Nachdem technische Fortschritte heute die Realisierung erleichtern, könnte das Laser-Stumpfschweißen nun seinen Durchbruch erleben.

Weiterentwickeltes Laser-Stumpfschweißen zum Fügen hochwandiger und  materialgleicher Bauteile

Halbleiterlaser, Diodenlaser

Photonik

Laserschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Laserschweißanlagen

Verbindungstechnik

Schweißanlagen

Lasertechnik

Polymethylmethacrylat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Polycarbonat

Von den Enden her geschweißt

Berührungssensitive Beleuchtungsmodule, die handtellergroß und etwa so dünn wie eine Streichholzschachtel sind, können dank digitaler Steuerung veränderliche Lichtmosaike erzeugen.

Leuchtende Mosaike mit laserverschweißten Elektronikmodulen

Elektronik-Fertigung

Elektronik

Farben per Fingertipp

Bereits vor zwanzig Jahren begann das Unternehmen LPKF, den Laser als Werkzeug einzusetzen, um Kunststoffbauteile sicher und staubfrei, materialfest und hygienisch zu verbinden.

Zwanzig Jahre Laser-Kunststoffschweißen

Kunststoffverarbeitungsmaschinen

Unternehmen

kunststoffe.de

Technologie-Pionier LPKF feiert Jubiläum

Automatisierte Laserprozesse stellen eine Möglichkeit dar, bei der Reparatur von carbonfaserverstärkte Kunststoffen (CFK) eine stärkere Automatisierung zu realisieren.

Automatisierte Reparatur von carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Kohlenstofffasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Laser statt Handarbeit

Transparente Funktions- und Designelemente setzen sich oftmals aus Glas- und Kunststoffmaterialien zusammen. Sie mithilfe von Klebstoffen oder Haftvermittlern zu verbinden, kann jedoch problematisch sein, da Klebstoffe nur bedingt alterungsbeständig sind und Glas meist schlecht benetzbar ist. Ein zweistufiges Verfahren, bei dem ein Laser zunächst mikro- und nanoskalige Strukturen im Glas erzeugt, in die später Kunststoffschmelze eindringen kann, erlaubt hochfeste Hybridverbindungen.

Neuartige Glas-Kunststoff-Hybridverbindungen mittels präziser Laserstrukturierung

Hybridtechnik

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Laserstrukturieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Glas und Kunststoff vereint

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Compound

Automotive

Vibrationsschweißen

Hybridwerkstoffe

Recycling

Umweltmanagement

Polyamide

Technische Kunststoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Laserauftragsschweißen

Kunststofffasern

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Das Verschweißen klar-transparenter Bauteile über Laser war bisher nicht möglich, weil diese Kunststoffe den Laserstrahl nicht absorbieren. Ein neues Verfahren arbeitet mit dem Auftrag einer speziellen Dispersion, womit sich nahezu unsichtbare Schweißnähte erzielen lassen. 

Breites Einsatzspektrum: Laserschweißen transparenter Bauteile 

Besonders die Maskentechnik, eine Verfahrensvariante des Laserschweißens, hat sich für den Einsatz in der Mikrotechnik als geeignet erwiesen. In grundlegenden Arbeiten am IKV Aachen wurde untersucht, welche Strukturabmessungen sich noch mit der Maskentechnik realisieren lassen und wie sich dabei unterschiedliche Schweißparameter auswirken. Zudem konnte die Eignung dieses Verfahrens für das Schweißen einer komplexen Mikrofluidikstruktur gezeigt werden. 

Anwendung der Maskentechnik beim Laserschweißen mikrostrukturierter Kunststoffbauteile 

Als Strahlquelle beim Kunststoffschweißen kamen bislang vorwiegend Diodenlaser zum Einsatz. Dank der Weiterentwicklungen im Bereich der Faserlaser lässt sich das Spektrum des Kunststoffschweißens enorm erweitern. 

Schweißen: Laserstrahlen präzise geleitet 

Die große Auswahl an Kunststoffkombinationen in Verbindung mit einer stetig wachsenden Farbvielfalt zieht permanent Weiterentwicklungen in der Laserschweißtechnik nach sich. Das Fügeverfahren ist mittlerweile in fast allen gängigen Bereichen einsetzbar. 

Diodenlaser: Vielfältig im Verbinden 

Trotz der enormen Vielfalt an bestehenden Verbindungselementen und Verarbeitungsverfahren erdenkt die Branche auf der Suche nach Marktlücken stetig neue Elemente sowie Geräte für den manuellen oder automatischen Fügebetrieb. Dabei gilt es, den dringenden Wunsch nach kostengünstiger Montage zu erfüllen und auf unterschiedliche Anforderungen spezieller Applikationen einzugehen. 

