LPKF-Laser-Kunststoffschweißen

Eine saubere und sichere Naht

01. Februar 2021, 11:00 Uhr   |  Cordula Krause-Widjaja (LPKF)

Eine saubere und sichere Naht
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Beispiel-Anwendung: Laser-Kunststoffschweißen im Reinraum

Darum eignet sich das Verfahren zum Fügen von sensiblen Bauteilen

Kunststoffe sind für viele Geräte und deren Bauteile das ideale Material: Sie sind leicht zu formen, einfach zu reinigen – je nach Material auch mit Hochtemperatursterilisation - und das Gewicht ist vergleichsweise gering. Sollen zwei Kunststoff-Spritzgussteile miteinander verbunden werden, kann das mit chemischen, thermischen oder mechanischen Verfahren geschehen: Vom Kleben über das Ultraschallschweißen bis zu Laserschweißen. Je nach späterer Anwendung des Produkts und dem jeweiligen Anspruch an die Optik kann die eine oder andere Technologie die passende Lösung sein. 

Chemische, thermische oder mechanische Einflüsse auf das umgebende Material sind aus verschiedenen Gründen unerwünscht bis unzulässig. Immer dann, wenn hohe Anforderungen an Verbindungen von Kunststoff-Bauteilen gestellt werden, wenn die Fügestellen besonders hohen Ansprüchen an Festigkeit sowie Freiheit von Staub und Chemie genügen müssen, kommen die technischen und wirtschaftlichen Vorteile des Laser-Kunststoffschweißens besonders zum Tragen. Das Fügeverfahren arbeitet gleichzeitig sicher, schnell, schonend und sorgt für exakte sowie langlebige Fügenähte. 

Stand-Alone- oder In-Line-System
 

LPKF InlineWeld 6200: Beispiel eines kompakten Inline-Laserschweißsystems
© LPKF

LPKF InlineWeld 6200: Beispiel eines kompakten Inline-Laserschweißsystems

Das Laser-Kunststoffschweißen ist aufgrund seiner technologieinhärenten Vorteile zum Fügen von Kunststoffbauteilen gerade in sensiblen Bereichen ein bevorzugtes Verfahren. Die sauberen, gratfreien, festen und sicheren Bauteil-Verbindungen geschehen ohne Änderung der Material-Eigenschaften. Vielfältige Schweißverfahren ermöglichen es, die Technologie für die Produktion ganz unterschiedlicher Produkte einzusetzen: Vom schmalen Katheter über druckfeste Ventile bis zum großen Elektronikgehäuse. Vollständige Rückverfolgbarkeit gewährleistet die Einhaltung von Prozessketten. 

Dafür stehen zuverlässige und performante Lasersysteme zur Verfügung. Laser-Kunststoffschweißmaschinen gibt es als alleinstehende Lösung oder zur Integration in Produktionslinien. Durch standardisierte elektrische und mechanische Schnittstellen ermöglichen beispielsweise die InlineWeld-Systeme von LPKF die Integration in bestehende Manufacturing Execution Systeme. Sie realisieren nachverfolgbare und wiederholgenaue Prozesse, um die Einhaltung spezifischer Reinheitsbedingungen sowie Prozessvalidierung zu gewährleisten. Die lückenlose Prozessüberwachung und die Prozesssteuerung erfolgen bequem durch die übergeordnete, zentrale Steuerung des Anwenders. Der Schweißvorgang lässt sich für jedes einzelne Bauteil mit mehreren Prüfverfahren dokumentieren. Damit genügen die Systeme auch den sehr hohen Ansprüchen hinsichtlich Prozess- und Qualitätssicherheit in der Medizintechnik. Die Systeme können auch in reinraumtauglichen Varianten ausgeliefert werden.

