Schweißen, Schneiden, Schreiben Lasertechnik: In der Kunststoffverarbeitung fest etabliert

Redakteur: Jürgen Schreier

Der Laser gehört zu den wichtigsten Werkzeugen nicht nur in der Metallbearbeitung, sondern auch in der Kunststoffindustrie. Dort werden Lasersysteme zum Schweißen, Schneiden und Schreiben eingesetzt, außerdem zum Sintern, Härten, Vorbehandeln, Reinigen oder zur Qualitätskontrolle. Einen Überblick der grenzenlosen Möglichkeiten der Lasertechnik im Kunststoff verarbeitenden Gewerbe bietet die K 2007 vom 24. bis 31. Oktober 2007 in Düsseldorf.

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Der Laser ist als universell verwendetes Hilfsmittel tief in unseren Alltag integriert. Festkörperlaser unterschiedlicher Konzeption werden nicht nur in der Werkstoffbearbeitung zum Schneiden, Schweißen oder auch Beschriften, zum Biegen oder Bohren eingesetzt, sondern auch im privaten Umfeld bei CD- oder DVD-Spieler, zur Datenübertragung oder als Laserdrucker am PC. In der Allgemeinmedizin wird der Laser primär zur Diagnose genutzt, beispielsweise zum Messen von Strömung und Zirkulation des Bluts.

Längst auch hat sich der Laser in der Kunststoff verarbeitenden Branche etabliert. Ganz ähnlich wie im Metallgewerbe wurde er am Anfang primär zum Trennen benötigt, oft auch in der Kombination mit dem bis dato favorisierten Wasserstrahlschneiden. Doch zunehmend ist die Lasertechnik heute auch beim Fügen von Kunststoffen zu finden, wobei hier allerdings noch gewisse Einschränkungen hinsichtlich Material und Schweißmethode zu berücksichtigen sind.

Auf dem Gebiet der Rapid-Prototyping (RP)-Verfahren dagegen läuft ohne Laser nichts. Mit ihm wird das Material aufgeschmolzen und das Modell aufgebaut. Es werden per Laserstrahl erste provisorische Formen erstellt, auf denen sich notfalls auch schon mal komplette Kleinserien produzieren lassen. Mit dem Laser werden Kunststoffteile bedruckt und beschriftet, Druckwalzen graviert und fertige Formteile hinsichtlich ihrer Qualitätskriterien überprüft. Und am Ende werden die kontrollierten Fertigteile dann mit einem fahrerlosen Transportsystem ins Lager verfrachtet, lasergeführt natürlich.

Ungeahnte Chancen eröffnen sich der Lasertechnik auch beim Beschriften und Markieren von Formteilen unterschiedlicher Geometrie und Material. Auf den tausendstel Millimeter genau können Schriftzeichen, Zahlen, Logos oder Codierungen auf das Objekt aufgebracht werden. Es lassen sich auf diesem Weg im Rahmen der betriebsinternen Logistik aber auch einzelne Bauteile oder komplette Baugruppen identifizieren und zurückverfolgen.

Wesentliche Pluspunkte dieser Methode sieht die Rofin Sinar Laser GmbH, die nach eigenen Angaben eine breite Palette von Beschriftungslasern und kompletten Markierungssystemen offerieren kann, unter anderem in der hohen Flexibilität hinsichtlich der Losgrößen, im kräftefreien und berührungslosen Arbeitsvorgang sowie in dessen Schnelligkeit und Präzision.

Vom Rubin- zum Diodenlaser

Angefangen hat die beeindruckende Erfolgsstory mit dem Rubinlaser von Maiman, einem sogenannten Festkörperlaser. Dem folgten die Gaslaser sowie späteren Halbleiter- bzw. Diodenlaser. Das Herz jedes Lasers besteht aus dem aktiven Medium. Dieses nimmt Energie auf, in der Regel Lichtenergie von einem als Pumplichtquelle bezeichneten Aggregat. Die Atome des aktiven Mediums geben diese Energie als kohärente Lichtstrahlen ab, also als kompaktes Lichtbündel von gleicher Wellenlänge und Schwingungsart. Zwischen zwei Spiegeln wird das Licht dann mehrfach reflektiert, bevor es am Ende als Laserstrahl aus dem einem, teilweise durchlässigen Spiegel austritt, um in unterschiedlicher Form genutzt zu werden.

