Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology

Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology Wissenschaftlicher Arbeitskreis der Universitäts- Professoren der Kunststofftechnik archivierte, rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) archival, reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com eingereicht/handed in: 11.07.2005 angenommen/accepted: 10.10.2005 Prof. Dr.-Ing. E. Haberstroh, Dipl.-Ing. W.-M. Hoffmann, Dipl.-Ing. R. Lützeler, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Anwendung der Maskentechnik beim Laserschweißen mikrostrukturierter Kunststoffbauteile Besonders die Maskentechnik, eine Verfahrensvariante des Laserschweißens, hat sich für den Einsatz in der Mikrotechnik als geeignet erwiesen. In grundlegenden Arbeiten am IKV Aachen wurde untersucht, welche Strukturabmessungen sich noch mit der Maskentechnik realisieren lassen und wie sich dabei unterschiedliche Schweißparameter auswirken. Zudem konnte die Eignung dieses Verfahrens für das Schweißen einer komplexen Mikrofluidikstruktur gezeigt werden. Autor/author Prof. Dr.-Ing. E. Haberstroh, Dipl.-Ing. W.-M. Hoffmann, Dipl.-Ing. R. Lützeler, RWTH Aachen Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Pontstr. 49 D-52062 Aachen E-Mail-Adresse: zentrale@ikv.rwth-aachen.de Webseite: www.ikv-aachen.de Herausgeber/Editor: Europa/Europe Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G. W. Ehrenstein, verantwortlich Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 D-91058 Erlangen Deutschland Phone: +49/(0)9131/85-29700 Fax.: +49/(0)9131/85-29709 E-Mail-Adresse: ehrenstein@lkt.uni-erlangen.de Beirat/Editorial Board: Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/ Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology Verlag/Publisher: Carl-Hanser-Verlag Jürgen Harth Ltg. Online-Services & E-Commerce, Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen Kolbergerstrasse 22 D-81679 Muenchen Tel.: 089/99 830-300 Fax: 089/99 830-156 E-mail: harth@hanser.de Amerika/The Americas Prof. Dr. Tim A. Osswald, responsible Polymer Engineering Center, Director University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI 53706 USA Phone: +1/608 263 9538 Fax.: +1/608 265 2316 E-Mail-Adresse: osswald@engr.wisc.edu Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik/Journal of Plastics Technology 2 (2006) 1

ANWENDUNG DER MASKENTECHNIK BEIM LASERSCHWEISSEN MIKROSTRUKTURIERTER KUNSTSTOFFBAUTEILE Prof. Dr.-Ing. E. Haberstroh, Dipl.-Ing. W.-M. Hoffmann, Dipl.-Ing. R. Lützeler, IKV Aachen Besonders die Maskentechnik, eine Verfahrensvariante des Laserschweißens, hat sich für den Einsatz in der Mikrotechnik als geeignet erwiesen. In grundlegenden Arbeiten am IKV Aachen wurde untersucht, welche Strukturabmessungen sich noch mit der Maskentechnik realisieren lassen und wie sich dabei unterschiedliche Schweißparameter auswirken. Zudem konnte die Eignung dieses Verfahrens für das Schweißen einer komplexen Mikrofluidikstruktur gezeigt werden. Particularly, the mask technology, a process variant of laser transmission welding, is suitable for the application in micro technology. In fundamental investigations at the IKV Aachen it has been examined, which structural dimensions can be realized using the mask technology and how the different welding parameters influence the welding process. Moreover, the suitability of this process for the welding of a complex microfluidic structure has been shown. 1 EINLEITUNG Die Mikrotechnik hat in den letzten Jahren eine Vielzahl innovativer Produkte hervorgebracht. Bauteile, wie z.b. Sensoren im Automobil, Komponenten für die Kommunikations- und Datentechnik oder medizintechnische Produkte [1,2] sind Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Zur Herstellung mikrotechnischer Komponenten und Systeme werden Fertigungstechniken, wie die aus der Halbleiterfertigung hervorgegangene mehrdimensionale Bearbeitung von Silizium [3], die LIGA-Technik [4], die Laserablation [5], die spanende Ultrapräzisionsbearbeitung sowie die Mikrofunkenerosion eingesetzt [6,7]. Dabei steht LIGA für die Abfolge der Prozessschritte Lithografie, Galvanik und Abformung. Der Formgebungsprozess erfolgt bei diesem Verfahren durch die Strukturierung eines strahlungsempfindlichen Polymermaterials. Da die Fertigungskosten und Prozesszeiten für diese Herstellverfahren sehr hoch sind, können Massenprodukte hiermit in der Regel nicht kostengünstig hergestellt werden. In vielen der oben erwähnten Produkte, die mikrotechnische Komponenten enthalten, werden auch zunehmend Kunststoffe eingesetzt. Neben den geringen Materialkosten sind die enormen Gestaltungsmöglichkeiten der Bauteile hervorzuheben, wobei die Bauteil- und Materialeigenschaften auf die Anforderungen der Mikrotechnik angepasst werden können. Durch die Weiterentwicklung konventioneller Produktionsverfahren der Kunststofftechnik wie der Spritzgießtech- Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 1

