Verbindungstechnik Kunststoffe mit 3D-Laserschweißen schonend verbinden

Um den Kunden Komplettlösungen aus hochwertigen Kunststoffen anbieten zu können, die nahezu beliebige Schweißkonturen zulassen, nutzt Marenco seit 2005 eine 3D-Laseranlage zum Kunststoffschweißen. Die lasergeschweißten Verbindungen sind mechanisch hoch belastbar und druckdicht.

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Aus einem Unternehmen das im niederländischen Venlo an der Maas, Schiffsmotoren reparierte und instandsetzte, ist Marenco entstanden, Hersteller von Spritzgussformen, Prototypenherstellung und eigener Spritzgießerei. Auch war das Unternehmen eines der ersten, das seinen Kunden das Rapid-Prototyping im Laser-Sinter-Verfahren anbieten konnte. Und nun, als erster in den Benelux-Ländern, bietet man das 3D-Laserschweißen von Kunststoffen an.

Natürlich folgt diese Entwicklung einer ganz bestimmten Logik: Prototypen- und Formenherstellung, Moldflow-Analyse, Sprítzguss und Qualitätssicherung. Ziel ist es, den Kunden den kompletten Entwicklungs- und Herstellungsprozess im Haus anbieten zu können. Und Laserschweißen ist nun mal die kommende Fügetechnik für Kunststoffteile, mit entscheidenden Vorteilen gegenüber dem Kleben oder Ultraschallschweißen.

„Wir konzentrieren uns auf highqualified Polymers, wie PEEK, LCP, PVDF, PPSU, IXEF oder hochgefüllten Glasfaser-Verbundwerkstoffe. Für diese anspruchsvollen Kunststoffe wollen wir unseren Kunden Komplettlösungen anbieten, die nahezu beliebige Schweißkonturen zulassen.“ Beschreibt Luc Janssen, Enkel des Firmengründers, die Zielsetzung, die zum Kauf der 3D-Laserschweißanlage führte. Gut 30 Jahre Erfahrung im Spritzguss gängiger Polymere (POM, PPS, PC, u.ä.) sind eine gute Basis. Im Mai 2005 wurde das System beim Anlagenhersteller Rofin geordert. Für diesen Laserhersteller sprach unter anderem seine Erfahrung im Kunststoffschweißen. Unterstützt von Kunststoff- und Pigmentherstellern ist man dort im firmeneigenen Applikationslabor in der Lage, auch schnelle Bemusterungen und Schweißtests durchzuführen.

Bereits im September 2005 ging die Anlage mit StarWeld Diode Y-100, Industrieroboter, Bearbeitungskammer und einem großen Rundschalttisch in den Probebetrieb.

Hochbelastbare Verbindungen beim Laserschweißen

Das Verkleben von Kunststoffen erfordert meist Oberflächenvorbehandlung und arbeitet mit organischen Lösungsmitteln. Für bestimmte Anwendungen kommt es schon deshalb nicht in Frage. Abgesehen davon lassen sich einige weit verbreitete unipolaren Polyfine (PE und PP) nur schwer kleben. Das Verschweißen mit Heizelementen oder Heißluft ist günstig aber träge und verschleißt oft die Werkzeuge beim direkten Kontakt mit Kunststoffen. Auch hier wird großflächig erhitzt, ungünstig für empfindliche Bauteile. Reibungs-, Vibrations- oder Ultraschallschweißen schließlich setzen die Werkstücke hohen mechanischen Belastungen aus und erfordern aus dem gleichen Grund aufwendige Konstruktion und regelmäßige Wartung der eingesetzten Maschinen. Speziell das Ultraschallschweißen benötigt eigens konstruierte Werkstückgeometrien, um die Schallenergie an die richtigen Stellen zu übertragen.

