DE102008020943A1

DE102008020943A1 - Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei transparenten Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen

Info

Publication number: DE102008020943A1
Application number: DE102008020943A
Authority: DE
Inventors: Katrin Dipl.-Ing. Löschner; Jörg Dipl.-Ing. Lucas; Sebastian Dauterstedt; Ewald Dipl.-Ing. Strogies; Andreas Prof. Dr. Heilmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-10-29
Also published as: WO2009129801A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurchgetreten ist, und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein von wenigstens beiden Fügepartnern eingeschlossener Fügebereich vorgesehen wird, in dem Nanopartikel enthalten sind, die im Wege der Lichtabsorption Oberflächenplasmonen auszubilden in der Lage sind, die zur Erhitzung der Nanopartikel und letztlich zur Schmelzausbildung innerhalb des Fügebereiches führen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurch getreten ist, und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt.
Stand der Technik
Zum stoffschlüssigen Verbinden wenigstens zweier zumeist aus Polymermaterialien bestehenden Bauteilen oder Folien wird in gängiger Praxis die Technik des Laserdurchstrahlschweißens eingesetzt, bei der wenigstens einer der miteinander zu verbindenden Fügepartner aus einem für die Laserstrahlung transparenten Polymermaterial besteht, so dass dieser von dem Laserstrahl weitgehend schadlos in Transmission durchsetzt werden kann. Vorsorge ist hierbei dahingehend zu treffen, dass ein durch Lichtabsorption bedingter Wärmeeintrag vorrangig in der Fügeebene der jeweils stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Fügepartner zu erfolgen hat. Hierzu gilt es, ein das Laserlicht signifikant absorbierendes Material innerhalb eines die Fügeebene umfassenden Fügebereiches zwischen beide Fügepartner einzubringen.
Die Absorbermaterialien können entweder in einem der beiden miteinander zu verbindenden Fügepartner enthalten sein oder in Form eines oberflächlichen Stoffauftrages auf die Oberfläche eines oder beider miteinander zu verbindenden Fügepartner, beispielsweise im Wege eines Druck- oder Sprühvorganges aufgebracht werden. Der sich durch flächiges Kontaktieren beider miteinander zu verbindenden Fügepartner ausbildende Fügebereich wird wie eingangs erläutert mit Laserlicht bestrahlt bis ein oberflächiges Aufschmelzen eines oder beider Fügepartner im Fügebereich erfolgt, wobei der Fügevorgang dadurch unterstützt werden kann, indem die Fügepartner einem zusätzlichen auf den Fügebereich orientierten Anpressdruck ausgesetzt werden.
Typische Absorbermaterialien, die für das Laserdurchstrahlschweißen von für das Laserlicht transparenten thermoplastischen Bauteilen geeignet sind, sind Ruß- oder Farbstoffpartikel, die allein oder im Verbund mit einem zusätzlichen Trägermaterial partikulär oder molekular auf die Oberfläche wenigstens eines Fügepartners aufgebracht werden. Im Idealfall wird angestrebt, dass nach Vollendung des Schweißvorganges das innerhalb des Fügebereiches enthaltene Absorbermaterial keinerlei Trübung oder farbliche Veränderungen der Fügepartner verursachen soll. In bevorzugter Weise werden daher Absorbermaterialien verwendet, die die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich zu absorbieren vermögen, im sichtbaren Spektralbereich jedoch transparent sind. Auch werden Absorbermaterialien zu Zwecken des Laserdurchstrahlschweißens eingesetzt, die sich während der Laserbestrahlung thermisch zersetzen und nach dem Schweißvorgang nicht mehr sichtbar sind.
Alle bisher zu diesem Zweck bekannten Absorbermaterialien vermögen die Photonenenergie der Laserstrahlung entweder im Rahmen elektronischer Bandübergänge zu absorbieren oder die dem Laserstrahl innewohnende Lichtenergie wird durch Lichtstreuung innerhalb des Fügebereiches eingekoppelt, ein Vorgang der beim Einsatz partikulärer Absorbermaterialien, wie beispielsweise Ruß oder Siliziumoxid auftritt.
Aus der EP 0 159 169 geht hierzu ein Laserdurchstrahlschweißverfahren hervor, bei dem zwei aus synthetischem Harzmaterial bestehende Fügepartner miteinander über einen gemeinsamen Fügebereich verschweißt werden, von denen ein Fügepartner für die Wellenlänge des eingesetzten Laserstrahls transparent ist und der andere Fügepartner zumindest an der zu fügenden Kontaktoberfläche mit Rußpartikel versetzt ist, die das durch den transparenten Fügepartner hindurchtretende Laserlicht absorbieren.
