Laserstrahlschweißen+von+Thermoplasten(laersko zavarivanje termoplasta)

7/26/2019 Laserstrahlschweien+von+Thermoplasten(laersko zavarivanje termoplasta)

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Laserstrahlschweienvon ThermoplastenTechnische Information

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www.ultrason.de

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Laserstrahlschweien von Thermoplasten

LASERSTRAHLSCHWEISSEN VON THERMOPLASTENberblick

berblick

Das Laserstrahlschweien von Thermoplasten ist eine Fge-

technik mit einer Reihe von Vorteilen, die nicht nur konventio-

nelle Schweiverfahren hervorragend ergnzt, sondern auch

eine wirtschaftliche Alternative zu klassischen Verbindungs-techniken wie Schrauben oder Kleben bieten kann.

Da nur die Fgezone erwrmt wird und dies ohne mecha-

nische Beanspruchung, ist das Verfahren schonend und

eignet sich damit auch fr besonders empfindliche Bauteile

z. B. in der Elektronik oder Medizintechnik.

In dieser technischen Information werden das Prinzip und

die gngigen Verfahrensvarianten des Laserstrahlschweiens

und die Anforderungen an die Werkstoffe beschrieben. Die

fr das Verfahren geeigneten Marken der unterschiedlichen

Polymerfamilien sind tabellarisch erfasst.

Vorteile

Das Laserstrahlschweien von Thermoplasten bietet gegen-

ber konventionellen Schweiverfahren wie Heizelement-,

Vibrations- oder Ultraschallschweien eine Reihe von ver-

fahrenstechnischen Vorteilen:

keine mechanische Beanspruchung der Formteile

geringer, rtlich begrenzter Wrmeeintrag Formteile mit extremen Steifigkeitsunterschieden

schweibar berhrungslos (kein Anhaften von Schmelze,

keine Markierungen auf Formteilen) Werkstoffe mit unterschiedlichen Viskositten schweibar nahezu verschleifreies Verfahren

Reparaturschweien mglich

Diesen Vorteilen steht gegenber, dass Werkstoff, Verarbei-

tung, Einfrbung und Zusatzstoffe einen greren Einflussauf das Schweiergebnis haben als bei konventionellen Ver-

fahren. Zum heutigen Zeitpunkt hat sich das Durchstrahl- bzw.

berlappschweien eindeutig als geeignetste Verfahrens-

variante durchgesetzt.

Prozessbeschreibung

Der Fgeprozess beim Laserstrahlschweien beruht auf der

Umwandlung von Strahlungsenergie in Wrme durch Absorp-

tion im Material und dadurch Bildung einer lokal begrenzten

Schmelze in der Fgezone ( Abb. 1). Eine geeignete Material-kombination ist daher die Grundvoraussetzung fr die An-

wendung des Durchstrahlverfahrens.

Die kurzwellige IR-Strahlung soll das obere transmittierende

Fgeteil mglichst ungehindert durchdringen und im unteren

Fgeteil in einer Tiefe von 0,1 bis 0,5 mm vollstndig absor-

biert und in Wrme umgewandelt werden (1). Durch den

Energieeintrag wird dieses Fgeteil im Bereich der Absorp-

tion erwrmt und aufgeschmolzen ( 2 ). Die Schmelzebildung

bewirkt eine Volumenvergrerung und berbrckung des

Fgespaltes. Durch den Kontakt wird die Wrmebertragung

zwischen den beiden Fgeteilen ermglicht ( 3 ). Infolge der

Wrmeleitung wird auch das fr die Laserstrahlung durch-

lssige Fgeteil aufgeschmolzen (4 ).

