Magazin Forschung 2019

38 | PRODUKTION UND SYSTEME
Laserschweißen transparenter Kunststoffbauteile
für die Medizintechnik
Medizintechnische Bauteile werden häufig aus transparenten Kunststoffen hergestellt. Allerdings
stellt das Laserschweißen dieser Bauteile noch immer eine Herausforderung dar, da die notwendige
Konzentration der Strahlungsabsorption in der Fügeebene ohne absorbierende Zusätze im
Kunststoff nur bedingt erreicht werden kann. Eine neu entwickelte Systemtechnik erlaubt jedoch
das reproduzierbare Fügen transparenter Polymere wie COC, PET und PS, denn eine zielführende
Strahlformung verhindert die unerwünschte oberflächennahe Erwärmung, welche zu visuellen
und haptischen Defekten führen würde.
Ein medizinisches Labor auf Größe
einer Scheckkarte
So genannte Lab-on-a-Chip-Bauteile fassen bestimmte
Funktionalitäten eines Labors auf Größe einer Scheckkarte
zusammen. Aufgrund integrierter mikrofluidischer
Systeme sind bereits geringste Mengen einer Flüssigkeit
für eine medizinische Analyse ausreichend. Somit können
klinische Tests im medizinischen Notfall direkt an der
Unfallstelle durchgeführt werden. Der kommerzielle Erfolg
solcher Einwegartikel ist neben den enthaltenen
Funktionen vor allem von den Fertigungskosten abhängig.
Im Vergleich zu Glas weisen spritzgegossene Polymerbauteile
hier einen großen Kostenvorteil auf. Da die
Bauteile meist aus zwei Hälften bestehen, müssen beide
Komponenten mediendicht gefügt werden. Um die integrierten
Kanäle und Bauteile nicht zu beschädigen und
eine Auswertung mittels optischer Verfahren zu ermöglichen,
sollte der Fügeprozess berührungslos und ohne
Zusatzstoffe erfolgen. Hierfür bietet sich das Laser-
Durchstrahlschweißen an. 1
Herausforderungen beim Laser-
Durchstrahlschweißen
In der klassischen, bereits seit vielen Jahren in der Industrie
etablierten Prozessvariante werden ein transparenter
und ein absorbierend eingefärbter Partner gefügt (siehe
Abb. 1, links). Das in der Medizintechnik erwünschte Laserschweißen
zweier transparenter Kunststoffe stellt immer
noch eine Herausforderung dar. Zum einen wird die beim
Laserschweißen üblicherweise eingesetzte Strahlung im
Wellenlängenbereich von 800 bis 1100 nm vom Kunststoff
nahezu vollständig transmittiert (siehe Abb. 1, rechts).
Zum anderen sind Laser mit hoher Strahlqualität er -
forderlich, um präzise Schweißnähte mit einer Breite
von wenigen Zehntelmillimetern zu erzeugen. Um diese
Herausforderung zu bewältigen werden im Projekt 3D-
LasPyrInt-Scanner Thulium-Faserlaser mit einer Wellenlänge
von ca. 2000 nm und einer brillanten Strahlqualität
von M²≈1 eingesetzt. Da Kunststoffe Strahlung dieser
Abbildung 1: Konventionelles Transparent-Absorbierend-Schweißen
(links) und das neuartige Transparent-Transparent-Schweißen (rechts).
Bildquelle: LPKF WeldingQuipment
Wellenlänge von Natur aus absorbieren, sind keine absorptionssteigernden
Zusatzstoffe erforderlich.
Um haptischen und visuellen Defekten vorzubeugen, ist
ein Aufschmelzen der Oberfläche zu verhindern. Hierfür
muss die Strahlungsabsorption in der Fügezone konzentriert
werden. Bei Verwendung eines nahezu kollimierten
Strahls wird der Großteil der Strahlung an der Bauteiloberfläche
absorbiert, was zu Aufwürfen und Verzug
führt (siehe Abb. 2, links). Mittels Fokussierung ist es
allerdings möglich, das Absorptionsmaximum in der
Fügezone zu positionieren und somit eine gezielte
Schmelzebildung zu erreichen (siehe Abb. 2, rechts).
Abbildung 2: Schmelzeaufwurf aufgrund oberflächlichem Intensitätsmaximum
beim Schweißen mit kollimiertem Strahl (links), erfolgreiche
Intensitäts- und Schmelzekonzentration infolge der Fokussierung
(rechts) 2 .