November 2017

Kunststoff mit Laser schweissen

Unser Einstieg

In Zusammenarbeit mit der Firma CELLWAR GmbH aus Münchenbuchsee haben wir eine flexible Roboterzelle realisiert, in der Kunststoffteile mit Laserlicht zusammengefügt werden.

Das Verfahren

Das Verschweissen von Kunststoff mit Laser ist dabei grundverschieden vom (Lichtbogen-) Schweissen von Metall. Es gibt kein Schmelzbad, es braucht auch kein Schweisszusatzmaterial und es entstehen keine Schweissraupen. Eigentlich sieht das Produkt so aus wie vor dem Schweissen und trotzdem entsteht eine hochfeste Verbindung.
Beim Kunststofflaserschweissen, eigentlich genauer als Durchschweissen zu bezeichnen, durchdringt der Laserstrahl das eine lasertransparente Kunststoffbauteil und wird an der Grenze zum zweiten Bauteil absorbiert (laserabsorbierendes Material). Aufgrund des notwenigen Anpressdrucks wird die Wärme in der Absorptionszone in beide Bauteile geleitet bis sich die Polymerketten ineinander verhaken. Nach dem Erkalten sind die Teile fest miteinander verbunden.

graphische Darstellung zum Fügeprinzip

Konsequenz aus diesem Fügeprinzip: Man kann grundsätzlich nicht zwei identische Materialien miteinander verbinden, weil eines lasertransparent, das andere laserabsorbierend sein muss. Das Diagramm unten ist als grobe Leitlinie zu verstehen, jedoch nicht als absolut zu betrachten, denn je nach Kunststoffadditiven ist die Laserabsorption grösser oder kleiner. Wie auch immer kann bei speziellen Anwendungen auch mit zusätzlichen Hilfsmitteln eine Laserschweissung zwischen identischen oder kaum schweissbaren Kunststoffen ermöglicht werden.
Ist man Grossabnehmer von Kunststoffen, kann man sich seinen eigenen idealen Kunststoff mischen lassen. Fehlen dazu die Möglichkeiten oder die Vertrautheit, kommt man nach unseren Erfahrungen um einen effektiven Praxisversuch mit entsprechenden Tests kaum herum.

Das ganze Heizen, Drücken, Fixieren und Erkalten ist ein kontinuierlicher Prozess, der nur mit einer Maschine prozesssicher realisierbar ist. Wenn das Material, die Laserintensität, der Anpressdruck oder die Bahngeschwindigkeit des Laserkopfes nicht aufeinander abgestimmt sind, kommt nicht das gewünschte bzw. erwartete Resultat heraus.
Die Oberfläche, die vom Laser durchdrungen und vom Laserkopf angedrückt wird, ist unversehrt und für optisch anspruchsvolle Bauteile geeignet.

Erfahrung

Die Gimelli Engineering AG unterstütze die CELLWAR GmbH bei der Planung, der Installation, der Inbetriebnahme, der Schulung und der Dokumentation für die Laserschweissanlage.  Des Weiteren wurde die Roboterprogrammierung inklusive Ansteuerung der Schnittstellen vorgenommen.
Innert kürzester Zeit konnte die CELLWAR GmbH die geforderten Kunststoffprodukte in verschiedenen Varianten mit der Anlage zuverlässig und qualitativ hochwertig schweissen. Die erzielten Schweissnähte sind qualitativ so gut, dass sie sogar über der Produktspezifikation kaum trennbar sind. Die Bruchstelle bei übermässiger Belastung liegt neben der Schweissnaht.
Die Fertigung der Produktfamilie benötigt trotz der Automatisierung nicht weniger Personal, denn es ist keine vollautomatische Fertigungsstrasse, umso mehr aber eine flexible und anpassbare Lösung. Die Roboteranlage übernimmt die präzise Aufgabe des Schweissprozesses und die Produktionskapazität konnte erhöht werden. Die Zuführung von Material zur Fertigungsinsel und die Betreuung derer ist bewusst immer noch in Menschenhand.

Möglichkeiten

Auf der Anlage können Produkte, abhängig der Geometrie bzw. Form, grundsätzlich bis zu einer Fläche von ca. 3m2 verarbeitet werden (flache Produkte). Bei gebogenen bzw. geformten Produkten kann dies auch weit mehr sein. Es hängt somit davon ab, wie das Bauteil relativ zum Knickarmroboter positioniert werden kann – Auslenkradius ca. 1.6m. Die Flexibilität der Anlage lässt es zu, auch kurzfristig Produkte zu schweissen ab Stückzahl eins bis zu Praxisversuchen für zukünftige Produkte und Materialkombinationen. Die Zugänglichkeit des Laserkopfes, in Kombination mit den Freiheitsgraden des Roboters, muss immer in Betracht gezogen werden.
Gerne berät Sie die Firma CELLWAR GmbH oder die Gimelli Engineering AG in der Entwicklung, wie auch in der Produktion von lasergeschweissten Kunststoff-Produkten.

Fazit

Wir sehen den Vorteil des Laserdurchschweissens gegenüber Ultraschall-, Infrarot- oder Heizelementschweissen von Kunststoff in der Flexibilität. Es sind keine produktspezifischen, energieübertragenden Werkzeuge, wie Sonotroden oder Heizwerkzeuge erforderlich. Dies kommt besonders bei kleinen Stückzahlen und kurzen Lieferfristen zum Tragen.
Auf Grund der flexiblen Freiheitsgrade des Knickarmroboters können auch Freiformflächen verarbeitet werden. Und wie schon erwähnt, ist das Ergebnis eine perfekte Verbindung der Kunststoffe.