Laserschweißen und Lasermarkieren

LASERSCHWEISSEN

Als Spezialist für die Konditionierung technischer Kunststoffe interessieren wir uns für innovative Verarbeitungstechniken unserer Produkte, um unseren Kunden stets die beste Lösung für den Anwendungsfall anbieten zu können. Das Laserschweißen ist ein innovatives Fügeverfahren für Kunststoffe und bietet Vorteile, die im Moment mit keinem anderen Verfahren erreicht werden können. So wird beim Kunststoff Laserschweißen eine sehr saubere Schweißnaht erzeugt, die keinerlei Rückstände und freiliegende Partikel um die Naht herum hinterlässt. Dieser Umstand macht das Verfahren insbesondere für die Herstellung medizinischer Geräte interessant, wo höchste Ansprüche an Material und Funktion gestellt werden. Im Gegensatz zum Ultraschallschweißen lassen sich mit dem Verfahren des Laserschweißens ebenso Komponenten zusammenfügen, die mit elektronischen Bauteilen bestückt sind, ohne die Bauteile in ihren Eigenschaften zu beeinträchtigen oder zu zerstören. In unserem hauseigenen Innovationscenter testen wir unsere Produkte auf ihre Tauglichkeit beim Laserschweißen und können Ihnen so stets das optimale Produkt für Ihren Anwendungsfall zur Verfügung stellen.

LASERMARKIEREN

Das Lasermarkieren ist ein innovatives Verfahren für die präzise Beschriftung verschiedenster Werkstoffe wie beispielsweise Holz, Papier oder Leder. Um Kunststoffe mit dem Laser zu markieren, bedarf es je nach Anwendungsfall zunächst einer Entwicklung der richtigen Kunststoffzusammensetzung für das Endprodukt, welches im Laufe der Entwicklung ständigen Tests bezüglich der Lasermarkierbarkeit unterzogen wird. Treffert bietet hier neben dem Know-How für die Entwicklung lasermarkierbarer Kunststoffe die Möglichkeit, schnell umfangreiche Tests der Kunststoffe an mehreren verschiedenen Lasern im eigenen Innovationscenter vorzunehmen. So kann die Entwicklungszeit für lasermarkierbare Kunststoffe je nach Anwendungsfall deutlich reduziert werden. Stellen Sie bei Interesse einfach online eine Anfrage oder kontaktieren Sie unsere Anwendungstechniker und lassen Sie sich bei Ihnen vor Ort zum Thema Lasermarkieren beraten.

Laserschweißen für Kunststoffe –

das moderne Fügeverfahren für viele Anwendungsbereiche

 

Fragen und Antworten zum Laserschweißen

Warum Laserschweißen?

Jedes neue Verfahren muss gute Argumente mitbringen, um etablierte Methoden abzulösen. Warum also Kunststoffschweißen mit dem Laser?

Dafür gibt es vier zentrale Argumente:

  • Lasergeschweißte Verbindungen sind mechanisch hoch belastbar, druckdicht und erreichen oft Grundmaterialfestigkeiten.
  • Das Verfahren erlaubt nahezu beliebige Schweißnahtführungen und ist extrem flexibel an Werkstückgeometrien anpassbar.
  • Es arbeitet mit minimaler thermischer und mechanischer Energieeinbringung: verschweißt wird nur das, was verschweißt
    werden soll, empfindliche Bauteile in nächster Nähe bleiben unbeeinflusst.
  • Und das Resultat sind Oberflächen in perfekter Qualität, es gibt keine Mikropartikel, Klebereste oder Rauheiten.
Die vier Erfolgsfaktoren für das Laserschweißen

Wie bei jedem Verfahren gibt es auch beim Laserschweißen von Kunststoffen erfolgsbestimmende Faktoren. Wesentlich sind in erster Linie folgende Kriterien:

  • Die Wahl passender Kunststoffe sowie Additive und Farbmittel.
  • Einsatz der richtigen Laserstrahlquelle mit passender Optik.
  • Lasergerechte Konstruktion der Fügezone mit geringem Spaltmaß.
  • Optimiertes Spannwerkzeug, das den ungehinderten Zugang des Laserstrahls auf die Fügenaht erlaubt und die Bauteile beim Verschweißen mit hinreichendem Druck gegeneinander presst.

Was kann verschweißt werden?

Kurz gefasst, alle Thermoplaste und nahezu alle thermoplastischen Elastomere, ungefüllt und gefüllt. So werden beispielsweise Polymere mit Glasfaseranteilen von bis zu 30 % bereits in aktuellen Anwendungen lasergeschweißt. Einige Beispiele sind: PE, PP, PS, ABS, SAN, PA6, PA6.6, PC, PMMA, PSU, PEEK, PET, PBT…

Auch unterschiedliche Kunststoffe lassen sich verbinden – vorausgesetzt, sie sind chemisch und physikalisch kompatibel und die Schmelztemperaturen
überlappen sich hinreichend.

