Auf der K 2022 zeigt DuPont Polybutylenterephthalat (PBT) mit hoher Lasertransmission. Die Typen entstammen der Crastin-Produktreihe des Unternehmens.

Lasertransparenz ist eine wichtige Materialeigenschaft beim Laserschweißen. Die entwickelten PBT bieten darüber hinaus noch weitere Zusatznutzen.

Polybutylenterephthalat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Technische Kunststoffe

Laserschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Lasertechnik

Schneller geschweißt bei besserer Leistung

Nachhaltigkeit ist auch bei technischen Anwendungen verstärkt gefragt. Mittlerweile sind dafür umweltfreundlichere PA-Varianten auf dem Markt.

Nachhaltigkeit wird verstärkt auch bei technischen Anwendungen nachgefragt.

Ressourcenverbrauch und CO2-Emissionen bei technischen Anwendungen reduzieren

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Polyamide

Nachhaltigere Polyamide

Die für viele Kunststoffhersteller und -verarbeiter schwierige wirtschaftliche Situation zeigte sich deutlich auf der Fakuma 2024. Nachhaltigkeit hat etwas an Bedeutung verloren, andere Themen rückten in den Vordergrund.

Auf den ersten Blick wirkt das Modell wie ein übliches Skateboard. Das Spannende verbirgt sich im Inneren.

Polyetherketon

Masterbatches

Additive

Polyoxymethylen

Farbstoffe und Pigmente

Messe Fakuma

Streifinger, Florian

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Hochleistungskunststoffe

Polysulfone / Polysulfide

Nachhaltigkeit verliert an Bedeutung

PA werden im Automobil häufig mit kupfer- oder halogenhaltigen Additiven stabilisiert. Eine Alternative mit weniger Nachteilen können polymere Amine sein.

Im Motorraum von Elektrofahrzeugen herrschen andere Bedingungen als bei Verbrenner. Das bietet nicht nur Chancen für neue Materialien, sondern auch für andere Additive.

Polymere Aminstabilisatoren verbessern die thermische Beständigkeit von PA66

Stabilisatoren

Stabil auch ohne Kupfer und Halogen

Luftfedersysteme kommen vermehrt in Autos zum Einsatz. Bei der Produktion bietet sich der Ersatz von Metall durch Kunststoffe an – wenn das Material passt.

Luftfedern sind bei Elektrofahrzeugen deutlich verbreiteter als bei solchen mit Verbrennungsmotor.

Metallersatz in Luftfedern von Automobilen

Dämpfer / Federn

Maschinenelemente

Mechanische Konstruktionselemente

Mit Luft gefedert, mit Kunststoffen  konstruiert

PA-Partikelschaum besitzt bessere Eigenschaften als übliche Polymerschäume. Bauteile aus EPA lassen sich außerdem mit Polyamid überspritzen.

Der relativ großvolumige EPA-Kern (links) lässt sich überspritzen. Das erweitert die Designfreiheit und ermöglicht großvolumige, aber doch vergleichsweise leichte Bauteile (rechts).

EPA erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten

Schaumspritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Schaumstoffe und Vorprodukte

Partikelschäumen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Schaumstoffe

PA-Schaum mit PA überspritzen

Automobilbauteile aus Kunststoff gelten als schwer recycelbar. Ein Video gibt nun Einblicke in ein aktuelles Recyclingprojekt.

Radkappen und Airbags aus Polyamid werden von Radici zu Compounds aufbereitet

Kfz-Elektronik

Elektronik

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Kreislaufwirtschaft

Video zum Recycling von Automobilbauteilen

Lehvoss stellt auf der Messe Compounds für Leichtbauanwendungen vor, die u. a. als Metallersatz zum Einsatz kommen soll. Darunter ist etwa ein carbonfaserverstärktes Compound auf Polyphthalamid-Basis (PPA).  

