DE10101240A1 - Verfahren zur Herstellung laserverschweißter Verbundformteile sowie diese Verbundformteile - Google Patents
Verfahren zur Herstellung laserverschweißter Verbundformteile sowie diese VerbundformteileInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung laserverschweißter Verbundformteile, bei dem DOLLAR A a) jeweils mindestens zwei Kunststoffformteile (A, B) über mindestens ein weiteres Formteil (C), enthaltend eine Laserstrahlung transmittierende Materialschicht (C1) auf der der Einfallsrichtung der Laserstrahlung zugewandten Seite und, mit dieser verbunden oder in Kontakt stehend, eine Laserstrahlung absorbierende Materialschicht (C2), in Kontakt stehen, wobei die Oberfläche der Materialschicht (C2) in den jeweiligen Überlappungsbereichen mit den Kunststoffformteilen (A, B) im Wesentlichen formschlüssig mit der Oberfläche dieser Formteile abschließt, DOLLAR A b) Laserstrahlung durch die transmittierende Schicht (C1) mindestens in den Bereichen teilweise oder vollständig auf die Laserstrahlung absorbierende Schicht (C2) trifft, die mit den zu verbindenden Formteilen (A, B) überlappt, DOLLAR A c) der Abstand zwischen der Laserstrahlung absorbierenden Schicht (C2) und der jeweiligen Formteiloberfläche, die diese im Wesentlichen formschlüssig überdeckt, während der Bestrahlung mit Laserlicht im Wesentlichen konstant gehalten oder verringert wird, und die durch die Laserstrahlung erweichten oder aufgeschmolzenen Bereiche der Materialschicht (C2) mit der Oberfläche der Formteile (A, B) für eine Zeitdauer in Berührung stehen, die ausreicht, diese Oberflächen zu erweichen oder aufzuschmelzen, und DOLLAR A d) man die aufgeschmolzenen oder erweichten Bereiche erkalten lässt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung laserver
schweißter Verbundformteile, diese Verbundformteile, deren Ver
wendung als Bauteile von Haushalts- und Elektrogeräten, als In
nen- und Außenkomponenten von Automobilen, Flugzeugen und Schif
fen sowie eine Halterung und deren Verwendung bei der Herstellung
laserverschweißter Verbundformteile.
Kunststoffformkörper können auf vielfältige Art und Weise mitein
ander verbunden werden, z. B. mittels Klebens, Vernietens, Ver
schraubens oder Schweißens. Bauteile aus Kunststoffen werden be
reits regelmäßig in Haushalts- und Elektrogeräten sowie bei In
nen- und Außenanwendungen im Automobil eingesetzt. Häufig substi
tuieren diese Bauteile Komponenten aus Metall. Konstruktionstech
nisch oder auch aus Gründen der einfacheren und kostengünstigeren
Herstellung ist es dabei meistens vorteilhafter, mehrere Formkör
per zu einem Bauteil zu verbinden, als zu versuchen, dieses Bau
teil einstückig herzustellen. Allerdings werden bei den o. g. An
wendungen hohe Anforderungen an die Fügetechnik gestellt. Die
verbundenen Formkörper sollen regelmäßig dauerhafte Verbindungs
stellen aufweisen, die mechanischer Beanspruchung standhalten,
wasser- und gasdicht sind und darüber hinaus optisch nicht unvor
teilhaft in Erscheinung treten, so dass das Bauteil auch für
Sichtanwendungen in Frage kommt. Diesem Anforderungsprofil an
mehrstückige Kunststoffbauteile versucht man, heutzutage z. B. mit
bekannten Kunststoffschweißverfahren gerecht zu werden. Beispiele
für Kunststoffschweißverfahren sind das Heizelementschweißen,
Vibrationsschweißen, Rotationsreibschweißen, Ultraschallschwei
ßen, Hochfrequenzschweißen und Laserstrahlschweißen.
Das Laserstrahlschweißen wird in der Regel nach dem Prinzip des
Durchstrahlschweißens (auch Überlappungsschweißen genannt) durch
geführt. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahlung transmit
tierender Kunststoffformkörper mit einem Laserstrahlung absorbie
renden Kunststoffformkörper verbunden. Die Laserstrahlung tritt
durch den transmittierenden Formkörper hindurch auf den anliegen
den absorbierenden Formkörper, der lokal aufschmilzt. Die sich
ausdehnende Schmelze berührt das transmittierende Bauteil,
schmilzt dieses ebenfalls lokal auf, wodurch es zu einer Vermi
schung (über Diffusions- und Platzwechselvorgänge) der Schmelzen
und nach der Abkühlung zu der Bildung einer Schweißnaht kommt.