1. Absorbtion der Laserstrahlung,

Energieumwandlung

3. Kontakt der Schmelze mit dem

transmittierenden Fgepartner

4. Kontakterwrmung, Aufschmelzen

des transmittierenden Fgepartners

Laserstahl

absorbierendes

Material2. Aufschmelzen des absorbierenden

Fgepartners, Volumenzunahme

Laserstrahl

bertragendes

Material

geschmolzenes

Polymer

Abb. 1: Schematische Darstellung der Vorgnge beim Durchstrahl-

schweien


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3LASERSTRAHLSCHWEISSEN VON THERMOPLASTENStrahlungsquellen (Laser) und optische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen

Als Strahlungsquellen fr das Durchstrahlschweien vonKunststoffen ( Abb. 2 ) kommen aufgrund der erforderlichen

Transmission in erster Linie im kurzwelligen Infrarot-Bereich

emittierende

Festkrperlaser (Nd:YAG-Laser, = 1.064 nm) und

Hochleistungsdiodenlaser (= 800 - 1.000 nm) in Betracht.

Mittel- und langwellige IR-Strahlung wird von allen Poly-

meren, unabhngig von deren Gehalt an Fll- und Zusatz-

stoffen, in oberflchennahen Schichten vollstndig absorbiert.

Daher beschrnkt sich das Einsatzbegiet von CO2-Lasern(= 10.600 nm) auf das Schweien von Folien.

Strahlungsquellen ( Laser ) und optischeEigenschaften von Polymerwerkstoffen

Die Intensitt der Absorption wird sowohl vom Werkstoff undseinen Zustzen als auch von der Wellenlnge der Strahlungs-

quelle bestimmt. Durch gezielte Modifikation lassen sich die

strahlungsoptischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen

in bestimmten Grenzen an die jeweiligen Anforderungen an-

passen. Absorptionsspektren geben Auskunft ber die

Umsetzung der eingestrahlten Energie in Abhngigkeit der

Wellenlnge. Der Grad der Reflexion und Transmission in Ab-

hngigkeit der Wellenlnge ist in Reflexions- bzw. Transmis-

sionsspektren zu erkennen (Abb. 2).

Abb. 3: Einflussfaktoren auf die E indringt iefe der Laserstrahlung in

den Kunststoff und die Schweinahtqualitt

Hochleistungsdiodenlaser der neuesten Generation zeichnensich durch ihre Kompaktheit, Wirtschaftlichkeit und einen

hohen Wirkungsgrad aus, sind allerdings in der Fokussier-

barkeit eingeschrnkt und daher nicht fr alle Verfahrensvari-

anten geeignet.

Einflussgren und wichtige Prozessparameter

Thermoplaste mit geringer Absorption eignen sich gut fr

Laserstrahlschweiung, wenn sie mit einem chemisch gut ver-

trglichen, absorbierenden Material kombiniert werden. Dahersind beim Durchstrahlschweien die Laserleistung und der

laserdurchlssige Werkstoff so einzustellen, dass nach der

Transmission der Laserstrahlung eine fr das Aufschmelzen

des absorbierenden Werkstoffs ausreichende Energiedichte

vorhanden ist.

Die optische Eindringtiefe der Laserstrahlung in den Kunststoff

hngt von einer Vielzahl von Einflussfaktoren ab ( Abb. 3 ), z. B.

der Wellenlnge der Laserstrahlung

der chemischen Zusammensetzung der Morphologie und der Art und Menge der Zusatzstoffe

( Fasern, Farbmittel, Weichmacher und Fllstoffe).

Polymer

spektrale Absorption

molekularer Aufbau

Kristallisation / Kristallitgre

Fllstoffe (Glasfasern, Ru)Farbmittel

Additive (z. B. Brandschutzmittel )

Feuchteanteil

Wrmeleitfhigkeit /-kapazitt

Schmelzwrme /-temperatur

Verdampfungswrme

Oberflchenbeschaffenheit

Wellenlnge

Energiedichte

Schwei-

technik

Schweige-

schwindigkeit

Form

Wandstrke

Spannvor-

richtung

Verarbeitung

Spaltweite

Abb. 2: Reflexions- und Transmissionsspektrum einer 2 mm

dicken UltramidA - Platte

0

Wellenlnge [nm]

1.000 10.000

100

60

40

20

80Nd:YAG-Laser

Transmissionsgrad [ %]

Reflektionsgrad [ %]

Diodenlaser

CO2-Laser


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4 LASERSTRAHLSCHWEISSEN VON THERMOPLASTENGeeignete Werkstoffe

Morphologie

Amorphe Thermoplaste absorbieren nur einen geringen Anteil

der einfallenden Laserstrahlung, sodass theoretisch optischeEindringtiefen von 100 mm und mehr erreicht werden knnen.

