Polybutylenterephthalat (PBT) mit 60 Prozent Lasertransparenz

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Das sich PBT nicht gut laserschweißen lässt, stimmt nicht mehr. Forschern gelang es, die Lasertransparenz von 30 auf etwa 60 Prozent zu steigern. Das sorgt für deutlich höhere Schweißgeschwindigkeiten und dafür, dass sich viel dickere Fügepartner verbinden lassen.

Der Autor Dr. Peter Eibeck ist Mitarbeiter der Produktentwicklung Ultradur bei der BASF SE, Ludwigshafen

Polybutylenterephthalat (PBT), da ist sich die Fachwelt einig, lässt sich prinzipiell nicht gut laserschweißen. Genau das aber haben Forscher der BASF mit „Ultradur LUX“ nun widerlegt: Mit einer geschickten Modifika- tion der Morphologie des Polyesters gelang es ihnen, seine Lasertransparenz von 30 auf etwa 60 % zu steigern. Durch die verbesserte Lasertransparenz sind nun deutlich höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich, gleichzeitig wird das Prozessfenster erheblich breiter. War bei dem Standard-PBT mit einem 1064-nm-Laser lediglich eine Schweißgeschwindigkeit von 5 bis 12 mm/s möglich, sind mit Ultradur LUX nun 10 bis 70 mm/s realisierbar.
Die höhere Lasertransparenz bietet aber noch andere Vorteile. So lassen sich viel dickere Fügepartner schweißen als bisher. Dadurch werden Anwendungen zugänglich, die zuvor anderen Fügeverfahren vorbehalten waren. Alternativ kann man mit niedrigerer Laserleistung arbeiten, was die Lebensdauer des Lasers verlängert.
Ultradur LUX wird zunächst mit 20 oder 30 % Glasfaserverstärkung in schwarz oder ungefärbt angeboten. Eine Erweiterung des Produktportfolios, auch im Hinblick auf weitere Farben, ist bei Bedarf möglich.
Laserschweißen – eine saubere Fügetechnik
Gegenüber anderen Verbindungstechniken hat Laserdurchstrahlschweißen, kurz Laserschweißen, die Vorteile,
  • dass keine weiteren Materialien wie Klebstoff und Primer bevorratet werden müssen
  • sich keine Partikel abreiben und
  • dass keine starken Vibrationen auftreten.
Vibrationsfreies Fügen ist besonders wichtig, wenn empfindliche Komponenten bereits in einen
der beiden Fügepartner integriert sind. Die Vorteile des Laserschweißens kommen deshalb vor allem bei kleinen Teilen zum Tragen, bei denen flexible geometrische Gestaltung sowie eine saubere Arbeitsweise verlangt wird. Insbesondere gilt dies für elektronische und medizintechnische Anwendungen, wie Gehäuse für Steuergeräte im Auto oder Baugruppen mit Sensoren.
Das Prinzip des Laserschweißens besteht darin, dass Laserstrahlen einen für sie durchlässigen Fügepartner durchdringen und die darunterliegende Bauteilhälfte, die Laserstrahlen absorbiert, aufschmelzen. Der geschmolzene Kunststoff überträgt die Wärme auf das lasertransparente Material, so dass sich schließlich eine Schweißnaht ausbildet. Grundvoraussetzung für das Laserschweißen ist also die Paarung aus einem lasertransparenten und einem laserabsorbierenden Werkstoff.
Schon heute sind besondere Ultradur-Typen im Einsatz, die im Hinblick auf Laserschweißbarkeit spezifizierte Qualität aufweisen. Diese Lösungen lassen allerdings einige Wünsche offen, nicht nur wegen der intrinsisch geringen Lasertransparenz des Materials, sondern auch wegen der schwer zu kontrollierenden Konstanz dieser Eigenschaft.
Das Problem mit der Lasertransparenz
Eine zu geringe Lasertransparenz kann zu verlängerter Zykluszeit führen, fehlerhafte Teile zur Folge haben oder die Laserschweißung sogar unmöglich machen. Bis zu einem gewissen Maß lässt sich das durch Erhöhung der Schweißzeit kompensieren. Bei längerer Schweißdauer steigt aber die Wahrscheinlichkeit, dass das Material verbrennt oder sich zersetzt.
