Carbon-Black-Auswahl für erfolgreiches Laserdurchstrahlschweißen und Fügen

Carbon-Black-Auswahl für erfolgreiches Laserdurchstrahlschweißen und Fügen

Zusammenfassung

Das Laserschweißen wird in einem breiten Spektrum von Anwendungen zum Fügen von Thermoplasten eingesetzt, weil es ein berührungsloses Erwärmungsverfahren mit kurzen Zykluszeiten und geringeren Kosten ist. Sowohl für die Oberflächenerwärmung als auch für die Durchstrahlerwärmung ist Carbon Black der am häufigsten verwendete Farbstoff. Es zeigte sich, dass Carbon-Black-Typen mit geringer Partikelaggregation und -verteilung für die Laserheizung am wirksamsten waren. Versuche mit Laserlinienstrahl-Scanning zeigten, dass eine leichte Neigung des Laserkopfes beim Vorwärtsfahren eine andere Erwärmung erzeugen kann als beim Rückwärtsfahren. Beim Fügen unterschiedlicher Polymere zeigte sich, dass eine Oberflächentexturierung die Haftfläche der Verbindung und den Anteil der mechanischen Verzahnung erhöhte und so zu überlegenen Verbindungen führte.

Das Wichtigste in Kürze

• Der Carbon-Black-Typ ist entscheidend, nicht nur der Gewichtsanteil. Die meiste Literatur ignoriert diese Unterscheidung; Absorption und Wärmeumwandlung unterscheiden sich stark.
• Geringe Partikelaggregation und -verteilung erwiesen sich für die Laserheizung als am wirksamsten.
• Der übliche Anteil beträgt 0,1 bis 1 Gew.-%; beim Fügen von ABS war 0,1 % die wirksamste Konzentration.
• Carbon Black ist kein Ruß. Ruß entsteht bei unvollständiger Verbrennung eines Stoffes; es handelt sich um sehr unterschiedliche Materialien.
• Die Laser-Fahrtrichtung verändert das Ergebnis. Eine leichte Neigung des Laserkopfes erwärmt vorwärts anders als rückwärts.

Häufig gestellte Fragen

Spielt der Carbon-Black-Typ beim Laserschweißen wirklich eine Rolle?

Ja, und zwar erheblich. In der meisten Literatur zur Laserheizung wird nur der Gewichtsanteil behandelt, doch die verschiedenen Carbon-Black-Typen unterscheiden sich stark und beeinflussen sowohl die Absorption der Laserenergie als auch deren Umwandlung in Wärme. Typen mit geringer Partikelaggregation und -verteilung erwiesen sich als am wirksamsten.

Wie viel Carbon Black sollte zugesetzt werden?

Typischerweise sind 0,1 bis 1 Gew.-% ein wirksamer Weg, einen Laserabsorber in eines der Bauteile einzubringen. Beim Laserdurchstrahlfügen von ABS mit PTFE/PET-Folien erwiesen sich 0,1 Gew.-% als am wirksamsten, da dabei dickere Schichten oberhalb der Glasübergangstemperatur entstanden, sodass das ABS fließen konnte und die Haftung verbessert wurde.

Worin besteht der Unterschied zwischen Carbon Black und Ruß?

Es sind sehr unterschiedliche Stoffe. Ruß entsteht, wenn ein Polymer oder ein anderer Stoff unvollständig verbrennt, und ist im Allgemeinen amorph. Carbon Black ist ein industriell hergestelltes Material mit kontrollierter Struktur, und diese Kontrolle macht sein Laserabsorptionsverhalten vorhersagbar.

Hilft eine Oberflächentexturierung beim Laserfügen?

Ja. Das Texturieren der ABS-Oberfläche mit Rippen oder Kreuzschraffur zeigte vielversprechende Ergebnisse, da die texturierte Oberfläche größer ist und die mechanische Verzahnung an der Grenzfläche erhöht – besonders nützlich beim Fügen unterschiedlicher Polymere.

Warum beeinflusst die Laser-Fahrtrichtung die Schweißqualität?

Versuche mit Laserlinienstrahl-Scanning zeigten, dass eine leichte Neigung des Laserkopfes beim Vorwärtsfahren in Zugrichtung eine andere Erwärmung erzeugt als beim Rückwärtsfahren. Dies ist eine Aufbauvariable, die man prüfen sollte, wenn die Schweißqualität entlang einer Naht schwankt.

Einleitung

Das Laserschweißen von Thermoplasten ist mit zwei unterschiedlichen Erwärmungsmethoden möglich: Oberflächenerwärmung und Durchstrahlerwärmung [1-5]. Sowohl bei der Oberflächen- als auch bei der Durchstrahlerwärmung wird dem Polymer ein Farbstoff zur Laserabsorption zugesetzt. Carbon Black ist der am häufigsten verwendete Farbstoff, doch in der meisten Literatur zur Laserheizung von Polymeren werden die verschiedenen Carbon-Black-Typen nicht behandelt. In dieser Arbeit werden daher die verschiedenen Carbon-Black-Typen und ihre Laserabsorptionsleistung untersucht. Zusätzlich werden in einer experimentellen Studie zum Laserfügen von ABS die Auswirkungen von Oberflächentexturierung und Laser-Fahrtrichtung auf das Fügen erörtert.

