Leister : Plastic Welding, Process Heat, Lasersystems, Microsystems

Feb 3, 2005

Prozessvielfalt in der Kunststoff-Schweißtechnik mit Laserstrahl.

Dr. rer. nat. Jie-Wei Chen
Leister Process Technologies
jie-wei.chen@leister.com

Beim Einsatz industrieller Laserbearbeitungssysteme in der hochwertigen Verbindungstechnik von Kunststoffen werden die Schwerpunkte auf neue, innovative Verfahren und die Entwicklung prozesstauglicher Materialien gelegt. Das Maskenschweißverfahren und die dreidimensionale Kugelschweißtechnik GLOBO-Welding erweitern verfahrenstechnisch den Horizont des Anwendungsspektrums im Laser-Kunststoffschweißen. Sie zeigen auf, wie vielfältig und innovativ dieses neue Technologiefeld ist.

Zweimal Technologiepreis für Innovation.
In der Kunststoff-Bearbeitungstechnik findet die Laserstrahlung sowohl beim Schneiden, Schweißen oder bei der Mikrostrukturierung Anwendung. Als eine viel versprechende, industriell ausgereifte Verbindungstechnologie gewinnt derzeit besonderes das Laserschweißen in allen möglichen Industrien an Bedeutung.
Der bedeutendste Technologiepreis der Schweiz ging in den Jahren 2000 und 2004 an zwei innovative Verfahrenstechnologien, die speziell für das Laserschweißen von Kunststoffen entwickelt wurden: Das Maskenschweißen für kleine Präzisionsbauteile und das GLOBO-Schweißverfahren für großdimensionale Bauteile mit komplexer 3D-Fügegeometrie. Diese zwei Technologien markieren die Spannweite des gesamten Verfahrenspektrums. Die rasante Entwicklung beweist die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und das grosse Innovationspotential, das sich durch dieses neue Technologiegebiet auftut.

Verfahrensentwicklung als Schlüssel für erfolgreiche Umsetzung.
Das „Durchstrahlschweißen“ ist wichtigstes Prozesskriterium für die reale Umsetzung. Es schränkt dieses aber auch entsprechend ein. Das Laserschweißen von Kunststoffen basiert auf einem einfachen Grundprinzip: Ein für die Laserstrahlung nahezu transparenter wird mit einem die Laserstrahlung absorbierenden Werkstoff direkt auf die angrenzende Ebene gefügt. Voraussetzung für eine erfolgreiche Verschweißung der Fügepartner ist die Möglichkeit der thermischen Verbindung. Dieses Schweißprinzip fordert so die technische Berücksichtigung der Bestrahlungsstrategie, die zu verschweißenden Kunststoffmaterialien und deren sinnvolle Kombinationen. Das Durchstrahlprinzip bereitet potenziellen Anwendern in der Praxis trotz Einfachheit immer noch erhebliche Schwierigkeiten. Um diese Grundidee in ein industrietaugliches Produkt umzusetzen, ist deshalb die innovative Verfahrensentwicklung äußerst wichtig.

Bild 1: Verfahrensspektrum in der Kunststoffschweißtechnik mit Laserstrahl.
Bei der Polymerforschung lassen sich derzeit zwei hauptsächliche Entwicklungstendenzen feststellen. Der Trend geht einerseits hin zur Materialmodifizierung und zur Erforschung spezieller Laseradditive. Damit lassen sich Kunststoffe mit noch mehr Gestaltungsfreiheit schweißen. Dieses einfache Schweißprinzip kann für die industrielle Massenproduktion, vielfach aber auch individuell adaptiert und sinnvoll eingesetzt werden. Für den Prozessbetreiber und Anlagehersteller anderseits steuert der Trend deshalb nach wie vor hin zur Suche nach einer innovativen Verfahrenstechnologie.

 

Drei Standardkonzepte im Vordergrund.
Zu den häufigsten Verfahrensvarianten zählen folgende drei Standardkonzepte: Konturschweißen, Simultanschweissen und Quasi-Simultanschweißen (Bild 1). Beim Konturschweißen wird der Laser entlang der Fügekontur geführt, während beim Simultanschweißen oder Quasi-Simultanschweißen der Laserstrahl den gesamten Fügebereich gleichzeitig oder simultan erwärmt.
Die Gemeinsamkeit dieser Verfahrensvarianten liegt in der linienförmigen Schweißnahtform und der zweidimensionalen Fügegeometrie. Die Bauteilgröße ist dabei durch das spanntechnische Problem und die verfügbare Laserleistung oft sehr beschränkt. Der Unterschied dieser verschiedenen Verfahrensvarianten lässt sich anhand der thermischen Erwärmungscharakteristik erkennen: Beim Quasi-Simultanschweißen wird der Schmelzpunkt durch Energiesteigerung langsam erreicht, beim Konturschweißen dagegen erwärmt man den Fügebauteil nur kurzzeitig und punktuell.
Diese Erwärmungs-Charakteristik hat ihre Konsequenz. Die individuellen Produktanforderungen führen zu klaren Auswahlkriterien. Die perfekte optische Nahterscheinung mit minimaler Schmelzausbreitung ist oberstes Qualitätskriterium. Das Konturschweißkonzept ist deshalb für die praktische Anwendung geeignet. Dabei ist ein vernachlässigbarer Luftspalt in der Fügezone zu erwarten. Das Quasi-Simultanschweißen dagegen eignet sich eher für Fügeaufgaben, bei denen hohe Schweißdichtigkeit und ein maximaler Überbrückungseffekt des Luftspalts erwünscht ist.

