Einen Schritt weiter

Um transparente Kunststoffe miteinander zu verbinden, hat sich das Laser-Durchstrahlschweißen als besonders geeignet erwiesen. Etabliert haben sich Kontur-, Simultan- und Quasisimultanschweißen. Das von LPKF entwickelte Clear-Joining-Verfahren ergänzt die bisherige Technologie und schmilzt Materialien lokal auf, ohne Zusatzstoffe einzusetzen.

Das Laser-Durchstrahlschweißen hat sich als wirtschaftliche, präzise und besonders saubere Technologie gegenüber anderen Fügemethoden behauptet – insbesondere, wenn hohe Anforderungen an die optische Qualität der Schweißnaht, deren Dichtigkeit, die Sicherheit des Verfahrens und die Hygiene bestehen.

Beim herkömmlichen Laser-Kunststoffschweißen durchstrahlt der Laserstrahl den oberen Fügepartner und erzeugt erst im unteren Bauteil Wärme. Ein moderater Spanndruck begünstigt den Wärmetransfer, sodass auch der obere Fügepartner lokal aufschmilzt. Nach der Abkühlung entsteht eine stoffliche Verbindung mit einem Schweißfaktor nahe 1. Da der Laserstrahl den oberen Fügepartner ohne nennenswerte Wärmeeinwirkung passiert, bleibt die Oberfläche unangetastet.

Twin Weld 3D führt den Laserkopf an einem Roboterarm, teure Oberwerkzeuge sind nicht erforderlich.

Twin Weld 3D führt den Laserkopf an einem Roboterarm, teure Oberwerkzeuge sind nicht erforderlich. LPKF

Kontur-, Simultan- oder Quasisimultanschweißen

Dabei hat sich eine Reihe von Verfahren etabliert. Beim Konturschweißen fährt der Laser die Schweißnaht einmal ab und verbindet beide Fügepartner bei der Überfahrt. Für große Bauteile ist das Konturschweißen bislang die einzige Technologie zum Laserschweißen. Beim Lasersystem Twin Weld 3D von LPKF sind der Laserkopf und ein integriertes Spannwerkzeug an einem Roboterarm montiert und das Systen kann damit sogar dreidimensionale Schweißkonturen abfahren.

Beim Simultanschweißen schmilzt ein besonderes Oberwerkzeug mit integrierten optischen Elementen die Schweißnaht in einem Schuss auf. Diese Verfahren ist aufgrund der benötigten Oberwerkzeuge extrem teuer und unflexibel. Es kommt nur bei sehr großen Stückzahlen zum Einsatz.

Das Clear-Joining-Verfahren schmilzt durch eine präzise Fokussierung auf die Schweißebene Materialien lokal auf.

Das Clear-Joining-Verfahren schmilzt durch eine präzise Fokussierung auf die Schweißebene Materialien lokal auf. LPKF

Im Quasisimultanverfahren leiten Spiegel im Laserscanner den Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit gezielt auf jeden Punkt der Arbeitsfläche. Typisch sind Fahrgeschwindigkeiten von 4 m/s. Der Laserscanner überfährt die gewünschte Schweißkontur mehrfach, sodass die gesamte Schweißnaht quasisimultan aufschmilzt. Durch Erfassen eines Zeit-Weg-Diagramms lassen sich verlässliche Aussagen zum Erfolg der Schweißung treffen und Fehler in Vorprozessen ausgleichen.

Schweißen ohne Zusatzstoffe

LPKF Laser & Electronics ergänzt die bisherige Technologie um das neue Clear-Joining-Verfahren. Damit lassen sich transparente Fügepartner mit einer Schweißnahtbreite von mehreren Millimetern bis zu gerade einmal 100 µm bei einer Toleranz von nur 10 µm verbinden. Ein Laserstrahl mit der Wellenlänge von 1940 nm bringt Wärme in den gesamten durchstrahlten Körper ein. Durch eine präzise Fokussierung in die Schweißebene schmelzen die Materialien dort lokal auf und gehen eine sichere Verbindung ein – ohne dass dafür Zusatzstoffe erforderlich sind.

Transparenter Wafer mit mikrofluidischen Strukturen: feinste Schweißnähte, präzise gefügt im Clear-Joining-Verfahren.

