Im erfolgreich abgeschlossenen NRW-Leitmarktprojekt SeQuLas hat das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Lasertechnik ILT gemeinsam mit drei Industriepartnern ein F\u00fcgeverfahren entwickelt, mit dem kleinste Schwei\u00dfn\u00e4hte in transparenten Kunststoffbauteilen erzeugt werden k\u00f6nnen. Zum Einsatz kommt dabei ein Thulium-Faserlaser, der einen besonderen Vorteil bietet: Da Kunststoffe die entsprechende Wellenl\u00e4nge gut absorbieren, kommt der Prozess ohne zus\u00e4tzlich Absorber wie Ru\u00df aus. Insbesondere f\u00fcr die Medizintechnik ist das Verfahren interessant, das die Flexibilit\u00e4t und Effizienz in der industriellen Produktion in Nordrhein-Westfalen steigern kann.<\/b><\/p>\n
Im Life-Science-Bereich haben sich mikrofluidische Chips beim Transport, der Mischung und Filterung von kleinsten Fl\u00fcssigkeitsmengen bew\u00e4hrt. Eine gro\u00dfe Herausforderung ist die mediendichte Verkapselung der in den Chips integrierten Mikrokan\u00e4le: Konventionelle F\u00fcgtechnik kommt im Mikrometerbereich an ihre Grenzen. Stattdessen bietet sich hier das absorberfreie Laserdurchstrahlschwei\u00dfen (LDS) mit Strahlquellen im nahen Infrarot (NIR)-Bereich an, das eine hohe Pr\u00e4zision und Flexibilit\u00e4t erlaubt.<\/p>\n
Im Jahr 2017 startete das Fraunhofer ILT daher mit der Aachener Amtron GmbH, der Attendorner Ortmann Digitaltechnik GmbH und der Dortmunder Bartels Mikrotechnik GmbH das Projekt SeQuLas, das im Rahmen des Programms \u00bbProduktion.NRW\u00ab der LeitmarktAgentur NRW gef\u00f6rdert wurde. Das Akronym steht f\u00fcr die \u00bbsegmentale Quasisimultan-Laserbestrahlung\u00ab, bei der in diesem Fall als Strahlquelle ein Thulium-Faserlaser mit einer Emissionswellenl\u00e4nge von 1940 nm verwendet wurde. In diesem Wellenl\u00e4ngenbereich besitzen Kunststoffe eine nat\u00fcrliche Absorption. Da zus\u00e4tzliches Absorbermaterial wie Ru\u00df nicht n\u00f6tig ist, wird die Transparenz des Chips bei der Laserbearbeitung nicht beeintr\u00e4chtigt.<\/p>\n
Doch diese Form des absorberfreien Laserdurchstrahlschwei\u00dfens weist ein Problem auf: Durch die Volumenabsorption entsteht eine W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ), die sich vertikal \u00fcber den gesamten Bauteilquerschnitt erstreckt. Die thermische Expansion w\u00e4hrend des Aufschmelzvorgangs beg\u00fcnstigt die Bildung von Lunkern und Rissen, die im Nahtgef\u00fcge f\u00fcr undichte Stellen sorgen. Au\u00dferdem besteht insbesondere bei flachen Bauteilen die Gefahr, dass sich der Werkstoff verzieht.<\/p>\n
Um die vertikale Ausdehnung der W\u00e4rmeeinflusszone zu verringern, bietet sich die quasisimultane Bestrahlung an, bei der ein Laserstrahl mit Hilfe eines Scannersystems mit hoher Geschwindigkeit mehrmals entlang der Schwei\u00dfkontur gef\u00fchrt wird: Dabei wird die gesamte Nahtkontur simultan erw\u00e4rmt, die das Konturschwei\u00dfen sonst nur sequentiell aufschmilzt. Das Fraunhofer ILT wies anhand von Versuchen mit Bauteilen aus Polycarbonat nach, dass w\u00e4hrend des Schwei\u00dfprozesses die W\u00e4rme an den Au\u00dfenfl\u00e4chen abgef\u00fchrt wird, w\u00e4hrend im Materialinneren eine W\u00e4rmeakkumulation stattfindet. Die steigende Anzahl an \u00dcberfahrten und die hohe Scangeschwindigkeit verringern sogar die vertikale Ausdehnung der W\u00e4rmeeinflusszone um bis zu 30 Prozent gegen\u00fcber dem Konturschwei\u00dfen.<\/p>\n
Im zweiten Schritt entwickelten die Projektpartner eine Prozessregelung f\u00fcr den Laserschwei\u00dfprozess. Ein in den Strahlengang integriertes Pyrometer misst dabei w\u00e4hrend des Schwei\u00dfprozesses die Temperatur im Bauteil. Die Kopplung des Messsignals mit der Position der Scannerspiegel erm\u00f6glicht eine ortsaufgel\u00f6ste Aufnahme der W\u00e4rmeverteilung im Bauteil. Auf diese Weise lassen sich thermische Sch\u00e4den schon w\u00e4hrend des Schwei\u00dfprozesses erfassen und zielgenau lokalisieren. Der neu entwickelte Schwei\u00dfprozess kann daher schnell auf Temperaturabweichungen reagieren und die Laserleistung entsprechend regeln. Somit lassen sich homogene Nahteigenschaften entlang der Nahtkontur sicherstellen.<\/p>\n
Das im Februar 2020 abgeschlossene Projekt \u00bbSeQuLas \u2013 Laserschwei\u00dfen absorberfreier Thermoplaste durch segmentale Quasisimultanbestrahlung\u00ab mit Laufzeit von drei Jahren wurde mit Mitteln des Europ\u00e4ischen Fonds f\u00fcr regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Nordrhein-Westfalen gef\u00f6rdert.<\/p>\n
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