nik oder dem Heißprägen können heute sowohl Mikrobauteile als auch mikrostrukturierte Bauteile in hohen Stückzahlen mit relativ kurzen Zykluszeiten gefertigt werden. Die Abmessungen von Mikrobauteilen liegen dabei derzeit im Bereich von wenigen hundert Mikrometern. Während mikrostrukturierte Bauteile laterale Abmessungen von mehreren Millimetern aufweisen, können die Strukturen auf der Oberfläche von Bauteilen jedoch ein bis zwei Größenordnungen darunter liegen [8,9,10,11]. Während bisher die Herstellung mikrotechnischer Komponenten im Mittelpunkt stand, konzentrieren sich aktuelle Entwicklungs- und Forschungsvorhaben auf die Aufbau- und Verbindungstechnik mikrotechnischer Komponenten zu Mikrosystemen [12]. Als Verbindungstechniken für Mikrobauteile aus anderen Materialien wie Metalle oder Halbleitermaterialien dominieren bisher die Verfahren Kleben, Löten und Bonden. Die Fügetoleranzen liegen dabei im Bereich von 5 m bis 25 m [13]. Für Kunststoffbauteile wird in der Mikrotechnik bisher lediglich das Kleben eingesetzt, obwohl dieses Verfahren einige Nachteile mit sich bringt, wie z.b. den Einsatz Klebstoff in der Fügezone. Da bisher Schweißverfahren für Kunststoffmikrobauteile in der industriellen Produktion noch kaum eingesetzt werden, beschäftigt sich das IKV im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 440 Montage hybrider Mikrosysteme mit der Entwicklung bzw. Modifikation von Kunststoffschweißverfahren für Bauteile der Mikrotechnik. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf verfahrensund werkstofftechnische Grundlagenuntersuchungen. Im folgenden Beitrag wird näher auf die verfahrenstechnischen Untersuchungen eingegangen. 2 ANFORDERUNGEN AN KUNSTSTOFFSCHWEISS- VERFAHREN FÜR DIE MIKROTECHNIK Stoffschlüssige Verbindungen von Kunststoffbauteilen können durch Schweißen oder Kleben hergestellt werden. Durch den Schweißvorgang werden die Fügeteile in der Fügezone mit und ohne Zusatzwerkstoff durch die Zufuhr von Energie in den schmelzeförmigen Zustand überführt und unter Druck gefügt [14,15,16]. Um den Kunststoff lokal in den schmelzeförmigen Zustand zu überführen, werden folgende physikalische Prinzipien genutzt: Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung, innere (dissipative) und äußere (Coulomb sche) Reibung sowie Induktion. Für die Lösung fügetechnischer Aufgaben im Makrobereich existieren bereits eine Reihe geeigneter Serienschweißverfahren. Bisher nicht vollständig geklärt ist, welche Schweißverfahren sich für die Mikrotechnik eignen. Aufgrund der Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 2

