Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

Transmissions-
Laserstrahlschweißen
Zwei Teile, von denen eines aus einem durchlässigen Material
bestehen muß, werden mit Laserlicht verschweißt, wodurch
beide Materialien an den Grenzflächen verschmolzen werden.
Das Wort «LASER» ist ein Akronym und steht für:
Light Amplification by the Stimulated Emission
of Radiation
(Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission)
Das Laserkonzept wurde erstmals 1917 von Albert Einstein
eingeführt, doch erst 1960 stellte Edward Teller den ersten
Laser her. In nur 40 Jahren sind Laser zu einem Teil unseres
alltäglichen Lebens geworden – in Druckern, CD-Playern,
Barcode-Scannern, in der Chirurgie und in Kommunikationsgeräten.
Ein Laser erzeugt und verstärkt einen intensiv gebündelten
Strahl aus kohärentem Licht. Elektronen emittieren Strahlung
und normalerweise streut ihr Licht zufällig in beliebige Richtungen.
Das Ergebnis ist inkohärentes Licht – ein Fachbegriff
für ein Gewimmel von Photonen, die sich in alle Richtungen
zerstreuen. Der Trick bei der Erzeugung von kohärentem Licht
liegt darin, die richtigen Atome mit den richtigen inneren
Speichermechanismen zu finden und ein Umfeld zu erzeugen,
in dem sie alle kooperieren, um ihr Licht zur richtigen
Zeit in nur eine Richtung abzustrahlen.
In dem Laser von Ed Teller werden Atome oder Moleküle
eines Rubins in einem sogenannten Laser-Resonator erregt.
Aufgrund von Spiegeln an beiden Enden des Resonators wird
Energie hin und her reflektiert und bei jedem Durchgang aufgebaut,
bis der Prozeß an einem bestimmten Punkt einen
plötzlichen Ausbruch an kohärenter Strahlung erzeugt, da
sich alle Atome in einer schnellen Kettenreaktion entladen
= der Laserstrahl.
Atome verschiedener Materialien erzeugen Laserstrahlen
unterschiedlicher Wellenlängen. Lichtwellenlängen sind
sehr klein und werden gewöhnlich in Nanometern gemessen,
wobei 1 nm = 0,000001 mm ist.
Sichtbare Strahlung (Licht) für das menschliche Auge hat
eine Wellenlänge zwischen 300 nm und 780 nm.
Verschiedene Lasertypen
Einige der herkömmlichsten Laser sind unten aufgelistet:
CO2 Kohlendioxidmoleküle, emittieren Infrarotlicht.
Nd:YAG Neodymium: Yttrium Aluminium Garnet synthetischer
Kristall.
Diode Halbleiter.
Excimer Gasgemisch, emittiert ultraviolettes Licht.
Tabelle 10.01 Verschiedene Lasertypen
CO2 Nd:YAG Diode Excimer
Wellenlänge nm 10,600 1,060 800-1,000 150-350
Leistung KW 45 4 4 1
Effizienz % 10 3 30 1
Ca. Preis $ 30,000* 60,000* 15,000* 120,000*
(*pro 100 W)
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Laser werden in der Industrie seit einiger Zeit für das Schneiden
von Werkstoffen verwendet. Wenn er Stahl bei sehr hohen
Temperaturen schmelzen kann, so schlußfolgerte man, müsse
ein leistungsschwächerer Laser auch Kunststoffe schneiden
können, ohne die gesamte Probe zu verdampfen. Dann wurde
entdeckt, daß einige Kunststoffe in der Wellenlänge eines
Laserlichts durchlässig erscheinen, während andere die
Energie absorbieren und Hitze erzeugen.
Angesichts dieses Konzepts wurde das Verfahren des Transmissions-Laserschweißens
(TLW) entwickelt.
durchlässiges oberes
Material
Fig. 10.95a Transmissions-Laserschweißkonzept
gebündelter
Laserstrahl
Absorbierendes
unteres Material
Der Laserstrahl passiert das obere Material ohne Energieverluste
oder Beschädigung des Kunststoffes. Der Strahl wird
dann vom unteren Material absorbiert und verursacht ein
schnelles Aufheizen. Dieser thermische Effekt schmilzt das
untere Material auf, welches wiederum das obere Material
erwärmt und eine Schweißstelle erzeugt. Tabelle 10.01 zeigt,
warum der Diodenlaser aufgrund seiner hohen Effizienz
gegenüber anderen Lasertypen in der Industrie für diese
Schweißtechnik bevorzugt wird.
Vorteile des TLW
– Hohe Schweißgeschwindigkeiten, 15 m/min. nachgewiesen.
– Laserkosten sind heute gegenüber anderen Fügetechniken
konkurrenzfähig.
– Niedrige Laserenergie erforderlich,