Lasergeschweißte Verbindungen sind dagegen mechanisch hoch belastbar und druckdicht. Musterteile bei Mareco zerbarsten erst bei 5,5 bar Prüfdruck, aber nicht an der Schweißnaht sondern innerhalb der Fügeteile. Das Verfahren erlaubt nahezu beliebige Schweißnahtkonturen und ist flexibel an beliebige Werkstückgeometrien anpassbar. Die Oberflächen erreichen hohe Qualität, es gibt keine Mikropartikel, Klebereste oder Rauheiten.

Additive verbessern die Schweißbarkeit

Die geringe Wärmeleitfähigkeit und Fließfähigkeit von Kunststoffen legt eine typische Schweißgeometrie nahe, bei der die Isothermen des Schmelzbades mit der Fügezone hinreichend gut überlagert werden: das Überlappschweißen. Hierbei durchdringt der Laserstrahl den oben liegenden Fügepartner und wird vom darunter liegenden absorbiert. Dessen Erwärmung führt zum Plastifizieren, das den Werkstückspalt überbrückt und den oben liegenden Fügepartner erhitzt.

Für die Absorption der Laserenergie sorgen Werkstoffzusätze, in der Regel Pigmente. Viele der zum Kolorieren verwendeten Pigmente absorbieren im IR-Bereich und lassen sich so zum Laserschweißen nutzen. Bei mindestens einem dunkel getönten Fügepartner existieren bereits Standardlösungen. Für hellere und kräftige Farbkombinationen stehen flexibel einsetzbare Laseradditive zur Verfügung, die im schweißrelevanten Wellenlängenbereich absorbieren. Das Verschweißen heller oder transparenter Kunststoffe – wie in der Medizintechnik – gelingt mit laserabsorbierenden Hochleistungsadditiven. Weiß auf Weiß schließlich erfordert wegen der Streueigenschaften und der geringen Transparenz des meist eingesetzten Titandioxids individuelle Lösungen.

Komplexe Spritzgussteile lassen sich nicht unbedingt mit einem 2 oder 2½ D-Verfahren verschweißen, denn die Schweißkontur liegt oft nicht auf einer Ebene und ist durch Vor- oder Rücksprünge schwer zugänglich. Bei Mareco setzt man auf die Kombination von diodengepumpten Nd:YAG-Laser mit Galvo-Ablenkkopf an einem sechsachsigen Industrieroboter. Kombiniert mit dem Roboter bedeutet die „dynamic beam welding Technologie“ mit Ablenkköpfen Freiheit auch in der dritten Dimension – und zusätzlichen Software-Aufwand zum Steuern und Koordinieren der beteiligten Bewegungs- und Positionierungssysteme.

Auch hat man das nötige Know-how für die Konstruktion der Bauteileaufnahmen, die Anpressdruck und Setzwegausgleich sicherstellen müssen. Das Venloer Unternehmen ist mit all seinen Erfahrungen in der Lage die allermeisten Spritzgussteile in hoher Güte zu verschweißen. Darüber hinaus verfügt man über ein enormes Wissen zur laserschweiß-gerechten Konstruktion der Teile, das man den Kunden bereits in der Designphase der Bauteile gerne zur Verfügung stellt.

Geringe thermische und mechanische Belastung

Kunden aus der Hochleistungsdruckerherstellung, dem Automobilbau und der Medizintechnik erkunden zunehmend die neuen Möglichkeiten, die ihnen diese innovative Verbindungstechnik bietet. Neben der Flexibilität und der hohen Festigkeit zählt hier vor allem die geringe thermische und mechanische Belastung der Bauteile. So können die Teile beim Verschweißen beispielsweise bereits hochempfindliche Sensoren enthalten. Dies eröffnet Automobilzuliefern neue Gehäusedesigns, die Metall durch Kunststoffe ersetzen und so unter anderem Gewicht sparen helfen.

Zudem verfügt man bereits jetzt über das nötige Know-how für die weitere Integration des Spritzguss- und Laserschweißverfahrens zu einem effizienten Gesamtprozess.

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