Diese Vorgehensweise setzt voraus, dass die Schmelzematerialien
zumindest in gewissem Umfang verträglich und miteinander mischbar
sind und die Schmelzetemperaturen der zu verbindenden Bauteilma
terialien nicht zu weit auseinander liegen. Die Absorption von
Laserstrahlung bei geeigneten Wellenlängen wird hierbei üblicher
weise durch Zugabe von Additiven, wie etwa Farbmitteln oder Pig
menten, zum Polymermaterial eingestellt. Nach diesem Verfahren
lassen sich allerdings nicht zwei absorbierende Kunststoffform
körper, also beispielsweise solche, die herkömmliche Flammschutz
mittel enthalten, miteinander verbinden.
Soweit es auf die Farbgebung bei den zu verbindenden Kunststoff
formkörpern nicht ankommt, ist der Fachmann in der Wahl geeigne
ter Pigmente und Farbstoffe relativ frei, um zu Laserstrahlung
absorbierenden Materialien zu gelangen. Gemäß EP-A 159 169 lassen
sich Verbundformkörper aus einem transparenten und einem mit Ruß
eingefärbten Bauteil ohne weiteres mittels Laserschweißen erhal
ten. Weitaus problematischer ist der Fall, wenn transmittierende
und absorbierende Formkörper in für das menschliche Auge identi
scher Farbe erscheinen sollen. Dieses gelingt bislang nur relativ
einwandfrei mit schwarzen Formteilen. Das Laserstrahlung absor
bierende Formteil enthält dann Gaben an Ruß, während das trans
mittierende Formteil in der Regel über Flüssigfarbmittel schwarz
eingefärbt ist (s. a. DE-A 195 10 493). Diese Vorgehensweise ist
jedoch sehr aufwendig und daher ökonomisch ineffizient. Annähernd
gleichfarbige Kunststoffformteile aus Materialien mit unter
schiedlichen laseroptischen Eigenschaften lassen sich zur Zeit
nicht oder nur sehr schwer erzeugen.
Sollen Fügeteile mit anspruchsvoller Geometrie verbunden werden
(Konturschweißen), ist sicherzustellen, dass die überlappenden
Bereiche von transmittierenden und absorbierenden Formkörpern
hinreichend lange in einem Laserstrahl fixiert werden. Dieses
kann für jede neue Bauteilgeometrie u. U. eine neue, aufwendige
Fixier- und Bestrahlungsapparatur erforderlich machen, damit die
erforderliche Einwirkdauer bzw. -parameter für jeden zu verbin
denden Abschnitt eingehalten werden können. Andernfalls wird häu
fig eine fehlerhafte, d. h. durchlässige Schweißnaht beobachtet.
Bei größeren Bauteilen, insbesondere bei dünnwandigen, ist es
darüber hinaus schwierig, diese über einen längeren Zeitraum der
art überlappend aneinander zu legen und zu fixieren, dass eine
gleichbleibende Überlappungsbreite sichergestellt ist. Des glei
chen ist es in solchen Fällen schwierig, den Abstand in den über
lappenden Bereichen konstant so gering zu halten (ca. 300 µm),
dass effektives Laserschweißen möglich wird. Bei größeren Abstän
den lässt sich in der Regel mittels Durchstrahllaserschweißtech
nik keine zufriedenstellende Bindung mehr erzielen.
Hänsch et al., Kunststoffe 88 (1998), S. 210-212, beschreibt das
Verschweißen von Thermoplastischen Elastomeren (TPE) mit Thermo
plasten wie Polyamid, Polyolefinen, Polyestern und Styrolcopoly
meren mit Hilfe eines Diodenlasers. Die DE-A 195 42 328 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von Körpern aus schichtweise über
einander liegenden Platten oder Folien und nennt transparente Fü
geteile aus Polyethylen (PE), schlagzäh modifiziertem Polystyrol
(SB/PS) und Plexiglas (Polymethylmethacrylat) sowie als absorbie
rende Fügeteile schwarz eingefärbtes Polyethylen, schwarz einge
färbtes ABS-Copolymerisat und schwarz eingefärbtes Polystyrol.
