Werkstoffe

Laserschweißen von Kunststoffen

03. Dezember 2020, 10:16 Uhr   |  Frank Brunnecker, Christian Ebenhöh

Laserschweißen von Kunststoffen
© Pixabay

Das Laserschweißen eignet sich für die unterschiedlichsten Kunststoffteile für diverse Medizinprodukte.

Ein Verfahren erobert die Medizintechnik

Laserschweißen von Kunststoffen ist als Verfahren prädestiniert für die hohen Anforderungen in der Herstellung medizintechnischer Produkte. Es ist uneingeschränkt reinraumtauglich und bringt mit der lückenlosen Nachverfolgbarkeit sowie den umfangreichen Möglichkeiten zur Prozesskontrolle alle Eigenschaften mit, die für eine zuverlässige Produktion notwendig sind. So ist das Laserschweißen von Polymeren in der Medizintechnik nicht mehr wegzudenken, zumal der Einsatz von Kunststoffen in der Medizin kontinuierlich wächst und die Produktkomplexität sowie Funktionsintegration stetig zunimmt. 

Kunststoffe erobern die Medizintechnik

Kunststoffe zählen zu den am meisten verwendeten Materialien in der Medizin. Der wichtigste Grund dafür ist die hohe Sicherheit für den Patienten. Medizinisch zugelassene Kunststoffe sind hautfreundlich und lösen keine Allergien aus. Außerdem sind sie nahezu unzerbrechlich, nehmen keine Gerüche an und weisen eine hohe Beständigkeit gegen Wasser und viele andere Medien auf. Hinsichtlich der Herstellprozesse bieten Polymere eine fast unerschöpfliche Form- und Anpassbarkeit, das Design kann nahezu perfekt auf den jeweiligen Einsatzzweck zugeschnitten werden. Daneben sind die Endprodukte und ihre Verarbeitungsverfahren im Vergleich zu Alternativen aus Metall oder Glas häufig preiswerter und können so in vielen Anwendungen problemlos als einfach zu nutzender Einwegartikel ausgelegt werden.

Das Anwendungsspektrum ist somit breit gefächert. Angefangen von Verpackungen, Infusionsbeuteln, Schläuchen und weiteren Komponenten für Injektionssysteme, über Prothesen und Inlays bis hin zu Gehäusen für elektronische Klein- und Großgeräte, ist der Einsatz von Kunststoffen denkbar. Auch komplexe Analyse-Cartridges für die in-vitro Diagnostik sind mittlerweile Standard, wofür häufig das Laserschweißen als Fügeverfahren eingesetzt wird.

Soll das stoffschlüssige Schweißen als Verbindungstechnik für eine Kunststoffbaugruppe eingesetzt werden, können nur Thermoplaste und thermoplastische Elastomere eingesetzt werden. Für die Medizin relevant und erfolgreich in der Praxis mit dem Laser gefügt sind im Besonderen: Polyamide (PA), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Copolymere (COC), Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie Polystyrol (PS) und Polyetheretherketon (PEEK).

Laserschweißen: Kunststoffe sicher und sauber verbinden

Laserschweißen ist das ideale Verfahren, wenn Kunststoffteile medizinischer Produkte prozesssicher miteinander verbunden werden sollen. Diese Technologie genießt heute einen guten Ruf in der Pharma- und Medizintechnikindustrie, da sie als validierungssicher gilt. Vom Blutzuckermessgerät über die Insulin- und Medikamentendosierung bis hin zu Strukturkomponenten medizinischer Ausrüstung wird das Verfahren in vielen Bereichen eingesetzt. Insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Sauberkeit im Herstellungsprozess erfordern, spielt die berührungslose und schonende Fügetechnologie ihre Stärken aus. Dabei werden die beiden zu verbindenden Bauteile überlappend positioniert und mit definiertem Druck aufeinandergepresst. 

Schweißprinzip mit lasertransparentem und laserabsorbierendem Fügepartner
© Evosys

Schweißprinzip mit lasertransparentem und laserabsorbierendem Fügepartner

Beim üblichen Prinzip des Durchstrahlschweißens durchdringt der Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1.100 nm das obere, lasertransparente Bauteil und wird an der Oberfläche des unteren Bauteils absorbiert. Der untere Fügepartner wird dadurch direkt, der obere über Wärmeleitung so weit erhitzt, bis beide Materialien aufschmelzen und es zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommt. Eine Besonderheit dieser Methode ist die Notwendigkeit zweier unterschiedlich gefärbter Fügeteile, um eine ausreichende Absorption des Bearbeitungslasers sicherzustellen. 

Das sogenannte 2µm-Schweißen oder auch Klar-klar-Verfahren umgeht diese Voraussetzung. Durch den Einsatz einer Laserwellenlänge im Bereich von 1,5 µm bis 2,2 µm können zwei ungefüllte, insbesondere im sichtbaren Bereich klare Kunststoffe miteinander verbunden werden. Zwar können mit dieser Variante nicht uneingeschränkt alle Fügeaufgaben bearbeitet werden, jedoch lohnt sich besonders bei medizinischen Produkten eine genaue Prüfung, da auf Absorberzusätze verzichtet werden kann. Im Vergleich zum Durchstrahlschweißen liegt der wesentliche Unterschied in der Art der Energieeinbringung. Das Verfahren nutzt die Eigenschaft der meisten Thermoplaste, schon im Naturzustand Wellenlängen über 1,5 µm stärker zu absorbieren. Die Deponierung der Energie erfolgt im Wesentlichen nicht im Kontaktbereich der beiden Fügepartner, sondern komplett im durchstrahlten Volumen und wird durch eine geeignete Anlagentechnik geschickt gesteuert.

Die Autoren

  • Frank Brunnecker ist Geschäftsführer & Gesellschafter von Evosys 
  • Christian Ebenhöh ist Key Account Manager bei Evosys

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