Beim weit verbreiteten und auch heute noch gebräuchlichen CO2-Laser wird das laseraktive Medium von einer Glimmentladung in einem Gemisch aus Helium, Stickstoff und Kohlenstoff gebildet. Anders sieht es beim ND:YAG-Laser aus, wie sie in der Praxis ebenfalls oft anzutreffen sind.

Bei diesen Festkörperlasern der frühen Periode besteht das laseraktive Medium aus einem mit Neodym dotierten Kristallstab,der sich aus den chemischen Grundstoffen Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) zusammensetzt. In den späten 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte es die Halbleitertechnologie schließlich, immer langleberige und hoch aktive Diodenlaser auf den Markt zu bringen. Mit relativ kleiner Leistung entfalten sie in CD- und DVD-Laufwerken ihre dennoch sehr wirksame Kraft und werden auch beim Fügen von Kunststoffen für das Laserschweißen eingesetzt.

Obwohl auch hier erst am Beginn einer viel versprechenden Karriere, erwies sich das Verschweißen von Bauteilen aus Kunststoff mit dem fokussierten Laserstrahl als elegante Variante der Verbindungstechnik im polymeren Werkstoffbereich. Zu den Pionieren auf diesem weiten Feld dürfte die Firma Jenoptik aus dem thüringischen Jena gehören. Schon früh engagierte sich das ostdeutsche Unternehmen in Forschung und Weiterentwicklung des Laserschweißens, das sich im gewissen Umfang einen Platz als Alternative zu den thermischen und mechanischen Fügeverfahren sowie zum Nieten und Kleben erobern konnte.

Eine nicht unwesentliche Einschränkung ist, dass mindestens ein Fügepartner der zu verbindenden Werkstücke das Laserlicht mit dessen spezifischer Wellenlänge gut absorbieren muss. Ansonsten aber kann die Methode mit einer Reihe von Vorteilen punkten: Der Energieeintrag erfolgt ohne Berührung und ohne Kraftaufwand. So lassen sich auch filigrane, mechanisch sehr sensible Teile gut verschweißen. Die Wärmeeinleitung ist thermisch und geometrisch exakt definiert; und es entsteht beim eigentlichen Schweißvorgang weder Abrieb noch Schmelzeaustrieb an der Naht.

Fasergekoppelten Diodenlaser bieten gute Strahlqualität

Im Hinblick auf das Laserschweißen lassen sich nach Ansicht der Firma Leister, einem Schweizer Hersteller von Schweißgeräten für die Kunststoffindustrie, derzeit zwei hauptsächliche Entwicklungstendenzen erkennen: Der Trend bei der Polymerforschung ziele in Richtung Materialmodifizierung und Entwicklung spezieller Laseradditive, die dem Rohmaterial beigemischt werden. Damit ließen sich Kunststoffe per Laserstrahl mit einem größeren Maß an Gestaltungsfreiheit fügen. Andererseits würden Prozessbetreiber und Anlagenhersteller verstärkt daran arbeiten, bestehende Fügeverfahren zu optimieren oder auch ganz neue zu konzipieren.

Dass es dem Laserschweißen bisher nicht gelungen ist, sich nachdrücklicher im Markt zu positionieren, liegt nach Einschätzung der Heilbronner Firm Optotools an der immer noch mangelhaften Strahlqualität der verfügbaren Lasermodule. Mit einem fasergekoppelten Diodenlaser der neuesten Generation versucht das württembergische Unternehmen dieses Manko zu beheben.

