K ist Trumpf!

Wenn von Trumpf-Lasern die Rede ist, assoziieren damit viele Anwender Metallbearbeitung. Doch der schwäbische Laser- und Systemhersteller hält auch für Kunststoffmarkieren, -schweißen oder -schneiden ein breites Spektrum an Lasersystemlösungen bereit. Neben maßgeschneiderten Lösungen zum Markieren oder schnellen Schneiden von Kunststoffen mit hoher Schnittkantenqualität zeigen die Trumpf-Applikationsexperten Birgit Faisst und Daniel Kaiser auf der K in Düsseldorf, wie Material plus Spannvorrichtung zu Erfolgsfaktoren beim Schweißen von Kunststoffen werden: Im Vergleich zum Ultraschallverfahren ist Laserschweißen schonender für die Bauteile, es ist sehr flexibel, denn es lässt sich jede beliebige Schweißkontur programmieren, die Oberflächenqualität bleibt erhalten, es ist schnell, reproduzierbar sowie umweltfreundlich und benötigt keine giftigen Bindemittel, wie das bei Klebeverfahren der Fall ist. Die Nähte sind mechanisch hoch belastbar. Die thermische Energieeinbringung ist minimal, was vorteilhaft ist, wenn empfindliche elektronische Bauteile in der Nähe der zu schweißenden Naht sitzen. Nicht zuletzt gibt es eine große Materialvielfalt, die mit dem Laser geschweißt werden kann. Und hier hat sich im Ditzinger Applikationszentrum herauskristallisiert, dass Kunden häufig noch nicht wissen, dass für das Laserdurchstrahlschweißen spezielles laserfähiges Material nötig ist.

Damit zwei Teile im Überlapp-Modus gefügt werden können, muss das obere Bauteil transparent sein für den gängigen Wellenlängenbereich von Diodenlasern zwischen 800 bis 1100 Nanometer. Das untere Bauteil muss jedoch mit Absorbern wie Farbpigmenten, Ruß u. a. dotiert sein, damit die Laserstrahlung vom Material aufgenommen werden und es schmelzen kann. Durch den Wärmeübergang vom unteren auf den oberen Partner schmilzt auch dessen Oberfläche und beide Teile verbinden sich. Daher müssen die Schmelzbereiche der Schweißpartner zusammenpassen, sodass sich nicht ein Kunststoff bereits zersetzt, während der andere noch nicht mal die Schmelztemperatur erreicht hat. „Es ist also sehr wichtig, dass der Anwender weiß, welche Materialien er für sein Produkt benötigt: einen laserlichtdurchlässigen Kunststoff für das Oberteil und einen laserlichtabsorbierenden für das Unterteil", sagt Kaiser.

Ein weiterer erfolgsentscheidender Aspekt liegt Kaiser zufolge in der Spannvorrichtung, die zum Laserschweißen benötigt wird. „Beim Aufschmelzen darf kein Spalt zwischen den Bauteilen sein. Deshalb ist eine gute Spannvorrichtung das A und O. Die Teile müssen fest und mit gleichmäßig verteilter Kraft und konstantem Druck aufeinandergepresst und nach dem Schweißvorgang noch eine Weile gehalten werden bis das flüssige Material wieder ausgehärtet ist.“ Diese Kriterien müssen bereits bei der Konstruktion des Bauteils berücksichtigt werden. Deswegen ist es wichtig, dass sich der Hersteller schon zu einem recht frühen Zeitpunkt darüber im Klaren ist, welche Fügemethode er bei seinem Produkt anwenden möchte. Des Weiteren ist es wichtig, die optimalen Parameter zu finden: „Denn hier kommt es darauf an, dass die Laserleistung präzise eingestellt wird, damit der Kunststoff genau die richtige Schmelztemperatur entwickelt und die Naht zuverlässig hält", sagt Faisst. Für das Schweißen von Kunststoffen bietet das Unternehmen energieeffiziente Diodenlaser.

Es handelt sich hierbei um Dauerstrichlaser, bei denen sich die Ausgangsleistung mit bis zu drei Kilohertz pulsmodulieren lässt. Als sehr gute Eigenschaft entpuppt sich das nahezu rechteckige Strahlprofil mit flachem Intensitätsplateau, top hat genannt. „Gerade zum Kunststoffschweißen eignet es sich sehr gut", sagt Waldemar Sokolowski, „denn es entsteht dadurch keine punktuelle Überhitzung und an der gesamten Naht liefern wir dieselbe Intensität." Die Diodenlaser des schwäbischen Herstellers sind für universelle Bearbeitung ausgelegt und können auch Metallfolien schweißen und schneiden. Auch deshalb zeichnen sie sich durch eine hohe Strahlqualität von < 8 mm mrad aus. Deren Wellenlängen liegen zwischen 930 und 1030 Nanometer, denn der Laser basiert auf dem Prinzip der Wellenlängenkopplung. „Der Vorteil von einer guten Strahlqualität manifestiert sich sofort, wenn mit einem Scanner gearbeitet wird", erklärt der Produktmanager, „denn dieser sollte eine relativ große Brennweite besitzen, damit große Felder bearbeitet werden können. Trotz einer großen Brennweite ist bei guter Strahlqualität der Spot dann noch akzeptabel."

Schweißen mittels Scanner wird als Quasi-Simultanbearbeitung bezeichnet. „Das Kunststoffbauteil lässt sich hierbei gleichmäßig erwärmen und beide Teile können auf der gesamten Fläche aufeinander gedrückt werden, sodass keine Spannungen entstehen", erklärt Kaiser. Der Strahl huscht mit einer typischen Geschwindigkeit von einem bis fünf Metern pro Sekunde jeweils drei- bis fünfmal über die Schweißnähte. Zwei Bauteilplatten von je zirka 150 mm × 150 mm × 3 mm lassen sich so in ein bis zwei Sekunden zusammenschweißen. „Der große Vorteil des Kunststoffschweißens ist, dass die Oberflächenqualität erhalten bleibt, weil die Nähte unter der Oberfläche liegen", sagt Faisst. Das Verfahren lässt sich hervorragend in automatische Fertigungslinien einbinden, dabei ist der Prozess gut zu überwachen und damit auch ein geringer Ausschuss gegeben.

Trumpf / OD