendungen ist die „Collapse Rib“-Methode. Mit dieser Technik können starke Schweißnähte mit guter Optik erzeugt werden, ohne dass eine Nachbearbeitung zum Trimmen oder Entfernen von Graten erforderlich ist. Außerdem können mit dieser Methode gute Ergebnisse erzielt werden, selbst wenn die Teile nicht perfekt flach sind oder einen engen Toleranzbereich aufweisen.

Beim „Collapse Rib”-Prozess hat ein Teil einen dünnen Steg, der übersteht und in eine entsprechende (und etwas breitere) Nut im anderen Teil passt. Um die Teile zu verschweißen, wird das gezahnte Teil in eine Halterung gelegt und das mit Nuten versehene Teil darauf platziert. Ein Laser erhitzt den Steg, um ihn teilweise zu schmelzen, während Klemmen die beiden Teile aktiv zusammenpressen. Das geschmolzene Material fließt und füllt einen Teil des Spalts zwischen den Teilen. Das wieder erstarrte Material bildet die Schweißnaht. 

Ein Schlüsselelement für die erfolgreiche Umsetzung dieses Prozesses in der Produktion ist die „Collapse Control” (Setzwegkontrolle). Das bedeutet, dass aktiv überwacht und gesteuert wird, wie weit sich das Oberteil während des Schweißens nach unten bewegt (der sogenannte „Setzweg”). 

Coherent hat seine eigene, einzigartige Form der Setzwegkontrolle entwickelt, die durchweg hervorragende Ergebnisse liefert. Unsere Polymer-Schweißgeräte ExactWeld 230 P and ExactWeld IP sind alle mit Kraftaufnehmern ausgestattet, die die Kraft messen. Diese messen kontinuierlich den Druck, den die Klemmen auf den oberen Teil ausüben. Die Höhe des Setzwegs (die Entfernung, um die sich der obere Teil bewegt hat) wird ebenfalls gemessen. Diese Signale werden als Feedback zur Steuerung der Servomotoren verwendet, die die Klemmen antreiben. 

Kein anderer Hersteller wendet diese Methode an. Einige verwenden den Strom des Servomotors als Rückkopplungssignal, das jedoch bietet nicht die gleiche Messgenauigkeit und den gleichen Grad an dynamischer Kontrolle. Einige messen nur den Setzweg und nicht die Klemmkraft. Einige verwenden pneumatische Aktuatoren für die Klemmen. Diese können nicht die Präzision oder Reaktionsgeschwindigkeit bieten, die für eine genaue Steuerung der Klemmkraft erforderlich ist, selbst wenn sie die Kraft messen würden.

Die Messung der tatsächlichen Klemmkraft ermöglicht es den Schweißgeräten von Coherent, diese nach Bedarf zu steuern, um auf die genauen Bedingungen des zu schweißenden Teils zu reagieren. Dadurch können Maßabweichungen von Teil zu Teil, Änderungen der Materialabsorptionseigenschaften, Schwankungen in der Umgebung und viele weitere Parameter korrigiert werden. Dies ist der Schlüssel zu konsistenten Ergebnissen. Außerdem wird so Flexibilität im Prozess geboten, da die Klemmkraft gezielt variiert werden kann, falls gewünscht. Manchmal ist es zum Beispiel besser, während der Abkühlphase weniger Druck auszuüben, um die Spannung des Teils zu kontrollieren. 

Die Überwachung sowohl der tatsächlichen Klemmkraft als auch des „Setzwegs“ während des Prozesses, ist der Schlüssel zu konsistenten Schweißnähten, selbst wenn es Abweichungen von Teil zu Teil gibt.

Das Gesamtergebnis ist eine verbesserte Ausbeute, Qualität und Konsistenz, da Prozessschwankungen, die durch Veränderungen der Maschine, der Umgebung oder der Teile selbst verursacht werden, eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Schweißsystem an einem Ort konfiguriert und dann an einen anderen Ort transportiert werden kann, ohne dass es seine Leistung einbüßt. Außerdem werden so Abweichungen von Maschine zu Maschine kompensiert. Dadurch kann ein Prozess auf einem System konfiguriert und anschließend mit konsistenten Ergebnissen auf andere Systeme übertragen werden, was die Prozesse skalierbar macht.

Wärmebildtechnik ist cool

Ein weiteres wichtiges Hilfsmittel für erfolgreiches Polymerschweißen ist die Wärmebildtechnik mit einem Infrarotkamerasystem. Nach Abschluss der Schweißarbeiten wird die gesamte Schweißnaht mit dem Wärmebildgerät überprüft. Unterbrechungen im Bild entlang des Pfades weisen auf Spalte in der Schweißnaht hin, und Abweichungen in der Liniendicke zeigen Schwachstellen in der Schweißnaht an. 

Dies ermöglicht es dem Hersteller, fehlerhafte Teile sofort zu identifizieren und auszusondern. Das spart dem Hersteller Geld, denn dadurch wird verhindert, dass ein schlechtes Teil unnötigerweise weiter bearbeitet wird. Und natürlich wird so auch verhindert, dass ein schlechtes Teil an einen Kunden ausgeliefert wird.

Fertigungsgerechte Konstruktion

Der andere Teil des erfolgreichen Polymerschweißens findet vor der Produktion statt – während der Produktentwicklung. Es ist wichtig, dass das Design des Teils an den richtigen Stellen genügend Platz für die Klemmen bietet, damit diese beim Schweißen die erforderliche Kraft nach unten aufbringen können. Außerdem muss das Schweißwerkzeug so konfiguriert sein, dass die Klemmen den Laserstrahl an keiner Stelle vom Schweißpfad abbringen.

Die Abmessungen und Formen von Steg und Nut müssen genügend geschmolzenes Material für den Schweißprozess bieten. Sie müssen auch genügend Platz bieten, um das geschmolzene Material aufzunehmen. Außerdem muss die Konstruktion des Teils einen ausreichenden Setzweg zulassen. Ziel ist es, eine starke Schweißnaht mit gutem Aussehen zu erreichen und gleichzeitig die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung (Trimmen oder Entfernen von Graten) zu vermeiden.  

Die Anwendungsingenieure von Coherent Labs verfügen über umfangreiche Erfahrung im Bereich des Polymerschweißens und können Sie bei der Entwicklung sowohl der Teile als auch der Schweißwerkzeuge beraten. Außerdem kann Coherent bei der Entwicklung der Prozessrezeptur helfen. Dies ist wertvoll, weil es oft einen ziemlich großen „Parameterraum” gibt, der für das Laserschweißen erforscht werden muss. Dank früherer Erfahrungen können unsere Anwendungsentwickler schnell den optimalen Ansatz finden. . 

Schließlich kann Coherent auch bei der Installation von Geräten, der Inbetriebnahme des Prozesses und der Schulung des Personals helfen. Die Nutzung dieser Kombination aus Fachwissen, Ausrüstung und Support von Coherent ist der beste Weg, um alle Vorteile des Laserpolymerschweißens in der Produktion zu nutzen.

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