Ein ähnliches Verfahren ist der DE 44 32 081 A1 zu entnehmen, bei dem der jeweils nicht für die Laserstrahlung transparente Fügepartner aus einem thermoplastischen Material besteht, dem gleichsam Ruß oder Nigrosin zu Zwecken der Lichtabsorption beigemengt ist. Zwar führt Nigrosin nicht in der Weise wie bei der Verwendung von Ruß zu einer Verfärbung der aus Polymermaterial bestehenden Fügepartner, gleichwohl weist Nigrosin eine deutlich geringere Absorption im nahen Infrarotbereich im Vergleich zu Ruß auf. Somit sind hohe Laserlichtleistungen in den gebräuchlichen Laserwellenlängen von 808, 940 und 1064 nm erforderlich. Zudem ist Nigrosin toxisch und überdies karzerogen.
Neben der Verwendung von Ruß als Laserlicht absorbierendes Material zur Durchführung von Laserdurchstrahlschweißverfahren geht aus den Druckschriften EP 126 787 A1 sowie DE 198 14 298 A1 auch zur Verwendung von Siliziumoxid hervor, dass jedoch bei den gebräuchlichen Laserwellenlängen von 808, 940 und 1064 nm keine zufriedenstellende Absorption zeigt.
Demgegenüber wird in der WO 00/20157 vorgeschlagen als Laserstrahl absorbierende Materialien Farbstoffe zu verwenden, die im sichtbaren Bereich des Spektrums im Wesentlichen transparent sind, jedoch im infraroten Spektralbereich über ausgeprägte Absorptionseigenschaften verfügen. Aufgrund ihrer nur mangelnden Fotostabilität bzw. Strahlungsresistenz und vor allem wegen der nur geringen Thermostabilität sind derartige Farbstoffe nicht für eine direkte Einarbeitung in miteinander zu verschweißende Polymere mittels konventioneller Verarbeitungsmethoden, wie beispielsweise Extrusion, Coextrusion, Glasformung oder Spritzgießen geeignet. Zudem sind derartige Farbstoffe chemisch nicht inert und neigen darüber hinaus zur Migration.
In der DE 10 2004 018 547 A1 ist ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung zu entnehmen, bei dem als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C ausgewählt wird. Hierzu werden polyzyklische organische Verbindungen, dotierte Zinnoxide sowie Hexaboride NeB₆ von Lantaniden- und Erdalkalimetallen (Me) ausgewählt, die im sichtbaren Bereich des Spektrums im Wesentlichen nicht absorbierend sind, hingegen im infraroten Spektralbereich ausgeprägte Absorptionseigenschaften aufweisen.
Die vorstehend beschriebenen Absorbermaterialien weisen eine Reihe von Nachteilen auf, so beispielsweise wird beim Einmischen des Absorbermaterials in das Polymermaterial der jeweils beteiligten Fügepartner ein relativ großes Volumen im Bereich der Schweißnaht beeinflusst, so dass sich die Wärmeeinflusszone nicht längs einer Ebene erstreckt. Beim Aufbringen der Absorbermaterialien auf die jeweilige Polymeroberfläche des jeweiligen Fügepartners sind die aufgebrachten Schichtdicken relativ groß, d. h. sie liegen im Mikrometerbereich, zumal die Farbstoffe teilweise aus Mikrometer großen kristallinen Partikeln bestehen und zudem von einem umgebenden Hilfsmaterial auf der Oberfläche zu fixieren sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurchgetreten ist und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt, derart weiterzubilden, dass der durch das Licht-absorbierende Material beeinflusste Fügebereich möglichst klein dimensioniert sein soll, so dass der thermisch behandelte Fügebereich in Ausbildung einer Schweißnaht möglichst keine oder nur geringfügige optisch wahrnehmbare sowie auch materialintrinsische Irritationen hervorzurufen vermag. Darüber hinaus soll der mittels Laserstrahl zu deponierende Energieeintrag zur Ausbildung eines vollständigen Stoffschlusses zwischen den wenigstens zwei Fügepartnern möglichst gering gehalten werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf mögliche Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Das lösungsgemäße Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurchgetreten ist und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt, zeichnet sich dadurch aus, dass ein von wenigstens beiden Fügepartnern eingeschlossener Fügebereich vorgesehen wird, in dem Nanopartikel enthalten sind, die im Wege der Lichtabsorption Oberflächenplasmonen auszubilden in der Lage sind, die zur Erhitzung der Nanopartikel und letztlich zur Schmelzausbildung innerhalb des Fügebereiches führen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee sieht die gezielte Nutzung spezieller Absorbermaterialien für die Laserstrahlabsorption am Ort des Fügebereiches vor, die den physikalischen Effekt der Plasmonenanregung zeigen. Dabei handelt es sich um kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen metallischer Nanopartikel. Die Plasmonenanregung wird auch als Oberflächenplasmon, Plasmaresonanzabsorption, Partikelplasmon oder Mie-Plasmon bezeichnet. Grundsätzlich wird eine kollektive Schwingung der Elektronen innerhalb eines Nanopartikels als Plasmon bezeichnet. Die Plasmonenanregung wird vor allem bei Nanopartikeln von Metallen, ihren Legierungen sowie auch Metalloxiden beobachtet. Die Anregung von Plasmonen kann typischerweise in Fällen beobachtet werden, wenn die Partikelgröße der lichtbeaufschlagten Partikel klein gegenüber der Lichtwellenlänge ist, d. h. im Falle der Verwendung von sichtbarem Licht oder infrarotem Licht liegen typische Partikelgrößen derartiger Nanopartikel zwischen einigen wenigen nm bis einigen 100 nm.
Maximale Absorptionseffekte im Rahmen der Plasmonenanregung erfolgt in jenen Fällen, in denen die Wellenlänge des jeweils einfallenden Lichtes mit der spektralen Lage der Plasmonenresonanz der Nanopartikel übereinstimmt. Die spektrale Lage der Plasmonenresonanz ist vom Material der Nanopartikel selbst, von einem die Nanopartikel umgebenden Medium, zumeist ein Polymermaterial, sowie von der Partikelgröße und Partikelform der Nanopartikel abhängig. Somit ist es möglich, durch geeignete Wahl und Dimensionierung der vorstehenden Parameter die Lage der Plasmonenresonanz in geeigneter Weise zu beeinflussen, um eine möglichst große Überlappung zwischen der spektralen Lage der Plasmonenresonanz und der Wellenlänge des auf die Nanopartikel einfallenden Laserlichtes zu erhalten.
Im Wege der Plasmonenanregung werden die Nanopartikel erhitzt und geben ihre Wärme lokal an die die Nanopartikel umgebende Matrix ab. Fallen die spektrale Lage der Plasmonenresonanz sowie die Lichtwellenlänge der Laserstrahlung weitgehend zusammen, so ist zur Ausbildung einer Schmelze eine einzige Lage von Nanopartikeln innerhalb des Fügebereiches ausreichend, zumal Nanopartikel im Wege der Plasmonenanregung Lichtenergie effektiv in Schwingungen und damit in Wärme umzusetzen in der Lage sind, die unmittelbar innerhalb des Fügebereiches abgegeben wird.
Die laserinduzierte Erwärmung der Nanopartikel führt neben der sich ausbildenden Aufschmelzung des die Nanopartikel umgebenden Polymers auch zu einer Änderung von Größe und Form der Nanopartikel bedingt durch Koaleszenz- und Rekristallisationsprozesse, möglicherweise auch durch Coulomb-Explosion. Durch die Änderung von Partikelgröße sowie auch Partikelform der Nanopartikel kommt es zu einer Verschiebung der spektralen Lage der Plasmonenresonanz, die mittels einer geeigneten messtechnischen Erfassung als Indiz für ein Maß des einsetzenden Schmelzvorganges anzusehen ist. Liegt beispielsweise die Plasmonenresonanz der Nanopartikel im sichtbaren Spektralbereich, so kann eine farbliche Veränderung im Fügebereich innerhalb der sich ausbildenden Schweißnaht beispielsweise unter Verwendung einer einfachen optischen Transmissionsmessung erfasst und entsprechend quantifiziert werden. Auf diese Weise ermöglichen die sich ändernden Transmissionswerte eine Qualitätsbeurteilung des Schweißvorganges, gegebenenfalls sogar eine online oder inline Überwachung des Schweißvorganges.
Eine besonders bevorzugte Ausprägung der Anordnung der innerhalb des Fügebereiches vorzusehenden Nanopartikel sieht die Verwendung von Nanopartikeln mit einer Form und Größe vor, so dass sich die Nanopartikel durch die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung im Wege der vorstehend zitierten Koaleszenz und Rekristallisation zu großen Partikeln mit einer Größe im Mikrometerbereich umwandeln, wodurch die Plasmonenanregung zum Erliegen kommt und die sich ausbildende Schweißnaht im Fügebereich für sichtbares Licht als nahezu vollständig transparent in Erscheinung tritt. Da in diesem Fall keine Plasmonenanregung mehr erfolgt, ist auch kein Absorptionsmaximum im Spektrum des sichtbaren Lichtes wahrnehmbar. Die relativ großen Partikel in Mikrometergröße bewirken lediglich eine Streuung des Lichtes, wodurch die Schweißnaht je nach Größe und Abstand der Partikel transluzent bis transparent wirkt.