Lehvoss zeigt Compounds für Leichtbauanwendungen

Compound

Metallersatz mit PPA-Compounds

Hochwertige Oberflächen im Automobilinnenraum gewinnen aus Kundensicht immer mehr an Bedeutung. Asahi Kasei hat dafür die Leona-SG-Serie entwickelt. Der japanische Konzern stellt die teilaromatischen Polyamide (PA) dieses Jahr auf der Fakuma vor.

Im Automobilinnenraum sind Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften gefragt, die gleichzeitig sehr hochwertige Oberflächen ermöglichen

Höhere Oberflächenqualität im Automobil-Interieur

Elektrische Geräte und elektronische Bauteile müssen häufig strenge Anforderungen an den Flammschutz erfüllen. Dabei dürfen im Brandfall keine für Menschen giftigen Gase austreten und auch an der Bausubstanz sollten durch die verwendeten Additive keine Folgeschäden entstehen. Für Leistungsschutzschalter hat der Compoundeur Sax Polymers ein entsprechendes Compound entwickelt, das ohne den Einsatz von Halogenen und rotem Phosphor auskommt.

Elektrische Bauteile wie Leistungsschutzschalter müssen über einen ausreichenden Flammschutz verfügen. Doepke Schaltgeräte setzt dafür auf ein flammgeschütztes Polyamid von  Sax Polymers 

Flammschutz halogenfrei und ohne roten Phosphor

Flammschutzmittel

Giftige und korrosive Gase vermeiden

Die Umsetzung von Serienanwendungen im Lasersintern wird gegenwärtig noch durch eine unzureichende Materialvielfalt gehemmt. Viele wichtige Konstruktionswerkstoffe aus der traditionellen Kunststoffverarbeitung waren für das Verfahren bisher nur eingeschränkt verfügbar. PA 66 und PBT erweitern das Einsatzgebiet des Lasersinterns erheblich und zeigen in vielen Fällen bessere Eigenschaften als klassische PA-11- und PA-12-Materialien.

Als temperaturbeständiger und flammwidriger Werkstoff mit hohen mechanischen Kennwerten eröffnet PA 66 neue Applikationsmöglichkeiten für das Lasersintern, wie beispielsweise die Anwendung als Sensorhalterung 

Lasersintern mit PA 66 und PBT

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Additive Fertigung

Vom Spritzgießen in den 3D-Druck

Mit Thermoplasten lässt sich die Sicherheit, Leistung und Nachhaltigkeit von E-Autos verbessern. Ansatzpunkte dafür bestehen bei vielen Komponenten wie Batterie Cases, Sammelschienen, Kühlleitungen und Dichtungen. Sehr interessant ist es dabei, wenn Materiallieferanten Unterstützung in Form von CAE- und Spritzgießanalysen bieten können.

Bei den Batterien von Elektrofahrzeugen spielen Thermoplaste eine wichtige Rolle. Sie helfen etwa die Temperatur im optimalen Bereich zu halten für eine lange Lebensdauer und hohe Leistung der Batterien.

Mit den passenden Materialien die Leistung von Elektrofahrzeugen verbessern

Elektromobilität

Mobilität

Elektrisch, umweltfreundlich,  thermoplastisch

Die Bedingungen in Elektrofahrzeugen stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Automobilhersteller und Zulieferer müssen daher für Bauteile zu teuren Hochleistungskunststoffen greifen. Es gibt eine kostengünstige Alternative für viele Anwendungen.

Bild 2. Strahlenvernetzen lassen sich sowohl Standardpolymere, als auch technische Kunststoffe und Hochleistungspolymere. Behandelt werden können mit dem Verfahren die in grün hervorgehobenen Polymere.

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Hochleistungskunststoffe durch strahlenvernetzte günstigere Polymere ersetzen

Strahlenvernetzung

Elektronenbooster für Elektrofahrzeuge

Bei dem Bauteil handelt es sich um eine hybride Kunststoff-Metall-Konstruktion, die dem Kunststofferzeuger zufolge über die herkömmliche quadratische oder rechteckige Struktur von Frontend-Trägern hinausgeht.

