Harzpaarung und Farbmittel für das Laserschweißen auswählen

Harzpaarung und Farbmittel für das Laserschweißen auswählen

Das Wichtigste in Kürze

• Zwei Anforderungen müssen zugleich erfüllt sein: Die Polymere müssen schmelzkompatibel sein, und ihr optisches Verhalten bei der Wellenlänge muss sich in geeigneter Weise unterscheiden.
• Farbe ist eine optische Spezifikation. Ein Farbwechsel ist ein Prozesswechsel, und eine abgestimmte Paarung gilt nur für eine einzige Wellenlänge.
• Glasfasern streuen das Licht, verringern die effektive Transmission und machen das durchstrahlte Bauteil häufiger als erwartet zur limitierenden Komponente.
• Qualifizieren Sie die Werkstoffpaarung vor dem Werkzeugbau, denn für ein Schweißbarkeitsproblem, das erst nach dem Fräsen der Form auffällt, gibt es nur sehr wenige günstige Lösungen.

Auf die Frage „Lassen sich diese beiden Bauteile laserschweißen?“ gibt es zwei voneinander unabhängige Antworten, die beide „Ja“ lauten müssen. Die Polymere müssen eine Schmelzverbindung miteinander eingehen können – eine Frage der Werkstoffverträglichkeit, die sich bei jedem Schweißverfahren stellt. Und ihre optischen Eigenschaften bei der Arbeitswellenlänge müssen sich in die richtige Richtung und ausreichend stark unterscheiden. Das ist typisch für das Laserschweißen und der Punkt, an dem die meisten Überraschungen auftreten.

Zuerst zählt die Schmelzkompatibilität

Eine Schweißnaht entsteht, wenn zwei aufgeschmolzene Polymeroberflächen ineinander diffundieren und gemeinsam erstarren. Dafür sind überlappende Verarbeitungsfenster nötig – beide Werkstoffe müssen bei derselben Temperatur schmelzen, ohne dass einer degradiert – sowie eine ausreichende chemische Ähnlichkeit, damit sich die Molekülketten über die Grenzfläche hinweg verschlaufen können.

Verbindungen aus demselben Polymer sind der unkomplizierte Fall und decken den Großteil der Serienfertigung ab. Unterschiedliche Typen desselben Polymers lassen sich in der Regel schweißen, wobei Unterschiede in Schmelzfluss, Füllstoffgehalt und Additivpaket die Parameter verschieben. Verschiedene Polymere innerhalb einer Familie lassen sich mitunter akzeptabel verschweißen. Chemisch unähnliche Polymere bilden dagegen meist keine echte Verbindung, egal wie gut die Optik stimmt; die erzielte Haftung ist dann mechanisch statt molekular und enttäuscht unter Last oder mit der Zeit in der Regel.

Diese Reihenfolge ist wichtig, weil sich optische Eigenschaften leichter verändern lassen als die Chemie. Sind die Werkstoffe schmelzkompatibel, lassen sich Absorption und Transmission mit Farbmitteln und Additiven gezielt einstellen. Sind sie es nicht, führt auch der größte optische Aufwand nicht zu einer tragfähigen Verbindung.

Farbe ist eine optische Spezifikation

Die häufigste Überraschung in der Laserschweiß-Serienfertigung ist ein Farbwechsel, den niemand als Prozessänderung eingestuft hat. Die Farbe legen Konstrukteure, Marketing und Kunden nach optischen Gesichtspunkten fest, doch das daraus resultierende Pigmentsystem bestimmt das Verhalten bei der Laserwellenlänge – ein Zusammenhang, der mit dem Erscheinungsbild nicht verlässlich verknüpft ist.

Pigmente absorbieren selektiv. Zwei optisch identische Blautöne können bei 1064 nm sehr unterschiedlich transmittieren, weil ihnen verschiedene Pigmentchemien zugrunde liegen. Ein mit Titandioxid gefülltes Weiß streut stark. Manche organischen Pigmente sind im nahen Infrarot praktisch transparent, manche anorganischen nicht. Ein Bauteil, das in Naturfarbe ausreichend transmittiert, tut dies in einer pigmentierten Ausführung womöglich nicht mehr, und der Ausfall ist vollständig statt schleichend.