Für das Aufbringen von Nanopartikeln innerhalb des Fügebereiches zwischen den wenigstens zwei Fügepartnern, die grundsätzlich eine beliebige Bauteilform annehmen können, so insbesondere auch in Folienform vorliegen können, stehen grundsätzlich zwei unterschiedliche Wege offen. So können zum einen die Nanopartikel als gelöste Kolloide innerhalb einer Lösung vorliegen und mittels eines geeigneten Nassbeschichtungsverfahrens auf die Oberfläche wenigstens eines Fügepartners aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit sieht ein Abscheiden von Nanopartikeln auf der Oberfläche wenigstens eines Fügepartners oder, wie die weiteren Ausführungen noch zeigen werden, auf einem Trägersubstrat mittels physikalischer und/oder chemischer Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Vakuumtechnologien vor.
Im vorstehend erstgenannten Fall der Verwendung von Nassbeschichtungsverfahren stehen Nanopartikel aus unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise aus Gold, Silber oder Kupfer oder ähnlichen Metallen, Metalllegierungen oder Metalloxiden, mit unterschiedlichen Partikelgrößen kommerziell zur Verfügung, die unter Ausbildung einer Suspension in einer Flüssigkeit, beispielsweise in einem organischen Lösungsmittel oder einer Polymerlösung dispergiert werden. Die Suspension kann durch Aufstreichen, Aufsprühen im Wege eines Tiefdruckverfahrens oder einer Tintenstrahlbeschichtung vorzugsweise auf die Oberfläche eines Fügepartners aufgebracht werden, so dass nach Eintrocknen der die suspendierten Nanopartikel umgebenden, sogenannten Matrixflüssigkeit oder im Wege einer Lösungspolymerisation eine Schicht aus weitgehend voneinander isolierten Nanopartikeln entsteht, die jeweils durch ein organisches festes Medium voneinander getrennt sind. Eine derartige Schichtausbildung ist u. a. auch aus der Sol-Gel-Technik dem Fachmann bekannt. Zur Ausbildung von Plasmonenanregungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nanopartikel innerhalb der die Nanopartikel einbettenden Matrixschicht voneinander getrennt eingelagert sind. Besonders bevorzugt ist es, die derart herstellbaren Nanopartikelabsorberschichten mit Schichtdicken von wenigen Mikrometern, vorzugsweise maximal 30 bis 40 μm herzustellen.
Andererseits lassen sich jedoch Nanopartikel auch im Wege der vorstehend erwähnten physikalischen Gasphasenabscheidung herstellen, so beispielsweise mittels vakuumtechnischer PVD-Verfahren, thermischen Verdampfens oder Sputterns, oder mittels CVD-Verfahren, z. B. MOCVB-metallorganische chemische Gasphasenabscheidung oder durch die Kombination zweier dieser Verfahren.
So bilden die meisten Metalle während der vakuumtechnischen Abscheidung beispielsweise auf einer polymeren Oberfläche zunächst diskontinuierliche Inselschichten, wobei die Größe der Nanopartikel durch die verwendete Menge an Metall beim Metallverdampfen oder durch einen rechtzeitigen Abbruch des Verfahrens beim Metallsputtern gezielt eingestellt werden kann. Im Rahmen eines derartigen Vakuumbeschichtungsverfahrens wachsen die Nanopartikel direkt auf einer polymeren Oberfläche eines Trägersubstrates oder eines Fügepartners auf. Andererseits können sowohl einzelne Bauteile als auch kontinuierliche Folien auf diese Weise mit Nanopartikeln beschichtet werden. Insbesondere lassen sich die Form und Größe der sich im Wege der Abscheidung ausbildenden Nanopartikel im Wege des thermischen Verdampfens oder Sputterns durch Prozessparameter, wie Prozessdruck, Substrattemperatur und ähnliche relevante, den Verdampfungsprozess beeinflussende Prozessparameter gezielt einstellen. Ein entscheidender Vorteil der metallischen Nanopartikel als Absorbermaterial für das Laserdurchstrahlschweißen liegt in der außerordentlich hohen Effektivität, mit der die Nanopartikel im Wege der Plasmonenresonanzanregung absorbierte Lichtenergie in Wärmeenergie umzusetzen und diese an das die Nanopartikel umgebende Polymermaterial direkt abzugeben in der Lage sind. So ist es vollkommen ausreichend die durch thermisches Verdampfen oder Sputtern abgeschiedenen Nanopartikel lediglich in einer Ebene isoliert nebeneinander anzuordnen, um einen ausreichenden Wärmeeintrag zu erhalten, der eine Schmelze des die Nanopartikel umgebenden Polymermaterials bewirkt.