kleinen Abmessungen von Fügestellen an Mikrobauteilen werden an Schweißverbindungen solcher Komponenten hohe Anforderungen gestellt. Anforderungen an Schweißverfahren für die Mikrosystemtechnik sind u. a.: kleine Fügestellenabmessungen, geringer Schweißnahtaustrieb, kurze Schweißzeiten, gute Reproduzierbarkeit der Fügebewegung, gute Positionierung der Fügeteile während des Schweißprozesses, geringe mechanische Belastung der Fügeteile durch den Schweißvorgang, gute Schweißnahtfestigkeiten. Aufgrund dieser Forderungen erscheinen Reibschweißverfahren nicht geeignet, da sie zum Schmelzen der Fügeflächen Coulomb sche Reibung nutzen. Bei Reibschweißverfahren ist zumindest ein Fügepartner während des Schweißvorganges in Bewegung, was eine erhebliche mechanische Belastung der Fügeteile verursacht und damit zur Beschädigung einzelner Komponenten eines Mikrosystems führen kann. Ebenso nicht geeignet zum Schweißen von Mikrobauteilen sind alle Verfahren, die zum Schmelzen der Fügeflächen das Prinzip der Konvektion nutzen. Um möglichst kleine Fügestellenabmessungen realisieren zu können ist eine gezielte lokale Erwärmung Voraussetzung, die durch eine konvektive Erwärmung nicht erreicht werden kann [14]. Bei allen mehrstufigen Schweißverfahren, wie etwa dem Heizelement- oder dem Laserstumpfschweißen erfolgt nach dem Aufschmelzen der Fügeflächen eine Positionierung der Fügepartner zueinander. Durch die bei der Positionierung auftretende Abkühlung der geringen Schmelzemengen und durch den erheblichen Aufwand bei der Positionierung sind mehrstufige Schweißverfahren für die Mikrotechnik nicht geeignet. Bedingt geeignet für die Anwendung in der Mikrosystemtechnik erscheint das Ultraschallschweißen, das zum Aufschmelzen der Fügeflächen hochfrequente Schwingungen zwischen 20 und 70 khz nutzt. Diese Schwingungen werden parallel zur Richtung der Fügekraft in die Fügeteile eingeleitet und führen dort durch Dissipation zu einem Aufschmelzen des Materials. Nachteilig hierbei ist, dass durch unerwünschte Resonanzschwingungen einzelner Strukturen Beschädigungen in das Mikrosystem eingebracht werden können. Allgemeingültige Angaben zu den Grenzen dieser Schweißtechnik können jedoch nach heutigem Wissensstand nicht gemacht werden. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass Schweißnahtquerschnitte von unter 1 mm geschweißt werden können. Das größte Potential für den Einsatz in der Mikrotechnik hat das Prinzip der Strahlungserwärmung. Aufgrund der guten Fokussierbarkeit von Laserstrahlung und der guten Dosierbarkeit auch kleiner Wärmemengen kann eine berührungs- Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 3

lose Erwärmung sehr kleiner Bereiche durch die Laserstrahlung realisiert werden. 3 LASERDURCHSTRAHLSCHWEISSEN VON KUNSTSTOFFEN Beim Laserdurchstrahlschweißen handelt es sich um einen einstufigen Prozess, bei dem die Fügepartner bereits vor dem Schweißprozess zueinander positioniert werden [17,18]. Jedoch müssen die Fügepartner bestimmte optische Eigenschaften aufweisen. Für das Laserdurchstrahlschweißen muss einer der beiden Fügepartner für das Laserlicht weitgehend transparent sein und wird von dem Laserstrahl durchstrahlt, ohne dass dabei Wärme entsteht. Die Absorption des Laserstrahls, d.h. die direkte Erwärmung durch die Lasereinwirkung, erfolgt in dem zweiten Fügepartner. Dessen Absorptionsvermögen muss jedoch durch Pigmentierung bzw. Zuschlagstoffe (zumeist Ruß) erhöht werden. Das durchstrahlte Formteil wird dabei durch Wärmeleitung indirekt aufgeschmolzen, Bild 1, [19,20]. Bild 1: Prinzip des Laserdurchstrahlschweißens Zum Laserdurchstrahlschweißen werden in der Regel Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von = 1064 nm oder Hochleistungsdiodenlaser (HDL) mit einer Wellenlänge von = 800 nm bis = 1100 nm eingesetzt [18,19]. Für diese Wellenlängen sind die meisten nicht eingefärbten und nicht gefüllten thermoplastischen Kunststoffe ausreichend transparent, um bis zu einer Wanddicke von mehreren Millimetern mittels Laserdurchstrahlschweißen gefügt werden zu können. Nach dem Positionieren werden die Fügeteile zu Beginn des Prozesses mit der Fügekraft beaufschlagt. Anschließend wird entweder ein fokussierter Laser- Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 4

