Dr.-Ing. R. Klein

Techno Sciptum Ingenieurbüro,

Groß-Umstadt

Rüdiger Wissemborski

Chemische Fabrik Budenheim KG,

Budenheim

Beim Einsatz von Kunststoffen zur Herstellung von Komponen-ten und Produkten hat Laser-strahlung als Werkzeug zum Schweißen, Schneiden und Markieren in Ergänzung zu al-ternativen Verfahren, wie Ultra-schall-, Vibrations- oder Reib-schweißen; mechanisches Schneiden, Fräsen oder Wasser-strahlschneiden; Tampon- oder Ink-Jet-Druck heute eine gute Marktakzeptanz erreicht. Für das Laserstrahlmarkieren hat sich Flexibilität und Berüh-rungslosigkeit des Verfahrens als wesentlicher Vorteil gezeigt. Das Laserstrahlschweißen von Kunststoffen bietet Vorteile, wenn Sauberkeit der Werk-stücke, geringe thermische und mechanische Belastung von Bauteilen und innen liegenden empfindlichen Komponenten sowie Flexibilität der Fertigung

im Vordergrund stehen. Obwohl Laserstrahlschweißen ein rela-tiv teures Fertigungsverfahren darstellt, können bei einer ganz-heitlichen Betrachtung von Fer-tigungsprozess und Logistik er-hebliche Einsparungen in der Fertigung erzielt werden.

Abgesehen von CO2-Lasern mit Wellenlänge 10,6 µm in IR-Bereich zum Markieren werden für industrielle Anwendungen zum Laserstrahlschweißen und -markieren von Kunststoffen im Wesentlichen Strahlquellen wie

Dioden-, Nd:YAG- oder Faserla-ser eingesetzt. Diese Laser emit-tieren kohärente, gerichtete Strahlung im NIR-Wellenlän-genbereich von ca. 800 bis 2.500 nm, welche in der Regel durch natürliche oder farblich ange-passte Kunststoffe nur ungenü-gend absorbiert wird.

Um Kunststoffe für die Laser-bearbeitung anzupassen, müs-sen sie durch Hilfsmittel zur gezielten Laserstrahlabsorption wie beispielsweise durch spe-zielle Effektpigmente beim

Laserstrahlmarkieren oder or-ganische Farbstoffe und anorga-nischen Pigmenten beim Laser-strahlschweißen ausgerüstet werden.

Anorganische Pigmente wie Farbeffektpigmente werden als Kunststoffadditiv bevorzugt beim Lasermarkieren eingesetzt. Die in der Kunststoffmatrix fein dispergierten Pigmentpartikel absorbieren die Laserstrahlung und geben die Wärme an an-grenzende Polymermoleküle ab. Beim Beschriften mit Laser wird in der Regel mit hohen Pulslei-stungen und kurzen Einwirk-dauern gearbeitet. Dadurch wer-den die angrenzenden Polymer-moleküle thermisch beeinflusst, abhängig vom Polymertyp ent-weder karbonisiert (schwarze Markierung) oder aufgeschäumt (helle Markierung). Als konkrete Partikel sind anorganische Pig-mente im Polymer dispergiert und durch die makromolekulare Struktur fest eingebunden, eine Migration wie bei organischen Farbstoffen ist stark behindert oder nicht vorhanden.

Für den Einsatz zum Laser-schweißen sind anorganische

Beitrag aus K-ZEITUNG 9 vom 7. Mai 2010

Mehr Möglichkeiten beim Schweißen und Markieren von Thermoplasten und Elastomeren durch Fabulase

Neue Wirkstoffe erleichtern Laserbearbeitung

Bild 1: Laserstrahlgeschweißte LDPE-Muster mit unterschiedlichen Anteilen an Fabulase-Additiv (0,5%, 1% und 2%)

Bild 2: Transmissionsmessung an PP mit Fabulase 322

FOTO

: CHE

MIS

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

Bild 3: Transmissionsmessung an PA6 mit Fabulase 322

FOTO

: CHE

MSI

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

FOTO

: CHE

MIS

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

Pigmente zum Laserstrahlmar-kieren aufgrund der Wechselwir-kungsprozesse nicht oder nur bedingt geeignet. Zudem beein-flussen viele anorganische Pig-mente, bedingt durch Partikel-struktur und -größe, die Eigen-farbe und Transparenz des Kunststoffes.