Die dem Fachmann bekannten Verfahren zum Laserverschweißen von
Kunststoffformkörpern haben den Nachteil, dass insbesondere groß
flächige Formkörper und solche mit komplexer Fügegeometrie nicht
einwandfrei und auf einfache Art und Weise miteinander verbunden
werden können. Des weiteren fehlt es an einem technisch praktika
blen Zugang zu Verbundbauteilen, mit dem Laserstrahlung absorbie
rende Formteile, insbesondere identisch farbige Formteile, mit
tels Laserstrahlung miteinander verbunden werden können.
Es bestand daher die Aufgabe, diesen Nachteilen abzuhelfen. Ins
besondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Verfügung zu stellen, mit dem sich zwei oder mehrere Laser
strahlung absorbierende, insbesondere identisch farbige Formteile
dauerhaft verbinden lassen. Des weiteren bestand die Aufgabe
darin, Formteile mit komplexerer Geometrie und/oder solche mit
größeren Ausmaßen einwandfrei und dauerhaft, insbesondere flüs
sigkeits- und gasundurchlässig, auf einfache und zuverlässige Art
und Weise miteinander verbinden zu können.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung von laserverschweiß
ten Verbundformteilen gefunden, bei dem
- a) jeweils mindestens zwei Kunststoffformteile (A, B) über min destens ein weiteres Formteil (C), enthaltend eine Laser strahlung transmittierende Materialschicht (C1) auf der der Einfallsrichtung der Laserstrahlung zugewandten Seite und, mit dieser verbunden oder in Kontakt stehend, eine Laser strahlung absorbierende Materialschicht (C2), in Kontakt ste hen, wobei die Oberfläche der Materialschicht (C2) in den je weiligen Überlappungsbereichen mit den Kunststoffformteilen (A, B) im wesentlichen formschlüssig mit der Oberfläche die ser Formteile abschließt,
- b) Laserstrahlung durch die transmittierende Schicht (C1) minde stens in den Bereichen teilweise oder vollständig auf die La serstrahlung absorbierende Schicht (C2) trifft, die mit den zu verbindenden Formteilen (A, B) überlappt, und
- c) der Abstand zwischen der Laserstrahlung absorbierenden Schicht (C2) und der jeweiligen Formteiloberfläche, die diese im wesentlichen formschlüssig überdeckt, während der Bestrah lung mit Laserlicht im wesentlichen konstant gehalten oder verringert wird, und die durch die Laserstrahlung erweichten oder aufgeschmolzenen Bereiche der Materialschicht (C2) mit der Oberfläche der Formteile (A, B) für eine Zeitdauer in Be rührung treten, die ausreicht, diese Oberflächen zu erweichen oder aufzuschmelzen, und
- d) man die aufgeschmolzenen oder erweichten Bereiche erkalten lässt.
Des weiteren wurden die nach dem Verfahren erhältlichen laserver
schweißten Verbundformkörper sowie deren Verwendung als Bauteile
für Haushalts- und Elektrogeräte sowie als Innen- und Außenkompo
nenten von Automobilen, Flugzeugen oder Schiffen gefunden.
Außerdem wurde eine Halterung für die mittels Laserstrahlung zu
verbindenden Kunststoffformteile sowie deren Verwendung bei der
Herstellung dieser Formteile gefunden.
Als Kunststoffformteile (A, B) kommen spritzgegossene oder tief
gezogene Formteile, einschließlich Folien und Halbzeuge (Tafeln,
Rohre, Platten, Stäbe, etc.) in Frage. Gemäß dem erfindungsgemä
ßen Verfahren mittels Laserschweißen miteinander verbundene Form
teile werden nachfolgend auch als Verbundformteile bezeichnet.
Die Kunststoffformteile sind üblicherweise aus thermoplastischen
Polymeren aufgebaut, können aber auch aus Duroplasten gebildet
werden.
Als thermoplastische Polymere kommen alle dem Fachmann bekannten
Thermoplaste in Betracht. Geeignete thermoplastische Polymere
werden beispielsweise im Kunststoff-Taschenbuch, Hrsg. Saecht
ling, 25. Ausgabe, Hanser-Verlag, München, 1992, insbesondere Ka
pitel 4 sowie darin zitierte Verweise, und im Kunststoff-Hand
buch, Hrsg. G. Becker und D. Braun, Bände 1 bis 11, Hanser-Ver
lag, München, 1966 bis 1996, beschrieben.
