„Mehr Keime für mehr Geschwindigkeit“

© Foto | BASF

Der Kunststoff Ultradur LUX eignet sich besonders gut fürs Laserschweißen. Was Kunststoffkeime damit zu tun haben, erklärt Peter Eibeck, Produktentwickler bei BASF.

Herr Eibeck, Polybutylenterephthalate (PBT) gibt es bereits einige. Warum haben Sie eines speziell fürs Laserschweißen entwickelt?

Peter-Eibeck_BASF

Peter Eibeck, Produktentwickler bei BASF Foto | BASF

Weil sich herkömmliche PBT nicht besonders gut mit dem Laser schweißen lassen, das Laser-Licht aber durchaus zum Fügen von PBT-Werkstoffen genutzt wird. Die Industrie setzt diesen Kunststoff vor allem in der Autoelektrik ein. Hier eignet er sich, da er in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann, elektrisch gut isoliert und nur wenig Wasser aufnimmt. Häufig packen die Hersteller hochwertige elektronische Komponenten in ein PBT-Gehäuse, das mit einem Deckel dicht verschlossen wird. Das Fügeverfahren, das dabei zum Einsatz kommt, soll schnell, schonend und preiswert sein. All dies erfüllt das Laserschweißen. Im Vergleich zu geklebten Verbindungen ist keine Aushärtezeit notwendig. Mechanische oder thermische Belastungen der verbauten Elektronik, wie sie etwa beim Vibrations-, Ultraschall- oder Heißgasschweißen auftreten könnten, werden vermieden. Zusätzliche Elastomerdichtungen sind nicht nötig – im Gegensatz zu geclipsten oder geschraubten Varianten.

Wo liegt dann die Schwierigkeit den Laser zum Fügen von PBT einzusetzen?

Ultradur_Lux_amorph_kristallin

Teilkristalline Thermoplaste haben im Gegensatz zu amorphen Thermoplasten eine sphärolitische Mikrostruktur, in der Phasen mit unterschiedlicher Brechkraft enthalten sind. Dadurch wird der Laserstrahl mehr aufgeweitet und die Rückwärtsstreuung ist größer. Foto | BASF

Bei herkömmlichem PBT kann der Laser sein Potenzial nicht voll ausspielen, da dessen teilkristalline Struktur den Laserstrahl beim Durchgang durch den „transparenten“ Fügepartner stark streut. Dies führt dazu, dass nur ein Bruchteil der eingestrahlten Energie den absorbierenden Fügepartner erreicht und zur Ausbildung der Schweißnaht zur Verfügung steht. Darum haben wir ein PBT entwickelt, das den Laserstrahl so gering wie möglich ablenkt, aber ohne die teilkristalline Natur zu verlieren, die Grundlage der PBT-Eigenschaften ist. Wie ist Ihnen das gelungen? Wir haben die sogenannten Sphärolite innerhalb des PBTs durch den Zusatz von Additiven kleiner gemacht. Dadurch gibt es viele kleine Streuzentren anstelle von mehreren großen. So geht der Laserstrahl mit deutlich weniger Ablenkungen durch das Material.

Wie funktioniert das genau?

Teilkristalline Polymere bilden beim Erstarren kristalline Lamellen, die nur wenige Nanometer dick sind. Ausgehend von einem Startpunkt – einem Keim – bilden sich mehrere Mikrometer große Sphärolite, in deren Inneren die kristallinen Lamellen – unterbrochen von amorphen Bereichen – in bestimmten räumlichen Orientierungen vorliegen.

Ultradur_Lux_Struktur

Kleine Streuzentren bewirken eine geringe Ablenkung der Lichtstrahlen. Foto | BASF

Die Größe der Sphärolite in Verbindung mit deren inneren Struktur bestimmt die optischen Eigenschaften des PBTs. Herkömmliches PBT bildet eher große Sphärolite. Wie groß die Sphärolite in einem Kunststoff werden, entscheidet sich, wenn die Kunststoffschmelze abkühlt. Dabei bilden sich spontan kristalline Keime, die zu Sphäroliten werden, die so lang wachsen, bis sie auf benachbarte treffen. Je mehr solcher Keime entstehen, umso weniger können sich einzelne Sphärolite ausbreiten und umso feiner werden die Streuzentren im PBT. Durch den Einsatz des Additivs regen wir eine häufigere Keimbildung an und erreichen so eine extrem feine Struktur des Kunststoffs. Das minimiert die Streuung des Lasers beim Durchgang durch den transparenten Fügepartner und erweitert das Prozessfenster beim Laserschweißen erheblich. Im Vergleich mit herkömmlichen PBT Werkstoffen lässt sich zum Beispiel die Schweißgeschwindigkeit verdoppeln oder sogar vervierfachen.

BASF_Ultradur_Lux

Eine lasergeschweißte Luftklappensteuerung aus PBT. Foto | BASF

Welche Entwicklung sehen Sie generell beim Einsatz des Lasers zum Fügen von Kunststoffen?

Der Laser gewinnt zunehmend an Bedeutung. Das liegt zum einen an den Vorteilen die er selbst bietet. Er arbeitet schnell und berührungslos und beeinflusst so sensible Komponenten in seiner Umgebung nicht. Der zweite Grund ist, dass es immer mehr fürs Laserschweißen geeignete Kunststoffe auf dem Markt gibt. Auch an erweiterten Anwendungsmöglichkeiten für die Lasertechnologie wird intensiv gearbeitet: zum Beispiel dem Verbinden heterogener Fügepartner wie Metall und Kunststoff – bislang eine klassische Domäne von Klebeverfahren.

Bitte füllen Sie folgende Felder aus: Kommentar, Name & E-Mail-Adresse (Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht).