Schonkost in der Fügetechnik

Der ¿schweißigen¿ Methoden, Kunststoffteile zu verbinden, gibt¿s reichlich. Neben den herkömmlichen Verfahren wie z.B. Hochfrequenz-, Heizelement-, Warmgas- und Ultraschall- sowie dem Rotationsschweißen hat sich in den letzten Jahren das Laserschweißen etabliert. Mit überzeugenden Vorteilen: kontakt- und vibrationsfrei bietet diese Technik eine besonders schonende Behandlung der Fügepartner; sozusagen eine Art Schonkost auf dem Speisezettel verfügbarer Verbindungsnahrung. Kommt als weiterer Pluspunkt hinzu, dass weitgehend ohne Schmelzeaustrieb, ergo ohne lästigen Wulst gearbeitet werden kann. Auch an entsprechender Anlagentechnik zum Laserschweißen thermoplastischer Materialien mangelt es nicht. Relativ neu im Angebot ist ¿Votan W¿, eine Entwicklung der Jenoptik Automatisierungstechnik, die wir uns auf der diesjährigen Hannover-Messe etwas genauer angesehen haben.

Wir wissen es nicht: Ob Wotan, der höchste Gott der Germanen, zuständig für Krieg und Sieg, der Gott des Todes und der Dichtkunst, bei der Namensgebung Pate stand. Mit Schweißen hatte der eigentlich so furchtbar viel nicht zu tun, wenn er auf seinem achtbeinigen Ross Steipnir, begleitet von den beiden Wölfen Geri und Freki durch die Gegend galoppierte. Doch wir wissen jetzt: Das ¿W¿ im Markennamen ¿Votan W¿ steht für ¿Welding¿ (aus dem Englischen für Schweißen).

So jedenfalls erfuhren wir es von Gabriele Eberhardt, die uns auf dem Stand der Jenoptik Automatisierungstechnik anlässlich der Hannover-Messe im April dieses Jahres Funktion und technische Details des Exponats erklärte. Wir wissen jetzt außerdem, dass die Firma Jenoptik mit ¿Votan W¿ ihr Produktspektrum an Laseranlagen für die Kunststoffverarbeitung erweitert hat. Die Entwicklung dieser neuen Laserschweißanlagen basiert auf den nach eigenen Angaben umfangreichen Erfahrungen im Bau von Montageanlagen und Handlingsystemen. Durch das modulare Konzept ¿ so erklärte es uns Frau Eberhardt ¿ entstehen maßgeschneiderte Anlagen aus einer überschaubaren Anzahl bewährter Grundmodule.

Der Laser ist das Werkzeug aller von Jenoptik konzipierten ¿Votan¿-Anlagen. Damit werden geometrisch und thermisch exakte Schweißnähte hingezaubert. Durch den extrem kleinen Fokus von gerade mal 50 bis 600 Mikrometern wird auch bei geringer Nennleistung eine sehr hohe Energiedichte erreicht. Demonstriert wurde uns das auf der Industriemesse in der niedersächsischen Hauptstadt anhand eines Lampengehäuses, dessen Einzelteile aus einem teilweise galvanisierten Kunststoff via Laser zum Ganzen verschweißt werden.

Mit einem Rubin fing¿s an

Anfang der 60er Jahre im gerade vergangenen Jahrhundert war es dem amerikanischen Physiker T. Maiman von den Hughes Research Laboratories erstmals gelungen, einen Laser, was in voller Länge Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation heißt, experimentell zu entwickeln. Damals handelte es sich um einen Rubin-Laser, der durch Blitzlampen gepumpt wurde. Bedampfungen auf dem flachen Ende des Rubin-Kristalls bildeten den optischen Resonator. In den folgenden Jahren entstanden dann eine Vielzahl weiterer Lasertypen; beispielsweise der CO2-Laser sowie der Nd:YAG-Festkörperlaser. Genau das sind auch die Varianten, wie sie heute vorrangig im industriellen Umfeld zu finden sind und wie sie nahezu ausschließlich für Schweißaufgaben in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt werden.

Auch bei Jenoptik werden als Laserquelle ¿ je nach anstehendem Fügeproblem ¿ fasergekoppelte Laserdioden oder Nd:YAG-Laser verwendet (mit Wellenlängen von 808, 940 oder 1 064 Nanometern, in einem Leistungsbereich von 20 bis 100 Watt). Aufgrund der Faserkopplung werde der Strahl ohne nennenswerte Verluste in einem flexiblen ¿Lichtleiter¿ über mehrere Meter zum Arbeitskopf geführt, was man in Jena als Vorteil im Hinblick auf Dynamik, Zugang in enge Arbeitsräume und des Schadenpotenzials bei Kollisionen sieht. Natürlich ¿ und der Hinweis ist fast entbehrlich ¿ sind die Anlagen unter dem Namen ¿Votan¿ mit dem erforderlichen Schutz für Laserschutz ausgestattet.