Für Naturmaterialien gilt eine Faustregel: Was mit Ultraschall verschweißt werden kann,kann auch mit dem Laser verschweißt werden.

Anwendungen für das Laserkunststoffschweißen sind heute schon weit verbreitet. Die Haupteinsatzgebiete finden sich in den Bereichen Automotive,
Elektronik, Medizintechnik, Human Care und bei Haushaltsgeräten.

Das Verfahren Laserschweißen

Die geringe Wärmeleitfähigkeit und Fließfähigkeit von Kunststoffen legt eine typische Schweißnahtgeometrie nahe, bei der die Ausdehnung des Schweißbades mit der Schweißnaht übereinstimmt: das Überlappungsschweißen. Hierbei durchdringt der Laserstrahl den oben liegenden Fügepartner und wird vom darunter liegenden Fügepartner absorbiert. Dessen Erwärmung führt zur Plastifizierung, diese überbrückt den Werkstückspalt und erhitzt über Wärmeleitung den oben liegenden Fügepartner. Ein möglichst kleiner thermisch isolierender Werkstückspalt ist hier der erfolgsbestimmende Faktor.

Prinzip Laserschweißen

Das Laserlicht durchdringt das obere Bauteil, wird vom unteren Fügepartner absorbiert (A) und dessen Erwärmung (B) an den oberen Partner weitergegeben (C). Die gemeinsame Schmelzeseele verfestigt sich unter dem von außen angelegten Druck zu einer hochwertigen Schweißverbindung (D).

Welche Laserquelle?

Aufgrund ihrer Wellenlänge bieten sich für das Kunststoffschweißen Diodenlaser, Nd:YAG-Laser und Faserlaser an. Abgesehen vom Wellenlängenunterschied und damit dem Absorptionsverhalten am additivierten Bauteil gilt:

Nd:YAG-Laser eigenen sich insbesondere für Schweißnahtbreiten unter 1 mm und für ebene Schweißnahtgeometrien.

Die neuen Faserlaser weisen eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer zusammen mit einer hohen Energieeffizienz im Vergleich zum Nd:YAG-Laser auf. Weitere Vorteile sind ihre kompakte Bauweise und äußerst geringe Wartungskosten. Diodenlaser sind dagegen für breitere Schweißnähte, Rundnähte und einfache Punktschweißungen zu bevorzugen.

Kontur - oder Quasisimultanschweißen?

Diese beiden Verfahren haben derzeit die größte Marktdurchdringung. Beim Konturschweißen fährt der Laserstrahl – ähnlich Metallschweißen – die Schweißnaht ab. Nahezu beliebig große Werkstücke lassen sich so verschweißen. Das Spaltmaß ist häufig die bestimmende Größe für die Grenzen des Verfahrens. Beim Quasisimultanschweißen durchläuft der Laserstrahl sehr schnell mehrfach die gesamte Schweißkontur. Voraussetzung dafür ist die Strahlablenkung durch Galvo-Scannerköpfe und eine entsprechende Strahlqualität. Durch die Wärmepufferung schmilzt die gesamte Schweißspur quasi simultan auf und die Fügepartner lassen sich leicht gegeneinander bewegen. Mit Hilfe des auf die Fügepartner einwirkenden Druckes und des konstruktiv vorgesehenen Setzweges können so größere Spaltmaße überbrückt werden. Quasisimultanschweißen erfordert höhere Laserleistungen und ermöglicht eine gleichmäßige, verzugsfreie Energieeinbringung in die Fügezone.

Kontur_Simultan

Transparenz und Absorption

Alle eingesetzten Kunststoffe sind im unadditivierten Fall für den Infrarot-Wellenlängenbereich der verwendeten Laserquellen (mit Ausnahme der CO2-Laser) mehr oder weniger transparent. Um eine Absorption der Laserenergie zu erreichen, werden in der Regel spezielle Additive und auch Farbmittel aus dem Bereich der Coloristik eingesetzt. Noch einfacher, und deshalb weithin etabliert, ist die Verwendung von Rußpartikeln als Absorber, üblicherweise in einer Konzentration von 0,05 – 0,5 %. Damit sind bei der Farbrezeptierung allerdings nur schwarz oder dunkle Farbtöne möglich. Es existieren bereits Standardlösungen für Schwarz-Schwarz und Natur-Schwarz. Für hellere und kräftige Farbkombinationen stehen flexibel einsetzbare Laseradditive zur Verfügung, die im schweißrelevanten Wellenlängenbereich absorbieren und die Eigenfarbe des Polymers nur geringfügig verändern. Der Farbeinfluss der meisten Additive kann durch eine coloristische Farbanpassung korrigiert werden.

