Laser trifft Kunststoff

© Photo | TRUMPF

Laser und Kunststoff sind wie für einander geschaffen: Markieren wird Standard, die Schneidapplikationen nehmen schnell zu und auch Schweißen ist im Kommen. Neue Strahlquellen treiben diese Entwicklung voran.

Kunststoffbearbeitung per Laser hat sich in den vergangenen Jahren fest etabliert, jedoch stellt diese Bearbeitungsmethode die Experten immer wieder vor neue Herausforderungen. Denn die Vielfalt der Kunststoffe mit ihren vielseitigen Eigenschaften ist immens und es kommen immer wieder neue Varianten hinzu. Die Abstimmung von Material und Lasersystem und das Auskundschaften der optimalen Parameter sind der Schlüssel zu einer erfolgreichen, profitablen Fertigung. In der Nähe von Stuttgart unterhält TRUMPF deshalb eines der weltweit umfassendsten, modernsten Laser-Applikationszentren. „Wir können Applikationen produktübergreifend und schnell austesten, egal ob der Kunde Kunststoffe mit dem Laser markieren, schneiden oder schweißen möchte“, sagt Martin Sauter, Branchenmanager Nichtmetallbearbeitung bei TRUMPF.

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Kompakte Diodenlaser für Schweißapplikationen

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Für das Schweißen von Kunststoffen bietet TRUMPF zwei energieeffiziente Diodenlaser: den neuen TruDiode 151 und den TruDiode 301. Beide eignen sich hervorragend zum Kunststofffügen.

  • Die Diodenlaser weisen ein interessantes Strahlprofil auf: Das Profil ist rechteckig mit flachem Intensitätsplateau. So bieten die Laser über die gesamte Nahtbreite dieselbe Intensität.
  • Die Diodenlaser von TRUMPF liefern Strahlen mit Wellenlängen zwischen 930 und 1030 Nanometern und hoher Strahlqualität von < 8 mm x mrad. Die hohe Strahlqualität ermöglicht es, mit langen Brennweiten zu arbeiten. So lassen sich mit dem Scanner größere Arbeitsfelder abdecken.
  • Eine externe Strahl-Managementbox ermöglicht es, zwei Abgänge anzuschließen. Dies ermöglicht einerseits Timesharing, bei dem zwei Optiken im Wechsel mit der vollen Laserleistung arbeiten – etwa um auf zwei Anlagen im Wechsel zu spannen und zu schweißen. Es ermöglicht aber auch Powersharing, bei dem zwei Optiken parallel mit jeweils der halben Ausgangsleistung arbeiten.

Kompakte CO2-Laser für Schneid-und Bohrapplikationen

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In vielen Fällen bietet sich das kleinste Mitglied der CO₂-Laser-Familie von TRUMPF der komplett überarbeitete TruCoax 1000 mit einem Kilowatt. Ausgangsleistung an.

  • Die HF-Regelung über Transistoren ist energieeffizient, wartungsfrei und liefert sehr stabile Pulse mit sehr gleichmäßiger Form und Wiederholrate. Das ist beispielsweise für Mikroperforationen wichtig.
  • Statt 10,6 Mikrometer Wellenlänge werden nun 9,3 Mikrometer eingesetzt. Damit verbessern sich die Fokussierbarkeit sowie die Absorption und damit die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei gleicher Laserleistung in vielen Kunststoffen um rund zehn Prozent. Bei vielen Applikationen bringt die neue Wellenlänge damit erhebliche Vorteile, wie zum Beispiel beim schnellen Bohren von Löchern in Platinen (PCB) für die Elektronikindustrie.
  • Mit dem kleinsten CO₂-Laser von TRUMPF lassen sich auch Metalle schweißen und schneiden. Wenn ein Kunststoff zum Beispiel eine Oberflächenbeschichtung aus Metall aufweist, kann diese gleich in einem Durchgang mitgeschnitten werden.

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Die UnschweißbarenAluminium an Stahl, an Titan, an Faserverbundwerkstoffe – bislang unmögliche Fügepartner im Leichtbau. Der Laser schweißt sie alle.  weiterlesen…

Laser-Kunststoffmarkieren

Das Lasermarkieren von Kunststoffbauteilen hat in vielen Branchen Einzug gehalten. Ein wichtiger Grund dafür sind die Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit von Produkten. Diese lassen sich zum Beispiel mit verschlüsselten Informationen in Form von Zahlen, Strich oder Datamatrix-Codes dauerhaft erfüllen. Die Individualisierung von Konsumgütern kurbelt die Nachfrage zusätzlich an. Die Hersteller von Automobilen, Jachten, Privatjets aber auch von Konsumgütern wie Handys oder Werbemitteln werten Ihre Produkte mit spezielle Muster, Logos oder Schriftzüge auf der Oberfläche oder bei der Innenausstattung auf.

Mit Infrarot-Festkörperlasern lässt sich der Großteil der technischen Kunststoffe beschriften – die meisten Thermoplaste können so markiert werden. Für diese Anwendung hat TRUMPF seit Neuestem den kompakten und kostengünstigen Markierlaser TruMark 1110 im Programm. Viele Anfragen an das Laser-Applikationszentrum kommen aus der Automobilindustrie, die beispielsweise PBT GF30 oder glasfaserverstärktes Polyamid PA6 GF30 für Gehäuseteile einsetzt.

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Die im Moment am weitesten verbreitete Laserapplikation auf Kunststoff ist das Markieren. (Galerie)

Für die Markierung elektronischer Gehäuse, die mit Flammschutzmitteln versetzt sind, braucht es meist UV-Laserlicht. Hier steht seit einem guten Jahr der neue TruMark 6350 zur Verfügung. Es liegt zudem im Trend, mit UV-Lasern kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zu bearbeiten. Das betrifft nicht nur das Markieren sondern auch das Bohren.