Schmelzschweißen

Schraubtechnik

Fügetechnik (Messebericht Fakuma 2009): Verbinden und Lösen 

Ballondilatationskatheter dienen zur Erweiterung der Herzkranzgefäße und müssen nicht nur dicht sein, sondern unterliegen auch engen Toleranzen. Ein CO2-Laser, integriert in einer Schweißanlage, setzt die Anforderungen in der Serienproduktion um und sichert einen stabilen Prozess in kurzen Taktzeiten. 

Medizintechnik

Medizintechnik: Rundum dicht 

Infusionspumpen dienen dem Verabreichen von Medikamenten und müssen daher genau dosieren. Daraus resultieren höchste Ansprüche an die Fertigung. Eine neue, physikalisch angetriebene Pumpe wird jetzt serienmäßig im Laserdurchstrahlschweißen gefügt. 

Medizintechnik: Eine saubere Verbindung 

Das Heißverstemmen mit Laser ist ein neues Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile durch plastische Deformation eines der beiden Bauteile. Dabei bietet die robuste und ausgereifte Basistechnologie des Laserdurchstrahlschweißens die erforderliche Sicherheit beim Einsatz in der automatisierten Fertigung. 

Lasertechnik: Nieten mit Licht 

Mit thermischen Fügeverfahren lassen sich ausgewählte Kunststoff-Metall-Verbindungen mit hohen Festigkeiten realisieren. Im Rahmen eines Exzellenzclusters der RWTH Aachen wurden die Grundlagen für einen verbesserten Prozess im Vergleich zu den bisher vorhandenen Fügeverfahren geschaffen. Besonders dem Leichtbau eröffnen diese Verfahren neue Konstruktionsmöglichkeiten. 

Verbindungstechnik, hybride

Leichtbau: Starke Verbindung ungleicher Partner 

Glasfaserverstärktes Polyphenylensulfid  gefügig gemacht

Laserschweißtechnik auch bei höher gefüllten PPS-Typen anwendbar

Hochleistungspolymere ersetzen gerade in der Automobilindustrie zunehmend Baugruppen aus Metall und konventionellen technischen Kunststoffen, stellen aber aufgrund ihrer Eigenschaften oft neue Herausforderungen an die Verbindungstechnik. Mit neuartiger Lasersystemtechnik lassen sich auch anspruchsvolle Materialien fügen.

Dank ihrer überlegenen Eigenschaften, wie hohe Hitze- und Chemikalienbeständigkeit, niedriges Gewicht und Dimensionsstabilität, ersetzen Hochleistungspolymere zunehmend Baugruppen aus Metall und konventionellen technischen Kunststoffen. Begünstigt wird dieser Trend insbesondere in der Automobilindustrie durch die steigende Systemkomplexität und Integration von Funktionalitäten bei gleichzeitiger Forderung nach Bauraum- und Gewichtsreduzierung.

Nicht zuletzt zwingt die global immer strenger werdende Emissionsgesetzgebung zu weiteren Maßnahmen, den Kraftstoffverbrauch und damit das Fahrzeuggewicht zu senken und treibt die Entwicklung von neuen Antriebskonzepten für die Elektromobilität voran.

Typische Einsatzgebiete für Hochleistungskunststoffe sind Anwendungen mit hoher thermischer und mechanischer Belastung entlang des gesamten Motor- und Antriebsstrangs, Baugruppen und Medienleitungen für das Thermomanagement, aber auch Komponenten speziell für die Elektromobilität, wie Batterieträger, Aktuatoren oder elektrische und elektronische Systeme im Allgemeinen.

Als ein Vertreter dieser Hightech-Materialien ist Polyphenylensulfid (PPS) ein hochstabiles, teilkristallines Polymer mit einem bemerkenswerten Grad an molekularer Stabilität gegenüber thermischem Abbau, Chemikalien und Heißwasser. Neben dieser einzigartigen Kombination an Eigenschaften ist es bekannt für die präzise Spritzgießbarkeit mit engen Toleranzen, geringes Kriechverhalten und inhärente Nichtentflammbarkeit (UL94 V-0), die den Einsatz von Flammschutzmitteln überflüssig macht. Bild 1 zeigt beispielhaft eine Wasserpumpe, die in hochbelasteten Bereichen Komponenten aus DIC.PPS enthält.

