Laserpolymerschweißen macht Kunststoffe leistungsfähiger

Lange Zeit war „Plastik“ ein Synonym für „billig“. Heute jedoch werden Kunststoffe, oder besser gesagt „Polymere“, in allen Arten von hochwertigen, technisch anspruchsvollen Produkten verwendet. Dazu gehören Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone, Tablets, Laptops und Fitness-Tracker, aber auch Autos, Flugzeuge, medizinische Geräte und vieles mehr.

Ein Grund für den zunehmenden Einsatz von Polymeren ist die Gewichtseinsparung. Dies ist sowohl bei Autos als auch bei Flugzeugen sehr wichtig. Ein weiterer Vorteil ist, dass Polymere nicht rosten oder korrodieren, was in allen Produktbereichen – Automobilen, medizinischen Geräten und allen anderen – nützlich ist.

Zudem ist es einfach, kleine, komplex geformte Polymerteile mit Methoden wie dem Spritzgussverfahren herzustellen. Und da die Hersteller immer mehr Produktfunktionen in immer kleinere Pakete packen, verwenden sie am Ende eine Menge seltsam geformter Kleinteile.

Mit dem Laser schweißen

Die Herstellung von Produkten mit Polymerkomponenten erfordert oft ein dauerhaftes Zusammenfügen separater Teile. Bei einer Großserienproduktion wird dies in der Regel durch eine Art von Schweißen und nicht durch einfaches Kleben erreicht. Der Grund dafür ist, dass ein Schweißvorgang in der Regel viel schneller und präziser als ein Klebeverfahren durchgeführt werden kann und eine stärkere sowie zuverlässigere Verbindung zwischen den Teilen schafft.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Polymere zu verschweißen. In der Regel verwenden sie eine Art Wärmequelle, um eine dünne Schicht des Polymers zu schmelzen, oder eine mechanische Bewegung zwischen zwei Teilen, um Reibung zu erzeugen, die dasselbe bewirkt. In jedem Fall verfestigt sich das geschmolzene Polymer wieder und verbindet die beiden Teile miteinander.

Laserschweißen wird häufig eingesetzt, insbesondere in der Medizin‑ und Automobilindustrie. In der Tat gibt es viele verschiedene Arten und Implementierungen des Laser-Polymerschweißens. Aber sie alle verwenden den Laser als Wärmequelle, um das Material zu schmelzen.

Eine der am häufigsten verwendeten Techniken ist das sogenannte „Through Transmission Laser Welding“ (TTLW). Die Idee ist eigentlich ganz einfach. Eines der beiden zu verschweißenden Teile ist aus transparentem Kunststoff, das andere ist undurchsichtig. Der durchsichtige Teil absorbiert kein Laserlicht, während der undurchsichtige Teil dies tut.

Zur Herstellung der Schweißnaht werden die Teile zusammengespannt, wobei der durchsichtige Teil oben liegt. Der Laser wird durch den durchsichtigen Teil nach unten auf den undurchsichtigen Teil fokussiert. Der Laserstrahl wird schnell gescannt, um das Muster der gewünschten Schweißnaht zu zeichnen.

Das undurchsichtige Polymer absorbiert das Laserlicht, erwärmt sich und schmilzt. Durch die Hitze schmilzt auch ein Teil des durchsichtigen Teils. Die Teile werden zusammengepresst, während der geschmolzene Kunststoff die Spalte zwischen den Teilen ausfüllt. Zum Schluss wird der Laser ausgeschaltet und das geschmolzene Material erstarrt wieder, so dass eine starke Schweißnaht entsteht, die keine Spalte oder Schwachstellen aufweist.

Vorteile des Laserpolymerschweißens

Einer der Vorteile des Laserpolymerschweißens ist, dass es keine Rückstände, Staub oder Partikel erzeugt. Im Gegensatz dazu entstehen bei so gut wie allen anderen Reibungs- oder Vibrationsmethoden (wie dem Ultraschallschweißen) Rückstände. Das partikelfreie Schweißen ist besonders nützlich bei der Herstellung von medizinischen Instrumenten und allen Arten von elektronischen Sensoren und macht das Laserschweißverfahren reinraumtauglich.

Das Fehlen von Vibrationen und die geringe thermische und mechanische Belastung beim Laserschweißen minimiert außerdem jegliche Formveränderung der geschweißten Teile und vermeidet deren Beschädigung. Dies ist besonders wichtig für empfindliche Präzisionsteile, wie z. B. in der Elektronik und in medizinischen Anwendungen. Die mit dem Laser hergestellte Schweißnaht selbst ist stark und für das Auge nahezu unsichtbar. Gute Schweißnahtkosmetik ist bei Verbraucherprodukten oft wünschenswert.

Für den Hersteller schließlich ist das Laserschweißen schnell und kann sehr präzise überwacht und gesteuert werden. Dies maximiert die Ausbeute und sorgt für eine hervorragende Konsistenz von Teil zu Teil. Außerdem ist es relativ einfach, die Prozessparameter zu ändern, um Konstruktions- oder Materialänderungen zu berücksichtigen.

Gerüstet für den Erfolg

Was müssen Sie tun, damit das Laserpolymerschweißen für Sie funktioniert? Es gibt drei wichtige Dinge, an die Sie denken sollten, bevor Sie mit der Produktion beginnen und vielleicht sogar bevor Sie Equipment kaufen.

Die erste besteht darin, die richtigen Materialien für Ihre Teile auszuwählen. Der Temperaturbereich, in dem die beiden Polymere (transparent und undurchsichtig) geschmolzen bleiben (sich aber nicht zersetzen), muss sich in gewissem Maße überschneiden, damit die Methode funktioniert. Und eine größere Überlappung vergrößert das Prozessfenster, was die Produktion einfacher und robuster macht. Die Tabelle fasst zusammen, welche gängigen Polymer-Kombinationen mit dem Laserschweißen kompatibel sind.

Die nächste Überlegung betrifft die fertigungsgerechte Konstruktion. Sprechen Sie frühzeitig mit Experten für das Laserschweißen, um sicherzustellen, dass das Teiledesign mit dem Laserverfahren kompatibel ist, und um festzustellen, ob eventuelle Designänderungen zu besseren Produktionsergebnissen führen könnten.

Wenn Sie noch nicht viel Erfahrung mit dem Laser-Polymerschweißen haben, sollten Sie sich mit jemandem zusammentun, der Ihnen bei der Anwendungsentwicklung helfen kann. Wenden Sie sich insbesondere an einen Anbieter, der Tests durchführen kann, um festzustellen, welche Systemkonfiguration die besten Ergebnisse liefert, und der Ihnen vielleicht sogar dabei hilft, die optimalen Laserparameter für den Produktionsprozess zu ermitteln. Coherent Labs bietet genau diesen Service an, und Coherent stellt auch Laser-Polymer-Schweißsysteme her, die sich leicht in Produktionsumgebungen integrieren lassen.