Exemplarisch seien als geeignete Thermoplaste genannt Polyoxyal
kylene, Polycarbonate (PC), Polyester wie Polybutylenterephthalat
(PBT) oder Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefine wie Polyethylen
oder Polypropylen (PP), Poly(meth)acrylate, Polyamide,
vinylaromatische (Co)polymere wie Polystyrol, schlagzäh modifi
ziertes Polystyrol wie HI-PS, oder ASA-, ABS- oder AES-Polymeri
sate, Polyarylenether wie Polyphenylenether (PPE), Polysulfone,
Polyurethane, Polylactide, halogenhaltige Polymerisate, imidgrup
penhaltige Polymere, Celluloseester, Silicon-Polymere und Thermo
plastische Elastomere. Es können auch Mischungen unterschiedli
cher Thermoplaste als Materialien für die Kunststoffformteile
eingesetzt werden. Bei diesen Mischungen kann es sich um ein-
oder mehrphasige Polymerblends handeln.
Die miteinander zu verbindenden Kunststoffformteile können aus
identischen oder verschiedenen Thermoplasten bzw. Thermoplast-
Blends bestehen.
Polyoxyalkylenhomo- oder -copolymerisate, insbesondere (Co)poly
oxymethylene (POM), und Verfahren zu deren Herstellung sind dem
Fachmann an sich bekannt und in der Literatur beschrieben. Geei
gnete Materialien sind im Handel unter der Markenbezeichnung Ul
traform® (BASF AG) erhältlich. Ganz allgemein weisen diese Poly
mere mindestens 50 Mol-% an wiederkehrenden Einheiten -CH2O- in
der Polymerhauptkette auf. Die Homopolymeren werden im allgemei
nen durch Polymerisation von Formaldehyd oder Trioxan herge
stellt, vorzugsweise in der Gegenwart von geeigneten Katalysato
ren. Bevorzugt sind Polyoxymethylencopolymere und Polyoxymethy
lenterpolymerisate. Die bevorzugten Polyoxymethylen(co)polymere
haben Schmelzpunkte von mindestens 150°C und Molekulargewichte
(Gewichtsmittelwert) Mw im Bereich von 5000 bis 200000, vorzugs
weise von 7000 bis 150000 g/mol. Endgruppenstabilisierte Polyoxy
methylenpolymerisate, die an den Kettenenden C-C-Bindungen auf
weisen, werden besonders bevorzugt.
Geeignete Polycarbonate sind an sich bekannt und sind z. B. gemäß
DE-B-13 00 266 durch Grenzflächenpolykondensation oder gemäß
DE-A-14 95 730 durch Umsetzung von Biphenylcarbonat mit Bispheno
len erhältlich. Bevorzugtes Bisphenol ist 2,2-Di(4-hydroxyphe
nyl)propan, im allgemeinen als Bisphenol A bezeichnet. Die rela
tive Viskosität dieser Polycarbonate liegt im allgemeinen im Be
reich von 1, 1 bis 1,5, insbesondere 1,28 bis 1,4 (gemessen bei
25°C in einer 0,5 gew.-%igen Lösung in Dichlormethan). Geeignete
Polycarbonate sind im Handel unter der Markenbezeichnung Lexan®
(GE Plastics B. V., Holland) erhältlich.
Geeignete Polyester sind ebenfalls an sich bekannt und in der Li
teratur beschrieben. Sie enthalten einen aromatischen Ring in der
Hauptkette, der von einer aromatischen Dicarbonsäure herrührt.