In vielen Fällen wird dem Kunststoff Rußpartikel als absor-bierendes Additiv zugesetzt, wo-durch die Absorption im NIR-Bereich entschieden erhöht

wird. Durch die Rußpartikel wird der Kunststoff aber auch im sichtbaren Bereich schwarz ein-gefärbt. Für Anwendungen, bei denen eine Freiheit der Farbge-staltung oder sogar eine Transpa-renz der Bauteile gefordert wird, kann Ruß als Absorber nicht ein-gesetzt werden. Hier bieten sich Alternativen wie spezielle orga-nische Farbstoffe oder anorga-nische Pigmente als Laserstrahl-absorber an.

Organische Farbstoffe, welche die Laserstrahlung absorbieren, im sichtbaren aber keinen oder nur geringen Farbeinfluss auf-weisen, sind prinzipiell eine Al-

ternative zu Rußpartikeln. Sie sind aber vergleichsweise teuer und unter Umständen nur in Kunststoffen mit maximalen Verarbeitungstemperaturen bis ca. 300°C einsetzbar. Typische organische Farbstoffe liegen in der Kunststoffmatrix gelöst vor, dadurch kann insbesondere bei Polyolefinen und thermopla-stischen Elastomeren eine Ten-denz zur Migration auftreten. Zudem sind solche Absorber nicht oder nur ungenügend zum

Lasermarkieren von Kunst-stoffen einsetzbar.

Eine Brücke zwischen Laser-markieren und Laserschweißen von Kunststoffen kann jetzt durch Fabulase als eine neue Familie von laserabsorbierenden Wirkstoffen geschlagen werden. Speziell Fabulase 322 auf der Ba-sis von Kupferphosphat eignet sich hervorragend zur gleichzei-tigen Anwendung beim Laser-strahlschweißen und -markie-ren.

Fabulase-Wirkstoffe sind anor-ganische Pigmente, die in ver-schiedenen Korngrößenbe-reichen verfügbar und als Kunst-

stoffadditive oder selektive Oberflächenbeschichtung an-wendbar sind. Sie sind thermisch und chemisch hoch belastbar und können auch bei Hochleis-tungsthermoplasten wie PPS oder PEEK als Additive für das Laserstrahlschweißen oder -markieren eingesetzt werden.

Diese Wirkstoffe sind frei von Schwermetallen und dadurch ge-eignet für den Einsatz bei me-dizinischen Geräten, Haushalts-geräten oder Verpackungen von Lebensmitteln oder Medikamen-ten. Entsprechende Testzertifi-kate sind auf Anfrage erhältlich.

Fabulase 322 in Pulverform kann wie andere Farbmittel bei der Herstellung von Masterbatch oder Compound dem Kunststoff als Additiv zugegeben werden und eignet sich für eine Vielzahl von thermoplastischen Kunst-stoffen oder thermoplastischen Elastomeren in der Weiterverar-beitung durch Spritzguss oder Extrusion. Die Formulierung des Kunststoffbatches mit Fabulase-322-Additiv erfolgt dabei ent-sprechend der Kompatibilität des Absorbers mit dem Kunststoff, der Farbvorgabe und der Anfor-derung an den Schweiß- oder Markierprozess.

Durch die hohe thermische Belastbarkeit kann es als Additiv auch in technischen Hochtem-peratur-Kunststoffen verwendet werden. Speziell bei Polyolefinen wie PP oder PE und thermo-plastischen Elastomeren bietet Fabulase 322 eine drastisch re-duzierte Tendenz zur Migration im Vergleich zu organischen Farbstoffen als Absorber. Im sichtbaren Bereich, abhängig von der Additivkonzentration im Kunststoff, erleichtert das Pro-dukt einen leicht grünlichen Farbeinschlag.

Der Absorptionsbereich von Fabulase 322 erstreckt sich im NIR-Spektralbereich von ca. 900 bis ca. 2.200 nm. In den Bildern 2 und 3 ist die Transmission von Fabulase 322 als Additiv in PP und PA6 mit verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen im Vergleich zur Transmission von natürlichem Werkstoff darge-stellt. Deutlich ist der maximale Absorptionsbereich von ca. 800

bis 1.400 nm erkennbar, der zu einer effektiven Absorption von NIR-Laserstrahlung zum Schweißen oder Markieren führt.

