Laserauswahl

Zum Kunststoffschweißen im transparent-absorbierenden Überlappungsverfahren bieten sich auf Grund ihrer Wirtschaftlichkeit sowohl Diodenlaser (808, 940 nm) als auch Dauerstrich-Nd:YAG Laser (1064 nm) an.

Diodenlaser bestehen aus einer geschickten Anordnung mehrerer Einzelstrahler, wie sie auch in CD-Spielern eingesetzt werden. Durch eine entsprechende optische Refokussierung können diese Laser auf einen gemeinsamen Schweißfleck fokussiert werden. Die Bauform ist sehr kompakt und die Kosten sind für einen Laser sehr attraktiv. Auf Grund der einfachen Skalierbarkeit können Strahlquellen von wenigen Watt bis mehrere tausend Watt realisiert werden. Es gibt eine Vielzahl von verfügbaren Wellenlängen, wobei die beiden Standardwellenlängen 808 und 940 nm die höchste Verfügbarkeit bei niedrigsten Kosten aufweisen. Im Vergleich zu konventionellen Lasern mit vergleichbarer Leistung wie Nd:YAG Lasern ist die Strahlqualität, d.h. die Fokussierbarkeit des Laserstrahls, um eine Größenordnung schlechter. Für viele Kunststoffschweißanwendungen ist sie jedoch vollkommen ausreichend, so dass Diodenlaser häufig für diese Anwendung eingesetzt werden.

Nd:YAG laser sind Festkörperlaser, welche seit über 3 Jahrzehnten im industriellen Einsatz sind. Zum Kunststoffschweißen werden Dauerstrichvarianten im multi mode Betrieb verwendet. Die Strahlqualität ist selbst bei den leistungsoptimierten Varianten erheblich besser als bei vergleichbaren Diodenlasern, so dass das Haupteinsatzgebiet bei kleinen Fokusdurchmessern sowie bei Scannerkopfanwendungen, welche eine gute Fokussierbarkeit verlangen, liegt. Die Wellenlänge liegt bei 1064 nm.

In einigen Fällen, bei denen besonders große Bauteile im quasi-Simultanschweißverfahren bearbeitet werden, bieten sich diverse Möglichkeiten durch neuartige Scheibenlaser (Wellenlänge = 1030 nm).Typische Leistungen, welche zum Kunststoffschweißen verwendet werden, liegen zwischen 50 und 250 Watt.

Nd:YAG Laser können sowohl lampengepumpt als auch diodengepumpt sein. Hier liegt die Abwägung lediglich im kommerziellen Bereich (Wartungsintervall gegenüber Investitionskosten).

Nd:YAG Laser zeichnen sich durch ein homogenes Strahlprofil aus, während Diodenlaser im Direktstrahlbetrieb meistens eine relativ inhomogene Leistungsverteilung in der Arbeitsebene haben. Auf Grund des relativ kleinen thermischen Prozessfensters und der schlechten Wärmeleitfähigkeit reagiert das Kunststoffschweißen – anders als die Metallbearbeitung - auf solche Inhomogenitäten sehr sensibel. Aus diesem Grund werden die Diodenlaser in vielen Fällen mit Faserkopplung zur Strahlhomogenisierung eingesetzt.

In den meisten Fällen absorbieren die Zusatzpigmente im Kunststoff wie Ruß bei allen oben angegebenen Wellenlängen gleich stark, in einigen Sonderfällen, wie z.B. bei hellen Farben oder gar transparenten Absorbern kann die korrekte Wahl der Laserwellenlänge eine Schlüsselrolle haben. Auch sind die meisten oberen Fügepartner für alle NIR Wellenlängen transparent, wobei im Falle farbiger Oberplatten in der Regel höhere Wellenlängen (also 940 statt 808 nm) zu bevorzugen sind.

Der Spezialfall von hellen bzw. gar für das Auge nahezu transparenten Unterplatten wird in der Regel über spezielle Zusatzpigmente bzw. Spezialflüssigkeiten zwischen den beiden Partnern gelöst. Da diese sehr selektiv auf die Laserwellenlänge reagieren, hängt die ideale Laserwellenlänge auch vom Anbieter dieser Zusatzwerkstoffe ab.

Eine Ausnahme stellt das Verschweißen dünner Folien dar. Hier können CO₂-Laser wie der StarShape C verwendet werden, deren Strahlung direkt in die Polymermatrix einkoppelt.