Darüber hinaus können im Rahmen vakuumtechnischer Aufdampf- bzw. Sputter-Verfahren Masken eingesetzt werden, durch die eine Abscheidung der Nanopartikel auf vorgebbaren Flächenbereichen bspw. einer Polymeroberfläche aufgebracht werden können, so dass auf diese Weise letztlich beliebige Schweißnahtgeometrien, sowohl im mm- als auch μm-Bereich geschaffen werden können. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Abscheidung von Nanopartikeln mehrschichtig vorzunehmen, um auf diese Weise auch dreidimensionale Nanopartikelanordnungen innerhalb des Fügebereiches zu realisieren.
Zusätzlich zur reinen Metallabscheidung, wie vorstehend beschrieben, ist auch eine kombinierte Abscheidung von Metall und Polymermaterial denkbar, bspw. mittels Plasmapolymerisation oder Plasmasputtern. Hierbei werden sowohl Metallnanopartikel als auch Polymermaterial auf eine Substratoberfläche abgeschieden, unter Ausbildung einer dünnen Polymerschicht, die die Nanopartikel matrixartig umgibt. Dabei können durch die Steuerung des Energieeintrags auch Schicht erzeugt und verwendet werden, die als amorphe a-CH-Schichten oder sogenannte diamantartige Kohlenstoffschichten kaum noch Polymereigenschaften zeigen. Typische Schichtdicken derartiger Hybridschichten, bestehend aus einem Polymermaterial sowie den Nanopartikeln betragen etwa 100 nm, können jedoch auch wesentlich dicker ausgebildet werden.
Auch ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich die Abscheidung der Metallnanopartikel im Wege der vorstehenden Kombination aus Metallabscheidung und Polymerabscheidung derart vorzunehmen, so dass die Nanopartikelabscheidung ausschließlich auf oder unter einer dünnen Polymerschicht bzw. Polymerfolie oder beidseitig durch die Polymerfolie beabstandet aufgebracht werden. Wird beispielsweise eine Polymerschicht auf die Oberfläche eines Fügepartners abgeschieden, auf der im weiteren die Nanopartikel aufgebracht werden, so dient die Polymerschicht bei geeigneter Wahl des eingesetzten Polymers als Haftvermittler zu dem jeweiligen Fügepartner, das aus unterschiedlichen thermoplastischen Polymeren bestehen kann. Werden die Nanopartikel zusätzlich mit einer Polymerschicht überdeckt, so kann die Deckschicht als mechanische oder chemische Schutzschicht dienen oder entsprechend ausgebildet sein. Insbesondere lassen sich das Absorptionsverhalten der einzelnen Nanopartikel und die damit verbundene Plasmonenresonanz durch das verwendete Material beeinflussen, das die Nanopartikel matrixartig umgibt.
So konnte beispielsweise festgestellt werden, dass aus Silber bestehende Nanopartikel durch Einbettung in eine dünne Polymerschicht über eine bessere Alterungsbeständigkeit sowie auch bessere Haftung auf einer entsprechenden Polymerunterlage verfügen. Zudem zeigen sich bedingt durch eine nur sehr geringe Schichtdicke der derart hybrid gestalteten Polymerschicht keinerlei Nachteile beim Laserdurchstrahlschweißen, sei es im Rahmen der Verbindung zweier als Folien ausgebildeter Fügepartner oder im Falle dreidimensionaler, als Bauteile ausgebildete Fügepartner. Besonders vorteilhafte Fügeergebnisse konnten erzielt werden, wenn die dünne, die jeweiligen Nanopartikel enthaltende bzw. aufweisende Polymerschicht aus demselben oder einem sehr ähnlichen Material gewählt ist aus dem auch die beiden miteinander zu verbindenden Fügepartner bestehen.
