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25.06.2020

Transparente Bauteile präzise schweißen

Homogene Naht dank integrierter Temperaturüberwachung

  • Im Forschungsprojekt SeQuLas entstand ein elektronisch überwachter Prozess zum schonenden, hochpräzisen  Laserdurchstrahlschweißen von kleinen Kunststoffbauteilen für die Medizintechnik (im Bild: Mikrofluidischer Chip der Fa. Bartels Mikrotechnik) © Fraunhofer ILT, Aachen

    Im Forschungsprojekt SeQuLas entstand ein elektronisch überwachter Prozess zum schonenden, hochpräzisen Laserdurchstrahlschweißen von kleinen Kunststoffbauteilen für die Medizintechnik (im Bild: Mikrofluidischer Chip der Fa. Bartels Mikrotechnik) © Fraunhofer ILT, Aachen

  • Mit dem entwickelten Fügeverfahren, bei dem ein Thulium- Faserlaser zum Einsatz kommt, lassen sich z. B. Mikrofluidikbauteile sehr präzise schweißen © Fraunhofer ILT, Aachen

    Mit dem entwickelten Fügeverfahren, bei dem ein Thulium- Faserlaser zum Einsatz kommt, lassen sich z. B. Mikrofluidikbauteile sehr präzise schweißen (© Fraunhofer ILT, Aachen)

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Insbesondere für die Medizintechnik ist ein Fügeverfahren interessant, das die Flexibilität und Effizienz in der industriellen Produktion steigern kann. Im Life-Science-Bereich haben sich mikrofluidische Chips beim Transport, der Mischung und Filterung von kleinsten Flüssigkeitsmengen bewährt. Eine große Herausforderung ist die mediendichte Verkapselung der in den Chips integrierten Mikrokanäle: Konventionelle Fügtechnik kommt im Mikrometerbereich an ihre Grenzen. Stattdessen bietet sich hier das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen (LDS) mit Strahlquellen für nahes Infrarot (NIR) an, das eine hohe Präzision und Flexibilität erlaubt.

Transparente Bauteile dank Verzicht auf Absorber

Im Jahr 2017 startete das Fraunhofer ILT mit der Amtron GmbH, Aachen, der Ortmann Digitaltechnik GmbH, Attendorn, und der Bartels Mikrotechnik GmbH, Dortmund, das Projekt SeQuLas, das im Rahmen des Programms Produktion.NRW der LeitmarktAgentur NRW gefördert wurde. Das Akronym steht für die „segmentale Quasisimultan-Laserbestrahlung“, bei der in diesem Fall als Strahlquelle ein Thulium-Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1940 nm verwendet wurde. In diesem Wellenlängenbereich besitzen Kunststoffe eine natürliche Absorption. Da zusätzliches Absorbermaterial wie Ruß nicht nötig ist, wird die Transparenz des Chips bei der Laserbearbeitung nicht beeinträchtigt.

Doch diese Form des absorberfreien Laserdurchstrahlschweißens weist ein Problem auf: Durch die Volumenabsorption entsteht eine Wärmeeinflusszone (WEZ), die sich vertikal über den gesamten Bauteilquerschnitt erstreckt. Die thermische Expansion während des Aufschmelzvorgangs begünstigt die Bildung von Lunkern und Rissen, die im Nahtgefüge für undichte Stellen sorgen. Außerdem besteht insbesondere bei flachen Bauteilen die Gefahr, dass sich der Werkstoff verzieht.

Quasisimultane Bestrahlung für materialschonende Erwärmung

Um die vertikale Ausdehnung der Wärmeeinflusszone zu verringern, bietet sich die quasisimultane Bestrahlung an, bei der ein Laserstrahl mit Hilfe eines Scannersystems mit hoher Geschwindigkeit mehrmals entlang der Schweißkontur geführt wird: Dabei wird die gesamte Nahtkontur simultan erwärmt, die das Konturschweißen sonst nur sequentiell aufschmilzt.

Das Fraunhofer ILT wies anhand von Versuchen mit Bauteilen aus Polycarbonat nach, dass während des Schweißprozesses die Wärme an den Außenflächen abgeführt wird, während im Materialinneren eine Wärmeakkumulation stattfindet. Die steigende Anzahl an Überfahrten und die hohe Scangeschwindigkeit verringern sogar die vertikale Ausdehnung der Wärmeeinflusszone um bis zu 30 % gegenüber dem Konturschweißen.

Prozessregelung vermeidet thermische Schäden

Im zweiten Schritt entwickelten die Projektpartner eine Prozessregelung für den Laserschweißprozess. Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst dabei während des Schweißprozesses die Temperatur im Bauteil. Die Kopplung des Messsignals mit der Position der Scannerspiegel ermöglicht eine ortsaufgelöste Aufnahme der Wärmeverteilung im Bauteil.

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. Somit lassen sich homogene Nahteigenschaften entlang der Nahtkontur sicherstellen.

Das im Februar 2020 abgeschlossene Projekt „SeQuLas – Laserschweißen absorberfreier Thermoplaste durch segmentale Quasisimultanbestrahlung“ mit Laufzeit von drei Jahren wurde mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. (kk)

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