Laserheizung

Wie bereits erwähnt, ist die Laserheizung sowohl als Oberflächenerwärmung als auch als Durchstrahlerwärmung möglich [5]. Wie in Abbildung 1 gezeigt, kann die Oberflächenerwärmung erfolgen, indem der Laserstrahl aufgeweitet wird und mithilfe von Spiegeln die Oberflächen beider Bauteile gleichzeitig erwärmt werden. Ebenso ist es möglich, einen Laserlinienstrahl oder einen Laserspot mit Scannerspiegel zu verwenden, um die Oberflächen der Bauteile schnell abzutasten und zu erwärmen, wie in Abbildung 2 gezeigt. In beiden Fällen muss ein Absorber wie Carbon Black in das Kunststoffbauteil eingebracht werden, damit eine Laserabsorption und Erwärmung stattfindet.

Bei der Laserdurchstrahlerwärmung ist ein Bauteil für den Laser transparent, während das zweite ein Additiv wie Carbon Black enthält, das die Laserstrahlung absorbiert und in Wärme umwandelt (Abbildung 3). Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Laserdurchstrahlerwärmung einzusetzen. Beim Scan-Verfahren fährt der Laserstrahl die Fügenähte ab, indem entweder der Laser bewegt wird oder Scannerspiegel verwendet werden (Abbildung 4). Beim Simultanverfahren wird der Laserstrahl entweder aufgeweitet, oder mehrere Laserquellen werden in Verbindung mit Lichtleiterbündeln eingesetzt, um die gesamte Fügefläche gleichzeitig zu erwärmen (Abbildung 5). Beim Quasi-Simultanverfahren fährt ein schneller Scannerspiegel die Fügefläche rasch ab und simuliert so mit einem einzigen Hochleistungslaserstrahl die gleichzeitige Erwärmung (Abbildung 6). Eine weitere Option ist das Simultanverfahren mit Maskierung, bei dem nur die Fügefläche erwärmt wird und der Laserstrahl daran gehindert wird, andere Bereiche zu erreichen (Abbildung 7). Auch hier enthält das absorbierende Bauteil einen Farbstoff wie Carbon Black, um die Laserstrahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln.

Carbon Black

Für viele Anwendungen ist der Zusatz geringer Mengen Carbon Black (typischerweise 0,1 bis 1 Gew.-%) ein wirksamer Weg, einen Laserabsorber in eines der Kunststoffbauteile einzubringen. Üblicherweise wird der verwendete Carbon-Black-Typ nicht berücksichtigt – nur der Gewichtsanteil [6]. Die verschiedenen Carbon-Black-Typen unterscheiden sich jedoch stark und können die Absorption der Laserenergie und deren Umwandlung in Wärme beeinflussen.

Zunächst ist zu beachten, dass Carbon Black und Ruß sehr unterschiedliche Stoffe sind. Ruß entsteht, wenn ein Polymer oder ein anderer Stoff nicht vollständig verbrennt. Ruß ist im Allgemeinen ein amorpher Kohlenstoff in Pulverform mit deutlich geringerer Oberfläche als Carbon Black. Carbon Black wird durch unvollständige Verbrennung schwerer Erdölprodukte und anschließende Extraktion organischer Verbindungen hergestellt und besteht zu über 97 Prozent aus elementarem Kohlenstoff. Wie in Tabelle 1 gezeigt, wird Carbon Black häufig nach dem Herstellungsverfahren eingeteilt [7]. Carbon-Black-Typen mit geringer Partikelaggregation und -verteilung waren für die Laserheizung am wirksamsten.

Die Kombination aus Carbon-Black-Typ und Gewichtsanteil von Carbon Black im Polymer beeinflusst die Laserabsorption. Bei einem gegebenen Carbon-Black-Typ führen niedrigere Gewichtsanteile (0,1 oder 0,15 Prozent) zu einer teilweisen Transmission in das Bauteil und damit zu einer Erwärmung unterhalb der Oberfläche. Das ist vorteilhaft, wenn dickere Schmelzeschichten ohne Oberflächenschädigung benötigt werden. Bei hohen Gewichtsanteilen (0,5 Prozent und höher) erfolgt dagegen der Großteil der Absorption nahe der Oberfläche, was zu dünneren Schmelzeschichten führt.

Laserdurchstrahlfügen von ABS

Versuche zur Bewertung des Laserfügens von ABS mit PTFE/PET-Folien wurden mit Laserlinienstrahl-Scans durchgeführt. ABS-Platten wurden mit unterschiedlichen Carbon-Black-Typen und -Anteilen geformt. Es zeigte sich, dass 0,1 Gewichtsprozent Carbon Black für diese Anwendung am wirksamsten waren, da sich dickere Schichten oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) bildeten. Dadurch konnte das ABS leichter fließen, und die Haftung an der PTFE/PET-Folie verbesserte sich.