strahl entlang der Fügestellenkontur bewegt (Konturschweißen) [21] oder ein der Kontur der Fügestelle angepasster Laserstrahl auf die gesamte Fügeflächenkontur gerichtet (Simultanschweißen) [22]. Die Verfahrensvarianten Konturschweißen und Simultanschweißen sind in Bild 2 schematisch dargestellt. Bild 2: Prinzip des Kontur- und Simultanschweißens Eine weitere Alternative der Strahlformung bietet die sogenannte Maskentechnik. Hierbei wird zwischen dem Fügeteil und der Laserquelle eine Maske positioniert, die die Laserstrahlung nur dort durchlässt, wo in der Fügezone eine Schweißung erfolgen soll. Der Laser wir über die Maske verfahren, die aus geschnittenem Stahlblech oder aus einer lithografisch beschichteten Glasplatte bestehen kann [22,23,24]. Die Strahlung trifft überall dort, wo eine Schweißung erzeugt werden soll, auf die Fügefläche und wird dort, wo nicht geschweißt werden soll, durch eine Maske abgeschattet, Bild 3. Die Dimension und die Präzision der Schweißnahtstruktur werden primär durch die Maske und die Strahlqualität des Lasers bestimmt. Kleinste Nähte von etwa 100 m Breite lassen sich hiermit herstellen. Außerdem können mit einfachen Verfahrbewegungen vielfältige Nahtgeometrien realisiert werden. Gekrümmte und gerade Linien können genauso in einem Arbeitsgang geschweißt werden wie Linien unterschiedlicher Breite oder flächige Nahtgeometrien. Der Einsatzbereich dieses Verfahrens liegt aufgrund der feinen Schweißnähte im Bereich der Mikrosystemtechnik [23,25,26]. Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 5

Bild 3: Prinzip der Maskentechnik 4 GRUNDLAGENUNTERSUCHUNGEN ZUR ANWENDUNG DER MASKENTECHNIK IN DER MIKROTECHNIK Die größte Herausforderung bei der Entwicklung bzw. Modifizierung von Schweißverfahren für die Mikrotechnik besteht in der Verkleinerung der Fügestellenabmessungen. Die Energie, die zum Aufschmelzen des Kunststoffes in der Fügezone benötigt wird, muss lokal und fein dosiert eingebracht werden. Bild 4: Anlage zum Maskenschweißen für die Mikrotechnik Um eine deutliche Verkleinerung der Fügestellenabmessungen zu realisieren, kann die Maskentechnik eingesetzt werden. Mit Hilfe einer Anlage, die für diese Untersuchungen aufgebaut wurde, Bild 4, kann die Eignung dieser Verfahrens- Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 6

variante des Laserdurchstrahlschweißens für die Mikrotechnik nachgewiesen werden. Die Anlage besteht im wesentlichen aus zwei Stationen. In einer Positionierstation wird die Maske mit Hilfe eines Makroskops zu den zu schweißenden Bauteilen in der Fügevorrichtung positioniert. Nach dem Positioniervorgang wird die Fügevorrichtung, die auf einem verfahrbaren Schlitten montiert ist, in die Schweißstation verfahren. Anschließend wird ein linienförmiger Laser (Fokusabmessungen 25 x 1 mm 2 ) mit Hilfe einer Verfahreinheit mit konstanter Geschwindigkeit über die Maske bzw. die Fügepartner geführt wird und die Schweißung realisiert. In den durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass durch einfaches Austauschen der Masken, die in ihrer Strukturierung nahezu beliebig ausgeführt sein können, eine sehr große Flexibilität hinsichtlich der zu schweißenden Fügenahtgeometrie besteht. Darüber hinaus können mit einer sehr einfachen Verfahrbewegung eines linienförmigen Lasers unterschiedlichste Strukturen geschweißt werden. Bild 5: Maskenstrukturen für Grundlagenuntersuchungen Um zunächst zu untersuchen, welche Fügenahtabmessungen noch realisiert werden können, sind Masken mit unterschiedlichen Geometrien und unterschiedlichen Abmessungen hergestellt worden, Bild 5. Dabei sind die Geometrien zunächst auf Linien, Stege, Kreise und Quadrate beschränkt, wobei die Abmessungen im Bereich zwischen 50 m und 500 m liegen. Mit diesen Maskenstrukturen werden Schweißversuche durchgeführt, wobei die Parameter Laserleistung, Fügedruck und Verfahrgeschwindigkeit des Lasers variiert werden. Bei den zu schweißenden Probekörpern handelt es sich um Plättchen, die im Überlapp gefügt werden. Es wurde die Materialkombination PMMA (natur)/abs (0,5 Gew.-% Ruß) gewählt, da sich in Vorversuchen gezeigt hat, dass mit dieser Paarung Schweißungen über einen weiten Bereich der Schweißparametervariation erzielt werden können. Um eine direkte Vergleichbarkeit der Schweißergebnisse gewährleisten zu können, wurden bei den Untersuchungen der linienförmigen Maskenstrukturen die Schweißparameter konstant gehalten. Dabei wurde eine Leistung von 34 W, Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 7