Die praxistaugliche Vorgehensweise besteht darin, die Farbe als kontrollierte Prozessgröße zu behandeln: jede Farbkombination qualifizieren, vom Compoundeur eine Mitteilung bei Änderungen der Farbmittelrezeptur verlangen und Transmission und Absorption bei der Arbeitswellenlänge im Rahmen der Werkstofffreigabe messen, statt sich auf den optischen Farbabgleich zu verlassen.

Absorption im unteren Fügepartner

Ruß bleibt der Referenzabsorber und funktioniert hervorragend: starke, breitbandige Absorption bei geringer Dosierung, gut verstanden und günstig. Seine Eigenschaften variieren jedoch mit dem Typ: Partikelgröße und Struktur beeinflussen, wie stark und wie oberflächennah er absorbiert, und damit, wo die Wärme relativ zur Fügeebene entsteht. Die Auswahl eines Rußes für das Schweißen ist daher eine echte Entscheidung und keine Standardvorgabe.

Wo Schwarz nicht akzeptabel ist, ermöglichen im nahen Infrarot absorbierende Farbstoffe und Pigmentsysteme farbige, naturfarbene und optisch klare absorbierende Bauteile. Sie erfordern dieselbe Qualifizierung wie jedes Additiv – Gleichmäßigkeit der Dispergierung, thermische Stabilität bei Verarbeitungstemperatur, regulatorische Zulässigkeit für die Anwendung – und ihre Absorption ist typischerweise schmalbandiger als bei Ruß, sodass die Abstimmung zwischen Additiv und Strahlquelle kritischer ist.

Transmission durch den oberen Fügepartner

Das durchstrahlte Bauteil wird von mehr als der Farbe begrenzt. Die Wanddicke bestimmt die Weglänge, und die Transmission nimmt mit ihr ab, teils drastisch. Kristallinität in teilkristallinen Polymeren streut das Licht, und da sie von der Abkühlrate abhängt, verändert die Werkzeugtemperatur das optische Verhalten unmittelbar. Glas- und Mineralfüllstoffe streuen stark; das verringert die am Fügespalt ankommende Energie und defokussiert sie, wodurch die Spitzenintensität dort sinkt, wo sie gebraucht wird. Additive mit eigener Absorption – insbesondere UV-Stabilisatoren – können sich mit der Laserwellenlänge überlappen. Die Oberflächenstruktur streut an der Eintrittsfläche, noch bevor Energie in das Bauteil gelangt.

Gefüllte durchstrahlte Bauteile werden am häufigsten unterschätzt. Ein oberer Fügepartner mit 30 Prozent Glasfaseranteil transmittiert unter Umständen nur einen Bruchteil dessen, was ein ungefüllter durchlässt, und die übliche Reaktion – mehr Leistung – riskiert Oberflächenschäden an der Eintrittsfläche, noch bevor die Fügezone schmilzt. Ist auf der durchstrahlten Seite ein gefüllter Werkstoff unvermeidbar, bleiben als echte Optionen dünnere Querschnitte im Strahlweg, eine Strategie, die geringere Intensität toleriert, oder eine andere Wellenlänge.

Additivsysteme für den Doppelzweck

Baugruppen, die sowohl laserbeschriftet als auch laserverschweißt werden müssen, stellen ein echtes Formulierungsproblem dar, da beide Prozesse auf denselben optischen Eigenschaften beruhen und Gegensätzliches von ihnen verlangen. Additivsysteme, die für beide Zwecke formuliert sind, erlauben es, mit einem einzigen compoundierten Werkstoff beides zu leisten, was die Materialverwaltung erheblich vereinfacht.

Voraussetzung ist, dass beide Prozesse gemeinsam statt nacheinander entwickelt werden. Eine auf Beschriftungskontrast optimierte Additivdosierung kann ein durchstrahltes Bauteil zu stark absorbierend für das Schweißen machen; eine auf Schweißabsorption optimierte kann einen schlechten Beschriftungskontrast liefern. Entscheidend ist, beide Prozessfenster frühzeitig an derselben Rezeptur zu ermitteln.