Der aromatische Ring kann auch substituiert sein, z. B. durch Halogen
wie Chlor und Brom oder durch C1-C4-Alkylgruppen wie Me
thyl-, Ethyl-, i- bzw. n-Propyl- und n-, i- bzw. tert.-Butylgrup
pen. Die Polyester können durch Umsetzung von aromatischen Dicar
bonsäuren, deren Estern oder anderer esterbildender Derivate der
selben mit aliphatischen Dihydroxyverbindungen in an sich bekann
ter Weise hergestellt werden. Als bevorzugte Dicarbonsäuren sind
Naphthalindicarbonsäure, Terephthalsäure und Isophthalsäure oder
deren Mischungen zu nennen. Bis zu 10 mol-% der aromatischen Di
carbonsäuren können durch aliphatische oder cycloaliphatische Di
carbonsäuren wie Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Dode
candisäuren und Cyclohexandicarbonsäuren ersetzt werden. Von den
aliphatischen Dihydroxyverbindungen werden Diole mit 2 bis 6 Koh
lenstoffatomen, insbesondere 1,2-Ethandiol, 1,4-Butandiol,
1,6-Hexandiol, 1,4-Hexandiol, 1,4-Cyclohexandiol und Neopentyl
glykol oder deren Mischungen bevorzugt. Als besonders bevorzugte
Polyester sind Polyalkylenterephthalate, die sich von Alkandiolen
mit 2 bis 6 C-Atomen ableiten, zu nennen. Von diesen werden ins
besondere Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat
und Polybutylenterephthalat (PBT) bevorzugt. Diese Produkte sind
im Handel z. B. unter den Markenbezeichnungen Rynite® (PET;
Fa. DuPont) bzw. Ultradur® (PBT; BASF AG) erhältlich. Die Visko
sitätszahl der Polyester liegt im allgemeinen im Bereich von 60
bis 200 ml/g (gemessen in einer 0,5 gew.-%igen Lösung in einem
Phenol/o-Dichlorbenzol-Gemisch (Gew.-Verh. 1 : 1 bei 25°C)).
Geeignete Polyolefine stellen ganz allgemein Polyethylen und Po
lypropylen sowie Copolymerisate auf der Basis von Ethylen oder
Propylen, ggf. auch mit höheren α-Olefinen, dar. Entsprechende
Produkte sind unter den Handelsnamen Lupolen® bzw. Novolen® er
hältlich. Unter Polyolefinen sollen auch Ethylen-Propylen-Elasto
mere und Ethylen-Propylen-Terpolymere verstanden werden.
Unter den Poly(meth)acrylaten sind insbesondere Polymethylmetha
crylat (PMMA) sowie Copolymere auf der Basis von Methylmethacry
lat mit bis zu 40 Gew.-% weiterer copolymerisierbarer Monomeren,
wie n-Butylacrylat, t-Butylacrylat oder 2-Ethylhexylacrylat, zu
nennen, wie sie beispielsweise unter den Bezeichnungen Lucryl®
(BASF AG) oder Plexiglas® (Röhm GmbH) erhältlich sind. Im Sinne
der Erfindung sind hierunter auch schlagzähmodifizierte
Poly(meth)acrylate sowie Mischungen aus Poly(meth)acrylaten und
SAN-Polymerisaten, die mit Polyacrylatkautschuken schlagzäh modi
fizier sind (z. B. das Handelsprodukt Terlux® der BASF AG), zu
verstehen.
Als Polyamide sind solche geeignet mit aliphatischem teilkristal
linen oder teilaromatischen oder amorphem Aufbau jeglicher Art
und deren Blends, einschließlich Polyetheramiden wie Polyetherblockamiden.
Unter Polyamide im Sinne der vorliegenden Erfindung
sollen alle bekannten Polyamide verstanden werden. Geeignete Po
lyamide weisen im allgemeinen eine Viskositätszahl von 90 bis
350, vorzugsweise 110 bis 240 ml/g auf bestimmt in einer
0,5 gew.-%-igen Lösung in 96 gew.-%-iger Schwefelsäure bei 25°C
gemäß ISO 307. Halbkristalline oder amorphe Harze mit einem Mole
kulargewicht (Gewichtsmittelwert) von mindestens 5.000 g/mol, wie
sie z. B. in den amerikanischen Patentschriften 2 071 250,
2 071 251, 2 130 523, 2 130 948, 2 241 322, 2 312 966, 2 512 606
und 3 393 210 beschrieben werden, sind bevorzugt. Beispiele hier
für sind Polyamide, die sich von Lactamen mit 7 bis 13 Ringglie
dern ableiten, wie Polycaprolactam, Polycapryllactam und Polylau
rinlactam, sowie Polyamide, die durch Umsetzung von Dicarbonsäu
ren mit Diaminen erhalten werden.
Als Dicarbonsäuren sind Alkandicarbonsäuren mit 6 bis 12, insbe
sondere 6 bis 10 Kohlenstoffatomen und aromatische Dicarbonsäuren
einsetzbar. Hier seien Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure,
Dodecandisäure (= Decandicarbonsäure) und Terephthal- und/oder
Isophthalsäure als Säuren genannt.
