VDI-Fachtagung Kunststoffe in der Medizintechnik 23. und 24. April 2008 in Friedrichshafen Farbmittel und Additive zum Laserschweißen von Kunststoffen Martin Ebenhög Treffert GmbH & Co.KG
Vortragsinhalt Treffert Gruppe Polymer Technologie Was ist Farbe? Farbmittel im Allgemeinen Farbmittel und Additive für Laserschweiß-Anwendungen: - NIR transparent - NIR absorbierend Schwierigkeitsgrad Ausblick
Treffert Gruppe Polymer Technologie Treffert GmbH & Co. KG In der Weide 17 55411 Bingen Germany Treffert S.A.S. Z.I. Rue de la Jontière B.P. 46 57255 Ste-Marie-aux-Chênes France
Daten und Fakten Die Farbspezialisten: Gegründet 1928 Zwei Standorte: Frankreich-Deutschland Ca. 100 Mitarbeiter 20 Extrusionsliniena Lasertechnikum zum Schweißen und Beschriften Produktprogramm: Polymertechnologie, Farbsysteme Masterbatch Farbpulver, Farbgrieß Additive, Compounds und Einfärbungen Kundenspezifische Lösungen in großen und kleinen Mengen
Was ist Farbe? Elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 380 bis 700 nm sind für das menschliche Auge sichtbar. Beleuchtete Objekte reflektieren eine Teil dieser Strahlung, welche vom Auge wahrgenommen und als Farbe identifiziert wird. Dieser Farbreiz entsteht aus einer unzertrennlichen Dualität zwischen Licht und Betrachter. Die beobachtete Farbe ist von der Lichtquelle abhängig. Farbe ist subjektiv.
Was beeinflußt Farbe? Lichtquelle Oberflächenstruktur Umgebung
Einfärben von Kunststoffen - Optische Eigenschaften des Kunststoffes Kundenanforderungen - Farbe (Muster, RAL...) - Kunststoff - Anwendung - Verarbeitung Farbmittel-Eigenschaften - Farbe - Licht- und Wetterechtheit - Hitzebeständigkeit -Migration - Verhalten im NIR (LM, LS)
Einteilung der Farbmittel Farbmittel Farbstoffe Pigmente Löslich im Kunststoff Unlöslich im Kunststoff organisch organisch anorganisch
Eigenschaften von Farbmitteln Eigenschaften Teilchengröße Farbstärke Deckvermögen Farbton-Temperatur-Zeit- Beständigkeit Lichtechtheit Wetterechtheit Migration Plate-out Dispergierbarkeit Anorganische Pigmente 0,5 1,0 mm Niedrig im allgemeinen deckend hoch gut bis sehr gut sehr gut keine kein Einfluss leicht Organische Pigmente /Farbstoffe 0,01 0,1 mm / löslich hoch im allgemeinen transparent in geringeren Konzentrationen kritisch schlecht bis sehr gut schlecht bis sehr gut abhängig von Kunststoff und Konzentration rezepturabhängig schwierig/löslich
Metamerie Sample A Sample B Norm Reflektionsspektrum light D65 Artificial sunlight Sample A Sample A Sample B Sample B Norm light A Tungsten light
CIELAB-Farbsystem Farbkoordinaten und Standardabweichung CIELAB (L*a*b*) Minolta E* ab =[( L 2 )+ ( a 2 )+ ( b 2 )] 1/2 Standard deviation
Laserschweißen von Kunststoffen
Kunststofftypen Amorph (transparent) Teilkristallin (transluzent/opak) Thermoplaste Schmelzbar Steif bei Raumtemperatur können mehrmals wiederverarbeitet werden Teilvernetzte Kunststoffketten Elastomere Nicht schmelzbar Elastisch auch bei Raum- Temperatur Nicht mehrmals verarbeitbar Hochvernetzte Kunststoffketten Duroplaste Nicht Schmelzbar Steif bei Raumtemperatur Nicht mehrmals verarbeitbar
Schmelz- und Zersetzungsbereiche der Kunststoffe Polymer Glas- Erweich.- Schmelz- Zerstz. Temperatur [ C] T g [ C] T f [ C] T m [ C] T d [ C] 100 150 200 250 300 350 ABS 200 270 PA6 40 220 ~ 325 PA66 250 320 PC 145 240 325 HD-PE - 95 130-146 360-390 PEEK 120 340 PMMA 104 180 226-256 POM PP - 18 160-208 336-366 PS 97 160 318-348 PTFE - 20 327 424-513 PVC 80 175 ~250 SAN Schmelzbereich Zersetzungstemperatur
Wechselwirkung von Licht und Kunststoff Absorptionsbereiche von Kunststoffen Elektronen-Anregung Schwingungs-Anregung Absorption Additive Ultraviolett Excimer ArF: 193 nm KrF: 248 nm XeCl: 308 nm Sichtbarer Bereich 400 nm 700 nm Nd:YAG/SHG 532 nm Nd:YAG/THG 355 nm Nd:YAG 1064 nm Diode laser 808, 940, 980 nm Infrarot CO 2 9.4 µm 10.6 µm
Absorption-Reflexion-Streuung-Transmission Reflektierter Laserstrahl Vorwärtsstreuung durch obere Schicht Einfallender Laserstrahl Diffuse Streuung durch obere Schicht Absorption Streuung durch untere Schicht Transmittiertes Licht
