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Dienstag, 22 September 2020 13:12

Hochpräzises Laser- schweißen von Kunststoffen

von Dr.-Ing. Richard Suchentrunk
Geschätzte Lesezeit: 1 - 2 Minuten
 Mit dem entwickelten Fügeverfahren, bei dem ein Thulium-Faserlaser zum Einsatz kommt, lassen sich z. B. Mikrofluidikbauteile hochpräzise schweißen Mit dem entwickelten Fügeverfahren, bei dem ein Thulium-Faserlaser zum Einsatz kommt, lassen sich z. B. Mikrofluidikbauteile hochpräzise schweißen

Im erfolgreich abgeschlossenen NRW-Leitmarktprojekt SeQuLas hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit drei Industriepartnern ein Fügeverfahren entwickelt, mit dem kleinste Schweißnähte in transparenten Kunststoffbauteilen erzeugt werden können. Zum Einsatz kommt dabei ein Thulium-Faserlaser, der einen besonderen Vorteil bietet: Da Kunststoffe die entsprechende Wellenlänge gut absorbieren, kommt der Prozess ohne zusätzlich Absorber wie Ruß aus. Insbesondere für die Medizintechnik ist das Verfahren interessant.

Im Jahr 2017 startete das Fraunhofer ILT mit der Aachener Amtron GmbH, der Attendorner Ortmann Digitaltechnik GmbH und der Dortmunder Bartels Mikrotechnik GmbH das Projekt SeQuLas. 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.

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.

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.

Im zweiten Schritt entwickelten die Projektpartner eine Prozessregelung für den Laserschweißprozess. Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst 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.

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