Zur praktischen Durchführung des lösungsgemäßen Fügeverfahrens können die Oberflächen beider Fügepartner oder wenigstens die Oberfläche eines Fügepartners mit Nanopartikeln versehen werden. Gleichsam ist es möglich, zwischen beide Fügepartner eine vorstehend beschriebene, mit Nanopartikeln angereicherte oder in der vorstehenden Weise mit Nanopartikeln kombinierte Polymerschicht in Form einer sogenannten Schweißhilfsfolie vorzusehen. Dies kann entweder durch bloßes Einbringen zwischen beiden Fügepartner erfolgen oder durch vorheriges thermisches Verbinden, vorzugsweise mittels Laminieren, mit der Oberfläche wenigstens eines Fügepartners, um auf diese Weise das nachfolgende Laserschweißen zu vereinfachen. Der eigentliche Laserschweißprozess, bei dem der Fügebereich mit Laserstrahlung gezielt beaufschlagt und dadurch zur Schmelze gebracht wird, kann in vorteilhafter Weise durch gegenseitiges Verpressen beider Fügepartner unterstützt werden.
Auch lässt sich das lösungsgemäße Schweißverfahren zum Verbinden mehrerer Fügepartner derart einsetzen, indem mehrere stapelförmig übereinander angeordnete, für die Laserstrahlung transparente, zumeist aus thermoplastischen Polymermaterialien bestehende Fügepartner, vorzugsweise in Form von Folien oder Bauteilen, vorgesehen werden, zwischen denen jeweils die vorstehend beschriebenen, Nanopartikel enthaltenden Absorbermaterialien eingebracht werden. Da die einzelnen, jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Bauteilen eingebrachten Absorberschichten sehr dünn ausgebildet sind, wird der Laserstrahl von jeder einzelnen Absorberschicht nicht vollständig absorbiert, sondern vermag die einzelnen Fügebereiche vielmehr nacheinander, jeweils mit abnehmender Lichtleistung, bedingt durch die jeweils lokal in jeder Absorptionsschicht stattfindende Absorption, zu durchdringen. Die einzelnen vom Laserstrahl in Abfolge transmittierten Absorptionsschichten werden in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen Absorptionsvermögen derart ausgebildet, dass die oberen Absorptionsschichten, die von einem weitgehend ungeschwächten Laserstrahl durchdrungen werden eine geringere Absorption aufweisen als jene, die im Bauteil- bzw. im Folienstapel weiter unten angeordnet sind. Das jeweilige Absorptionsvermögen pro Absorptionsschicht kann, wie vorstehend erwähnt, durch eine Reihe von Maßnahmen individuell eingestellt werden, so beispielsweise durch die Materialwahl, Form und Größe der Nanopartikel sowie auch durch die Materialwahl der die Nanopartikel umgebenden Polymermatrix.
Ebenfalls ist es möglich bei einer stapelförmigen Bauteilanordnung jeweils Fügebereiche mit unterschiedlichen Absorptionsschichten vorzusehen, die jeweils unterschiedliche Laserwellenlängen absorbieren. Damit können in einer mehrfach zu verschweißenden Folienanordnung bzw. bei mehrfach miteinander zu verschweißenden Bauteilen einzelne Fügebereiche unabhängig voneinander unter Verwendung verschiedener Laser, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, verschweißt werden. Hierdurch lassen sich strukturierte Schweißnähte, z. B. mit Unterbrechungen für spätere Einfüllprozesse innerhalb eines Mehrlagenaufbaus, realisieren.
Mit dem lösungsgemäßen Fügeverfahren auf der Basis des Laserdurchstrahlschweißens ist eine Reihe von Vorteilen verbunden. So ist es insbesondere möglich, die innerhalb des Fügebereiches vorzusehenden Absorptionsmaterialschicht mit sehr geringen Schichtdicken von 10 bis 100 nm maximal 400 nm auszubilden, so dass die Menge an einzubringenden Fremdmaterialien – verglichen zum Polymermaterial der Fügepartner – zwischen zwei miteinander zu fügenden Fügepartnern gering gehalten werden kann. Durch die sehr hohe Effektivität, mit der die eingestrahlte Laserenergie im Fügebereich von den Nanopartikeln absorbiert und letztlich in Wärme umgesetzt werden kann, wird das Polymermaterial der Fügepartner in der Partikelumgebung lediglich lokal erwärmt und geschmolzen, wodurch sich eine nur sehr kleine Wärmeeinflusszone ausbildet. Das Ausgangspolymer der jeweiligen Fügepartner wird daher nur sehr lokal verändert, so dass ein sich beim Abkühlen der Schweißnaht einhergehender innerer Materialverzug sehr gering gehalten werden kann.
Durch die Anpassungsmöglichkeit der Plasmonenresonanz durch die Materialwahl der Nanopartikel sowie deren Größe, Form und Anordnung sowie das die Nanopartikel umgebende Material an die jeweils eingesetzte Wellenlänge der Laserstrahlung, können Lasersysteme eingesetzt werden, die in vielfachen technischen Bereichen bereits vorhanden sind und eingesetzt werden, wie beispielsweise Neodym-YAG-Laser etc.