Bei der Verwendung als Kunst-stoffadditiv kann über die Wahl der Wirkstoffkonzentration die optische Eindringtiefe der Laser-strahlung im Kunststoff (Bild 4) und damit die Aufschmelztiefe (Schmelzvolumen) an die Erfor-dernisse des Bauteils angepasst werden. Dadurch können Bau-teiltoleranzen beim Laserstrahlschweißen durch er-höhte Schmelzbildung besser überbrückt werden als beispiels-weise bei Ruß als Absorber.

Durch die geringe Eigenfär-bung von Fabulase 322 eignet sich dieser Wirkstoff auch als Ad-ditiv für die Anwendung bei hel-len Bauteileinfärbungen wie gelb oder rot und gestattet dadurch eine hohe Variabilität im Farbde-sign. In Bild 5 ist als Beispiel die Laserschweißung an einem rot eingefärbten ABS-Muster mit 1% Fabulase 322 mit einem optisch transparenten PMMA als Gegen-stück dargestellt. Links von dem Schweißmuster befindet sich ein rotes ABS-Plättchen ohne Fabu-lase 322 zur Verdeutlichung des geringen, farbkorrigierbaren Einflusses als absorbierendes Kunststoffadditiv. Fabulase 322 eignet sich auch für das Laser-strahlmarkieren von Kunst-stoffen, so dass sich für Bauteile, welche lasergeschweißt und -markiert werden sollen, die Zu-gabe eines zusätzlichen Additivs zum Lasermarkieren sich in den meisten Fällen erübrigt. Bild 6 zeigt zwei Muster aus LDPE mit Fabulase-322-Anteilen von 0,5% (oben) und 1% (unten) im la-serabsorbierenden Teil, die nach dem Laserschweißen mit 940 nm Dioden-Laser mit einem Faser-Laser (1.064 nm) markiert wur-den.

In Fällen, in denen aus wirt-schaftlichen oder technischen Gründen die Verwendung von laserstrahlabsorbierenden Addi-tiven im Kunststoff zum Laser-strahlschweißen oder -markie-ren nicht gegeben ist, können die Wirkstoffe auch als örtlich se-lektive Beschichtung eingesetzt werden. Hierfür eignet sich ins-

Bild 4: Einfluss der Fabulase-322-Konzentration auf die optische Eindringtiefe am Beispiel PP

FOTO

: CHE

MIS

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

Bild 5: Laserstrahlschweißen von rotem ABS mit transparentem PMMA, links ein ABS-Muster ohne Fabulase zum Vergleich

FOTO

: CHE

MIS

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

Bild 7: Laserstrahlschweißen von LDPE mit Fabulase-122-Coating, links ein Substrat mit Beschichtung, rechts ein geschweißtes Muster

FOTO

: CHE

MIS

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

Bild 6: Laserstrahlmarkierung an laserstrahlgeschweißten LDPE-Mustern

FOTO

: CHE

MIS

CHE

FABR

IK B

UDEN

HEIM

besondere Fabulase 122 oder mikronisiertes Fabulase-322-S, emulgiert in Aceton oder Isopro-pyl-Alkohol. Die Emulsion wird mit einem geeigneten Dispens-verfahren, z.B. mit Ultraschall-zerstäubung lokal auf minde-stens eine der beiden zu verbin-denden Bauteile in der Fügezone oder auf dem zu markierenden Bauteil aufgetragen. Nachdem das Lösungsmittel verdunstet ist verbleibt ein dünner weißlicher Pigmentfilm des Absorbers auf der Oberfläche des Bauteils. Beim Laserstrahlschweißen wer-den die Bauteile anschließend in der Laseranlage gespannt und verschweißt. Die Laserstrahlung wird durch das Fabulase-122-Coating absorbiert und in Pro-zesswärme umgewandelt. Die im direkten Kontakt stehenden an-grenzenden Kunststoffbereiche werden erhitzt, plastifiziert und bilden unter gleichzeitig auf-gebrachtem Fügedruck die Schweißnaht. Während des ther-mischen Schmelzprozesses wer-den die Pigmente der Beschich-tung in der Schmelze dispergiert, wodurch der Farbeinfluss des Pigmentes wesentlich verringert wird. Erreichbare Nahtfestig-keiten mit Fabulase-122-Be-schichtungen liegen in der Größen ordnung vergleichbarer Verfahren.