eine Verfahrgeschwindigkeit von 40 mm/s und ein Fügedruck von 2 bar gewählt. Zu erkennen ist, dass ab einer Linienbreite der Maske von 100 m Schweißnähte in unterschiedlicher optischer Qualität erzielt werden können, wobei bei Schweißnähten einer Breite von 100 m deutliche Unregelmäßigkeiten zu erkennen sind, Bild 6. Schweißungen mit einer Breite der Maske von 50 m sind nicht möglich. Allerdings ist beim Vergleich der Schweißnahtbreite mit der Linienbreite auf der Maske auffällig, dass alle Schweißnahtbreiten deutlich größer sind als die vorgegebene Maskenstruktur. Der Grund dafür ist in der Expansion des Kunststoffes bei der Plastifizierung zu finden, wodurch die Schmelze durch den anliegenden Fügedruck nach außen verdrängt wird und auf diese Weise breitere Schweißnähte entstehen. Bild 6: Linienförmige Schweißnähte unterschiedlicher Breite In Bild 7 sind die Ergebnisse für Stegschweißungen mit unterschiedlichen Stegbreiten dargestellt. In Abhängigkeit der Laserleistung sind Unterschiede in der Ausbildung der Schweißnähte zu erkennen. Während bei einer Laserleistung von 21 W die eingebrachte Energie zu gering ist, um eine saubere und vollständige Nahtkontur zu erreichen, zeigt sich bei 34 W das Optimum der durchgeführten Untersuchungen. Mit weiter zunehmender Laserleistung nimmt die Stegbreite in der Schweißnaht stetig ab. Hier wird durch die höhere Laserleistung mehr Energie in die Fügezone eingebracht, so dass ein größeres Schmelzevolumen gebildet wird. Durch den anliegenden Fügedruck wird die Schmelze an den Seiten verdrängt, was schließlich zu einer Reduzierung der Stegbreite führt. Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 8

Bild 7: Stegbreiten bei unterschiedlichen Laserausgangsleistungen Interessant sind die Ergebnisse der Stegschweißungen mit unterschiedlichen Fügedrücken, die in Bild 8 dargestellt sind. Unterschiedliche Fügedrücke wirken sich auf die Ausbildung der Schweißnaht nicht merklich aus. Schon ab einem relativ geringen Fügedruck von 2 bar bei einer Leistung von 34 W und einer Verfahrgeschwindigkeit von 40 mm/s liegt vollständiger und somit spaltfreier Kontakt zwischen den Probenplättchen vor. Eine Erhöhung des Fügedruckes bleibt durch den fehlenden Fügeweg ohne Wirkung. Bild 8: Stegbreiten bei unterschiedlichen Fügedrücken Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 9