Als Diamine eignen sich besonders Alkandiamine mit 6 bis 12, ins
besondere 6 bis 8 Kohlenstoffatomen sowie m-Xylylendiamin,
Di-(4-aminophenyl)methan, Di-(4-aminocyclohexyl)-methan,
2,2-Di-(4-aminophenyl)-propan oder 2,2-Di-(4-aminocyclohe
xyl)-propan.
Bevorzugte Polyamide sind Polyhexamethylenadipinsäureamid
(PA 66), z. B. das Handelsprodukt Ultramid® A (BASF AG), und Poly
hexamethylensebacinsäureamid (PA 610), z. B. das Handelsprodukt
Nylon® 610 (Fa. DuPont), Polycaprolactam (PA 6), z. B. das Handel
sprodukt Ultramid® B (BASF AG) sowie Copolyamide 6/66, insbeson
dere mit einem Anteil von 5 bis 95 Gew.-% an Caprolactam-Einhei
ten, z. B. das Handelsprodukt Ultramid® C (BASF AG). PA 6, PA 66
und Copolyamide 6/66 sind besonders bevorzugt.
Außerdem seien auch noch Polyamide erwähnt, die z. B. durch Kon
densation von 1,4-Diaminobutan mit Adipinsäure unter erhöhter
Temperatur erhältlich sind (Polyamid-4,6). Herstellungsverfahren
für Polyamide dieser Struktur sind z. B. in den EP-A 38 094, EP-
A 38 582 und EP-A 39 524 beschrieben.
Weitere Beispiele sind Polyamide, die durch Copolymerisation
zweier oder mehrerer der vorgenannten Monomeren erhältlich sind,
oder Mischungen mehrerer Polyamide geeignet, wobei das Mischungs
verhältnis beliebig ist.
Weiterhin haben sich solche teilaromatischen Copolyamide wie
PA 6/6T und PA 66/6T als besonders vorteilhaft erwiesen, deren
Triamingehalt weniger als 0,5, vorzugsweise weniger als
0,3 Gew.-% beträgt (siehe EP-A 299 444). Die Herstellung der tei
laromatischen Copolyamide mit niedrigem Triamingehalt kann nach
den in den EP-A 129 195 und 129 196 beschriebenen Verfahren er
folgen.
Die nachfolgende nicht abschließende Aufstellung enthält die ge
nannten sowie weitere Polyamide im Sinne der Erfindung (in Klam
mern sind die Monomeren angegeben):
PA 46 | (Tetramethylendiamin, Adipinsäure) |
PA 66 | (Hexamethylendiamin, Adipinsäure) |
PA 69 | (Hexamethylendiamin, Azelainsäure) |
PA 610 | (Hexamethylendiamin, Sebacinsäure) |
PA 612 | (Hexamethylendiamin, Decandicarbonsäure) |
PA 613 | (Hexamethylendiamin, Undecandicarbonsäure) |
PA 1212 | (1,12-Dodecandiamin, Decandicarbonsäure) |
PA 1313 | (1,13-Diaminotridecan, Undecandicarbonsäure) |
PA MXD6 | (m-Xylylendiamin, Adipinsäure) |
PA TMDT | (Trimethylhexamethylendiamin, Terephthalsäure) |
PA 4 | (Pyrrolidon) |
PA 6 | (γ-Caprolactam) |
PA 7 | (Ethanolactam) |
PA 8 | (Capryllactam) |
PA 9 | (9-Aminopelargonsäure) |
PA 11 | (11-Aminoundecansäure) |
PA 12 | (Laurinlactam) |
Diese Polyamide und ihre Herstellung sind bekannt. Einzelheiten
zu ihrer Herstellung findet der Fachmann in Ullmanns Encyklopädie
der Technischen Chemie, 4. Auflage, Bd. 19, S. 39-54, Verlag Che
mie, Weinheim 1980, sowie Ullmanns Encyclopedia of Industrial
Chemistry, Vol. A21, S. 179-206, VCH Verlag, Weinheim 1992, sowie
Stoeckhert, Kunststofflexikon, 8. Auflage, S. 425-428, Hanser
Verlag München 1992 (Stichwort "Polyamide" und folgende).
Weitere geeignete thermoplastische Materialien stellen vinylaro
matische (Co)polymere dar. Das Molekulargewicht dieser an sich
bekannten und im Handel erhältlichen Polymeren liegt im allgemei
nen im Bereich von 1.500 bis 2.000.000, vorzugsweise im Bereich
von 70.000 bis 1.000.000 g/mol.
