Fraunhofer ILT: Laserunterstütztes Fügen von Kunststoffen mit Metall- und Keramikbauteilen

Kunststoff als Konstruktionswerkstoff wird zunehmend wichtiger für eine Vielzahl von Produkten im technischen Umfeld. Häufig müssen Kunststoffkomponenten hierbei mit anderen Bauteilen, z.B. aus Metall oder Keramik, verbunden werden.

Das Fraunhofer ILT (www.ilt.fraunhofer.de) hat für diese Fragestellung ein neues Verbindungsverfahren entwickelt, mit dem in kürzester Zeit hochfeste Verbindungen zwischen Kunststoff und anderen Werkstoffen erzeugt werden können.

Das als LIFTEC bezeichnete und zum Patent angemeldete Verfahren basiert auf der Tatsache, dass alle thermoplastischen Kunststoffe im unpigmentierten Zustand transparent oder zumindest transluzent sind. Bei Prozessbeginn wird ein Bauteil oder eine Teilkomponente davon durch den zu fügenden Kunststoffpartner hindurch mit Laserstrahlung erwärmt. Das Bauteil wird unter mechanischem Druck auf das Kunststoffteil gedrückt. Dabei erwärmt sich der Kunststoff über Wärmeleitung auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur und das zu verbindende Bauteil bzw. ein Teil davon dringt in den Kunststoff ein. Bei Auswahl einer geeigneten Bauteilgeometrie wird nach der Abkühlung eine feste, formschlüssige Verbindung erzielt.

Wesentliches Element des Verfahrens ist ein Bauteil aus einem Material mit einer im Vergleich zum Kunststoff-Fügepartner größeren Schmelztemperatur, welches kurzzeitig durch Absorption von Laserstrahlung auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur des eingesetzten Kunststoffs liegt.

Das während des Eindrückvorgangs verdrängte Material führt zu unerwünschten Auswürfen auf der Kunststoffoberfläche. Diese können vermieden oder zumindest minimiert werden, wenn im Bauteil Hohlräume vorhanden sind, in die der Kunststoff fließen kann, sowie durch Vorbohrungen im Kunststoffbauteil. Mit Hilfe von transparenten Werkzeugeinsätzen aus Quarzglas, Saphir oder Diamant kann die Laserstrahlung auch in ein geschlossenes Werkzeug hinein auf die erforderlichen Stellen geführt werden.

Temperatur
Aufgrund der hohen Energiedichte von Laserstrahlung ist eine gezielte, schnelle Erwärmung mit örtlicher Begrenzung am Metallbauteil möglich. Wird die von den Bauteilen emittierte Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen, kann werkstoffabhängig die exakte erforderliche Fügetemperatur eingeregelt werden. Dabei wird das Pyrometersignal zusammen mit der Solltemperatur in einem Regler verarbeitet und ein entsprechendes, der Laserleistung äquivalentes Stellsignal an den Laser weitergegeben. Dadurch ist unter anderem ein spannungsfreies Einsetzen der Bauteile möglich, schädliche Überhitzungen der Komponenten treten nicht auf.

Vorteile
Die Erwärmung mit Laserstrahlung ist im Vergleich zu heute bereits verwendeten Heizkonzepten quasi unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit des einzudrückenden Materials. Daher können neben Metallen unter anderem auch keramische Werkstoffe mit Kunststoffen verbunden werden. Hierbei ergeben die Eigenschaftskombination beider Werkstoffe hybride Bauteile mit einer großen mechanischen Festigkeit (Härte), Verschleißfestigkeit, sowie guter Temperaturstabilität, bei gleichzeitig geringem Gewicht und variabler Formgebung. Werden Kunststoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen eingesetzt ist auch das Fügen zweier Kunststoffe miteinander möglich sowie die Verbindung von Kunststoff mit Holz.

Vorteile der Verbindungstechnik sind:
• Kurze Zykluszeiten
• Hohe Verbindungsfestigkeit
• Eine nichtlockernde Verbindung
• Neue Designmöglichkeiten für optische Komponenten
• Nachträgliches Einpressen in bestehende Bauteile
• Nutzung von Synergieeffekten durch Werkstoffkombination

Anwendungen
Grundsätzliche Einsatzbereiche des Verfahrens sind überall dort, wo eine Eigenschaftskombination der beiden Werkstoffe Kunststoff und Metall bzw. Keramik sinnvoll erscheint. Dazu zählt beispielhaft das Fügen von Kunststoffbrillengläsern mit dem Gestell, bei dem sich neben einer Festigkeitssteigerung und der Sicherung gegen Lockern neue Designmöglichkeiten ergeben. Ein weiteres Anwendungsfeld ist das Fügen von Kunststofffenstern oder Fassaden mit einem metallischen Rahmen. Auch hierbei kann eine hochfeste Verbindung mit großer Dichtigkeit erzielt werden.

K 2007, Düsseldorf, 24.-31. Oktober 2007, Halle 3, Stand E91

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

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