Laserschweißen schwarzer Kunststoffteile erstmals möglich

Auch schwarze Kunststoffteile können mit Laserlicht geschweißt werden - dank eines neuen Farbstoffs von Bayer. Sein Clou: Er erscheint im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts schwarz, zeigt aber eine hohe Durchlässigkeit für Licht aus dem nahen Infrarot. Und gerade diese Eigenschaft ermöglicht das Laserdurchstrahlschweißen. "Es besteht ein großer Bedarf, schwarze Kunststoffteile mit dieser besonders schonenden Fügetechnik zu schweißen. Unserem Produkt eröffnet sich daher ein sehr breites Anwendungsspektrum", erläutert Frank Krause, Ingenieur aus dem Geschäftsbereich Kunststoffe, die Marktchancen. Der Farbstoff wurde bisher auf verschiedene Bayer-Thermoplaste abgestimmt, so zum Beispiel auf die Polyamide Durethan®, das Polycarbonat (PC) Makrolon® und das Polybutylenterephthalat (PBT) Pocan®.

Und so funktioniert das Laserdurchstrahlschweißen mit der Neuentwicklung: Das dem Laser zugewandte Fügeteil wird mit dem Farbstoff eingefärbt. Der Lichtstrahl kann es deshalb fast ungestört durchdringen und trifft auf den zweiten Fügepartner, der mit herkömmlichen Farbmitteln wie Ruß geschwärzt ist. Diese absorbieren den Laserstrahl und wandeln ihn in Wärme um, wodurch die Kunststoffoberfläche schmilzt. Die Schmelze führt zu einer örtlichen Volumenzunahme, die für einen flächigen Kontakt mit dem transparenten, oberen Element sorgt. Dieses wird durch die auftretende Wärmeleitung ebenfalls plastifiziert. Damit ist der Schweißprozess der beiden Elemente, die durch eine Fixiervorrichtung gehalten werden, abgeschlossen.

Das Laserdurchstrahlschweißen hat mehrere Stärken: So wird das Kunststoffteil nur in einem lokal sehr begrenzten Bereich erhitzt. Die weitere Umgebung der Schweißnaht bleibt unbeeinflusst. Eine Verschmutzung durch Fussel tritt nicht auf, außerdem ist der Schweißaustrieb sehr gering. Die Fügetechnik eignet sich deshalb besonders für Kunststoffteile, die für andere Verfahren wie das Vibrations-, Rotations- oder Heizelementschweißen zu empfindlich sind - wie zum Beispiel Teile mit integrierten Elektronikkomponenten. "Wir gehen davon aus", so Krause, "dass unser Produkt beispielsweise in der Elektrotechnik und im Automobilbau zum Einsatz kommt - so etwa beim Schweißen von Sensoren- und Zentralelektronikgehäusen oder Abdeckungen an der Instrumententafel."

Für das Laserdurchstrahlschweißen spricht auch dessen Wirtschaftlichkeit. So liegen die Zykluszeiten - je nach Verfahrensvariante - weit unter 30 Sekunden. Dreidimensionale Konturen lassen sich ebenso schweißen wie Kombinationen aus "harten" Thermoplasten und "weichen" thermoplastischen Polyurethanen.

Damit die Transmission allein vom Werkstofftyp, dem Füllstoff und der Wanddicke abhängt, wurde besonders darauf geachtet, dass die Farbpigmente die Transmission im nahen Infrarot nur geringfügig verringern. Welche Möglichkeiten sich mit dem Farbstoff ergeben, spiegeln folgende Experimente wider: So kann ein Teil aus glasfaserverstärktem Durethan BKV 30 H2.0 (PA 6) noch bei einer Wanddicke von 3,2 Millimetern problemlos mit einem Nd:YAG-Laser geschweißt werden. Im Falle von Pocan B3235 (GF 30), das wegen des Glasfaseranteils und der höheren Kristallinität eine geringere Transmission im nahen Infrarot aufweist, gelang das Schweißen noch bei einer Wandstärke von 1,6 Millimetern.