Laser-Kunststoffschweißen

Auch das Schweißen von Kunststoffen mittels Laser setzt sich immer mehr durch. Die Leiterin Mikro- und Markierlaseranwendungen  Dr. Birgit Faisst und Applikationsingenieur Daniel Kaiser, zählen die Vorteile auf: „Im Vergleich zum Ultraschallverfahren ist Laserschweißen schonender für die Bauteile, es ist sehr flexibel, denn es lässt sich jede beliebige Schweißkontur programmieren, die Oberflächenqualität bleibt erhalten, es ist schnell, reproduzierbar sowie umweltfreundlich und benötigt keine giftigen Bindemittel. Es liefert mechanisch hoch belastbare Nähte und die thermische Energieeinbringung ist minimal.“

Aber: „Es ist sehr wichtig, dass der Anwender weiß, welche Materialien er für sein Produkt benötigt“, betont Daniel Kaiser. Damit der Laser zwei Teile im Überlapp-Modus fügen kann, muss das eine Bauteil transparent sein für den gängigen Wellenlängenbereich von Diodenlasern zwischen 800 bis 1100 Nanometer. Das andere Bauteil sollte mit Absorbern wie Farbpigmenten oder Ruß dotiert sein, damit die Laserstrahlung vom Material aufgenommen werden und es schmelzen kann. Durch den Wärmeübergang von einem Fügepartner zum anderen schmilzt auch dessen Oberfläche und beide Teile verbinden sich. Darum müssen die Schmelzbereiche der Schweißpartner zusammenpassen, so dass sich nicht ein Kunststoff bereits zersetzt, während der andere noch nicht einmal die Schmelztemperatur erreicht hat.

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Schweißprobe: Laserschweißnähte in Kunststoff sind mechanisch hoch belastbar. Im Vergleich zu anderen Verfahren schweißt der Laser schneller, schonender und flexibler. (Galerie).

 

Diodenlaser eignen sich besonders gut zum Kunststofffügen. Das Schweißen mittels Scanner wird als Quasi-Simultanbearbeitung bezeichnet. „Das Kunststoffbauteil lässt sich bei diesem Verfahren gleichmäßig erwärmen und beide Teile können auf der gesamten Fläche gleichmäßig aufeinandergedrückt werden, so dass keine Spannungen entstehen“, erklärt Kaiser. Der Strahl huscht mit einer typischen Geschwindigkeit von einem bis fünf Metern pro Sekunde jeweils drei- bis fünfmal über die Schweißnähte. Zwei Bauteilplatten von je circa 150 Millimeter x 150 Millimeter x 3 Millimeter lassen sich so in ein bis zwei Sekunden zusammenschweißen.

Laser-Kunststoffschneiden

Im Gegensatz zum Markieren und Schweißen benötigen Kunststoffe beim Schneiden keine Additive. Polyethylen, Polyamid und faserverstärkte Kunststoffe oder Schäume wie Polyurethanschaum lassen sich bestens mit dem CO2-Laser schneiden. Gegenüber den gängigen mechanischen Verfahren bringt es Anwendern viele Vorteile. Laserschneiden liefert hohe Qualität und trennt selbst fasriges Material glatt und ohne Ausfransungen. Es ist, flexibel, schnell, sauber und trocken. Es entsteht kein Verschleiß und es fallen keine schwer entsorgbaren Abfälle oder Abwässer an.

Bei der Wahl zwischen Scannerschneiden und karthesischem Schneiden spielt sowohl die Dicke des Materials als auch die Größe der Teile eine Rolle – und natürlich der geforderte Produktionstakt. Schneiden mittels Scanner ist extrem schnell – fünf bis zehn Meter pro Sekunde sind möglich. Es kommt besonders bei dünnen Materialien wie Verpackungsfolien zum Einsatz, weil die schnellen Produktionsanlagen hohe Verfahrgeschwindigkeiten erfordern. Ab etwa 1,5 Millimeter Werkstoffdicke beginnt das am Rand des Bearbeitungsfeldes schräg einfallende Laserlicht sichtbar schräge Kanten zu erzeugen, wie Branchenmanager Martin Sauter erklärt. „Beim kartesischen Verfahren mit normalen x-, y-Achsen dagegen schneidet der Laser immer senkrecht, so dass die Schneidkante immer im 90-Grad-Winkel zur Oberfläche steht, dafür ist die Verfahrgeschwindigkeit hier nicht so hoch. Doch beide Verfahren lassen sich auch exzellent kombinieren.“

Zum Laserschneiden von Kunststoffen empfehlen die TRUMPF Experten CO₂-Laser. Der CO₂-Laser koppelt die Laserstrahlenenergie sofort in die Oberfläche ein und erzielt sehr saubere Schnittkanten.

Mit den neuen TRUMPF CO₂-Lasern ist der Anwender immer qualitätsbewusst, flexibel und energieeffizient unterwegs – ganz egal ob er Scheinwerfer, Verkleidungs- oder Bodenmaterial für das Automobil zuschneiden will oder kunststoffbeschichtete Platten für die Möbel- oder Bauindustrie oder gar Hybridfolien für die Verpackungsindustrie mit Löchern versetzen will. Die nötige Kompetenz zur Kunststoffbearbeitung findet er im komfortablen Applikationszentrum in Ditzingen – für das Markieren, Fügen oder Schneiden.

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Trendanwendung „Easy Opening“ für Verpackungen: Die Mikroperforation im Kunststoff erleichtert das Öffnen, ohne die schützenden Wirkung der Verpackung zu beeinträchtigen.

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