Schweissbare Materialien mit Laser

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Thermoplastische Kunststoffe sind Kunststoffe, die sich schmelzen lassen. Daher sind sie schweissbar. Nachfolgend werden zwei Arten von Thermoplasten und das Prinzip der Schweissbarkeit der beiden Materialien genauer erklärt.

Thermoplaste sind in amorphe und teilkristalline Thermoplaste aufteilbar. Amorphe Thermoplaste sind transparent, denn sie haben keine sichtbaren Additive. Teilkristalline Thermoplaste dagegen erscheinen für das Auge opak bis milchig. Grundsätzlich lassen sich gleiche Thermoplaste mit einem Laser miteinander verschweissen. Allerdings muss dabei auf die optischen Eigenschaften der Thermoplaste Rücksicht genommen werden.

In der Tabelle sind laserschweissbare Materialkombinationen aufgeführt. Neben diesen Kombinationen besteht die Möglichkeit, das Spektrum mit modifizierten Blends zu erweitern.

Bild Materialkombinationen in voller Grösse:

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Optische Eigenschaften

Die optischen Eigenschaften der Kunststoffe haben auf das Schweissergebnis beim Laserdurchstrahlschweissen entscheidenden Einfluss. Auf der einen Seite wird ein für die Laserstrahlung transparenter Schweisspartner benötigt, auf der anderen Seite ein absorbierender.

Ohne Additive ist jeder Thermoplast für die Laserstrahlung transparent. Unterschieden wird jedoch zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten. Bei amorphen Thermoplasten transmittiert die Strahlung auch bei grossen Dicken beinahe ohne Verluste. Bei den teilkristallinen Thermoplasten wird die Strahlung hingegen an den Kristalliten gebrochen und reflektiert. Dies führt zu einer Streuung der Strahlung, die hauptsächlich vom Grad der Kristallite und der Dicke der zu durchstrahlenden Höhe abhängig ist.

Die folgende Grafik zeigt die spektrale Analyse eines transparenten Polypropylen (PP). Im Wellenlängenbereich zwischen 800-1100 nm ist der Kunststoff sogar transparenter als im sichtbaren Bereich (400 - 700 nm).

Optische Eindringtiefe

Die optische Eindringtiefe ist ein Mass für die Eigenschaften des absorbierenden Fügepartners. Sie beschreibt, wie tief die Strahlung in die Oberfläche des Kunststoffs eindringt, bevor eine Wärmeentwicklung entsteht.

Optimalerweise liegt die optische Eindringtiefe im µm-Bereich, siehe unten stehende Grafik oberer Fall. Wenn nicht genügend Absorber vorhanden ist, wird eher eine Volumenabsorption erreicht. Dadurch wird die gesamte Dicke des Materials erwärmt, siehe mittlerer Fall. Der dritte Fall beschreibt eine zu grosse Oberflächenreflexion. Hier kann die Strahlung also gar nicht in die Oberfläche eindringen. Die letzten beiden Fälle sind demnach eher negativ für den Prozess. 

Durch die Wärmeentwicklung während des Schweissens entsteht eine Wärmeeinflusszone, die durch Mikrotomschnitte oder -schliffe unter dem Mikroskop visualisiert werden kann.

Das Design der Schweissnaht kann also sehr simpel gehandhabt werden. Salopp gesagt, müssen die Bauteile in der Schweisszone nur physischen Kontakt haben. Ganz so einfach ist es jedoch nicht: Die Bauteile sollten lasergerecht konstruiert werden. Richtlinien hierzu können bei uns angefragt oder direkt über den Deutschen Verband für Schweissen und verwandte Verfahren e. V. (DVS) angefordert werden. Fragen Sie nach der DVS-Richtlinie 2243 übers Laserstrahlschweissen thermoplastischer Kunststoffe.