Laserschweißen von Kunststoffen

Punktgenau ins Polymer

Wegen technologischer und wirtschaftlicher Vorteile löst das Laserschweißen technischer Kunststoffe nach und nach traditionelle Verbindungsmethoden wie das Klipsen, Kleben oder Heizelementschweißen ab. Zugleich erobert es neue Anwendungsbereiche. Denn gegenüber anderen Fügetechniken bietet das Laserschweißen allerlei Vorteile für die Serienfertigung.

„Nähen“ mit Licht: Das Laserschweißen technischer Textilien gehört zu den neusten Anwendungsfeldern des Verfahrens.

Mit dem berührungslosen Laserschweißen erzielt man in Sekundenschnelle dichte und einwandfreie Nähte ohne mechanischen Abrieb oder Fusselbildung. Die erzielbare Schweißnahtfestigkeit der Werkstoff-Paarungen liegt im Bereich der Grundmaterialfestigkeit. Dabei werden die Kunststoffe stoffschlüssig miteinander verbunden und sind somit absolut dicht. Des Weiteren vereinfacht die geometrische Flexibilität des Verfahrens das Verschweißen komplexer und schwer zugänglicher Fügezonen, was für viele andere Fügemethoden eine Herausforderung darstellt.

Zudem fehlt es herkömmlichen Verfahren an Präzision; sie können ihre Energie nicht punktgenau steuern und entfalten. Es gestaltet sich schwierig, bei diesen Verfahren die Wärme genau dahin zu bringen, wo sie benötigt wird: an die Kontaktfläche der beiden Fügepartner. So können thermische oder auch mechanische Belastungen zur Beschädigung der Komponenten oder sogar zum Verlust der Produktfunktion führen. Die Energieeinbringung beim Laserschweißen hingegen ist punktgenau und kleinflächig steuerbar. Daher ist das Verfahren besonders Material schonend und eignet sich für Bauteile jeder Größe sowie für Produkte, die empfindliche Elektronik beinhalten. Die mangelnde Steuerbarkeit der herkömmlichen Verfahren erschwert eine zuverlässige Prozesskontrolle. Somit ist keine Qualitätssicherung während des Herstellungsprozesses durchführbar und nur durch eine nachgelagerte Prüfung kann sichergestellt werden, ob die Schweißung dicht ist. Beim Laserschweißen ist dagegen eine Echtzeit-Prozessregelung einsetzbar und ermöglicht ein reproduzierbares Schweißergebnis sowie eine konstant hohe Qualität. Durch die automatische Prozessüberwachung ist eine lückenlose und kontinuierliche Qualitätskontrolle gewährleistet.

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Vorreiter Automobilbranche

Wie so oft ist die Automobilbranche auch beim Einsatz der Lasertechnologie zum Kunststoffschweißen der Vorreiter. Immer mehr Bauteile im Fahrzeug wie Leuchten, Cockpits, Stoßfänger, Sensoren, Schlösser, Pumpen werden mit dem Laserstrahl verschweißt. Das Verfahren gilt in der Automobilindustrie als das Füge-Werkzeug der Wahl, weil die Schweißnähte äußerst solide und dicht sind. Während das Laserschweißen bei der Produktion von Fahrzeugblenden als Designelement fungiert, dient es ansonsten dazu, Bauteile ohne Rücksicht auf die Sichtbarkeit der Schweißnaht konstruieren zu können. Durch die gezielte Energieeinbringung ist es möglich, empfindliche Elektronikbauteile ohne Schädigung in ein Kunststoffgehäuse einzuschweißen.

Noch immer ist die Automobilbranche der Industriezweig, der die hohe Präzision, Automatisierbarkeit und Qualität der Laserschweiß-Technologie am häufigsten nutzt. Heute produzieren die internationalen Automobilzuliefer mit dem Laserschweiß-Verfahren täglich Kunststoff-Großserien mit Millioneneinheiten. Es lässt sich weltweit ein Trend hin zum Laser als berührungsloses Füge-Werkzeug in der Kunststoffverarbeitung erkennen. „Die Anwendungsbereiche weiten sich stark aus“, bestätigt Dr. Dirk Hänsch, Geschäftsführer und Gründer von Prolas. Weiter sagt er: „Inzwischen sind unzählige Innovationen das Ergebnis der konsequent umgesetzten Schlüsseltechnologie auf die einzelnen Anwendungsbereiche.“

Gerade im Bereich der Konsumgüter liegt die Schweißnaht oft im sichtbaren Bereich. So entstehen hohe Anforderungen an die Schweißnaht: Sie muss nicht nur dicht sein, sondern auch sauber aussehen. Herkömmliche Verbindungsmethoden stoßen hier an ihre Grenzen, wogegen das Laserschweißen seine technologischen Vorteile voll ausspielen kann.

In der Medizintechnik gibt es für das Laserschweißen technischer Kunststoffe zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Sie reichen von Einwegartikeln wie Spritzen, Behältern, Folien, Kanülen und Kathetern über Implantate und Verpackungsmaterialien bis hin zu speziellen Nischenprodukten. Auch technische Textilien werden für medizinische Bereiche verarbeitet – beispielsweise OP-Kleidung. Großes Potenzial bietet auch die Verpackungstechnik. Hier ergeben sich vielseitige Anwendungen des Laserstrahls als flexibles Füge-Werkzeug für Hüllen und Umhüllungen aus Folien oder technischen Textilien sowie Behälter aus thermoplastischen Kunststoffen. Zu den neusten Einsatzgebieten gehört das Verschweißen von technischen Textilien mit dem Laserstrahl. 2004 brachte Prolas seine erste Lasernähmaschine auf den Markt. Sie sieht aus wie eine Industrienähmaschine, anstelle von Nadel und Faden aber verbindet ein Laserstrahl die Textilien dicht und haltbar. ms

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