5 SCHWEISSEN EINES MIKROSTRUKTURIERTEN BAUTEILS MIT HILFE DER MASKENTECHNIK In den Grundlagenuntersuchungen konnten minimale Stegbreiten von 100 m realisiert werden. Für ein anwendungsnahes Praxisbauteil ist dies von großer Bedeutung, da es beim Laserschweißen von Kunststoffen sehr schwierig ist, sehr kleine Bereiche schmelzefrei zu halten. Um die gewonnenen Erkenntnisse auf eine komplexe Bauteilstruktur zu übertragen, wurde das in Bild 9 schematisch dargestellte Demonstrationsbauteil eines Fluidsystems entwickelt. Es handelt sich dabei um ein Kanalsystem, das verschiedene Reservoire bzw. Zu- und Abläufe miteinander verbindet. Die Kanalstrukturen weisen dabei eine Breite von 200 m und eine Tiefe von 200 m auf. Die Kanalbreite von 200 m wurde gewählt, weil dies eine im Hinblick auf eine praktische Anwendung durchaus praxisnahe Strukturgröße ist. Die Abformung von noch kleineren Strukturen ist sehr viel schwieriger und mit der am IKV Aachen zur Verfügung stehenden Maschinentechnik u.u. nicht reproduzierbar zu realisieren. Da die Kanäle durch stegförmige Strukturen vom Laser abgeschirmt werden müssen, können die Ergebnisse der Grundlagenuntersuchungen für dieses mikrostrukturierte Bauteil genutzt werden. Der zur Fertigung des Bauteils notwendige Werkzeugeinsatz wurde mit der LIGA-Technik gefertigt, da mit diesem Verfahren Strukturen mit senkrechten Kanten bei hohen Aspektverhältnissen möglich sind. Um das Kanalsystem zu verschließen wird als zweiter Fügepartner ein Deckel mit angepassten Abmaßen verwendet. Dabei weist die Fügefläche eine niedrige Rauhigkeit auf, so dass ein idealer Kontakt zwischen den beiden Fügepartner in der Fügezone gewährleistet werden kann. Bild 9: Mikrostrukturiertes Demonstrationsbauteil Kanaltiefe: 200 m Kanalbreite: 200 m Kantenlänge der quadratischen Platte: 12 mm Als absorbierendes Material für die mikrostrukturierten Kanalsysteme wird ABS mit 0,2 Gew.-% Ruß gewählt. Für die lasertransparenten Deckel wird PMMA verwendet. Aufgrund des geringen Bauteilgewichts werden die Bauteile im Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 10

Spritzgießprozess auf der Mikrospritzgießmaschine FX25 der Firma Ferromatik Milacron, Malterdingen, Deutschland, durchgeführt. Für die Versuche wird nun zuerst ein mikrostrukturiertes Bauteil mit einem Dekkel in eine Probenaufnahme gebracht und der Fügedruck appliziert. Unter dem Makroskop wird daraufhin die Maske mit der Mikrostruktur des Bauteils mit Hilfe einer x-y-positioniereinheit zur Deckung gebracht. Die Probenaufnahme wird mit der positionierten Maske in die Schweißstation gebracht, in der der Laserdurchstrahlschweißprozess stattfindet. Anschließend wird das Ergebnis qualitativ anhand der Übereinstimmung der Maskenstruktur mit dem Schweißergebnis bewertet. Um zu untersuchen, inwieweit durch die Variation der eingebrachten Energie eine zufriedenstellende Schweißung realisiert werden kann, wird als Schweißparameter die Leistung variiert. Der Fügedruck von 2 bar und die Schweißgeschwindigkeit von 13 mm/s werden nicht verändert. Die im Vergleich zu den Grundlagenuntersuchungen niedrigere Geschwindigkeit wurde gewählt, da der absorbierende Fügepartner einen geringeren Rußgehalt aufweist. Dies führt dazu, dass der Laser tiefer in der Material eindringen kann und so in tieferen Schichten in Wärme umgewandelt wird. Dadurch steht aufgrund der allgemein schlechten Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen weniger Energie zur Plastifizierung des transparenten Fügepartners zur Verfügung. Um eine ausreichende Schmelzemenge zu bilden, muss daher mehr Energie eingebracht werden. Dies kann sowohl über eine höhere Leistung als auch über eine geringe Verfahrgeschwindigkeit realisiert werden. In den hier vorgestellten Arbeiten wurde letztere Möglichkeit gewählt, da die Leistung der verwendeten Laserquelle auf ca. 100 W begrenzt ist. Der Laser ist in seinem Abstand zum Bauteil so eingestellt, dass der Fokus in der Fügeebene liegt. Bild 10: Schweißergebnisse bei ungünstig gewählten Schweißparametern Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 11

