Das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen ermöglicht das präzise und saubere Fügen von Kunststofffolien ohne Zusätze oder Klebstoffe. Es ist daher insbesondere für anspruchsvolle Anwendungen in der Medizintechnik, Optik und Lebensmittelindustrie relevant.
Um das Prozessfenster beim Schweißen von Folien zu vergrößern und die Schweißnahtfestigkeit zu erhöhen, können Laserstrahlen mit räumlich angepasster Intensitätsverteilung verwendet werden. Dadurch wird der Energieeintrag maßgeschneidert und das Temperaturfeld des Schweißprozesses gezielt beeinflusst. Beim Schweißen einer PP- oder PE-Folie kann durch Verwendung einer angepassten Intensitätsverteilung beispielsweise das Prozessfenster um den Faktor 3 vergrößert werden. Die Schweißnahtfestigkeit entspricht dabei nahezu der Festigkeit des Grundwerkstoffs.
Das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen zeichnet sich durch seinen berührungslosen Energieeintrag sowie seine geometrische Flexibilität aus und ermöglicht das präzise und saubere Fügen von Polymerfolien ohne absorbierende Zusatz- oder Klebstoffe. Es eignet sich daher gut für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Prozesssicherheit und Sauberkeit wie zum Beispiel für Verpackungen bzw. Behältnisse in der Medizintechnik und Lebensmittelindustrie.
Für ein großes Prozessfenster ist eine homogene Schweißnahttemperatur notwendig. EVOSYS konnte im Rahmen eines laufenden Entwicklungsprojekts in Zusammenarbeit mit der OTH Regensburg, Gerresheimer GmbH und AdlOptica Optical Systems GmbH den Schweißprozess samt Strahlformung so optimieren, dass eine homogenisierte Energieeinbringung möglich ist. Dadurch vergrößert sich das Prozessfenster beim Schweißen von Polypropylen- oder Polyethylenfolien um bis zu Faktor 3. Gleichzeitig entspricht die Schweißnahtfestigkeit nahezu der Festigkeit des Grundwerkstoffs.
Grundlagen
Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststofffolien zeichnet sich gegenüber dem konventionellen Heißsiegeln durch einen berührungslosen sowie örtlich flexiblen Energieeintrag mit nur geringer mechanischer Belastung aus. Die zu fügenden Folien werden im Überlapp angeordnet und mit einer Spannvorrichtung fixiert. Durch die Verwendung einer Laserquelle mit einer Wellenlänge von circa 2 µm kann das Material ohne zusätzliche Stoffe wie beispielsweise Klebstoffe oder laserabsorbierende Additive gefügt werden. Der für sichtbares Licht transparente Kunststoff absorbiert die Laserstrahlung in diesem Spektralbereich bereits ausreichend.
Das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen eignet sich immer dann, wenn Zusatzstoffe vermieden werden sollen, insbesondere in Anwendungen in der Lebensmittelindustrie und Medizintechnik. Auch für Anwendungen im Reinraum ist dieses Verfahren sehr gut geeignet. Bild 1 zeigt den Innenraum einer EvoClear Laserschweißanlage mit einem exemplarischen Folienbauteil.
Laserstrahlen weisen üblicherweise eine gaußförmige Verteilung der Leistungsdichte auf, die beim Schweißen zu einer Temperaturüberhöhung in der Schweißnahtmitte führt. Dies hat zur Folge, dass in der Nahtmitte eine thermische Schädigung eintreten kann, während der Rand der Naht noch relativ kalt ist und daher nur eine geringe Festigkeit aufweist. Häufig wird dieser Herausforderung mit einer Vergrößerung des Strahldurchmessers durch Defokussierung des Laserstrahls begegnet, was jedoch zu einer Verbreiterung der Schweißnaht führt. Zudem verbleibt unnötig viel Leistung neben der Naht ungenutzt, was die Energieeffizienz des Prozesses verschlechtert, sowie teurere Strahlquellen mit mehr Leistung als eigentlich notwendig erfordert.
Für ein großes Prozessfenster und einen somit robusten Prozess ist eine homogene Schweißnahttemperatur erforderlich, weswegen die typischerweise gaußförmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls in eine ringförmige Donut- sowie eine rechteckförmige Flat-top-Verteilung umgewandelt wurde. Eine Prozesssimulation verdeutlicht, dass insbesondere die donutförmige Intensitätsverteilung zu einer deutlichen Homogenisierung der Schweißnahttemperatur führt und das Prozessfenster vergrößert. In Schweißversuchen wurde dies belegt: Das Prozessfenster für das Schweißen von PP wurde um Faktor drei vergrößert.
Weitere Tests zeigen zudem, dass unabhängig von der Intensitätsverteilung eine hohe Nahtfestigkeit erreicht werden kann, wenn eine Laserleistung in der Mitte bzw. am oberen Ende des Prozessfensters verwendet wird.
Ein detaillierter Fachartikel zu diesem Thema ist in der Fachzeitschrift Joining Plastics 19 (Ausgabe 1-2025) erschienen, https://www.joining-plastics.info
Sie haben Fragen zu den genannten Möglichkeiten? Auf Wunsch senden Ihnen unsere Experten gerne nähere Informationen zu. Sie erreichen uns telefonisch unter +49 9131 – 4088 – 1029 (Hr. Holger Aldebert) oder per E-Mail an sales@evosys-laser.com.
Autoren:
EVOSYS Laser GmbH: René Geiger, Lea Kroth
Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg: Prof. Dr.-Ing. Stefan Hierl, Frederik Maiwald
Gerresheimer Regensburg GmbH: Dr. Bernhard Schmitt
AdlOptica Optical Systems GmbH: Alexander Laskin
Förderung
Die Ergebnisse dieser gemeinsamen Arbeit wurden im Rahmen des Projekts „CTC-Med“ erzielt, das von der Bayerischen Forschungsstiftung (AZ‑1519‑21) gefördert wird.
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