Laserbearbeitung von Polymeren

Vor dem Hintergrund der technischen Weiterentwicklung der zur Verfügung stehenden Laser- und Handhabungstechnik wird der Einsatz von Laserstrahlung zur Bearbeitung polymerer Werkstoffe insbesondere für kleine und mittlere Losgrößen zunehmend konkurrenzfähig. Typische Anwendungen des Lasers im Bereich der Materialbearbeitung von Polymeren sind dabei das Laserstrahltrennen, das Markieren und das Lasertransmissionsschweißen.

Dabei gelten das Laserstrahltrennen und das Markieren bereits weitgehend als Stand der Technik. Dennoch treten immer wieder zu untersuchende Aspekte dieser Materialbearbeitungsmethoden im Hinblick auf die Prozessführung auf, insbesondere vor dem Hintergrund der ungeheuren Vielfalt existierender polymerer Werkstoffe und Werkstoffvarianten und der damit verbundenen thermophysikalischen und optischen Eigenschaften. Beispielsweise zeigen Untersuchungen zum Laserstrahlschneiden mittels CO2-Laser, dass auch gleichartige Grundwerkstoffe aufgrund unterschiedlicher Herstellungsbedingungen sowie Arten und Gehalte von Füllstoffen oft erheblich voneinander abweichende Trennergebnisse zeigen.

Bislang ist das Lasertransmissionsschweißen von Polymeren zwar grundlegend erforscht, in der Industrie jedoch noch nicht so weit verbreitet. Das Verfahren, bei dem es i.Allg. nicht auf hohe Strahlqualität oder Strahlleistung ankommt, erlaubt die Verwendung von Halbleiterlasern, welche sich durch hohe Prozessgeschwindigkeiten, vergleichsweise geringen Wartungsaufwand sowie niedrige Verschleiß- und Betriebskosten auszeichnen. Darüber hinaus sinken die Investitionskosten für die Strahlquellen und Handhabungstechniken, gleichzeitig wird die Bauweise der Strahlquellen immer kompakter und die Handhabbarkeit der Systeme vereinfacht sich.

Derzeit sind vier Varianten des Lasertransmissionsschweißens bekannt: Konturschweißen, Simultanschweißen, Quasisimultanschweißen und Maskenschweißen. Von diesen Methoden werden am LZH insbesondere das Kontur- und das Quasisimultanverfahren eingesetzt bzw. untersucht. Entsprechende Strahlquellen und Handhabungssysteme erlauben sowohl die Durchführung grundlegender Studien zur Materialbearbeitung als auch die Erarbeitung komplexer Prozessführungsstrategien.

Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung von Polymeren bietet das LZH u.a. folgende Tätigkeiten an:

  • Machbarkeitsstudien und Prozessentwicklung für das Lasertransmissionsschweißen mittels NIR-Laserstrahlung
  • Machbarkeitsstudien und Prozessentwicklung für das Laserstrahltrennen mittels CO2-Laserstrahlung
  • Charakterisierung von Kunststoffen hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften
  • Machbarkeitsstudien zur Lasermarkierung mittels NIR- oder CO2-Laserstrahlung, Erstellung von Mustern

Im Rahmen von Forschungsprojekten führt das LZH Arbeiten zu Verfahren und Systemen für die Laserstrahlmaterialbearbeitung polymerer Werkstoffe durch. Dabei werden grundlegende Zusammenhänge wie der Einfluss der Prozessführung auf die Dynamik der Schmelze beim Lasertransmissionsschweißen bzw. die Qualität der Schweißnähte ebenso erarbeitet wie die Anwendbarkeit der Verfahren für neue Werkstoffe wie z.B. technische Textilien und neue Anwendungsfelder untersucht.

Prinzip des Lasertransmissionsschweißens (Variante Konturschweißen).
Principle of laser transmission welding (variant contour welding).

 
Das Verfahren beruht auf der Durchlässigkeit der nicht mit absorbierenden Füllstoffen versetzten Polymere für Strahlung im Nahen Infrarot (NIR). Die zu fügenden Teile werden in ihrer endgültigen Anordnung aufeinander gepresst und mit Laserstrahlung beaufschlagt. Der obere, transparente Fügepartner lässt genügend Laserenergie durch, damit der untere, mit Absorbern versetzte Partner durch die Umwandlung der Laserenergie in Wärme an der Oberfläche geschmolzen werden kann. Durch Wärmeleitung wird dann auch der obere Fügepartner im Bereich des Kontakts verflüssigt, und die Verbindung wird gebildet.

Quasisimultanschweißen von Wasserfilterpatronen mittels Diodenlaser (λ = 940 nm).
Quasi-simultaneous welding of water filter cartridges with diode laser (λ = 940 nm).


Kontakt: Dr. rer. nat. Michael Hustedt
Leitung der Gruppe Trenntechnik, Sicherheit und Sonderverfahren
Head of Cutting, Safety and Special Processes Group
Tel. +49 (0)511 2788 321
Fax +49 (0)511 2788 100
Email m.hustedt@lzh.de

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