Klarsicht schaffen mit neuen Wellenlängen

Das Laserdurchstrahlschweißen von Thermoplasten ist in vielen Industriezweigen ein seit Jahren etabliertes Fügeverfahren. Es ermöglicht einen kontaktlosen und definierten Energieeintrag und eignet sich daher besonders zum Verbinden mechanisch und thermisch empfindlicher Bauteile. Allerdings ist der für den Prozess notwendige Einsatz von Absorbern nicht in allen Anwendungen zulässig und limitiert die Anzahl potentieller Applikationen.

Um thermoplastische Kunststoffbauteile im Durchstrahlschweißverfahren zu fügen, müssen diese zunächst möglichst spaltfrei übereinander angeordnet werden. Der auftreffende Laserstrahl durchdringt den ersten und trifft auf den darunterliegenden Fügepartner, der die Strahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Die erzeugte Wärme verteilt sich durch Wärmeleitung in beiden Fügepartnern, infolgedessen beide lokal aufschmelzen und sich verbinden.

Da die meisten Kunststoffe im Wellenlängenbereich beim Laserdurchstrahlschweißen konventionell eingesetzter Strahlquellen (800-1100 nm) transparent sind (Bild 1), ist eine Anpassung des absorbierenden Fügepartners an den Prozess erforderlich.

Dazu werden Absorber wie z.B. Ruß eingesetzt, die die Absorption des Kunststoffs im relevanten  Wellenlängenbereich erhöhen. Allerdings beeinflussen Absorber in der Regel auch die visuelle Transparenz des Kunststoffes, weshalb das Laserdurchstrahlschweißverfahren bisher nicht für solche Anwendungen verwendet werden konnte, in denen vollständige Transparenz beider Fügepartner gefordert wird.

Zwar existieren auf dem Markt Absorber, die die Transparenz der Bauteile nur geringfügig beeinträchtigen, deren Einsatz ist jedoch mit erheblichen Materialkosten verbunden. Auch ist der Einsatz von Zusatzstoffen, vor allem in der Lebensmittel- und Medizinbranche, oft mit kosten- und zeit-intensiven Zulassungsverfahren verbunden. Eine Möglichkeit, den Absorbereinsatz zu umgehen bietet eine neue Generation von Dioden- und Faserlasern.

Oberhalb des konventionellen Wellenlängenbereichs (>1100 nm) verfügen die meisten Kunststoffe über intrinsische Absorptionsbanden, die durch eine entsprechende Strahlquelle prozesstechnisch nutzbar gemacht werden können. Beim Fügen absorberfreier Fügepartner soll die Verschweißung, analog zum konventionellen Laserdurchstrahlschweißen, in der Kontaktebene erfolgen. Allerdings wird durch die gleichen optischen Eigenschaften beider Fügepartner die Laserstrahlung gleichmäßig über deren Querschnitt absorbiert. Somit nehmen die Intensität und folglich auch die Schmelzebildung in Propagationsrichtung des Laserstrahls ab. Beim Erreichen der Schmelzintensität in der Fügeebene befindet sich das darüber liegende Material also bereits in der Schmelze. Aus diesem Grund ist bei dieser Verfahrensvariante die Strahlfokussierung von entscheidender Bedeutung.

Durch Verwendung stark fokussierender Optiken kann im Material eine Intensitätsverteilung erreicht werden, bei der die Fügepartner im Fokusbereich aufschmelzen während die dem Laserstrahl zugewandte Bauteiloberfläche im festen Zustand verbleibt. Das Material wird beim Schweißen optisch nicht beeinträchtigt, so dass die Wärmeeinflusszone nur unter polarisiertem Licht sichtbar ist (Bild 2).

Verglichen mit der konventionellen Verfahrensvariante wird beim absorberfreien Schweißen ein größeres Materialvolumen aufgeschmolzen, woraus sich eine große Spaltüberbrückbarkeit (>200 µm) und folglich eine geringere Anforderung an die Maßhaltigkeit der Fügepartner ergibt. Bedingt durch die Orientierung der Wärmeeinflusszone entlang der Strahlachse, können trotz des großen Schmelzevolumens geringe Nahtbreiten von ca. 100 µm realisiert werden, die sich für das Schweißen kleiner Bauteile wie beispielsweise Mikrofluidikanwendungen eignen.

Durch den Verzicht auf Absorber kann das Einsatzfeld des Laserdurchstrahlschweißens um eine Vielzahl potentieller Applikationen erweitert werden. Insbesondere für Anwendungen, in denen Absorber aus wirtschaftlichen, technischen oder aus Gründen der Biokompatibilität nicht verwendet werden dürfen, stellt das Laserdurchstrahlschweißen mit neuen Wellenlängen eine Alternative zu den bisher eingesetzten  Fügeverfahren dar und konnte am Fraunhofer Institut für Lasertechnik bereits bei einer Vielzahl von Anwendungen erfolgreich umgesetzt werden.