Alternativ zum Nassauftrag von Fabulase-Wirkstoffen können die-se auch durch Pulverdirektauftrag oder Thermotransferdruck auf die Oberfläche des zu schwei-ßenden Bauteils aufgebracht werden. In beiden Fällen bietet sich die Verwendung von Laser-technik zur Prozessunterstüt-zung an. Beim lasergestützten Pulverauftrag wird das Pulver durch die Laserstrahlung erhitzt und haftet fest auf der Substrato-berfläche während beim laserge-stützten Thermotransferdruck der Laserstrahl auf der Transfer-folie die zu schweißende Bahn abfährt und dadurch den Wirk-stoff auf das Substrat überträgt.

Weitere Alternativverfahren zur lokalen Ausrüstung von Bau-teilen mit Fabulase-Wirkstoffen zur Absorption von Laserstrah-lung sind robotergestützte Rau-penextrusion, Mehrkomponen-

tenspritzguss und Coextrusion. Hierbei wird mit den Verfahren eine dünne Schicht im Bereich des Bauteils mit absorbierendem Compound erzeugt, wo beim anschließenden Bearbeitungs-prozess die laserabsorbierende Wirkung am Bauteil benötigt wird. Bei der Raupenextrusion erfolgt dies in einem externen Schritt, beim Mehrkomponen-tenspritzguss oder auch Coex-trusion direkt während der Bau-teilherstellung.

Mit Fabulase-Wirkstoffen aus-gerüstete thermoplastische Kunststoffe können ebenso zu Folien in einem Dickenbereich von 50 bis 250 µm und in farb-licher Anpassung an das betref-fende zu bearbeitende Bauteil extrudiert werden, welche dann als Zwischenschicht in die Füge-zone der zu verbindenden Kom-ponenten eingelegt oder in der Spritzgießform hinterspritzt werden können. Ähnlich wie beim Schweißen mit Fabulase-Coating wird die Laserstrahlung nur dort absorbiert, wo die Schweißnaht erzeugt werden soll, erlaubt aber eine höhere

Spalttoleranz als beim Coating-Verfahren und vermeidet zusätz-lich den Einsatz von Lösungsmit-teln beim Verarbeitungsprozess.

Laserstrahlschweißen und -markieren wird heute beispiels-weise in den Bereichen Automo-bilkomponenten, Medizinpro-dukte, Haushaltswaren, Elektro-nikkomponenten oder Verpa-ckungstechnik in einer Vielzahl

von Anwendungen eingesetzt. Vorteile wie berührungsfreie Be-arbeitung, resistente Beschrif-tung, rückstandsfreies Schwei-ßen oder reduzierte thermisch und mechanische Belastung der Bauteile werden dabei ausge-nutzt.

Zum Laserstrahlschweißen von Kunststoffen wird aus Ko-stengründen und wegen der ho-

hen Absorptionseigenschaft in der Mehrzahl Ruß als Additiv zur Absorption der NIR-Laserstrah-lung verwendet. Wird aber aus Design- und Anwendungsgrün-den eine spezielle Farbgebung oder gar visuelle Transparenz der Bauteile gefordert, kann Ruß nicht verwendet werden. Der Einsatz von organischen Farb-stoffen, die im sichtbaren Bereich

nur geringen Einfluss haben und NIR-Laserstrahlung effektiv ab-sorbieren, scheitert oft an der hohen Kostenbarriere dieser Wirkstoffe. Fabulase-Wirkstoffe bieten hier eine kostengünstige Alternative, zumal sich diese Wirkstoffe auch für das Laser-strahlmarkieren von Kunst-stoffen eignen und dadurch zu-sätzliche Additive für das Mar-kieren im Kunststoff erübrigt werden. Durch ihre Temperatur-stabilität sind sie ein-facher durch Spritzguss oder Extrusion zu verarbeiten als vergleichsweise organische Farb-stoffe.

Speziell zum Laserstrahl-schweißen können die Wirkstoffe auch als selektive Absorber im Fügebereich verwendet werden. Fabulase-Wirkstoffe können da-bei durch verschiedene Auf-tragsverfahren als flüssige Be-schichtung, pulverförmig mit Laserunterstützung, roboterge-führte Strangextrusion oder im Mehrkomponentenspritzguss auf den Fügebereich eines oder beider zu verschweißender Bau-teile eingebracht werden. Damit bieten die Wirkstoffe eine Viel-falt an Anwendungsmöglich-keiten für die industrielle Ferti-gung von Komponenten und Bauteilen aus thermoplastischem Kunststoff und thermopla-stischen Elastomeren.

www.budenheim.com