Naturmaterialien 100 90 80 70 Transmission in % 60 50 40 30 PA 6-3T 20 MABS 10 PA 66 PBT 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Materialdicke: 1mm Wellenlänge in nm
Streuung Grund der Streuung: Teilkristalline Struktur Füllstoffe (Glasfasern, etc.) Pigmente Obere Schicht: Streuung verbreitert den Strahldurchmesser Streuung erniedrigt die Leistungsdichte Konsequenz: Höhere Laserleistung und breitere Schweißnähte Die Schichtdicke spielt eine wichtigen Rolle Untere Schicht: Streuung bewirkt eine homogene Strahlqualität Streuung verkürzt die Absorptionstiefe Generell keine negative Auswirkung amorph z.b. PC teilkristallin z.b. PBT
Der Streufaktor ist abhängig von Morphologie, Größe, Verteilung. Einfluss der Füllstoffe Füllstoff Transmission % (2mm Wandstärke, Wellenlänge 1064nm) Talkum (PP) Konz. Trans. 0% 88 0,2% 83 0,5% 76 1% 67 2% 53 Titandioxid (PP) Konz. Trans. 0% 88 0,02% 63 0,1% 55 0,5% 30 1% 22 Glaskugeln (PP) Konz. Trans. 0% 88 20% 66 Glasfasern (PA 6) Konz. Trans. 0% 85 15% 75 25% 67 30% 60 35% 50
Einfluss der Farbmittel Blau Grün Gelb Rot Transmission Reflexion / Streuung Absorption Unterschiedliche Farben zeichnen sich durch unterschiedliche spektrale Reflexion, Absorption und Transmission aus. Gleiche Farbtöne, die durch unterschiedliche Farbmittel hergestellt werden, können unterschiedliche spektrale Absorptionen im IR aufweisen. Farbmittel reduzieren die Transmission im NIR (800-1100 nm) teilweise signifikant, d.h. farbige Oberschichten benötigen höhere Laserleistung Deckende Farben sind stark streuend.
Farbmittel für NIR-transparente Teile Voraussetzungen für ein ideales NIR-transparentes Farbmittel: Hohe Transmission im NIR Niedrige Reflektion, Absorption und Streuung im NIR Keinen Einfluss auf mechanische Eigenschaften des Trägermaterials In allen Kunststoffen anwendbar
Transmission von ausgewählte Farbstoffen 100 90 80 Transmission in % 70 60 50 40 30 20 10 Carrier material D.Y.54 S.R.179 S.G.3 0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Wavelength in nm
Transmission verschied. Typen P.R. 101 Transmission in % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Wavelength in nm
Schwierigkeitsgrad
Schwarz NIR transparent/-absorbierend Ruß Absorber für die Wellenlängen: 808, 940, 1064 nm Medizinapplikation: Ruß unerwünscht Nur anwendbar in schwarzer oder dunkler Kunststoffware Quelle: Paragon AG. 1,0 0,8 %/100 0,6 0,4 Transmission Reflexion Absorption 0,2 0,0 500 1000 1500 2000 2500 Wellenlänge [nm] Patent Marquardt (DE 19519493 A1 ) und Bayer (EP 1 258 506 A1 )
Schwierigkeitsgrad
Farbig/Farbig Laser transparente und absorbierende Teile benötigen unterschiedlichen Farbrezepturen Herausforderung: Metameriefrei zu bleiben, d.h. beide Teilen sehen auch bei unterschiedliche Lichtquellen identisch aus
Farbmittel und Additive für NIR-absorbierende Teile Ideales NIR-absorbierendes Additiv Keine Absorption im sichtbaren Bereich Keine Streuung im sichtbaren Bereich Hohe Transparenz im sichtbaren Bereich Hohe Absorption im nahinfrarot Bereich Kein Einfluss auf mechanische Eigenschaften des Polymers Auch für Hochtemperatur-Kunststoffe einsetzbar Einsetzbar für amorphe und teil-kristalline Polymere Nicht-toxisch (FDA) für Medizin-Anwendungen
Transparent-Transparent der strahlende Farben 1a. Farbstoffe im Polymer Dioden-Lasers (808 nm) Optisch transparent 1b. Anorganische Pigmente im Polymer Dioden oder YAG Laser Streuung 2. Farbstoff in Zwischenschicht Dioden-Laser (940 nm) oder Nd:YAG (1064 nm) Farbe verschwindet nach Bestrahlung Farbstoff Anorganische Pigmente ClearWeld
Quasi-transparente NIR-Absorber
Schwierigkeitsgrad
Weiß / Weiß Unteres Teil Herausforderung => weiß absorbierend (RAL 9003) Bester Ansatz: IR-Additive Weiß absorbierend Oberes Teil Herausforderung => transmissive Streuung/Reflektion Weiß transparent
Ausblick Für die Formulierung von NIR-transparenten und absorbierenden Rezepturen ist das Wissen über das spektrale Verhalten von Farbmitteln und Additiven essentiell. Fast grenzenlose Farbfreiheit Eine große Bandbreite von Farben von transparent bis opaque und von hell bis dunkel sind aufgrund transparenter Absorber-Additive möglich.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit