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Beschädigungsfreie Verbindung von transparenten Polymeren

Laserschweißen löst Klebe- und Heiztechniken beim Verbinden von mikrostrukturierten Kunststoffen ab.

Schematische Darstellung des Laserdurchstrahlschweißens mit einer nanometerdicken Absorptionsschicht.

Verbindungen von Kunststoffteilen mit höchsten visuellen Ansprüchen werden immer wichtiger, insbesondere in der Medizintechnik, wo es auf eine besonders sichere und hygienische Verarbeitung ankommt.

Stand der Technik

Neben konventionellen Verbindungstechniken, wie Kleben, Ultraschall-, Vibrations- oder Heizelementschweißen, gewinnt das sogenannte Laserdurchstrahlschweißverfahren an Bedeutung. Das Verfahren basiert auf unterschiedlichen optischen Absorptionseigenschaften der Bauteile. Eines der zu verbindenden Bauteile ist transparent für die vom Laser eingesetzte Wellenlänge, das andere absorbiert die Laserenergie. Die im absorbierenden Bauteil entstehende Wärme überträgt sich durch leichten Druck auf das andere Bauteil. Beide Werkstoffe schmelzen in der Kontaktzone auf, sodass eine Schweißnaht mit hoher Festigkeit entsteht. Dieses bestehende Verfahren ist jedoch nicht auf Mikrostrukturen anwendbar, da die Strukturen und, je nach Anwendungsfall, auch kleine Bauteile durch Deformation oder Rissbildung beeinträchtigt werden können.

Technologie

Das Laserdurchstrahlschweißen wurde am Institut für Angewandte Materialien (IAM-AWP) zu einem mikrosystemtauglichen Verfahren weiterentwickelt, das transparente Werkstoffe aus Kunststoff materialschonend miteinander verbindet, ohne dabei die Mikrostrukturen zu beschädigen. Dabei werden Absorptionsschichten mit Dicken von wenigen Nanometern auf die zu verbindenden Flächen aufgetragen. Mit leichtem Anpressdruck werden die Bauteile zueinander positioniert. Die Absorptionsschicht wird mit einem Laserstrahl an der zu fügenden Stelle beaufschlagt, sodass sich diese erwärmt und die beiden Werkstücke miteinander schlüssig verbindet. Die Ausbreitung der Wärmeeinflusszone beim Schweißprozess lässt sich räumlich begrenzen, sodass Mikrostrukturen erhalten bleiben und Systemfunktionen nicht beeinträchtigt werden.

Vorteile

Nahezu jeder Thermoplast kann verwendet werden, beispielsweise PMMA, COC, PC, PEEK, PS, PP, PE. Zudem sind Kombinationen unterschiedlicher Polymere und eine Verbindung von dicken und dünnen Polymeren, beispielsweise von Folien mit einer Dicke von unter 100 Mikrometern, möglich. Der Laserprozess ist zudem abriebfrei und benötigt keine Zusatzstoffe wie Kleber.

Optionen für Unternehmen

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Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Dr. Aude Pélisson-Schecker, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanagerin Energie, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-25335

E-Mail: pelisson-schecker@kit.edu

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