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3-2014

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Produktion

Produktion Laser-Kunststoffschweißen in der industriellen Fertigung Qualität und Wirtschaftlichkeit Das Laser-Kunststoffschweißen liegt am Ende der Produktionskette. Deshalb ist es wichtig, Fehler in Vorprozessen zu erkennen und gegebenenfalls auszugleichen. So entstehen größere Prozessfenster und mehr Gut-Teile. Kunststoffe ersetzen immer häufiger andere Materialien. Im Automobilbau, der Medizintechnik oder auch in der Mikrofluidik werden damit völlig neue Anwendungsbereiche erschlossen. Gleichzeitig stellen Kunststoffe die industriellen Fertigungsverfahren vor neue Herausforderungen. Insbesondere die gängigen Klebe- und Schweißverfahren tun sich schwer mit den Null- Fehler-Anforderungen im industriellen Maßstab. Das innovative Laser-Durchstrahlschweißen bringt hier technologische Vorteile. Kunststoffe stellen lt. dem Fraunhofer-Institut IGB bereits 50 Prozent aller verwendeten Materialien in der Medizintechnik. Der Einsatz von technischen und Hochleistungs-Kunststoffen wird laut Institut in den nächsten Jahren mit ca. 8 Prozent überdurchschnittlich anwachsen. Autor Malte Borges, LPKF Laser & Electronics AG Anforderungen aus der industriellen Fertigung Die industrielle Verarbeitung von Kunststoffen fordert stabil laufende Fertigungsprozesse, die eine möglichst hundertprozentige Ausbeute ohne Fehlteile bringen. Schließlich müssen fehlerhafte Bauteile ohne aufwändige Nachprüfungen sicher erkannt werden, um spätere Folgekosten zu vermeiden. Die Fügetechnologie ist relativ weit hinten in der Prozesskette bis zum fertigen Bauteil, so dass sich aus Fehlern in Vorprozessen vergleichsweise teure Fehlteile ergeben. Für eine ökonomische Produktion gilt es • normgerechte von fehlerhaften Fügepartnern zu unterscheiden • anspruchsvolle Produktlayouts sicher umzusetzen • das Bearbeitungsfenster möglichst weit zu öffnen und • Prozessparameter zu erfassen, mit denen sich ein erfolgreicher Schweißprozess belegen lässt. Die Fertigung von Mikrofluidiken ist ein typisches Beispiel: Bisherige Fügeverfahren kamen bei den engen Kanälen an ihre Grenzen. Der Laser kann die ebene Decklage so auf das Unterteil mit der Kanalgeometrie aufschweißen, dass die Kanalquerschnitte weder durch Schmelzeaustrieb noch durch Partikel beeinträchtigt werden – mit minimaler Schweißnahtbreite. Das neu entwickelte ClearJoining-Verfahren aus Lasersystem und Spanntechnik erlaubt mittlerweile das Schweißen transparent/transparenter Fügepartner ohne Zusatz von Zusatzstoffen. Gegenüber gängigen thermischen, mechanischen oder adhäsiven Verfahren zum Fügen von Kunststoffen überzeugt das Laser-Durchstrahlschweißen mit technologischen Vorteilen. Das Laserschweißen ist ein berührungsloses Verfahren, das die mechanische Belastung der Bauteile auf ein Minimum reduziert. Vibrationen, die das Kunststoffgehäuse oder Komponenten im Inneren schädigen können, treten nicht auf. Das Laserschweißen benötigt keine Fremdkörper Sichere Klar-Schweißungen ohne Zusatzstoffe: Das Clear-Joining-Verfahren öffnet neue Möglichkeiten in der Mikrofluidik. 8 meditronic-journal 3/2014

Produktion Unter der Lupe: Links eine Schweißnaht aus dem Laser-Durchstrahlschweißen, rechts das Vibrationsschweißen in gleicher Vergrößerung (150-fach) oder Zusatzstoffe, die Fügeverbindungen sind unempfindlich gegen Temperaturunterschiede und die geschweißte Oberfläche erfüllt auch im unmittelbaren Sichtbereich höchste optische Ansprüche. Zusätzlich bietet es mehrere Methoden der Prozessüberwachung, um die Zuverlässigkeit der Verbindung vor und beim Schweißen zu gewährleisten. Sichere Prozessüberwachung vor und während des Schweißens Das Laser-Durchstrahlschweißen basiert im Wesentlichen auf unterschiedlichen Absorptionsraten der beiden Fügepartner. Wenn diese Werte einen Schwankungskorridor verlassen, ist keine sichere Schweißung mit den einmal ermittelten Parametern mehr möglich. Mit einem externen Transmissionstestgerät lassen sich die Absorptionswerte der Fügepartner vor dem Schweißen manuell prüfen. Eleganter ist ein Transmissionstest im Lasersystem selbst: Dann stoppt der Schweißprozess, und der Bediener kann entweder die Prozessparameter anpassen oder das Bauteil tauschen. Durch die Fügewegüberwachung, eine Pyrometerkontrolle, eine Verbrennungsdetektion oder die von LPKF patentierte Reflexionsdiagnostik lassen sich noch im Fügeprozess verlässliche Aussagen zum Schweißergebnis treffen – ohne dass zusätzliche Maschinenzeit benötigt wird. Am Beispiel der Fügewegüberwachung wird das Prinzip deutlich: Vom vorher festgelegten Nullpunkt startet das Schweißsystem den Energieeintrag in das Bauteil. Dieser wird beim Verfahren „Schweißung nach Weg“ gestoppt, wenn eine definierte Setzung erreicht ist. Entspricht die benötigte Zeit den vorgegebenen Werten, wird das Bauteil als Gutteil bewertet. Anschließend folgt ein zeitgesteuerter Abkühlvorgang unter Beibehaltung des Spanndrucks. Mit dieser Prozessführung lässt sich beispielsweise das Einhalten einer absoluten Bauteilhöhe sicherstellen. Selbst bei schwankenden Materialeigenschaften ergeben sich durch die Fügewegüberwachung sicher verbundene Gutteile mit präzisen Geometrien. Während die Fügewegüberwachung hauptsächlich bauteilübergreifende Fehlerursachen erkennt, erfassen optische Prozessdiagnostikmodule wie die Pyrometrie lokale Fehler. Sie stellt fest, ob Lücken in den Schweißkonturen die Wärmeübertragung verhindern oder Fremdkörper zu lokalen Verbrennungen führen. Die Reflektionsdiagnostik ist sogar in der Lage, das Schweißergebnis selbst zu verifizieren – im Prozess, ohne zusätzlichen Zeitbedarf oder Bedienereingriff. So werden gängige Fehlerbilder bereits im Schweißprozess identifiziert und der Bediener auf die Pyrometerkontrolle: oben eine fehlerfreie Schweißnaht, unten verhindert eine Materiallücke die Wärmeübertragung vom unteren auf das obere Bauteil. Die Reflexionsdiagnostik erlaubt eindeutige Aussagen zum Schweißergebnis. meditronic-journal 3/2014 9

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