Neben den Materialeigenschaften sind auch Verbindungstechnologien wie das Laserkunststoffschweißen gefragt, die diesen Anforderungen gerecht werden. So ließ sich PPS bisher aufgrund seiner optischen Eigenschaften nur bedingt mittels Laserstrahlung fügen. In einem gemeinschaftlichen Projekt der Bühler Motor GmbH, der DIC Corporation sowie der Evosys Laser GmbH konnte gezeigt werden, dass mit einer neuartigen Lasersystemtechnik auch ein anspruchsvolles Material wie PPS prozesssicher verbunden werden kann.

Um den Anforderungen an ein dichtes Packaging bei elektronischen Baugruppen und anderen Anwendungen gerecht zu werden, sollte die verwendete Verbindungstechnik die Gestaltungsfreiheit nicht einschränken. Sie sollte außerdem eine partikelfreie, mediendichte und robuste Verbindung sicherstellen und empfindliche, elektronische Baugruppen einer möglichst geringen mechanischen Belastung im Fügeprozess aussetzen.

Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen hat sich unter diesen Gesichtspunkten bereits als ein ideales und häufig auch alternativloses Verfahren etabliert. Dabei wird ein für die Laserstrahlung transparenter mit einem laserabsorbierenden Fügepartner im Überlappstoß verbunden. Der Laserstrahl wird durch das lasertransparente Formteil hindurch auf das absorbierende fokussiert, wodurch dieses oberflächlich aufschmilzt. Durch das Aufeinanderpressen der beiden Komponenten wird das lasertransparente Kunststoffteil über Wärmleitung ebenfalls plastifiziert, so dass eine stabile, stoffschlüssige Verbindung entsteht (Titelbild).

Laserschweißen von Glasfaser-gefüllten Materialien

Die meisten thermoplastischen Polymere sind ungefüllt für den Wellenlängenbereich der üblicherweise eingesetzten Laserquellen (typischerweise 808–1064nm) transmissiv genug, um als lasertransparenter Fügepartner eingesetzt werden zu können. Dagegen wird das gewünschte Absorptionsverhalten meist durch die Zugabe von Additiven realisiert, im einfachsten Fall mittels Partikelruß. Eine typische Überlappkonfiguration aus lasertransparentem (natur) und laserabsorbierendem Fügepartner (schwarz) ist in Bild 2 anhand von lasergeschweißten PPS-Musterplatten der DIC Corporation dargestellt.

Diese Abhängigkeit von der optischen Beschaffenheit der Fügeteile ist es jedoch, die das Laserschweißen von Hochleistungskunststoffen zu einer anspruchsvollen Aufgabe macht. Denn sie weisen material- und vorprozessbedingt häufig schon ungefüllt eine sehr niedrige Transparenz für die Laserstrahlung auf, beispielsweise aufgrund ihrer Gefügestruktur. Eine Füllung mit Glasfasern verschlechtert die optischen Eigenschaften des transparenten Fügepartners zusätzlich, da die Laserstrahlung vermehrt an den Fasern reflektiert und gestreut wird. Dadurch wird das Strahlprofil räumlich aufgeweitet, sodass die Strahlungsintensität sowie der Energieeintrag in die Fügezone abnehmen. Bezogen auf die gleiche Fläche im Schweißbereich bedeutet das konkret, dass der Anteil der transmittierten Strahlung sinkt – dies stellt eine zusätzliche Herausforderung für den Schweißprozess dar.

Um den herausfordernden Prozessbedingungen gerecht zu werden, hat Evosys für anspruchsvolle Anwendungen ein Maßnahmenpaket entwickelt, das ein besonderes optisches System (Next Generation Optics, NGO) mit einer speziellen Prozessführung kombiniert, die Bestrahlungsstrategie und Energieeintrag in die Baugruppe verbessern [1]. Gemeinsam mit der DIC Corporation hat Evosys hierzu bereits Ergebnisse von Versuchen an DIC.PPS veröffentlicht, die die Wirksamkeit und bessere Schweißnahtqualität in Verbindung mit NGO belegen – u. a. charakterisiert durch höhere Nahtfestigkeiten und kürzere Prozesszeiten [2]. Das Material hat sich seit mehr als 30 Jahren als ein Hochleistungswerkstoff der Wahl für eine breite Palette von Anwendungen erwiesen, der es Technikern ermöglicht, erhebliche Kosteneinsparungen in den Marktsegmenten Automobil, Elektro & Elektronik sowie Haushaltsgeräte und in der Lebensmittelindustrie zu erzielen.