Bei der Variation der Leistung ergibt sich folgendes Bild. Bei einer zu geringen Leistung von 37,7 W wird keine ausreichende Schweißung hergestellt, das heißt die Fügefläche plastifiziert nicht vollständig, so dass sich der Deckel partiell ablöst. Ist die Leistung zu hoch (68,6 W), entsteht zuviel Schmelze und die Kanäle der Mikrostruktur werden von der Schmelze ausgefüllt, wodurch die Mikrostruktur zerstört wird, Bild 10. Bild 11: Schweißung mit zufriedenstellendem Schweißergebnis Bei geeigneter Wahl der Laserleistung innerhalb des Prozessfensters von 48 W bis 55 W können die Maskenstrukturen zufriedenstellend abgebildet werden, d.h. die Kanal-Strukturen laufen nicht mit Schmelze voll und die Fügefläche ist vollständig geschweißt, Bild 11. Darüber hinaus sind die Schweißergebnisse sehr reproduzierbar. Bild 12 zeigt das Ergebnis von neun Schweißungen derselben Leistungseinstellung von 48 W. Alle Bauteile weisen hier ein nahezu identisches Schweißbild auf. Die Maskenstruktur wurde korrekt abgebildet und die Schmelze ist nicht in die Kanäle verdrängt worden. Die Notwendigkeit einer Maske bei diesen Strukturabmessungen wird durch Bild 13 sehr deutlich. Eine Parametereinstellung von 51,4 W Laserleistung, die mit Maske zufriedenstellende Ergebnisse geliefert hat, erzeugt ohne Maske eine vollkommen mit Schmelze vollgelaufene und somit zerstörte Struktur. Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 12

Anwendung der Maskentechnik Bild 12: Nachweis der Reproduzierbarkeit durch neun Schweißungen mit identischen Parametern Bild 13: Schweißergebnis beim Schweißen mit und ohne Maske 2006 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. E. Haberstroh, W.-M. Hoffmann, R. Lützeler Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 13

6 FAZIT Die durchgeführten Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen von Kunststoffen zeigen, dass hier ein Fügeverfahren vorliegt, das für die Anwendung in der Mikrotechnik geeignet ist. Besonders beim Schweißen von mikrostrukturierten Bauteilen besitzt die Maskentechnik ein großes Potenzial. Abmessungen der Schweißnahtstrukturen im Bereich weniger hundert Mikrometer sind realisierbar, so dass komplexe Schweißnahtstrukturen mit hoher optischer Qualität gewährleistet werden können. Bei der Auslegung eines Bauteils, das mit Hilfe der Maskentechnik geschweißt werden soll, ist zu beachten, dass die Abmessungen in der Fügezone in der Regel größer sind als in der Maske, da die Plastifizierung des Kunststoffes unter dem wirkenden Fügedruck zu einer seitlichen Verdrängung von Schmelze führt. Die Untersuchungen an einer komplexen Kanalstruktur haben gezeigt, dass die Maskentechnik für die Deckelung von Fluidsystemen sehr geeignet ist, was sich nicht zuletzt durch eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bestätigt wird. 7 DANKSAGUNG Die Untersuchungen wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des SFB 440 Montage hybrider Mikrosysteme an der RWTH Aachen finanziell gefördert. 8 LITERATUR [1] Fischer, G. Mikrotechnik ist bereits im industriellen Einsatz In: Technische Rundschau 20 (1998), S. 44-45 [2] Wallrabe, U. Mikroturbinen als hyrodynamischer Kleinstantrieb In: F&M Feinwerktechnik, Mikrotechnik, Mikroelektronik 106 (1998) 9, S. 646-649 [3] Heuberger, A. Mikromechanik: Mikrofertigung mit Methoden der Halbleitertechnik Springer, Heidelberg, 1991 [4] Fahrenberg, J., Synchrotronstrahlung zur Herstellung von Hensch, K., Mikrobauteilen Saile, V. In: Werkstatttechnik 88 (1998), H. 11/12, S. 495-496 [5] Feldmann, K., Excimerlaserstrukturierung und additive Beitinger, G., Metallisierung von Thermoplasten Muschweck, T., In: F&M Feinwerktechnik, Mikrotechnik, Renner, G., Mikroelektronik 106 (1998) 3, S. 150-154 Kickelhain, J. Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 14