Transparenter Wafer mit mikrofluidischen Strukturen: feinste Schweißnähte, präzise gefügt im Clear-Joining-Verfahren. LPKF

Diese Anforderung kommt in erster Linie aus der medizinischen Mikrofluidik, die auf exakte Kanalgeometrien ohne Störungen durch Zusatzstoffe oder Partikel angewiesen ist. Die Kanäle funktionieren kapillar und sind so fein, dass die Gravitation gegenüber den inneren Oberflächeneffekten deutlich geringer ausfällt und vernachlässigt werden kann. Mikrofluidiken dienen zum Beispiel als Lab on a Chip oder helfen beim exakten Dosieren von Flüssigkeiten.

Herausforderung Mikrofluidik

Um erfolgreich transparente Mikrofluidiken zu fügen, muss der Schweißprozess noch weitere Voraussetzungen erfüllen. LPKF setzt für das Laserschweißsystem Precision Weld auf die praxisbewährten Systeme der Proto-Laser-Reihe. Arbeitskorb und Gehäuse sind mechanisch entkoppelt, sodass die Grundvoraussetzung für eine präzise Bearbeitung gegeben ist. Diese Baureihe liefert seit Jahren auch im industriellen Einsatz sehr gute Ergebnisse.

Das kompakte Laserschweißsystem Precision Weld arbeitet mit Laserquelle, Schweißnahtdetektion und Überdruck-Spannsystem.

Das kompakte Laserschweißsystem Precision Weld arbeitet mit Laserquelle, Schweißnahtdetektion und Überdruck-Spannsystem. LPKF

Die Adressierung des großen Arbeitsbereichs von 320 mm x 320 mm erfolgt sowohl über ein Scannersystem zum Lenken des Laserstrahls als auch über einen Präzisionspositioniertisch. Durch Verschieben des Positioniertischs werden mehrerer Scanfelder aneinandergelegt. Ein Visionsystem hilft beim passgenauen Anbinden der Teilflächen.

Eine weitere Aufgabe ist die visuelle Erkennung der Passmarken oder Kanalgeometrien. Hierzu nutzt das integrierte Visionsystem eine Kamera direkt im Strahlengang des Lasers. Damit lassen sich Positionsmarken, aber auch Bauteilgeometrien exakt erkennen. Das System detektiert kontrastoptimiert Position, Größe und Drehorientierung.

Nach der Erfassung passt das Laser-Schweißsystem die vorgesehene Schweißkontur selbstständig an die reellen Bauteilgegebenheiten an. Dieser Mechanismus ermöglicht fehlerfreies Schweißen selbst bei toleranzbehafteten Bauteilen.

Um Passmarken oder Kanalgeometrien zu erkennen, nutzt das integrierte Visionsystem eine Kamera direkt im Strahlengang des Lasers.

Um Passmarken oder Kanalgeometrien zu erkennen, nutzt das integrierte Visionsystem eine Kamera direkt im Strahlengang des Lasers. LPKF

Spanntechnik mit Überdruck-Tubus

Der letzte Aspekt betrifft die Spanntechnik. Die funktionalen Bereiche einer Mikrofluidik sind üblicherweise in planen Bauteilen integriert. Dafür sind nur eine einfache, günstige Bauteilaufnahme und Spannmittel erforderlich, mit einer Besonderheit: Im unteren Bauteil entstehen beim Heiß-Prägen der Kanäle Grate. Bei herkömmlichen Spannverfahren könnten die Grate aus dem Prägeprozess eine stoffschlüssige Verbindung und damit eine erfolgreiche Schweißung verhindern.

Geschickte Spanntechnik: Mit einer Überdruck-Spannglocke lassen sich Grate auf Vorprozessen sicher überbrücken.

Geschickte Spanntechnik: Mit einer Überdruck-Spannglocke lassen sich Grate auf Vorprozessen sicher überbrücken. LPKF

Die Precision Weld erzeugt die erforderliche Spannkraft durch einen auf das Bauteil abgesenkten Überdruck-Tubus. Die gleichmäßige Pressung ohne zusätzliches Werkzeug sorgt für den nötigen Kraftschluss. Damit entfällt auch ein wesentlicher Teil der Vorkosten – weitere Oberwerkzeuge sind nämlich nicht nötig.

Die gesamte Technik ist kompakt verpackt und genügsam: Die Precision Weld passt auf Rollen durch jede Labortür und benötigt nur einen Stromanschluss sowie Druckluft. Mit dem Lasersystem lassen sich beliebige Konturen softwaregesteuert anlegen und damit auch Kleinserien wirtschaftlich fertigen.