Laser-Durchstrahlschweissen Lasys: Kunststoffe schweissen mit Licht

Redakteur: Luca Meister

>> Das Laser-Durchstrahlschweissen funktioniert berührungslos und ermöglicht eine direkte Prozesskontrolle. Die Frage, wie Kunststoffteile sich möglichst gut und dauerhaft verbinden lassen, beschäftigt die Experten, seitdem es diese Werkstoffe gibt. Was möglich ist, zeigt die Lasys, Internationale Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung, vom 12. bis 14. Juni 2012 in Stuttgart, an der rund 200 Aussteller ihre Innovationen und Weiterentwicklungen zeigen.

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Nach wie vor ein hochinnovatives, forschungsintensives Gebiet der Lasertechnik ist das Bearbeiten von Kunststoffen. (Bild: LPKF)
Nach wie vor ein hochinnovatives, forschungsintensives Gebiet der Lasertechnik ist das Bearbeiten von Kunststoffen. (Bild: LPKF)

mei. Schon seit Ende der Neunzigerjahre werden thermoplastische Kunststoffe mit dem Laser geschweisst, doch nach wie vor gilt das Verfahren als hochinnovativ. Am häufigsten ist in der Praxis das Laser-Durchstrahlschweissen anzutreffen. Dabei ist in der Regel eines der beiden Bauteile für die vom Laser eingesetzte Wellenlänge transparent, das andere absorbiert die Laserenergie, beispielsweise durch Beimischung von Russ. Im Energie absorbierenden Bauteil entsteht Wärme, die sich durch leichtes Zusammenpressen beider Bauteile auf das obere Bauteil überträgt. Dadurch schmelzen die Teile in der Randzone auf und bilden eine Schweissnaht, die beide sicher verbindet. Eingesetzt werden meist effiziente Diodenlaser, deren relativ geringe Leistung und Strahlqualität völlig ausreicht, um die Kunststoffe aufzuschmelzen.

Berührungslose Wechselwirkung von Laserlicht und Kunststoff

«Das Laser-Kunststoffschweissen unterscheidet sich deutlich vom Schweissen metallischer Materialien», erklärt Frank Brunnecker, Vice President Bereich Laser Welding bei der LPKF Laser & Electronics AG, da «der Laserstrahl zunächst den oberen, lasertransparenten Fügepartner durchdringt und seine Energie erst in der unteren, laserabsorbierenden Komponente freisetzt.» Das Ergebnis sei eine saubere, sichere und optisch anspruchsvolle Schweissnaht in einem besonders wirtschaftlichen Prozess.

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Peter Bruns, Leiter Anwendung und technischer Service der Limo Lissotschenko Mikrooptik GmbH, ergänzt, dass «das Laser-Durchstrahlschweissen Anwendungen ermöglicht, die mit traditionellen Fügeverfahren nur schwer oder gar nicht möglich sind.» Der entscheidende Vorteil gegenüber den meisten anderen Fügeverfahren sei die berührungslose, direkte Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Kunststoff. So sei beispielsweise das konkurrierende Ultraschallschweissen abhängig vom guten mechanischen Kontakt der Sonotroden mit dem Kunststoff. Bruns weist auf einen weiteren Vorteil hin: «Das Laser-Durchstrahlschweissen ermöglicht die optische Integration einer Online-Überwachung des Fügeprozesses beispielsweise durch die Leistungsüberwachung des Diodenlasers und die Überwachung beziehungsweise Regelung der Prozesstemperatur, was bei ‹mechanischen› Schweissverfahren nicht möglich ist.»

Homogen, porenfrei, ohne Spritzer und Zersetzungsspuren

Limo setze praktisch alle bekannten Verfahren wie Kontur-, Quasisimultan-, Simultan- oder Maskenschweissen ein. So zeigt das Unternehmen auf der Lasys 2012 seine refraktive Mikrooptik, mit der sich massgeschneiderte Strahlformung wie Linien-, Flächen- und Kreis-/Ringverteilungen effizient erzielen liessen. Bruns: «Das simultane, also gleichzeitige Schweissen der gesamten Schweisskontur in einem Schuss, ermöglicht eine optimale Prozesssicherheit mit sehr guter Homogenität und Flankensteilheit – auch durch an die Materialeigenschaften angepasste Intensitätsprofile der Laserstrahlung.» Ein Beispiel sei der sogenannte «M-Shaper» für das Konturschweissen mit fasergekoppelten Diodenlasersystemen: «Dabei wird das Intensitätsprofil des Laserspots als für den Schweissprozess optimale runde Verteilung mit innen liegendem, definiertem Minimum ausgeprägt.» So liessen sich besonders homogene, porenfreie Schweissnähte ohne Spritzer und Zersetzungsspuren herstellen, wie sie beispielsweise beim Fügen von Kunststoff-Folien mit sehr kleinem Prozessfenster gefordert seien.

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