Das Texturieren der ABS-Oberfläche mit Rippen oder Kreuzschraffur zeigte vielversprechende Ergebnisse (Abbildung 8). Die texturierte Oberfläche war größer und erhöhte die mechanische Verzahnung an der Grenzfläche. Die manuell geprüfte Schälfestigkeit fühlte sich im Allgemeinen hoch an, besonders beim Abschälen quer zu den Rippen. Die Sichtprüfung dieser Verbindungen war sehr vielversprechend und zeigte in der PTFE/PET-Folie in großem Umfang Kohäsionsversagen (Abbildung 9).

Die Erwärmung des ABS erfolgte mit einem Leister-800-Laserlinienstrahlkopf, der auf einem Fanuc-Roboter montiert war. Der Laserkopf war leicht in eine Richtung geneigt, sodass die Intensität beim Fahren in die eine Richtung etwas anders ist als in die Gegenrichtung; diese werden als Push- und Pull-Richtung bezeichnet (Abbildung 10). Um die Wirkung der Neigung zu bewerten, wurde ein Pico Technology USB TC-08 Thermoelement-Datenlogger verwendet, um den Temperaturverlauf beim Push-Pull-Erwärmen zu messen.

Wie in Abbildung 11 gezeigt, ist die Temperatur in Push-Richtung deutlich niedriger als in Pull-Richtung. Ebenso wurde die Temperatur für Push-Push (Abbildung 12) und Pull-Pull (Abbildung 13) gemessen. In beiden Fällen war die Temperaturschwankung zwischen den Durchläufen geringer, und Pull-Pull führte zu etwas höheren Oberflächentemperaturen. Insgesamt lagen die gemessenen Temperaturen niedriger als erwartet, wahrscheinlich weil die Thermoelemente groß waren und lediglich auf die Oberfläche aufgelegt wurden. Kleinere Thermoelementdrähte und das Eindrücken der Spitze in die ABS-Oberfläche mit einem beheizten Werkzeug würden die Messgenauigkeit verbessern.

Fazit

Die Laserheizung zum Schweißen und Fügen von Thermoplasten wurde untersucht, um die Auswirkungen von Carbon-Black-Typ und -Gehalt, Oberflächentexturierung und Laser-Fahrtrichtung auf die Verbindungsqualität zu bestimmen. Sowohl für die Oberflächen- als auch für die Durchstrahlerwärmung ist Carbon Black der am häufigsten verwendete Farbstoff. Es zeigte sich, dass Carbon-Black-Typen mit geringer Partikelaggregation und -verteilung für die Laserheizung am wirksamsten waren. Versuche mit Laserlinienstrahl-Scanning an ABS zeigten, dass eine leichte Neigung des Laserkopfes beim Vorwärtsfahren (Pull-Richtung) eine andere Erwärmung erzeugen kann als beim Rückwärtsfahren (Push-Richtung). Beim Fügen unterschiedlicher Polymere, ABS mit PTFE/PET-Folie, zeigte sich, dass eine Oberflächentexturierung die Haftfläche der Verbindung und den Anteil der mechanischen Verzahnung erhöhte und so zu überlegenen Verbindungen führte.

Literatur und Danksagung

• J. Schulz and E. Haberstroh, “Welding of Polymers Using a Diode Laser,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• H. Ponte, J. Korte, “Laser Butt Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics,” SPE ANTEC Proceedings, 1996.
• V.A. Kagan and G.P. Pinho, “Laser Transmission Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics Part II: Analysis of Mechanical Performance of Welded Nylon,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• M. Rhew, A. Mokhtarzadeh and A. Benatar, “Through Transmission Laser Welding of Polycarbonate and HighDensity Polyethylene,” SPE ANTEC Proceedings, 2003.
• D. Grewell, A. Benatar and J. Park, Editors, Plastics and Composites Welding Handbook, Hanser, 2003.
• B. Acherjee, A.S. Kuar, S. Mitra and D. Misra, “Effect of carbon black on temperature field and weld profile during laser transmission welding of polymers: A FEM study,” Optics & Laser Technology 44 (2012) 514–521.
• Orion Engineered Carbon LLC, Firmenliteratur.

Wir danken Leister Corp. für die Nutzung des Laserstrahl-Scanners, Fanuc America für die Nutzung des Roboters und Kimastle Corp. für die Automatisierungszelle.

Avraham (Avi) Benatar ist außerordentlicher Professor für Schweißtechnik und Leiter des Plastics and Composites Joining Laboratory. Er koordiniert außerdem das Fernstudien-Masterprogramm Welding Engineering und ist Fakultätsleiter des Master of Global Engineering Leadership am College of Engineering. Er erwarb die Abschlüsse S.B., S.M. und Ph.D. in Maschinenbau am Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident der The Sabreen Group, Inc., eines Ingenieurunternehmens, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit mehr als 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

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