Transparenz_Absorbtion

Die meisten Kunststoffe (hellblaue Kurve) sind im sichtbaren und im NIR-Bereich (nahes Infrarot) in der Regel transparent oder milchig streuend. Durch Zusatzpigmente (dunkelblaue Kurve) wird das Absorptionsverhalten im Bereich der eingesetzten Laserwellenlänge geeignet gesteuert.

Es geht bunt und auch transparent

In der Reihenfolge schwarz, farbig, transparent und weiß steigen die Verfahrensanforderungen beim Laserschweißen von Kunststoffen. Applikationen mit schwarzem Fügepartner als Absorber sind in der Regel leicht zu realisieren oder bereits als Standardlösung verfügbar. Für das Verschweißen farbiger Kunststoffe werden die nötigen Farbmittelkombinationen in lasertransparenter und laserabsorbierender Form nach Kunden-wunsch entwickelt – eine typische Aufgabe für den erfahrenen Farbkonzentrathersteller.

Das Verschweißen heller oder transparenter Kunststoffe – besonders gefragt in der Medizintechnik – gelingt entweder mit CO2-Lasern bei hinreichend dünnen Folien und passenden Polymeren oder, wesentlich flexibler, durch den Einsatz von laserabsorbierenden Hochleistungsadditiven. Diese müssen neben hohen Absorptionseffizienzen bei der gewählten Laserwellenlänge und einer geringen Restfarbigkeit im Sichtbaren noch über eine ganze Reihe weiterer Eigenschaften verfügen – hier ist das ganze Knowhow eines weltweit agierenden, innovativen Additivhersteller gefragt.

Weiß auf Weiß schließlich erfordert wegen der Streueigenschaften und der geringen Transparenz des zumeist eingesetzten Titandioxids individuelle Lösungen.

Laserschweissen_Bunt

Genereller Schwierigkeitsgrad beim Überlappungs-schweißen von Kunststoffen. Bei vielen Anwendungen ist eine eingespielte Partnerschaft zwischen Additiv- und Farbkonzentrathersteller von großem Vorteil.

Leicht zu kompensierende Eigenfarbe mit hohen NIR-Absorptionseffizienzen

Das Hybrid-Nanopigment Lumogen® IR 1050 mit seinen maßgeschneiderten Oberflächeneigenschaften dagegen liefert perfekte Migrationsstabilität und Matrixverträglichkeit in allen thermoplastischen Polymeren. Seine Lieferform als ausdispergierte Suspension in einem thermisch und chemisch inerten Trägermedium garantiert perfekte Verteilung und extrem niedrige Streuwerte in jedem Kunststoff.

Ein weiteres Highlight dieser innovativen Produktfamilie ist die geringe, leicht zu kompensierende Eigenfarbe in Kombination mit einer sehr hohen NIR-Absorptions-effizienz. Alle Mitglieder der Lumogen® IR-Produktlinie sind nichtionisch, halogen- sowie schwermetallfrei und toxikologisch unbedenklich – beste Voraussetzungen für den Einsatz in der Medizintechnik und anderen sensitiven Anwendungen.

NIR_Absorber

NIR_Absorber_2

 

 

 

 

Erfolgsfaktor Farbrezeptur

Für eine ideale Farbrezeptur müssen sowohl die gewünschte Farbgebung als auch die perfekten Laserschweißeigenschaften berücksichtigt werden. Dafür kann auf die Erfahrung aus der Entwicklung mehrerer hunderttausend Rezepturen sowie leistungsfähiger Labore und modernen Extrusionslinien zugegriffen werden. Ausgehend von Farbvorlagen des Kunden werden Farbkonzentrate entwickelt, die sich z. B. als leicht zu verarbeitendes, optimal dispergiertes und 100 % farbtreues Masterbatch in der Kunststoffproduktion zudosieren lassen. Auf Wunsch kann dabei auch Kundenmaterial konditioniert werden, d. h. es bildet das Trägermaterial für das Masterbatch. Die Eigenschaften und Zulassungen des Materials bleiben dabei weitgehend erhalten.

Die Informationen aus den Fragen und Antworten können Sie hier als Broschüre abrufen

 

Laserschweißen (PDF, ca. 0,5 MB)

Unser Buch – Laserschweißen von Kunststoffen.

Für weitere Informationen oder die Bestellung dieses Buches kontaktieren Sie uns bitte über folgendes online Formular.

Inhaltsverzeichnis Laserschweißen von Kunststoffen
Inhaltsverzeichnis (PDF, 31 KB)

Produktbeispiele für Laserschweißen und Lasermarkieren