Liegt die durchschnittliche Lasertransparenz auf einem eher niedrigen Niveau, können sich Schwankungen besonders negativ auswirken, so dass der Schweißvorgang nicht mehr innerhalb des zulässigen Prozessfensters geführt werden kann. Auch hier sind Beschädigungen die Folge. Da die Laserschweißung gewöhnlich der letzte Schritt in der Produktionskette ist, bedeuten fehlerhafte Teile an dieser Stelle den Verlust des gesamten bis dahin geschaffenen Wertes. Für Bauteile, die hochwertige elektronische Module enthalten, kann er leicht bis zu 100 € pro Stück betragen. Der verlorene Wert liegt dann etwa um den Faktor 1000 über den Materialkosten für den lasertransparenten Kunststoff.
Ziel war also, innerhalb des Ultradur-Sortiments ein Produkt mit höherer und konstanter Lasertransparenz zu entwickeln.
Starke Streuung durch große Sphärolithe
Laserschweißen von teilkristallinen Thermoplasten ist prinzipiell schwieriger als bei amorphen Produkten, da der Laserstrahl an den Sphärolithen gestreut wird. Dieses allen teilkristallinen Kunststoffen eigene Problem ist bei PBT besonders ausgeprägt: Im Vergleich zu einer gleich dicken Polyamid 6 (PA 6)-Platte lässt PBT viel weniger Laserlicht durch, weil hier aufgrund der ausgeprägten Streuneigung der rückwärts gerichtete Streuanteil höher ist. Außerdem wird der hindurchtretende Strahl stärker aufgeweitet.
Aus der Physik weiß man, dass die Ablenkung von Lichtstrahlen dann besonders gering ist, wenn die Streuzentren kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Beim Nd-YAG-Laser, dem gebräuchlichsten Lasertyp, sind dies etwa 1000 nm. Die Lösung bestand somit darin, das räumliche Wachstum der Sphärolithe auf eine maximale Größe von 1 µm zu begrenzen.
In zahlreichen Versuchen gelang dem Forscherteam der BASF schließlich die gewünschte Modifikation. Das neue Ultradur mit der Bezeichnung LUX hat eine feinere Struktur und demzufolge eine deutlich höhere und außerdem viel konstantere Lasertransparenz als bislang am Markt erhältliche PBT-Typen. Seine mechanischen Eigenschaften liegen auf vergleichbarem Niveau wie die der bewährten Ultradur-Produkte.
Enormer Sprung in den optischen Eigenschaften
Welcher enorme Sprung in den optischen Eigenschaften des PBT erreicht wurde, wird an den Transmissions-(Durchlässigkeits-) kurven deutlich. Bei der Wellenlänge des Nd-YAG-Lasers lässt Ultradur LUX etwa doppelt soviel Licht durch wie Standard-PBT.
Aber nicht nur die Lasertransparenz an sich ist viel besser, auch die Qualität des durchgelassenen Laserstrahls wurde erheblich gesteigert. Anhand von Streuexperimenten mithilfe einer sogenannten Ulbricht-Kugel ließ sich zeigen, dass herkömmliches unverstärktes PBT im für die Laserschweißung relevanten Wellenlängenbereich so gut wie kein Licht auf direktem Weg durchlässt, alle hindurchtretenden Strahlen werden mehr oder weniger gestreut. Für Ultradur LUX ergibt sich hingegen bei der Wellenlänge des Nd-YAG-Lasers eine direkte Transmission von etwa 50 % und damit eine erheblich geringere Aufweitung des Laserstrahls.
Die praktische Bedeutung dieser theoretischen Werte wird am Beispiel von gegen die Sonne gehaltenen Musterplättchen deutlich. Bereits hier zeigt sich die hohe Lichtdurchlässigkeit von Ultradur LUX. Bedenkt man, dass die Transparenz des neuen Materials für Laserlicht noch viel höher ist als für Tageslicht (380 bis 780 nm), so wird der große Qualitätssprung des neuen Kunststoffs nachvollziehbar.
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