Je nach Einsatzzweck ist es möglich, die Größe und Form der Nanopartikel derart zu wählen, dass durch Wechselwirkung der Nanopartikel mit dem Laserstrahl eine farbliche Änderung im Schweißbereich beispielsweise mit Hilfe eines Spektrometers erfasst werden kann, so dass durch eine Transmissionsmessung online die Qualität der sich ausbildenden Schweißverbindung bestimmt werden kann. Im Rahmen einer Regelung kann die Laserleistung online variiert werden, um ein möglichst optimales Schweißergebnis zu erzielen. Alternativ oder in Kombination zur Transmissionsmessung ist es ebenso möglich eine Reflexionsmessung am Ort der sich ausbildenden Schweißnahtverbindung vorzunehmen, um die Qualitätsüberprüfung im vorstehenden Sinne durchführen zu können.
Auch ermöglicht der Einsatz von Masken bei der vakuumtechnischen Abscheidung der Nanopartikel auf die jeweilige zu fügende Oberfläche eines Fügepartners oder, wie vorstehend beschrieben, auf eine Schweißhilfsfolie die Erzeugung frei wählbarer Schweißnahtgeometrien, so dass individuell gekrümmte oder flächig aufgeweitete Schweißnahtstrukturen realisierbar sind.
In besonders vorteilhafter Weise lässt sich das Laserdurchstrahlschweißverfahren an transparenten Polymerfolien, beispielsweise für die Herstellung von pneumatisch stabilisierten Membrankissen für Dach- und Fassadenkonstruktionen einsetzen. Das Verschweißen der jeweiligen Folie kann mit Hilfe des lösungsgemäßen Laserdurchstrahlschweißverfahrens längs individuell räumlich gestalteter Schweißnähte vorgenommen werden und nicht wie bisher lediglich längs geradlinig verlaufender Schweißnähte. Somit gestattet das lösungsgemäße Fügeverfahren für architektonische und gestalterische Anwendungen in Bezug auf die Dicke, die Musterung und Überkreuzungen von Schweißnahtgeometrien vollkommen neue Gestaltungsmöglichkeiten.
Das lösungsgemäße Verfahren ist bereits erfolgreich zum Verbinden zweier ETFE(Ethylen-Tetraflourethylen-Copolymer)-Folien jeweils mit Dicken von 200 μm angewandt worden. Vor dem Aufbringen der Absorberschicht wurden die jeweiligen Folienoberflächen, die miteinander in Kontakt gebracht werden, einer Coronabehandlung unterzogen. Nachfolgend wurde im Wege einer Plasmapolymerisation von Hexamethyldisilasan eine Art Haftvermittlerschicht mit einer Schichtdicke von 20 nm aufgebracht, auf die im Wege thermischen Verdampfens von Gold die eigentliche Absorberschicht in Form von Goldnanopartikeln abgeschieden wurde. Als Schutzschicht sind die Goldnanopartikel im Wege einer weiteren Plasmapolymerisation mit Hexamethyldisilasan mit einer Dicke von 20 nm überzogen worden.
Die miteinander in Kontakt gebrachten ETFE-Folien wurden nachfolgend mit einem Infrarotlaser bei einer Wellenlänge von 808 nm bestrahlt, wobei die Laserstrahlung aus einem auf die Absorberschicht fokussierenden Bearbeitungskopf austrat, der zugleich die Folien mit einer vorgebbaren Presskraft beaufschlagt. Die hierbei verwendete Laserleistung betrug 25 Watt.