Vordringen in neue Dimension.
Als wichtige Erweiterung für das bestehende Verfahrensspektrum kamen in letzter Zeit noch weitere Verfahren dazu: Das Maskenschweißverfahren wandelt die linieförmige Nahtform in eine flächige Verschweißung mit komplexer Fügegeometrie um. Es erzielt durch die Verwendung der Maskentechnik zusätzlich eine hohe Schweißpräzision im Mikrobereich. Bislang beschränkten sich aber alle Verfahren auf die Bearbeitung zweidimensionaler Fügegeometrien mit begrenzter Bauteilgröße. Mit dem GLOBO-Schweißverfahren wird zum ersten Mal dreidimensionales Kunststoffschweißen mittels Laserstrahl möglich. Die neue Fügetechnologie sprengt technisch, wirtschaftlich und ästhetisch die Fesseln bisheriger Verfahren. Es erlaubt ohne Einschränkungen die Wahl von Bauteilgröße, Fügegeometrie und Bauteildesign. Vor allem verbessert dieses Verfahren die Effizienz und Flexibilität der Laserschweißtechnologie von Kunststoffen. Damit hat sich das gesamte Verfahrensspektrum erfolgreich in eine andere - eine dritte - Dimension ausgeweitet.
Die Anstrengungen in der Verfahrensentwicklung haben sich gelohnt. Der Durchbruch bei der industriellen Umsetzung des Durchstrahlschweißprinzips wird erleichtert und bietet potenziellen Anwender mehr Alternativen.

Neues Verfahren öffnet neue Märkte.
Beim Maskenschweißen wird der vorhangartige Laserstrahl durch eine Maske abgeschattet. Die Nahtpräzision wird hauptsächlich durch die feine Struktur der Maske und die Dosierungsgeschwindigkeit der Laserenergie bestimmt. Die Verwendung einer linieförmigen Strahlform aus dem Diodenlaser vereinfacht die Realisierung nicht nur verfahrenstechnisch, sondern reduziert auch die Herstellungskosten der Anlage.
Kunststoffe spielen bei der Herstellung von Bio-Chips, Sensoren und mikrofluidischer Diagnosezellen eine immer wichtigere Rolle. Als ein Produkt mit zukunftsweisender Fertigungstechnik wurde deshalb das Maskenschweißverfahren von Leister im Jahr 2000 mit dem ≤Swiss Technology Award≤-Sonderpreis bedacht. Diese Verfahrenstechnologie kombiniert die Vorteile des Durchstrahlschweißens mit dem Maskenprinzip und ebnet den weiteren Weg in alle Bereiche der Präzisionsbearbeitung, so in die Mikrosystemtechnik, die Elektronik und die Sensorik (Bild 2).
Bild 2: Maskenschweißen-System und Dosierzelle von Eppendorf für Nano-Dispense.
Das im Jahr 2004 mit dem ≤Swiss Technology Award≤ ausgezeichnete GLOBO-Schweißverfahren revolutioniert die Anpresstechnik in der Laserschweißtechnologie von Kunststoffen. Die komplizierte, aufwendige und bauteilspezifische Spannvorrichtung wird in eine einzige, rotierende Glaskugel integriert. Diese luftgelagerte Glaskugel dosiert die Laserstrahlenergie und die für das Fügen notwendige Anpresskraft stets punktuell und dynamisch. Das bedeutet, dass die Fügekraft nur dort gebracht wird, wo der Schweißprozess tatsächlich stattfindet. Die üblichen Positionen auf dem Fügebauteil bleiben mechanisch unbelastet. Somit ist eine echt dreidimensionale Verschweißung eines großdimensionalen Fügebauteils - z.B. einer Autorückleuchte - möglich. Es befreit die Beschränkungen der konventionellen Spannvorrichtung, reduziert die Anlagekosten und ermöglicht neue gestalterische Freiheiten (Bild 3). Konkrete Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Automobilindustrie, Medizin und Lebensmittelindustrie.
Bild 3: GLOBO-Welding-System und Autorückleuchte mit perfekter Schweißnaht.

Konkrete industrielle Lösungen.
Es wird immer deutlicher, dass das neue Fügeverfahren zwar neue Möglichkeiten bietet, die anderen Fügeverfahren aber nicht verdrängt, sondern ergänzt. Das Laserschweißen von Kunststoffen ist eine Technologie mit ganz speziellen Anforderungen. Es braucht noch weitere, innovative Lösungen. Der Trend geht weiter, hin zu industrietauglichen Systemprodukten mit hoher Prozessstabilität und hohem Produktionsdurchsatz.
Die Auswahl eines Verfahrens wird von den Anforderungen an die optische Erscheinung, Festigkeit, Fügegeometrie, Bauteilgröße und Nahtgenauigkeit bestimmt. Die richtige Wahl wird für den Anwender und den Erfolg eines Produktes immer wichtiger.
Leister Process Technologies, Sarnen/Schweiz, engagiert sich durch permanente Innovation stark in der Verfahrensentwicklung. Weitere Verfahren wie Radialschweißen und Hochgeschwindigkeitsschweißen werden bald das bestehende Verfahrensspektrum ergänzen und vervollständigen. Die industrielle Umsetzung aller Verfahren erfolgt durch das Produktpaket NOVOLAS-Systeme. Es berücksichtigt verfahrenstechnisch individuelle Kundenbedürfnisse.

Der Autor:
Dr. Jie-Wei Chen ist zur Zeit als Director Corporate Research für Leister Process Technologies in der Schweiz tätig. Er ist dort für die strategische Technologieentwicklung zuständig.