Die via Programm gesteuerte Bewegung des Lasers bestimmt die Geometrie der Schweißnaht. In der Mehrzahl lassen sich anstehende Applikationen ¿ von der eindimensionalen Linie bis hin zu komplizierten Bewegungen im Raum (3D-Anwendungen) ¿ durch das modulare System aus Linear- und Drehachsen lösen. Zum Schweißen von Bauteilen besonders üppiger Dimension sind Portale mit mehreren Metern Verfahrweg lieferbar. Bei besonders dynamischen und präzisen Bewegungen im 2 1/2D-Bereich werden bevorzugt Gelenkarm-Roboter eingesetzt.

Stumpf oder strahlend

Grundsätzlich wird beim Laserschweißen polymerer Komponenten zwischen Stumpf- und Durchlicht- beziehungsweise Durchstrahlschweißen unterschieden. In beiden Fällen wird die Schweißstelle durch Absorption im Fokusbereich des Strahls geometrisch und thermisch exakt erwärmt. Voraussetzung und gleichzeitig Einschränkung ist, dass mindestens einer der beiden Werkstoffe, die verschweißt werden sollen, das Laserlicht mit seiner spezifischen Wellenlänge gut absorbiert. Soll heißen, dass der betreffende Fügepartner den Strahl in sich aufnehmen muss, um im Bereich des auftreffenden Lichts zu schmelzen und mit dem anderen Material eine Verbindung entsteht.

Beim so genannten Stumpfstoß- oder einfach auch Stumpfschweißen mittels Laser bestehen sogar beide Komponenten aus absorbierenden Werkstoffen. Dagegen ist beim Durchstrahl- bzw. Durchlichtschweißen nur eine Materialseite absorbierend; die andere ist transparent. Der Laserstrahl durchdringt diesen transparenten Werkstoff und wird an der Kontaktfläche des zweiten Teils absorbiert. Genau in diesem Bereich schmilzt der Kunststoff. Durch die Wärmeleitung wird in dieser Zone dann auch die transparente Plastmasse aufgeschmolzen ¿ entsprechender Druck und ausreichend geringer Fügespalt vorausgesetzt.

Neben diesen unterschiedlichen Verfahren wird u.a. noch zwischen Kontur- und Simultanschweißen als strategische Methode differenziert. Während beim Kontur- oder auch Bahnschweißen die Strahlungsleistung des Lasers in einem Punkt fokussiert und programmgesteuert über die Fügestelle geführt wird, werden beim Simultanschweißen gleich mehrere Laserquellen nebeneinander angeordnet. Zwischen Laserstrahl und Werkstück erfolgt im Gegensatz zum Konturschweißen keine Relativbewegung. Diese Strategie bleibt jedoch auf relativ einfache Geometrien beschränkt und gilt als wenig flexibel.

Mit Video-Überwachung

Von Gabriele Eberhardt haben wir in Hannover außerdem erfahren, dass die Steuerung der Laserschweißanlage von Jenoptik hierarchisch aufgebaut ist, dass die einzelnen Module ¿ sofern erforderlich ¿ über eigene dezentrale Steuerungen verfügen, mit einheitlichen Schnittstellen (Slave). Die Masterfunktion für die Gesamtanlage übernimmt entweder eine vom Kunden beigestellte Steuerung im Umfeld von ¿Votan W¿ oder eine von Jenoptik mitgelieferte Steuerung auf Basis von PC oder SPS. In größeren Systemen sind die Module durch ein erweiterbares Bussystem vernetzt. Das sei auch im Vergleich zur konventionellen Verdrahtung wesentlich einfacher zu handhaben. Und auf Wunsch gibt¿s als Option ¿Teleservice¿ für Wartung, Diagnose und Kundenunterstützung.

Ebenfalls als optionale Offerte steht die Video-Überwachung zur Verfügung ¿ so wie wir es auf der Messe in der Expo-Kommune bewundern konnten. Richtig toll: Am Bildschirm und Arbeitsplatz oder ¿ wenn gewünscht ¿ in Büro und Chefetage kann der Schweißprozess live beobachtet werden. Die Daten können aufgezeichnet und für alle Zukunft archiviert werden.

Zusätzlich zu Konstruktion, Fertigung und Inbetriebnahme der gelieferten Laserschweißanlagen bieten die Automatisierungsspezialisten aus Jena einen umfassenden Service rund um das Thema Laserschweißen von Kunststoffen. Und senden auf Wunsch und Zeichen sicher auch ausführliche Unterlagen zu.

Siegfried Heimlich

Links: http://www.automation.jenoptik.de