Teilkristalline Thermoplaste zeigen dagegen deutlich andere

optische Eigenschaften. Die dort vorhandenen kristallinen

berstrukturen (z. B. Sphrolithe) bewirken eine Streuung der

Laserstrahlung.

Fll- und Verstrkungsstoffe

In der Regel beinhalten technische Kunststoffe Fll- und Ver-

strkungsstoffe, die eine Streuung oder auch Absorption der

einfallenden IR-Strahlung bewirken knnen. Obwohl Glas-

fasern als solche fr IR-Strahlung durchlssig sind, fhrt dieStreuung der Strahlung an den vielen Grenzschichten zwi-

schen den Fasern und der Matrix zu einer Verlngerung des

optischen Weges und damit zu einer reduzierten Transmision.

Bei farbigen Kunststoffen spielt der Pigment- bzw. Farbstoff-

gehalt eine wichtige Rolle. Je kleiner die Eindringtiefe der

Strahlung ist, um so grer ist die Gefahr von Materialsch-

digungen. Bei einem geringeren Pigmentanteil kann davon

ausgegangen werden, dass das absorbierende Fgeteil ohne

thermische Materialschdigung tiefer aufgeschmolzen werden

kann. Die hieraus resultierende grere Volumenausdehnung

fhrt zu einer Verlngerung des Schmelzekontaktes und damit

zu einer Erhhung der Schweinahtfestigkeit. Somit kann

durch die Einarbeitung von Fllstoffen und /oder Pigmenten

das Absorptions- bzw. Transmissionsverhalten angepasst

werden bis hin zu dem Extrem einer Oberflchenabsorption

in Schichten von wenigen Mikrometern.

Durch gezielte Einarbeitung von speziellen Zustzen ist es

mglich, farbige Kunststoffe herzustellen, die fr das mensch-

liche Auge gleich aussehen, aber dennoch das fr dasDurchstrahlschweien notwendige unterschiedliche Absorp-

tionsverhalten aufweisen.

Prozessparameter

Bezglich der Vorschubgeschwindigkeit und der Laserleistung

kann von physikalischen Grenzen ausgegangen werden, ab

der keine qualitativ hochwertige Schweinaht mehr mglich

ist. Eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit bzw. zu geringe

Laserleistung ist nachteilig, da die zum Schweien erforderli-

chen Diffusionsvorgnge eine bestimmte Temperatureinwirk-

zeit erfordern. Eine zu geringe Vorschubgeschwindigkeit bzw.eine zu groe Laserleistung kann dagegen zu einer Zerset-

zung bzw. Zerfall des Materials fhren.

Geeignete Werkstoffe

Amorphe Thermoplaste wie PSU weisen oft ideale Trans-

missionseigenschaften im blicherweise verwendeten Wellen-lngenbereich auf. Dagegen knnen teilkristalline Thermo-

plaste wie PA, PBT oder POM, bereits im Naturzustand

einen nicht unerheblichen Anteil der Laserenergie absorbie-

ren bzw. reflektieren ( Tabelle 1).

Optische

Eigenschaften Schweiverhalten

Ultramid( PA ) + ++

Ultradur( PBT ) o +

Ultraform( POM ) + ++

UltradurLUX

( transmissions-

optimiertes PBT )

+ ++

UltrasonS ( PSU ) ++ ++

Tab. 1: Eignung verschiedener Thermoplaste fr das Laserstrahl-

schweien

++ = sehr gut, + = gut, o = befriedigend

Verfahrensvarianten

Heute stehen dem Anwender mehrere Verfahrensvarianten

zur Verfgung, die alle auf dem Durchstrahlprinzip beruhen.

