Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Absorberfreies Laserdurchstrahlschweißen von Themoplasten durch Ausnutzung intrinsischer Absorptionsbanden

Das Vorhaben adressiert das Thema Laserdurchstrahlschweißen speziell für Anwendungen, bei denen die Transparenz oder die Biokompatibilität der zu fügenden Kunststoffkomponenten nicht durch Zusatzstoffe wie z.B. Absorber beeinträchtigt werden darf. Hierfür sollen die für alle Kunststoffe charakteristischen Schwingungs- und Resonanzabsorptionszustände der Polymerketten genutzt werden, indem die für das Schweißen notwendige Energie durch wellenlängenangepasste Laserstrahlung lokal in der Fügestelle ohne Einsatz von Absorbern deponiert wird. Durch Tuning von Wellenlänge und Fokussierbedingungen soll die absorbierte Intensität lediglich auf den Fügebereich konzentriert werden, so dass nur dort eine ausreichende Energie zum Schmelzen erreicht wird.

Ziel des Vorhabens ist es ein Verfahren bereitzustellen, das bereits in seiner klassischen Form (mit Absorbereinsatz) gegenüber konkurrierenden Fügeverfahren Vorteile hinsichtlich Prozesszeit, thermischer/mechanischer Belastung, potentieller Kontamination funktioneller Flächen (durch Klebstoff/Abriebpartikel) und Fertigungskosten aufweist. Letzteres wird zusätzlich durch sinkende Kosten für Lasersysteme begünstigt, die sich zunehmend dem Preisniveau von Konkurrenzverfahren nähern. Dadurch werden laserbasierte Fertigungsprozesse auch für KMUs zunehmend attraktiver. Die Entwicklung einer Prozess- und Anlagentechnik, die keine Absorber benötigt, trägt dazu bei die Attraktivität des Laserdurchstrahlschweißens für KMUs sowohl aus prozesstechnischer als auch wirtschaftlicher Sicht weiter zu steigern. Auch ließen sich neue Anwendungen in der Medizintechnik, Biotechnologie und Chemie erschließen, in denen Absorber aufgrund der Wechselwirkung mit den untersuchten Substanzen ein erhebliches Risiko für die Funktionalität des Produkts darstellen können. Durch den Vergleich mit der klassischen Prozessvariante soll das technologische und wirtschaftliche Potential des Verfahrens bestimmt werden, um KMUs als Entscheidungsbasis zu dienen.

Ergebniszusammenfassung:

Das AFRELAS Forschungsvorhaben umfasst grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet des Laserschweißens hochtransparenter Polymere ohne Zugabe von Strahlungsabsorbern. Im Rahmen des Projektes wird ein neuer Ansatz verfolgt, bei dem durch Anpassung der Bestrahlungswellenlänge an die Absorptionseigenschaften der Polymere zwischen 1,5 und 2 µm und durch Verwendung prozessangepasster Optiksysteme ein laserbasiertes Fügeverfahren für transparente Kunststoffe am Beispiel Polycarbonat (PC) qualifiziert wird.

Die angestrebten AFRELAS Forschungsziele, u.a. das prozesssichere Laserschweißen und die Etablierung eine Laser-Fügetechnik für transparente Polymere ohne Absorber wurden erreicht. Es stellt für die einschlägigen Laseranlagenhersteller und viele Anwender (meist KMU), die bei transparenten Kunststofffügeaufgaben bisher auf das Laserverfahren verzichten mussten, die erforderlichen Fachkenntnisse bereit. Dies ist für Hersteller von medizinisch/biologischen Lab-on-Chip Analysesystemen auf Basis von PC, PMMA, COC, COP, deren Markt in den letzten Jahren ein beachtliches Wachstum erfahren hat, besonders interessant.

Die geplanten Maßnahmen zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft sind überwiegend durchgeführt worden, die ausstehenden Maßnahmen lassen sich mit großer Wahrscheinlichkeit realisieren. AFRELAS Forschungsergebnisse sind in bisher drei Fachzeitschriften veröffentlicht worden.