Herausgestellt werden der modulare Aufbau und die sehr guten Strahlergebnisse der Neuentwicklung, die sich deshalb auch in sogenannten Galvo-Scannern installieren ließe. In dieser Kombination würden die neuen Module den beim Laserschweißen bevorzugten quasi-simultanen Fügeprozess ermöglichen. Die daraus resultierende Steigerung der Taktzahl erhöht nach Angaben von Optotools die Produktivität der Anlage entscheidend.

Bestätigt wird die Darstellung durch die LPKF Laser und Electronics AG, deren Geschäftsbereich Kunststoffschweißen auf die Lasermodule von Optotools setzt. Schon früh hatte man in Erlangen im Hause LPKF die Vorzüge dieser neuen Verbindungsversion als kostengünstige und vor allem Material schonende Alternative zum Ultraschallschweißen und Verkleben erkannt. Das Verschweißen mit Laser sei sauber, der Energieeintrag gut zu kontrollieren und die mechanische Belastung der Bauteile gering, heißt es dazu. Speziell bei empfindlichem Schweißgut wie elektronischen Komponenten oder sensiblen Bauteilen der Medizintechnik könne das Schweißen mit dem Laserstrahl seine charakteristischen Pluspunkte ausspielen, zumal sich das Ausschussrisiko entscheidend verringern ließe.

Strukturieren und Perforieren

Wo sonst noch hat der Laser in der Kunststoffverarbeitung seine Aktivitäten entfaltet? Wo konnte er mit seinen zweifellos vorhandenen Vorteilen Terrain erobern? Beispielsweise in der Mikrotechnik. Nach den Erfahrungen von Arnold Gillner, seit 1994 Abteilungsleiter am Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen, habe sich vor allem das Strukturieren von Kunststoffen mit Laserstrahlen als Ergänzung zu den konventionellen Verfahren durchgesetzt. Insbesondere dort, wo es auf kleinste Geometrien mit einem Minimum an Beeinflussung der empfindlichen Bauteile ankommt.

Ein anderes Beispiel: Mit „Votan A“ hat Jenoptik ein Bearbeitungszentrum im Angebot, das gleich im Doppelpack die Kraft des Laserlichts nutzt. So können auf dieser Maschine einmal die Sollbruchstellen für den Beifahrer-Airbag in die Instrumententafel eines Pkw eingearbeitet werden, gleichzeitig kann der Rand- und Konturenbeschnitt des kompletten Bauteils erfolgen. Auf der Rückseite des Armaturenbretts werden durch den Laserstrahl winzig kleine Löcher eingebrannt und dermaßen aneinander gereiht, dass sich im Kunststoff die bewusste Sollbruchstelle ausbildet, während die sichtbare Vorderseite der Tafel optisch intakt bleibt.

Betont wird, dass beide in dem Fertigungszentrum integrierten Lasermodule grundsätzlich als eigenständige Einheiten fungieren. Aus Kostengründen und bei kleineren Serien ließe sich jedoch auch eine gemeinsame CO2-Laserquelle nutzen.

Doch mit Hilfe der Lasertechnologie lassen sich ebenfalls Formen und Werkzeuge im Kunststoff verarbeitenden Betrieb von anhaftenden Materialrückständen reinigen. Es lassen sich damit die Oberflächen unterschiedlicher Materialien für das Bedrucken oder Kleben vorbehandeln. Die Stärken der Laserverfahren sind auch hier die berührungslose und partielle Behandlung der Bauteile, die Möglichkeit, die erforderlichen Arbeitsgänge gut in laufende Produktionsprozesse integrieren zu können, sowie weitgehende ökologische Unbedenklichkeit.

Und genau das schließlich sind in der Summe die Parameter, mit denen der Laserstrahl seinen Siegeszug fortsetzen und sich in der Kunststoffverarbeitung als unentbehrlich erweisen wird. Auf der K 2007 Ende Oktober des Jahres in Düsseldorf kann man sich einmal mehr davon überzeugen.

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