Untersuchung unterschiedlich gefüllter Typen

Die Schweißversuche erfolgten an dem Compound DIC.PPS FZ-2115, eine mit 15 % Glasfasern gefüllte Spezialität basierend auf linearem PPS, die eine sehr niedrige Viskosität aufweist und somit ein dünnwandiges Spritzgießen ermöglicht. Aufgrund der guten Ergebnisse war der nächste Schritt, die Tests zusätzlich auf DIC.PPS FZ-2140 zu erweitern, das mit 40 % Glasfaserfüllung ein typisches PPS-Standardmaterial darstellt und wegen seiner ausgewogenen Eigenschaften in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt wird. Es weist allerdings eine etwa 15 % schlechtere Transmission auf als das weniger gefüllte Compound (Bild 3, gemessen mit einem Prüfgerät vom Typ Pictor Planar der Intego GmbH, Erlangen), was bei gleichen Laserparametern einen entsprechend geringeren Energieeintrag in die Fügezone bedeutet. Grundsätzlich sollte die Lasertransmission für das lasertransparente Bauteil und für eine herkömmliche Lasersystemtechnik jedoch einen Wert von mindestens 20 % aufweisen, um die Komponenten prozesssicher fügen zu können.

Daher führten die Partner wiederum bei Evosys eine erweiterte Versuchsreihe an einer konkreten Automotive-Anwendung durch. Die Schweißaufgabe bestand darin, ein flächiges, freigeformtes Oberteil mit einem Unterteil im Überlappstoß zu verbinden. Die Fügeschnittstelle besteht aus mehreren, komplex geformten Segmenten, die durch Schweißstege mit einer 3D-Geometrie realisiert werden. Das heißt, die Schweißnahtkontur verläuft nicht nur in der (horizontalen) Ebene, sondern erhebt sich auch in vertikale Richtung. Die zu durchstrahlende Stärke des oberen Fügepartners sowie die Schweißstegbreite beträgt ca. 1 mm bei einer gesamten Nahtlänge von etwa 100 mm. Neben dem Laserschweißen wurde auch das Ultraschallschweißen als alternatives Fügeverfahren getestet, wobei sich das Laserschweißen aber besonders wegen der höheren Flexibilität bezüglich der Schweißnahtgeometrie, der einfacheren Systemtechnik und der mechanisch schonenden, vibrationsfreien Bearbeitung der empfindlichen Baugruppe als bevorzugter Prozess erwiesen hat.

Die eingesetzten Materialien waren für den lasertransparenten Fügepartner die genannten, naturfarbenen Compounds DIC.PPC FZ-2115 sowie DIC.PPS FZ-2140. Die zweite Komponente bestand aus dem schwarzen Material DIC.PPS FZ-2140 Black, das eine hohe Absorption für die Laserstrahlung aufweist.

Als Verfahrensvarianten wurde das Konturschweißen sowie das Quasi-Simultanschweißen mit kontrolliertem Fügeweg gewählt und die Prozessparameter Laserleistung, Laservorschub, Spanndruck sowie Fügeweg in verschiedenen Kombinationen variiert. Die optische Konfiguration bestand aus einem Diodenlaser mit 980 nm Wellenlänge als Strahlquelle, der NGO als Teil der Strahlformung und einem Galvanometerscanner mit Planfeldoptik zur Strahlführung. Im Anschluss wurde die Nahtqualität anhand einer fraktographischen Analyse, Schliffbildern und den erzielbaren Abzugskräften des Oberteils durch Bühler Motor bewertet. Die Ergebnisse dieser mechanischen Prüfung sind im Vergleich zwischen den unterschiedlich gefüllten Materialien sowie den Verfahren Ultraschall- und Laserschweißen (jeweils mit optimalen Parametern) in Bild 4 bzw. Bild 5 dargestellt.

Die Resultate zeigen zum einen, dass sich die Abzugskräfte durch den erhöhten Glasfaseranteil nicht verschlechtern, sondern bei vergleichbarem Fügeweg für DIC.PPS FZ-2140 sogar erhöhen. Ein maßgeblicher Einfluss können hier die mechanischen Eigenschaften des Materials selbst sein, die sich z. B. auf die Verformung und den Spannungsverlauf im Bauteil bei der Prüfung vorteilhaft auswirken (etwa die höhere Steifigkeit). Dennoch kann hervorgehoben werden, dass mit NGO bei gleicher Schweißzeit lediglich ca. 10 % mehr Laserleistung nötig war, um die schlechtere Transmission des mit 40 % Glasfasern gefüllten Materials zu kompensieren und einen vergleichbaren Fügeweg zu erzielen. Diese moderate Leistungserhöhung führte auch zu keinen für den Schweißprozess nachteiligen Effekten, wie z. B. Verbrennungen an der Bauteiloberfläche. Auch hier wirkt sich die homogene Bestrahlungsstrategie mittels NGO nachweislich positiv aus.