Der Frontend-Träger für Fahrzeuge des chinesischen Herstellers Geely wird künftig aus einem PA 6 von Lanxess gefertigt.

Lanxess-PA für Frontend-Träger von Geely

Lati hat ein Polyphthalamid (PPA) für den Einsatz in Automobilen, der Elektrotechnik und Elektronik, dem Energiemanagement und der Automatisierung entwickelt.

Das Polyamid 9T entstammt der Laramid-Familie von Lati und wurde für den Einsatz in Automobilen, der Elektrotechnik und Elektronik, dem Energiemanagement und der Automatisierung entwickelt.

PPA für den Dauergebrauch bei 160 °C

Bisher galt das Laserschweißen von Polyphthalamid als unmöglich oder problematisch. Daher wird das Polymer hauptsächlich in Kombination mit anderen Schweißtechnologien wie dem Vibrations- und IR-Schweißen verwendet. Das soll sich künftig ändern. Der Kunststoffhersteller Envalior und LPKF Welding Equipment haben gemeinsam an Lösungen gearbeitet, die das Laserschweißen von Polyphthalamid ermöglichen. Auch für faserverstärkte und flammgeschützte Typen wurden Möglichkeiten gefunden.

Bisher gilt das Laserschweißen von PPA als problematisch. Das soll sich durch die Zusammenarbeit von Envalior und LPKF Welding Equipment nun ändern.

Kunststoffteile enthalten immer mehr Funktionen. Sensoren, CPUs und andere empfindliche Elektronik werden zu einem integralen Bestandteil des Designs dieser Bauteile. Das sorgt auch dafür, dass die Teile in den meisten Fällen versiegelt werden müssen, um das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit zu vermeiden. Das Versiegeln der Teile schützt die integrierte Elektronik und reduziert äußere Einflüsse auf diese. Für die Umsetzung werden häufig Schweißtechniken eingesetzt.

Die höhere Empfindlichkeit der Teile erfordert jedoch mehr Vorsicht bei Nachbearbeitungsschritten. Bei diesen muss die Einwirkung von Hitze, Vibrationen und Staubpartikeln vermieden werden. Das Laserschweißen ist dafür am besten geeignet, da es die Wärme gezielt auf den Schweißbereich konzentriert und andere Bereiche unversehrt lässt. Das Verfahren bietet aber noch weitere Vorteile wie Partikel- und Staubfreiheit, kurze Zykluszeiten, Anpassungsfähigkeit, Skalierbarkeit und Präzision.

In der Regel werden beim Laserschweißen von Kunststoffen zwei Materialien benötigt: Eines, das für den Laser transparent ist, und eines, das das Laserlicht absorbiert (Bild 1). Es besteht deshalb die Möglichkeit, mischbare Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu kombinieren. Beispielsweise kann Polyamid 6 (PA6) mit einer Schmelztemperatur von 220 °C mit PA46 mit einer Schmelztemperatur von 295 °C kombiniert werden. Das führt zu einer sehr guten Schweißnahtfestigkeit.

In den meisten Fällen werden zwei unterschiedlich farbige Materialien verwendet. In diesem Fall sollte am besten auf zwei farbige Materialien des gleichen Polymertyps zurückgegriffen werden. Teilweise kommen zwei ähnliche Farben zum Einsatz, von denen eine lasertransparent und die andere absorbierend ist. Bei schwarzen Farben wird etwa ein für den Laser transparentes Schwarz mit Teilen kombiniert, die zum Beispiel mit Standardruß gefärbt sind und somit das Laserlicht absorbieren.

Das Laserschweißen ist für PA bereits etabliert, bei Polyphthalamiden (PPA, teilaromatischen PA) wird es jedoch weniger häufig eingesetzt. Nicht alle PPA eignen sich für das Laserschweißen, was den Schweißprozess oft einschränkt. Es gibt aber einige gut laserschweißbare PPA. Das hängt mit der kristallinen Morphologie der Polymere zusammen (Bild 2). Sie sorgt für die für das Verfahren erforderliche, gute Durchlässigkeit für das Laserlicht.

