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Schweißen Hochpräzise Schweißnähte im Mikrometerbereich erzeugen

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Konventionelle Fügetechnik ist bisher im Mikrometerbereich an ihre Grenzen gekommen. Das Fraunhofer ILT hat nun ein Fügeverfahren entwickelt, mit dem kleinste Schweißnähte in transparenten Kunststoffbauteilen erzeugt werden können.

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Im Projekt SeQuLas entstand ein elektronisch überwachter Prozess zum hochpräzisen Laserdurchstrahlschweißen von kleinen Kunststoffbauteilen für die Medizintechnik (im Bild: Mikrofluidischer Chip der Fa. Bartels Mikrotechnik).
Im Projekt SeQuLas entstand ein elektronisch überwachter Prozess zum hochpräzisen Laserdurchstrahlschweißen von kleinen Kunststoffbauteilen für die Medizintechnik (im Bild: Mikrofluidischer Chip der Fa. Bartels Mikrotechnik).
(Bild: Fraunhofer ILT)

Im Life-Science-Bereich haben sich mikrofluidische Chips beim Transport, der Mischung und Filterung von kleinsten Flüssigkeitsmengen bewährt. Eine große Herausforderung ist die mediendichte Verkapselung der in den Chips integrierten Mikrokanäle: Konventionelle Fügtechnik kommt im Mikrometerbereich an ihre Grenzen. Stattdessen bietet sich hier das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen (LDS) mit Strahlquellen im nahen Infrarot (NIR)-Bereich an, das eine hohe Präzision und Flexibilität erlaubt.

2017 startete das Fraunhofer ILT mit den drei Industriepartnern:

  • Aachener Amtron GmbH
  • Attendorner Ortmann Digitaltechnik GmbH
  • Dortmunder Bartels Mikrotechnik GmbH

das Projekt „segmentale Quasisimultan-Laserbestrahlung“ (SeQuLas), das im Rahmen des Programms „Produktion.NRW“ der Leitmarkt Agentur NRW gefördert wurde.

Hierbei wurde als Strahlquelle ein Thulium-Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1940 nm verwendet. In diesem Wellenlängenbereich besitzen Kunststoffe eine natürliche Absorption. Es ensteht kein zusätzliches Absorbermaterial wie Ruß und Chip behält seine Transparenz. Dies macht das Verfahren insbesondere für die Medizintechnik interessant.

Mit dem entwickelten Fügeverfahren, bei dem ein Thulium-Faserlaser zum Einsatz kommt, lassen sich z. B. Mikrofluidikbauteile hochpräzise Schweißen.
Mit dem entwickelten Fügeverfahren, bei dem ein Thulium-Faserlaser zum Einsatz kommt, lassen sich z. B. Mikrofluidikbauteile hochpräzise Schweißen.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Undichte Stellen im Nahtgefüge

Das Problem bei diesem absorberfreien Laserdurchstrahlschweißens ist, dass durch die Volumenabsorption eine Wärmeeinflusszone entsteht. Diese erstreckt sich vertikal über den gesamten Bauteilquerschnitt. So können sich während des Aufschmelzvorgangs Hohlräume und Risse bilden, die im Nahtgefüge für undichte Stellen sorgen. Außerdem besteht insbesondere bei flachen Bauteilen die Gefahr, dass sich der Werkstoff verzieht.

Quasisimultane Bestrahlung für materialschonende Erwärmung

Um die vertikale Ausdehnung der Wärmeeinflusszone zu verringern, bietet sich die quasisimultane Bestrahlung an. Dabei wird ein Laserstrahl mit Hilfe eines Scannersystems mit hoher Geschwindigkeit mehrmals entlang der Schweißkontur geführt. Die gesamte Nahtkontur wird dabei simultan erwärmt, die das Konturschweißen sonst nur sequentiell aufschmilzt.

Bei Versuchen mit Bauteilen aus Polycarbonat konnte das Fraunhofer ILT nachweisen, dass während des Schweißprozesses die Wärme an den Außenflächen abgeführt wird, während im Materialinneren eine Wärmeakkumulation stattfindet. Die steigende Anzahl an Überfahrten und die hohe Scangeschwindigkeit verringern sogar die vertikale Ausdehnung der Wärmeeinflusszone um bis zu 30 % gegenüber dem Konturschweißen.

Thermischen Schäden während Schweißprozess erfassen

Im zweiten Schritt entwickelten die Projektpartner eine Prozessregelung für den Laserschweißprozess. Hierbei misst ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer während des Schweißprozesses die Temperatur im Bauteil. Die Kopplung des Messsignals mit der Position der Scannerspiegel ermöglicht eine ortsaufgelöste Aufnahme der Wärmeverteilung im Bauteil. Auf diese Weise lassen sich thermische Schäden schon während des Schweißprozesses erfassen und zielgenau lokalisieren. Der neu entwickelte Schweißprozess kann daher schnell auf Temperaturabweichungen reagieren und die Laserleistung entsprechend regeln. Somit lassen sich homogene Nahteigenschaften entlang der Nahtkontur sicherstellen.

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