Welche Variante am vorteilhaftesten ist, hngt von den jewei-

ligen Anforderungen ab ( Tabelle 2). Nachfolgend werden

die Verfahren mit ihren typischen Merkmalen beschrieben.

Konturschweien

Das Konturschweien stellt einen sequenziellen Schweipro-

zess dar, bei dem entweder der Laserstrahl entlang einer frei

programmierbaren Nahtkontur gefhrt oder das Bauteil relativ

zum fest installierten Laser bewegt wird (Abb. 4).

Fr diese Verfahrensvariante bieten sich fasergekoppelte

Lasersysteme mit einem runden Strahlquerschnitt an. Die

Schweinahtbreite lsst sich je nach Lasertyp und Optik zwi-

schen wenigen Zehntel Millimetern und einigen Mil limetern

variieren.

Das Verfahren ermglicht das Verschweien von Bauteilen

mit komplexen, dreidimensionalen Fgenahtkonturen ohne

Austrieb von Schmelze. Auerdem ist ein schneller Wechsel

zwischen verschiedenen Bauteilgeometrien mglich.

Diese Variante erlaubt nur einen geringen Fgespalt, weil die

Naht nur sequenziell als Schmelze vorliegt und kein Fgeweg

realisiert werden kann.


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5LASERSTRAHLSCHWEISSEN VON THERMOPLASTENVerfahr ensvarianten

Simultanschweien

Beim Simultanschweien wird die linienfrmig emittierte

Strahlung einzelner Hochleistungsdioden entlang der zuschweienden Nahtkontur angeordnet ( Abb. 5). Das Auf-

schmelzen und Verschweien der gesamten Kontur erfolgt

somit zeitgleich. Die Anzahl der erforderlichen Dioden

richtet sich nach der Bauteildimension und der zum Ver-

schweien notwendigen Leistung.

Das Verfahren erfordert keine Relativbewegung zwischen

Bauteil und Laserstrahl. Ein Handhabungssystem zur Strahl-

fhrung entfllt. Dafr erfordert eine nderung der Fgenah-

kontur bzw. des Designs eine Neuanordnung der Laserdioden

bzw. ein neues Schweiwerkzeug. Die Schweinahtgeome-trie ist zur Zeit noch auf Konturen beschrnkt, die aus gera-

den Linien aufgebaut sind.

Das Aufbringen eines Anpressdrucks auf die Fgenahtkontur

whrend des Schweiprozesses ermglicht die Erzeugung

eines Fgeweges. Hierdurch lassen sich Verformung, Teile-

toleranzen oder Einfallstellen im Bereich der Schweinaht

ausgleichen.

Das Simultanschweien zeichnet sich durch kurze Prozess-

zeiten aus. Damit eignet es sich besonders fr die Bearbei-

tung groer Serien.

Quasi - Simultanschweien oder Scan -( Abtast-)Schweien

Das Quasi-Simultanschweien stellt eine Kombination aus

dem Kontur- und dem Simultanschweien dar (Abb. 6). Der

Laserstrahl wird mit Hilfe von galvanometrischen Spiegeln

(Scannern) mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von 10 m /s

und mehr entlang der Schweinahtkontur gefhrt. Durch die

hohe Verfahrgeschwindigkeit wird der Fgebereich nach und

nach erwrmt und aufgeschmolzen. Gegenber dem Simul-tanschweien besteht eine hohe Flexibilitt bei Vernderun-

gen der Schweinahtkontur.

Der Einsatzbereich von Quasi-Simultanschweien ist auf Bau-

teile mit Abmessungen von maximal 200 mm x 200 mm und

nahezu ebenen Schweinahtkonturen beschrnkt. Wie beim

Simultanschweien knnen durch das Aufbringen eines An-

pressdrucks whrend des Schweiprozesses Formteiltole-

ranzen ausgeglichen werden. Die Prozesszeiten sind lnger

als beim Simultanschweien, aber krzer als beim Kontur-

schweien.