Passende Kombinationen für das  Laserschweißen

Wie sich das Laserschweißen von PPA in der Praxis umsetzen lässt, das zeigt ein gemeinsames Projekt von Envalior (ein Joint Venture von DSM Engineering Materials und Lanxess Performance Materials) und LPKF Welding Equipment. Die beiden Unternehmen suchten dabei nach passenden Kombinationen von Laserschweißprozessen und PPA-Materialien. Selbst für Typen mit einem höheren Anteil an Verstärkungen, halogenfreiem Flammschutz und Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) wurden funktionierende Lösungen gefunden.

Untersucht wurde die ForTii-Produktreihe von Envalior. Die Transmissionswerte der Materialien ermöglichen das Laserschweißen bei höheren Dicken. Als generelle Faustregel ergab sich bei den Untersuchungen, dass unter den richtigen Umgebungsbedingungen ein praktikabler großflächiger Laserschweißprozess möglich ist, wenn der Transmissionsgrad 10 % oder mehr beträgt.

Hochtemperatur-PPA für elektrische und elektronische Anwendungen

Bei den Analysen zeigte sich, dass die mit 30 % Glasfasern verstärkte JTX-Serie von Envaliors ForTii-Reihe sehr gute Transmissionswerte bei 980 nm aufweist (Bild 3). Diese Typen können für Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik (E&E) verwendet werden, die Reflow-Löten erfordern. Sie wurden für Hochleistungsanwendungen in der Automobil- und Elektroindustrie wie Steckverbinder entwickelt und können auch für Elektronikgehäuse verwendet werden. Die Materialien überstehen bleifreie Reflow-Prozesse im industriellen Maßstab, wobei ACE JTX8 sogar die Spezifikationen JEDEC 1 erreicht.

ACE JTX8 gehört mit einem Schmelzpunkt von 340 °C und einer Glasübergangstemperatur von 150 °C zu den höchstschmelzenden PPA überhaupt. Es zeigt dennoch unter den richtigen Bedingungen ein sehr gutes Laserschweißverhalten mit einer Schweißnahtfestigkeit von 25 - 30 MPa. Dieses Ergebnis konnte in den Versuchen mit einem breiten Verarbeitungsfenster und ohne erkennbaren negativen Einfluss auf den Schweißbereich erzielt werden.

Für das Laserschweißen von stark mit Glasfasern verstärkten PPA hat sich die ForTii-MX-Serie bewährt. Die Lichtdurchlässigkeit von hochgefüllten Typen ist ausreichend. Es lassen sich durchschnittliche Schweißnahtfestigkeiten von bis zu 30 MPa erzielen. Untersucht wurde das an einem T-Stück mit einer transparenten Abdeckung. Ein höherer Glasfasergehalt schränkt die Dicke der transparenten Abdeckung ein. Dennoch konnten mit dem richtigen Prozess und den passenden Schweißeinstellungen ähnliche Schweißnahtfestigkeiten für alle getesteten Glasfasergehalte, sogar bei Anteilen bis zu 50 % Glasfasern, erreicht werden (Bild 4). Das erweitert die Anwendungsmöglichkeiten des Laserschweißens deutlich.

Schweißen von halogenfreien,  flammhemmenden PPA

Auch ForTii-Materialien wie F11, das zu 30 % mit Glasfasern gefüllt und halogenfrei flammgeschützt ist (UL94-Flammschutzklasse V-0), lassen sich laserschweißen. Verständlicherweise ist das Verarbeitungsfenster beim Laserschweißen von flammgeschützten Werkstoffen etwas enger. Dennoch lässt sich damit mit akzeptablen Schweißzeiten eine ausreichend hohe Schweißnahtfestigkeit von 16 - 17 MPa ohne erkennbare Oberflächenfehler erreichen.

Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Schweißen von bis zu 1,5 mm dicken Abdeckungen möglich sein sollte. Neben F11 wurden auch Experimente mit ForTii T11 durchgeführt, einem ebenfalls zu 30 % glasfaserverstärkten, halogenfrei flammhemmenden PPA (erreicht UL94 V-0). Der Kunststoff wurde für FR-Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt. Machbarkeitstests mit dem PPA bei einer Radargehäuseanwendung zeigten Ergebnisse wie bei ForTii F11. Die Materialien F11 und T11 sind beide bleifrei reflow-lötbar. Die Kombination von flammgeschütztem ForTii und Laserschweißen eröffnet neue Möglichkeiten, etwa eine flexiblere Produktion, wie sie für modulare Steckverbinder, Elektronik- und Wechselrichtergehäuse, Mikroaktuatoren und Anschlussdosen erforderlich ist.

Laserschweißen ist auch möglich, wenn eine LDS-Type als absorbierendes Teil verwendet wird (Titelbild). Dafür kann jede ForTii-Sorte, wie JTX2 und MX2, in natürlichen oder anderen lasertransparenten Farben mit ausreichender Transmission verwendet werden. Das eröffnet noch mehr Möglichkeiten, weitere Funktionalitäten wie 3D-Leiterbahnstrukturen, Antennen, Schalter, Anschlüsse und Sensoren in ein Bauteil zu integrieren. Dieses kann danach versiegelt und mittels Laserschweißen montiert werden. Außerdem ergeben sich weitere Möglichkeiten für die Miniaturisierung des Bauteildesigns, die Gewichtsreduzierung, niedrigere Einstiegskosten, Skalierbarkeit, hohe Druckbeständigkeit und den vakuumdichten Schutz empfindlicher Elemente. ForTii LDS85B hat sich etwa in Anwendungen bewährt, die eine feine Auflösung der elektrischen Leiterbahnen erfordern. Zukünftig werden sogar 3D-Schweißnähte möglich sein.

Obwohl das Laserschweißen von PPA als problematisch gilt, lassen sich mit den Erkenntnissen von Envalior und LPFK entsprechende Bauteile umsetzen. Damit ist es möglich, eine Vielzahl an Anwendungen mit PPA in Kombination mit hoher Laserschweißgüte zu realisieren. Möglich wird das durch die passende Kombination von Materialien mit der richtigen Schweißausrüstung. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Laserschweißen bei allen ForTii-Werkstoffen anwenden lässt.

LPKF Laser & Electronics SE  

https://www.lpkf.de

Envalior  

https://www.envalior.com

Ausgabenartikel KU09-23

Bild 1. Beim Laserschweißen sind ein für den Laser transparentes und ein absorbierendes Material notwendig.

Bild 2. Kristallmorphologie des PPA ForTii im Vergleich zur üblichen Kristallmorphologie von PPA (aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop): Im Gegensatz zu vielen anderen PPA lässt sich ForTii aufgrund seiner Morphologie gut laserschweißen.

Bild 3. Transmissionsgrad von ForTii PPA bei 980 nm gemessen mit einem Transmissionsmessgerät TMG3 von LPKF: Mit der passenden Schweißausrüstung und dem richtigen Verfahren lassen sich ab einem Transmissionsgrad von 10 % gute Ergebnisse erzielen.

Bild 4. Schweißzeiten und Schweißkräfte für ein lasergeschweißtes T-Stück aus ForTii mit drei verschiedenen Glasfasergehalten: Die Schweißnahtfestigkeit ist bei allen Glasfasergehalten ausreichend.

Auch LDS-Typen lassen sich laserschweißen. Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für die Funktionsintegration in PPA-Bauteile.

KU 9-23_Envalior - Hauptartikel

Frank van der Burgt ist Senior Expert in Secondary Operations bei Envalior.

Anna Kolossowski arbeitet in der Entwicklung bei LPKF.

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