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So geht Laserschweißen auch ohne Absorber

Im Projekt Sequlas entstand ein elektronisch überwachter Prozess zum schonenden, hochpräzisen Laserdurchstrahlschweißen von kleinen Kunststoffbauteilen für die Medizintechnik. Hier im Bild: Mikrofluidischer Chip der Fa. Bartels Mikrotechnik. Foto: Fraunhofer ILT

Laserschweißen absorberfreier Thermoplaste durch segmentale Quasisimultanbestrahlung: NRW-Leitmarktprojekt Sequlas bringt neues Fügeverfahren hervor.

Laserschweißen ganz ohne Absorber wie Ruß? Dass das geht hat das NRW-Leitmarktprojekt Sequlas bewiesen. Das Ergebnis ist ein neues Fügeverfahren, mit dem selbst kleinste Schweißnähte in transparenten Kunststoffbauteilen erzeugt werden können. Entwickelt wurde das ganze vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und drei weiteren Industriepartnern.

Das Verfahren baut auf einem sogenannten Thulium-Faserlaser auf. Dieser hat einen besonderen Vorteil: Da Kunststoffe die entsprechende Wellenlänge gut absorbieren, kommt der Prozess ohne zusätzlich Absorber wie Ruß aus. Das ist insbesondere für die Medizintechnik interessant.  

Grenzen konventioneller Fügetechnik

Gerade im Life-Science-Bereich haben sich mikrofluidische Chips beim Transport, der Mischung und Filterung von kleinsten Flüssigkeitsmengen bewährt. Diese enthalten sogenannte Mikrokanäle. Diese mediendicht zu verkapseln ist sehr aufwendig. Hier kommt die konventionelle Fügtechnik im Mikrometerbereich an ihre Grenzen. Abhilfe schafft das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen, kurz LDS. Eingesetzt werden hier Strahlquellen im nahen Infrarot (NIR)-Bereich.

Beim neu entwickelten Fügeverfahren wird ein Thulium-Faserlaser eingesetzt. So lassen sich etwa Mikrofluidikbauteile hochpräzise Schweißen. Foto: Fraunhofer ILT

Laserschweißen ganz ohne Absorbermaterial

2017 startete das Fraunhofer ILT mit der Aachener Amtron GmbH, der Attendorner Ortmann Digitaltechnik GmbH und der Dortmunder Bartels Mikrotechnik GmbH das Projekt Sequlas. Gefördert im Rahmen des Programms „Produktion.NRW“ der Leitmarkt Agentur NRW. Das Akronym steht für die „segmentale Quasisimultan-Laserbestrahlung“. Bei dieser wird als Strahlquelle ein Thulium-Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1940 nm verwendet. In diesem Wellenlängenbereich besitzen Kunststoffe eine natürliche Absorption. Absorbermaterial wie Ruß ist nicht nötig. So wird die Transparenz des Chips bei der Laserbearbeitung nicht beeinträchtigt.

Doch auch hier gibt es einen Haken: Durch die Volumenabsorption entsteht eine Wärmeeinflusszone (WEZ), die sich vertikal über den gesamten Bauteilquerschnitt erstreckt. Durch das wärmebedingte Ausbreiten des Materials während des Aufschmelzvorgangs bilden sich oftmals Lunker und Risse. Sie sorgen im Nahtgefüge für undichte Stellen. Insbesondere bei flachen Bauteilen besteht so die Gefahr, dass sich der Werkstoff verzieht.

Quasisimultanes Bestrahlen schont das Material

Um das vertikale Ausdehnen der Wärmeeinflusszone zu verringern, bietet sich das quasisimultane Bestrahlen an. Hier wird ein Laserstrahl mit Hilfe eines Scannersystems sehr schnell mehrmals entlang der Schweißkontur geführt. Die gesamte Nahtkontur wird simultan erwärmt. Verfahren wie Konturschweißen würden diese nur sequentiell aufschmelzen.

Anhand von Versuchen mit Bauteilen aus PC konnte das Fraunhofer ILT nachweisen, dass während des Schweißprozesses die Wärme an den Außenflächen abgeführt wird. Gleichzeitig findet im Materialinneren eine Wärmeakkumulation statt. Die vielen  Überfahrten und das schnelle Scannen verringern zudem das vertikale Ausdehnen der Wärmeeinflusszone um bis zu 30 % gegenüber dem Konturschweißen.

Thermischen Schäden frühzeitig erfassen

Im zweiten Schritt entwickelten die Projektpartner eine Prozessregelung für den Laserschweißprozess. Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst hier während des Schweißprozesses die Temperatur im Bauteil. Das Messsignals wird mit der Position der Scannerspiegel gekoppelt. So wird eine ortsaufgelöste Aufnahme der Wärmeverteilung im Bauteil möglich. Auf diese Weise lassen sich thermische Schäden schon während des Schweißprozesses erfassen und zielgenau lokalisieren. Der neu entwickelte Schweißprozess kann daher schnell auf Temperaturabweichungen reagieren und die Laserleistung entsprechend regeln. Homogene Nahteigenschaften lassen sich entlang der Nahtkontur sicherstellen.

Bereits im Februar dieses Jahres wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen. „Sequlas – Laserschweißen absorberfreier Thermoplaste durch segmentale Quasisimultanbestrahlung“ lief insgesamt drei Jahren und wurde mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.

db