Für jede Anwendung das passende System

Je nach Applikation kommen unterschiedliche Schweißverfahren zum Einsatz. Die LPKF-Verfahren werden nach der Art der Energieeinbringung untergliedert:

  • Radialschweißen
  • Konturschweißen
  • Quasisimultanschweißen
  • Hybridschweißen

Alle Varianten besitzen ihre spezifischen Vorteile und Merkmale. Die Variante beziehungsweise Art der Energieeinbringung für den Schweißprozess ist anwendungs- und bauteilabhängig. LPKF bietet für jede Anwendung ein passendes System. Für sehr außergewöhnliche Projekte setzt das Unternehmen auf die Erfahrung des eigenen Anwendungszentrums. Die individuelle Kombination von Laser, Strahlführung und Steuerung ermöglicht es Anwendern, auch sehr komplexe Fügeaufgaben umzusetzen – auf  Wunsch auch automatisiert.

Stoffschlüssige Verbindung dank Laser-Durchstrahlschweißen 

Miteinander laserschweißbare Materialien
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Miteinander laserschweißbare Materialien

Beim klassischen Laser-Durchstrahlschweißen wird ein für die Wellenlänge des Lasers transparenter oberer Werkstoff mit einem laserabsorbierenden unteren Bauteil kombiniert. Der Laserstrahl wird durch den oberen Fügepartner auf den absorbierenden unteren Fügepartner fokussiert. Der untere Fügepartner schmilzt oberflächennah auf. Durch Wärmeleitung schmilzt auch der obere Fügepartner im Bereich der Schweißnaht lokal. Nachdem der schmale bestrahlte Bereich abgekühlt ist, entsteht eine stoffschlüssige, porenfreie und gasdichte Verbindung. Diese ist bezüglich ihrer Eigenschaften wie das Material selbst. Voraussetzung für einen erfolgreichen Fügeprozess ist lediglich, dass eines der Bauteile aus einem lasertransparenten und eines aus einem laserabsorbierenden Kunststoff ist, wobei es hier vielfältige Kombinationsmöglichkeiten gibt.

Beim Laser-Durchstrahlschweißen entstehen auf diese Weise Schweißnähte, deren Festigkeit nahezu der Grundmaterialfestigkeit entspricht. Späne oder Stäube treten nicht auf, und der Eintrag von Chemikalien oder anderen Zusatzstoffen ist nicht notwendig. Eine saubere, hygienische Sache also. Dabei lassen sich Schweißnahtbreiten im Bereich von wenigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern umsetzen. Die Schweißnähte sind absolut dicht und das umgebende Material bleibt partikelfrei. Besonders wenn feine und optisch ansprechende Nahtstrukturen gefordert sind, ist das Laserschweißen also die optimale Technologie. 

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Anwendung in der Medizintechnik findet diese Technologie in vielen Bereichen: Beim Fügen von Gehäusen für Elektronikkomponenten wie beispielsweise bei Insulingeräten oder Herzschrittmachern. Zylindrische Bauteile wie Katheter oder Stifte können exakt und sicher lasergeschweißt werden, ebenso wie Kartuschen und Mikrofluidiken für Diagnoseverfahren. Ein Plus ist hierbei auch, dass die Schweißnaht die gleiche Biokompatibilität wie der Grundwerkstoff besitzt. Auch die einzelnen Bauteile von Kunststoff-Ventilen, die hohem Druck standhalten müssen, lassen sich hervorragend und stabil mit dem Laser verschweißen. Und den Geometrien sind kaum Grenzen gesetzt, denn der Laserstrahl wird digital gesteuert und zielgenau fokussiert.

Durch den Einsatz spezieller Strahlquellen ist neben der beschriebenen Prozessvariante des transparent-absorbierend-Schweißens auch das Fügen zweier transparenter Fügepartner im sogenannten Clear-Joining-Verfahren möglich. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn Zertifizierungsbestimmungen des Bauteils den Zusatz eines Laserabsorbers nicht erlauben oder das Bauteil nach dem Schweißen mittels optischer Analysemethoden ausgewertet werden muss.

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