Zum anderen weisen die lasergeschweißten Muster deutlich höhere Abzugskräfte im Vergleich zu den ultraschallgeschweißten Baugruppen auf und übertreffen diese bei jeweils optimal gewählten Parametern um bis zu 40 % für DIC.PPS FZ-2140. Neben verfahrenstechnischen Vorteilen, wie größere Designfreiheit, sehr flexible Systemtechnik sowie mechanisch schonende Materialbearbeitung, bietet das Laserschweißen also auch ein deutliches Plus an Schweißnahtqualität.

Das Laserkunststoffschweißen hat sich aufgrund seiner Vorteile in vielen Anwendungsfeldern bereits als bevorzugtes Fügeverfahren etabliert. Die Next Generation Optics (NGO) von Evosys erlaubt es, diese Vorzüge ebenfalls auf den Hochleistungswerkstoff PPS zu übertragen, der aufgrund seiner limitierten Lasertransparenz bisher lediglich unter günstigen Bedingungen mittels Laser gefügt werden konnte. Die gemeinsamen Versuche an einer konkreten Automobil-Anwendung aus den beiden unterschiedlich gefüllten PPS-Typen DIC.PPS FZ-2115 und FZ-2140 belegen, dass mit der NGO auch höher gefüllte PPS-Typen prozesssicher und in hoher Qualität lasergeschweißt werden können. Dies eröffnet ein breites Spektrum an neuen Anwendungsfeldern und leistet dadurch einen bedeutenden Beitrag, die steigenden Forderungen nach Gewichtsreduktion, höherem Packaging und einer außerdem gesteigerten Kosteneffizienz zu erfüllen.

[1] Brunnecker, F.: Frisch konfiguriert, besser gefügt. Next Generation Optics verspricht 30 Prozent Taktzeiteinsparungen und höhere Ausbringung. Kunststoffe 109 (2019) 2, S. 65–67

[2] Brunnecker, F.: DIC und EVOSYS ermöglichen prozesssicheres Laserschweißen von PPS, Pressemitteilung vom 15.10.2019. Evosys Laser GmbH

Bühler Motor GmbH  

https://www.buehlermotor.de

Evosys Laser GmbH  

https://www.evosys-group.com

Ausgabenartikel

Bild 5. Durchschnittliche Abzugskräfte bei <a href="http://DIC.PPS">DIC.PPS</a> FZ-2140 abhängig von den Schweißverfahren (n=3) Quelle: Bühler Motor; Grafik: © Hanser

Querschnitt einer Fügenaht: Der Schliff quer zur Nahtrichtung zeigt eine Fügezone und charakteristischen Schmelzeaustrieb für das Quasi-Simultanschweißen

16:9

Bild 1. Wasserpumpen wie die bFlow C5A-60x von Bühler Motor weisen in hochbelasteten Bereichen Komponenten aus Polyphenylensulfid auf

Bild 2. Lasergeschweißte PPS-Musterplatten:  Die schwarze Platte enthält Partikelruß und absorbiert daher die Laserstrahlung

Bild 3. Lasertransmission von <a href="http://DIC.PPS">DIC.PPS</a> bei λ = 980 nm und einer Materialdicke von 1 mm

Bild 4. Durchschnittliche Abzugskräfte der lasergeschweißten DIC.PPS-Muster (n=3) 

Name - Hauptartikel

Frank Brunnecker ist Geschäftsführer und Gesellschafter der Evosys Laser GmbH in Erlangen.

Christian Ebenhöh ist Key Account Manager der Evosys Laser GmbH; <a href="mailto:christian.ebenhoeh@evosys-laser.com">christian.ebenhoeh@evosys-laser.com</a>

Daniel Bierl ist Polymer Technology Engineer R&D der Bühler Motor GmbH, Nürnberg

Jürgen Brettschneider ist Senior Process Engineer Operations der Bühler Motor GmbH.

Guido Pengemann ist Sales Representative der DIC Europe GmbH, Düsseldorf

Uwe Behle ist Marketing Manager der DIC Europe GmbH.