Im Wege einer nachträglichen mechanischen Festigkeitsüberprüfung der resultierenden Schweißnaht konnte gezeigt werden, dass die Zugfestigkeit wenigstens der Hälfte der Zugfestigkeit einer Thermokontaktschweißnaht entspricht. Insbesondere konnte eine Zugfestigkeit erzielt werden, die dem Doppelten der Membranspannung entspricht, die im Einsatzfall bei einem Folienkisseninnendruck von 300 Pa auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0159169 [0006]
- DE 4432081 A1 [0007]
- EP 126787 A1 [0008]
- DE 19814298 A1 [0008]
- WO 00/20157 [0009]
- DE 102004018547 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurch getreten ist, und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt, dadurch gekennzeichnet, dass ein von wenigstens beiden Fügepartnern eingeschlossener Fügebereich vorgesehen wird, in dem Nanopartikel enthalten sind, die im Wege der Lichtabsorption Oberflächenplasmonen auszubilden in der Lage sind, die zur Erhitzung der Nanopartikel und letztlich zur Schmelzausbildung innerhalb des Fügebereiches führen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel nach folgenden Bedingungen ausgewählt werden: – die Nanopartikel weisen Partikelgrößen auf, die kleiner als die Lichtwellenlänge des Lichtstrahls sind, mit dem der Fügebereich beaufschlagt wird, und – die Nanopartikel weisen eine Plasmonenresonanz auf, deren spektrale Lage mit der Lichtwellenlänge des Lichtstrahles zumindest teilweise überlappt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus der Gruppe der Metalle, ihren Legierungen und/oder Metalloxiden ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Nanopartikel Gold oder Silber gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Nanopartikel enthaltende Fügebereich derart vorgesehen wird, dass die Nanopartikel einlagig oder mehrlagig oder dreidimensional verteilt innerhalb des Fügebereiches angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Nanopartikel enthaltende Fügebereich derart vorgesehen wird, dass die Nanopartikel vereinzelt innerhalb des Fügebereiches angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teiltransparenten Fügepartner jeweils aus einem Polymermaterial bestehen, an oder zwischen deren für den Flächenkontakt vorgesehenen Oberflächen die Nanopartikel auf- oder eingebracht werden, bevor der Flächenkontakt zwischen beiden Fügepartnern hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel im Wege eines Naßbeschichtungsverfahrens, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung auf einer Oberfläche wenigstens eines Fügepartners abgeschieden werden.
Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel im Wege eines Naßbeschichtungsverfahrens oder mittels physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung zumindest einseitig auf einer Trägerfolie abgeschieden werden, und dass die Trägerfolie zwischen beiden Fügepartnern eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Nanopartikeln versehene Trägerfolie an eine Oberfläche wenigstens eines Fügepartners laminiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Nassbeschichtungsverfahren ein flächiger Auftrag oder eine Abscheidung von Nanopartikeln aus einer kolloidalen Lösung gewählt wird, oder dass für die Gasphasenabscheidung PVD-, (Verdampfen, Sputtern) oder CVD-Verfahren gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in Kombination mit einer Polymerabscheidung auf einer Oberfläche wenigstens eines Fügepartners unter Ausbildung einer mit Nanopartikel enthaltenden Polymerschicht abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Nanopartikel auf der Oberfläche wenigstens eines Fügepartners oder auf der Trägerfolie unter Verwendung einer Maske erfolgt, durch die eine vorbestimmte Flächengeometrie für den Flächenbereich, auf den die Nanopartikel abgeschieden werden, gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei transparente Fügepartner vorgesehen werden, die in einer Durchstrahlungsrichtung des Laserstrahls wenigstens zwei, jeweils Nanopartikel enthaltende Fügebereiche derart jeweils paarweise miteinander einschließen, dass die wenigstens zwei Fügebereiche von dem Laserstrahl nacheinander durchsetzt werden, und dass die Nanopartikel nach Art, Anzahl, Anordnung Form und Größe derart in dem jeweiligen Fügebereich eingebracht werden, dass bei Beaufschlagung der Fügebereiche mit dem Laserstrahl Oberflächenplasmonen angeregt werden, die zum lokalen Aufschmelzen der Fügebereiche führen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen der Nanopartikel in den von dem Laserstrahl in Folge zu durchsetzenden Fügebereichen derart vorgenommen wird, dass wenigstens ein nachfolgender vom Laserstrahl zu durchsetzender Fügebereich einen größeren Absorptionsgrad aufweist, als der vom Laserstrahl bereits durchsetzte Fügebereich.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen der Nanopartikel in den von wenigstens einem Laserstrahl in Folge zu durchsetzenden Fügebereichen derart vorgenommen wird, dass sich die spektrale Lagen der Plasmonenresonanz der Nanopartikel, die jeweils in unterschiedlichen Fügebereichen enthalten sind, voneinander unterscheiden, und dass zur Oberflächenplasmonenanregung in den einzelnen Fügebereichen Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügepartner Polymerfolien oder thermoplastische Folien verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass während und/oder nach der Laserstrahlbeaufschlagung eine optische Transmissionsmessung oder Reflexionsmessung am Fügebereich durchgeführt wird, bei der Messwerte gewonnen werden, die einer Qualitätsbeurteilung der die sich im Wege des Laserdurchstrahlschweißens einstellenden Fügeverbindung zugrunde gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Laserstrahlbeaufschlagung eine optische Transmissions- oder Reflexionsmessung am Fügebereich durchgeführt wird, bei der Messwerte gewonnen werden, die für eine online Überwachung der in den Fügebereich durch den Laserstrahl deponierten Energie verwendet werden.