Kunststoff - Laserschweissen

Kunststoff - Laserschweissen

Partikelfreies Arbeiten ist eine der zentralen Anforderungen an die Fertigung für die Medizintechnik. Insbesondere bei der Reinraumfertigung ist es Pflicht jedes Produzenten, sämtliche Verunreinigungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Dies stellt vor allem die Fügetechnik vor grosse Schwierigkeiten. Beim Einsatz von Klebstoffen beispielsweise ist mit unerwünschten Aerosolen und Dämpfen zu rechnen. Diese können nur schwer kontrolliert werden und können sich an ungünstigen Orten in Form von Ablagerungen niederschlagen. Zudem wird mit dem Klebstoff eine zusätzliche Materialkomponente verwendet. Ein erhöhter Zulassungsaufwand bei registrierungspflichtigen Medizinprodukten ist die Folge. Beim Ultraschallschweissen hingegen entstehen aufgrund der Reibung zwischen den Fügepartnern unerwünschte Partikel und die Ingenieure sind aufgrund des Verfahrens in der Gestaltungsfreiheit erheblich eingeschränkt. Auch das Einbringen der Energie stellt eine grössere Herausforderung dar, wird doch das ganze Bauteil in Schwingung versetzt und kann unter Umständen Schaden nehmen.

Ideales Verfahren für die Medizintechnik

Die Methode des Laserschweissens hingegen scheint wie geschaffen zu sein für die Medizintechnik: Durch den berührungslosen Prozess kann garantiert werden, dass die Produkte nicht durch Fremdeinwirkung kontaminiert werden. Die minimale thermische Belastung der Bauteile sorgt für hohe Präzision und Reproduzierbarkeit. Es entsteht kein Werkzeugverschleiss, der aufwändige Wartung oder gar Requalifizierungen nach sich ziehen kann. Zudem wird die eingebrachte Energie sehr präzise dosiert an der Fügestelle eingebracht, der Rest des Bauteils bleibt vom Fügeprozess unbehelligt. Dies bedeutet auch, dass sehr wenig Wärme erzeugt wird, was bei der Arbeit im Reinraum unter laminarem Luftstrom nicht unbedeutend ist.

Weitere Vorteile des Laserschweissens:
- Schweissnaht kann im Inneren der Bauteile angelegt werden
- Aufzeichnung sämtlicher relevanter Prozessparameter ist möglich
- keine Zusatzstoffe notwendig
- kürzeste Taktzeiten

Erwärmung durch Absorption von Laserenergie

Das Prinzip des Laserschweissens beruht darauf, dass die Energie des punktgenau eingebrachten Laserstrahls vom Kunststoff absorbiert wird. Dies hat eine lokale Erwärmung zur Folge, welche das Polymer aufschmelzen lässt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Erwärmung exakt an der Stelle auftritt, wo eine Verbindung zwischen den Bauteilen hergestellt werden soll. Dies wird in der Praxis erreicht, indem das eine der zu verbindenden Bauteile für Laserstrahlen durchlässig (transparent) gestaltet wird und das andere Bauteil Laser absorbierende Eigenschaften aufweist. Wenn sich die absorbierende Komponente aufgrund der Strahlungsenergie erwärmt, wird dank der lokalen Wärmeübertragung an der Fügestelle auch das transparente Material aufgeweicht und es entsteht eine homogene Schweissnaht zwischen den beiden Bauteilen. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass beide Fügepartner eine ähnliche Schmelztemperatur aufweisen.

Unzählige Anwendungen

Als Faustregel gilt: ?Alles, was mit Ultraschall geschweisst werden kann, kann auch mit Laser geschweisst werden?. Entsprechend sind den Anwendungsfällen keine Grenzen gesetzt. Häufig eingesetzt wird das Verfahren derzeit bei Mikrotiterplatten, chirurgischen Instrumenten, Ballonkathetern, Gehäusen von Blutpumpen und Kartuschen für die Mikrofluidik.

Die offensichtlichen Vorteile des Laserschweissens haben den Schweizer Kunststoffverarbeiter GEMÜ Medical dazu bewogen, in diese Technologie zu investieren. Nach Spezifikationen von GEMÜ wurde eine Serienanlage weiter entwickelt und stellt nun sicher, dass die hohen Ansprüche bezüglich Reinraumtauglichkeit vollumfänglich erfüllt sind. Damit kommt GEMÜ im Bestreben, Komplettlösungen aus Kunststoff anzubieten, einen entscheidenden Schritt weiter. Neben Spritzguss, mechanischer Bearbeitung, Rapid Prototyping und Montage kann nun ein fortschrittliches Fügeverfahren - im Reinraum ausgeführt - angeboten werden.