Laserdurchstrahlschweißen

Das Laserdurchstrahlschweißen ist im Vergleich zu anderen Kunststoffschweißverfahren, wie dem Ultraschallschweißen oder dem Heizelementschweißen, ein erst seit Mitte der 1990er Jahre auch industriell etabliertes Verfahren. Bei allen dieser Kunststoffschweißverfahren handelt es sich um einen stoffschlüssigen Fügeprozess, bei dem der Kunststoff durch Energieeinbringung plastifiziert wird.

Funktionsprinzip des Laserdurchstrahlschweißens

Beim Laserdurchstrahlschweißen handelt sich um einen einstufigen Prozess, bei dem die Erwärmung des Kunststoffes und der Fügevorgang nahezu gleichzeitig ablaufen. Dabei muss ein Fügepartner im Bereich der Laserwellenlänge einen hohen Transmissionsgrad und der andere einen hohen Absorptionsgrad aufweisen. Vor dem Schweißprozess werden beide Bauteile in der gewünschten Endlage positioniert und der Fügedruck aufgebracht.

Prinzip Laserdurchstrahlschweißen

Der transparente Fügepartner wird vom Laserstrahl ohne nennenswerte Erwärmung durchstrahlt. Erst im zweiten Fügepartner wird der Laserstrahl in einer oberflächennahen Schicht vollständig absorbiert, wobei die Laserenergie in Wärmeenergie umgewandelt und der Kunststoff aufgeschmolzen wird. Aufgrund von Wärmeleitungsprozessen wird auch das transparente Bauteil im Bereich der Fügezone plastifiziert. Durch den von außen aufgebrachten sowie durch den aus der Ausdehnung der Kunststoffschmelze resultierenden inneren Fügedruck kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile. Übliche, bei diesem Fügeverfahren eingesetzte Laserquellen sind Hochleistungsdiodenlaser (HDL, λ = 900-1100 nm) und Festkörperlaser (Faserlaser, Nd:YAG-Laser, λ = 1060-1090 nm, da nahezu alle naturfarbenen und unverstärkten Thermoplaste in diesem Wellenlängenbereich einen hohen Transmissionsgrad aufweisen. Somit ist die Hauptbedingung an die optischen Eigenschaften des transparenten Fügepartners erfüllt. Dem absorbierenden Fügepartner werden absorbierende Pigmente zugesetzt, bei denen es sich meist um Rußpigmentierungen handelt, woraus die für das menschliche Auge schwarze Farbe dieser Bauteile resultiert. Es existieren jedoch auch so genannte Infrarot Absorber, die im sichtbaren Wellenlängenbereich eine nicht schwarze Farbe aufweisen können. Darüber hinaus werden aktuell verschiedene Ansätze zum Schweißen transparenter Bauteile mittels Laserstrahlung intensiv untersucht

Vor- und Nachteile

Gegenüber anderen Schweißverfahren bietet das Laserdurchstrahlschweißen eine Reihe von Vorteilen:

• berührungslose Energieeinbringung
• keine mechanische Belastung der Fügepartner durch den Energieeintrag
• keine schwingende Belastung der Fügepartner
• sowohl für den Mikro- als auch für den Makrobereich einsetzbar
• geringe Wärmeeinflusszone durch lokal begrenzten Energieeintrag
• keine thermische Belastung empfindlicher Bauteilbereiche
• keine Oberflächenmarkierungen durch den Schweißprozess
• große Designfreiheit der zu schweißenden Bauteile
• gute Automatisierbarkeit und Integrierbarkeit in Serienfertigungen
• Schweißen von vormontierten Bauteilen möglich
• gutes äußeres Erscheinungsbild für Nähte in Sichtbereichen

Demgegenüber stehen jedoch auch einige Limitationen:

• Fügepartner müssen unterschiedliche optische Eigenschaften besitzen
• Laser absorbierende Pigmentierung muss verwendet werden
• möglichst spaltfreies Berühren der Fügepartner ist notwendig
• Schweißnaht muss vom Laserstrahl erreichbar sein

Verfahrensvarianten

Grundsätzlich lassen sich die drei verschiedenen Verfahrensvarianten Konturschweißen, Simultanschweißen und Quasi-Simultanschweißen unterscheiden. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale liegen in der Art der Energieeinbringung sowie der Strahlformung. Die Auswahl einer Variante ist von mehreren Kriterien abhängig, wie z. B. der Komplexität der Fügenahtgeometrie (2D oder 3D), der zu fertigenden Stückzahl, der zur Verfügung stehenden Investitionskosten sowie der Anforderungen an die Schweißnahteigenschaften. Darüber hinaus existieren noch weitere Verfahrensvarianten des Laserdurchstrahlschweißens, die sich jedoch im Wesentlichen aus den drei genannten Varianten ableiten und für Sonderanwendungen Einsatz finden

Anwendungsgebiete

Die Hauptanwendungsgebiete des Laserdurchstrahlschweißens sind:

• Automobilbau
• Sensorik
• Unterhaltungselektronik
• Medizintechnik

Literatur

Regelwerke / Normen

Deutschland hat bzgl. des industriellen Einsatzes des Laserdurchstrahlschweißens eine Vorreiterrolle inne. Dies liegt nicht zuletzt sowohl an der industriellen und akademischen Struktur in Deutschland als auch an fach- und unternehmensübergreifenden Gremientätigkeiten, wie z. B. dem DVS - Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. Ein Regelwerk zum Fügen von Kunststoffen wird in Deutschland von der Fachgruppe "Fügen von Kunststoffen" im Ausschuss für Technik (AfT) des DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren erarbeitet und in Form von DVS-Merkblättern und Richtlinien sowie gesammelt in Buchform veröffentlicht. Die DVS-Richtlinie 2243 und ihre Beiblätter beinhalten konkret Informationen und Richtwerte für das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen.

Bücher

• Taschenbuch DVS-Merkblätter und -Richtlinien Fügen von Kunststoffen DVS Media, Düsseldorf 2010, ISBN 978-3-87155-224-3.
• U.A. Russek: Laserschweißen von Kunststoffen. Süddeutscher Verlag onpact, München 2009, ISBN 978-3-937889-90-0.

Zeitschriften und Aufsätze

• Die AG W 4.12 „Laserstrahlschweißen von Kunststoffen“ stellt sich vor. 05 (2011) 02 Fügen von Kunststoffen, S. 82-84. (Fügen von Kunststoffen)

Institute

• Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), Aachen
• Bayerisches Laserzentrum (BLZ), Erlangen
• Rheinische Fachhochschule Köln gGmbH

Weblinks

• Arbeitsgruppe W 4.12 Laserstrahlschweißen von Kunststoffen des Ausschusses für Technik (AfT) im DVS - Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.