Vor dem Werkzeugbau qualifizieren

Schweißbarkeit ist eine Eigenschaft der Kombination – Polymerpaarung, Farbmittel, Füllstoffe, Additive, Wellenlänge –, die sich vor der Festlegung günstig ermitteln lässt und deren nachträgliche Entdeckung teuer und störend ist.

Eine praxisgerechte Qualifizierung vor dem Werkzeugbau misst die Transmission des vorgesehenen durchstrahlten Werkstoffs in der vorgesehenen Dicke und Farbe, misst die Absorption des vorgesehenen absorbierenden Werkstoffs und verschweißt gespritzte Platten oder Prototypenbauteile in der tatsächlichen Werkstoffkombination, um zu bestätigen, dass ein tragfähiges Prozessfenster mit Reserve existiert. Das dauert Tage und beantwortet die Frage, die sonst erst in Produktionsversuchen beantwortet wird, wenn die Formen existieren und die Werkstoffwahl faktisch feststeht.

Weiterführende Informationen

• Rußauswahl für das Laserdurchstrahlschweißen
• Additive für den Doppelzweck beim Laserprozess
• Klar-auf-Klar-Laserschweißen
• Laserdurchstrahlschweißen erklärt
• Ein Masterbatch für Beschriftung und Schweißen

Brauchen Sie Unterstützung?

The Sabreen Group bietet unabhängige Ingenieurunterstützung bei Werkstoffauswahl, Farbabstimmung und Additivqualifizierung für das Laserschweißen. Unser Team für Ingenieurdienstleistungen arbeitet mit Herstellern an Prozessentwicklung, Werkstoffqualifizierung und Fehlersuche in der Produktion. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anwendung zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Lassen sich zwei unterschiedliche Polymere miteinander laserschweißen?

Nur wenn sie schmelzkompatibel sind: Ihre Verarbeitungstemperaturbereiche müssen sich überlappen, sodass beide schmelzen, ohne zu degradieren, und sie müssen chemisch so verträglich sein, dass eine echte Verbindung statt einer bloß mechanischen Verklammerung entsteht. Ähnliche Polymere aus derselben Familie funktionieren in der Regel; unähnliche Familien meist nicht, unabhängig von den optischen Eigenschaften.

Warum erfordert ein Farbwechsel eine erneute Qualifizierung?

Weil Farbmittel bestimmen, wie viel der Laserwellenlänge transmittiert und absorbiert wird. Zwei für das Auge ähnliche Bauteile können sich bei 1064 nm völlig unterschiedlich verhalten, da Pigmente selektiv absorbieren und das sichtbare Erscheinungsbild kaum Aufschluss über das Verhalten im nahen Infrarot gibt. Ein Farbwechsel verändert die an der Fügezone ankommende Energie und damit den Prozess.

Beeinflusst Glasfaserfüllung das Laserschweißen?

Erheblich. Glasfasern streuen den Strahl im durchstrahlten Bauteil, verringern die Energie, die die Grenzfläche erreicht, und verteilen sie, was die Spitzenintensität an der Fügezone senkt. Höhere Füllgrade verstärken das noch, und Glas an der Fügefläche verringert zudem das für die Schweißnaht verfügbare Polymer.

Was ist ein Doppelzweck-Additiv?

Ein Additivsystem, das sowohl für die Laserbeschriftung als auch für das Laserschweißen formuliert ist und es erlaubt, einen compoundierten Werkstoff mit derselben Wellenlänge zu beschriften und zu verschweißen. Es vereinfacht die Materialverwaltung bei Baugruppen, die beide Arbeitsschritte benötigen, und verlangt, beide Prozesse gemeinsam zu entwickeln, da sie um dieselben optischen Eigenschaften konkurrieren.

Wann sollte die Schweißbarkeit des Werkstoffs geklärt werden?

Bevor das Werkzeug gefertigt wird. Schweißbarkeit ist eine Eigenschaft von Werkstoffpaarung, Farbmitteln und Wellenlänge; schweißt die gewählte Kombination nicht, bleiben als Abhilfe ein Werkstoffwechsel, ein Farbmittelwechsel oder ein Additiv – alles in der Konstruktionsphase unkompliziert, danach jedoch störend.

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