[6] Riemer, O., Kleinste Strukturen und winzige Späne Schmütz, J. In: F&M Feinwerktechnik, Mikrotechnik, Mikroelektronik 107 (1999) 9, S. 55-58 [7] Koch, O., Funkenerosion bei Kleinstteilen: Wolf, A., Mikrofunkenerosive Strukturierung von Gießformen Gruber, H. In: Form + Werkzeug, Sonderbeilage der Zeitschrift Kunststoffe, Februar 2000 [8] Weber, L., Mikroabformung Verfahren, Werkzeuge, Ehrfeld, W. Anwendungen In: Kunststoffe 88 (1998) 10, S. 1791-1802 [9] Weber, L., Injection Moulding of Micro Parts Ehrfeld, W., In: Proceedings Micro Engineering 99 Pommereau, C. Stuttgart, 1999, S. 69-73 [10] Rogalla, A. Analyse des Spritzgießens mikrostrukturierter Bauteile aus Thermoplasten Dissertation, RWTH Aachen, 1998 [11] Michaeli, W., Mikrostrukturierte Formteile aus Kunststoff gestalten Rogalla, A., In: F&M Feinwerktechnik, Mikrotechnik, Spennemann, A., Mikroelektronik 106 (1998) 9, S. 642-645 Ziegmann, C. [12] N.N. Montage hybrider Mikrosysteme Abschlussbericht des Sonderforschungsbereichs SFB 440, Berichtszeitraum 2000 2003, RWTH Aachen, 2003 [13] Bauer, G., Mikrosystemtechnik Werkzeugsystem für die Schuenemann, D., Montage, Schlenker, M., In: Werkstatttechnik 88 (1998) 11/12, S. 490-494 Schäfer, W. [14] Michaeli, W. Einführung in die Kunststoffverarbeitung Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1999 [15] Potente, H. Fügen von Kunststoffen, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2004 [16] Ehrenstein, G. W. Handbuch Kunststoffverbindungstechnik Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2004 [17] Mattus, V., Durchblick beim Durchstrahlen Roos, R., In: Kunststoffe 91 (2001) 10, S. 158-163 Engel, J. [18] Klein, H. Laserschweißen in der Mikrotechnik Dissertation, RWTH Aachen, 2001 Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 15

[19] Schulz, J. Werkstoff-, Prozess- und Bauteiluntersuchungen zum Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen Dissertation, RWTH Aachen, 2002 [20] Becker, F. Einsatz des Laserdurchstrahlschweißens zum Fügen von Thermoplasten Dissertation, Universität - GH Paderborn, 2003 [21] Hänsch, D. Die optischen Eigenschaften von Polymeren und ihre Bedeutung für das Durchstrahlschweißen mit Diodenlaser Dissertation, RWTH Aachen, 2001 [22] Kocheny, Z., Three Approaches in Utilizing High Power Diode Zybko, J. Laser to join Thermoplastics In: Society of Plastics Engineers (SPE), Proceedings of Annual Technical Conference (ANTEC), San Francisco (CA), USA, 2002, S. 1115-1119 [23] Chen, J.-W. Mit der Maske in die Mikrowelt In: TAE-Aktuell (2000) 12, S. 2-4 [24] Schmitz, S. Kunststoffschweißen mit Laserstrahlung In: Konferenz-Einzelbericht, Kolloquium Mikroproduktion Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, TU Braunschweig, 20. Februar 2003 [25] Chen J.-W., Masken für kleines Feines Hinz O. In: Laser-Praxis 5 (1999), S. 26-31 [26] Leister, C. Modulare Diodensysteme zum Fügen von empfindlichen Bauteilen in der Elektronik und Mikrotechnik In: Tagungshandbuch Aachener Kolloquium für Lasertechnik, Aachen, 2000, S. 303-314 Stichworte: Mikrotechnik, Laserschweißen, Maskentechnik, Thermoplaste, Schweißparameter Kontakt: Autor: Herausgeber: Erscheinungsdatum: Januar 2006 Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh, Dipl.-Ing. Wolf-Martin Hoffmann Dipl.-Ing. Reiner Lützeler Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G.W. Ehrenstein, Prof. Dr. T. Osswald Zeitschrift Kunststofftechnik 2 (2006) 1 16