Die langen Ablenkwege und die Verwendung von Scanner-

spiegeln erfordern Laserquellen mit einer hohen Strahlqualitt.

Aus diesem Grund werden Nd:YAG-Laser verwendet.

Abb. 5: Schematische Darstellung des Simultanschweiens

Abb. 4: Schematische Darstellung des Konturschweiens

Abb. 6: Schematische Darstellung des Quasi-Simultanschweiens


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6 LASERSTRAHLSCHWEISSEN VON THERMOPLASTENSicherheit und Umwelt

LaserstrahlungV

Maske

Abb. 7: Schematische Darstellung des Maskenschweiens

Konturschweien Simultanschweien Quasi-

Simultanschweien Maskenschweien

Flexibilitt sehr hoch gering hoch gering

Schweizeit lang kurz mittel mittel-lang

Komplexitt der Nahtkontur sehr hoch mittel hoch mittel

Toleranzausgleich keiner mglich mglich keinerAnlagekosten mittel sehr hoch hoch mittel-hoch

Einsetzbarer Lasertyp Nd:YAG; Dioden Dioden Nd:YAG Dioden

Tab. 2: Vergleich der Verfahrensvarianten fr Laserschweien

Maskenschweien

Das Maskenschweien ist das neueste Verfahren, bei dem

ein linienfrmiger Laserstrahl quer ber die zu fgenden Teile

bewegt wird ( Abb. 7 ). Durch eine Maske wird die Strahlunggezielt abgeschattet und trifft nur dort, wo geschweit werden

soll, auf die Fgeflche. Das Verfahren erlaubt die Herstellung

sehr exakt positionierter Schweinhte.

Durch feinste Strukturen in der Maske wird eine sehr hohe

Auflsung erzielt, die Schweinhte von 10 m Breite ermg-

licht. In einem Arbeitsgang lassen sich gerade und gekrmmte

Linien unterschiedlicher Breite erzeugen sowie flchige Partien

verschweien. Das Einsatzgebiet dieser Verfahrensvariante

liegt daher bevorzugt im Bereich von Sensoren, Chips und

elektronischen Bauelementen sowie der Mikrosystemtechnik.nderungen in der Schweinahtgeometrie erfordern jedoch

die Herstellung einer neuen Maske.

Sicherheit und Umwelt

In der Regel entstehen whrend eines sachgem durchge-

fhrten Schweivorgangs polymerer Werkstoffe nur sehr

geringe Mengen an gasfrmigen Emissionen. Trotzdem wirdempfohlen, eine ausreichend dimensionierte Absaug- und

Filtertechnik zu installieren, da die Abgase auer den un-

schdlichen Hauptbestandteilen CO2und H

2O auch toxische

Bestandteile in geringer Konzentration enthalten knnen.

Grundstzlich sind beim Umgang mit Lasern die entspre-

chenden Vorschriften, z. B. die Unfallverhtungsvorschriften

der Berufsgenossenschaften, einzuhalten, da bereits dieStreustrahlung des Lasers Augen und Haut gefhrden kann.


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Zur Beachtung

Die Angaben in dieser Druckschrift basieren auf unseren derzeitigen Kenntnissen

und Erfahrungen. Sie befreien den Verarbeiter wegen der Flle mglicher Einflsse

bei Verarbeitung und Anwendung unseres Produktes nicht von eigenen Prfungen

und Versuchen. Eine Garantie bestimmter Eigenschaften oder die Eignung des Pro-

duktes fr einen konkreten Einsatzzweck kann aus unseren Angaben nicht abge-

leitet werden. Alle hierin vorliegenden Beschreibungen, Zeichnungen, Fotografien,

Daten, Verhltnisse, Gewichte u. . knnen sich ohne Vorankndigung ndern und

stellen nicht die vertraglich vereinbarte Beschaffenheit des Produktes dar. Etwaige

Schutzrechte sowie bestehende Gesetze und Bestimmungen sind vom Empfnger

unseres Produktes in eigener Verantwortung zu beachten. ( Mai 2013 )

=

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