Nur stellvertretend seien hier vinylaromatische (Co)polymere aus
Styrol, Chlorstyrol, α-Methylstyrol und p-Methylstyrol genannt;
in untergeordneten Anteilen (vorzugsweise nicht mehr als 20, insbesondere
nicht mehr als 8 Gew.-%) können auch Comonomere wie
(Meth)acrylnitril oder (Meth)acrylsäureester am Aufbau beteiligt
sein. Besonders bevorzugte vinylaromatische (Co)polymere sind
Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN) und schlagzäh mo
difiziertes Polystyrol (HIPS = High Impact Polystyrene). Es vers
teht sich, dass auch Mischungen dieser Polymeren eingesetzt wer
den können. Die Herstellung erfolgt vorzugsweise nach dem in der
EP-A-302 485 beschriebenen Verfahren.
Weiterhin sind ASA-, ABS- und AES-Polymerisate (ASA = Acrylni
tril-Styrol-Acrylester, ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol, AES =
Acrylnitril-EPDM-Kautschuk-Styrol) besonderes bevorzugt. Diese
schlagzähen vinylaromatischen Polymere enthalten mindestens ein
kautschukelastisches Pfropfpolymerisat und ein thermoplastisches
Polymerisat (Matrixpolymerisat). Als Matrixmaterial wird im all
gemeinen auf ein Styrol/Acrylnitril-Polymerisat (SAN) zurückge
griffen. Bevorzugt werden Pfropfpolymerisate verwendet, die als
Kautschuk
- - einen Dienkautschuk auf Basis von Dienen, wie z. B. Butadien oder Isopren, (ABS);
- - einen Alkylacrylatkautschuk auf Basis von Alkylestern der Acrylsäure, wie n-Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat, (ASA);
- - einen EPDM-Kautschuk auf Basis von Ethylen, Propylen und ei nem Dien, (AES);
oder Mischungen dieser Kautschuke bzw. Kautschukmonomeren enthal
ten.
Die Herstellung von geeigneten ABS-Polymerisaten findet sich z. B.
in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 100 26 858.7
oder in der deutschen Patentanmeldung DE-A 197 28 629
eingehend beschrieben. Für die Herstellung von ASA-Polymerisaten
kann z. B. auf die EP-A 99 532 zurückgegriffen werden. Angaben
über die Herstellung von AES-Polymerisaten sind beispielsweise in
der US 3,055,859 oder in der US 4,224,419 offenbart. Auf die in
diesem Absatz genannten Patentschriften wird hiermit ausdrücklich
Bezug genommen.
Unter Polyarylenethern sind bevorzugt sowohl Polyarylenether an
sich, Polyarylenethersulfide, Polyarylenethersulfone oder Poly
arylenetherketone zu verstehen. Deren Arylengruppen können gleich
oder verschieden sein und unabhängig voneinander einen aromati
schen Rest mit 6 bis 18 C-Atomen bedeuten. Beispiele geeigneter
Arylenreste sind Phenylen, Bisphenylen, Terphenylen, 1,5-Naphthy
len, 1,6-Naphthylen, 1,5-Anthrylen, 9,10-Anthrylen oder 2,6-Anthrylen.
Darunter werden 1,4-Phenylen und 4,4'-Biphenylen bevor
zugt. Vorzugsweise sind diese aromatischen Reste nicht substi
tuiert. Sie können jedoch einen oder mehrere Substituenten tra
gen. Geeignete Polyphenylenether sind unter der Bezeichnung No
ryl® (GE Plastics B. V., Holland) kommerziell erhältlich.
Im allgemeinen weisen die Polyarylenether mittlere Molekularge
wichte Mn (Zahlenmittel) im Bereich von 10 000 bis 60 000 g/mol
und Viskositätszahlen von 30 bis 150 ml/g auf. Die Viskositäts
zahlen werden je nach Löslichkeit der Polyarylenether entweder in
1 gew.-%iger N-Methylpyrrolidon-Lösung, in Mischungen aus Phenol
und o-Dichlorbenzol oder in 96%-iger Schwefelsäure bei jeweils
20°C bzw. 25°C gemessen.
Die Polyarylenether sind an sich bekannt oder können nach an sich
bekannten Methoden hergestellt werden.
Bevorzugte Verfahrensbedingungen zur Synthese von Polyarylene
thersulfonen oder -ketonen sind beispielsweise in der EP-A 113 112
und EP-A 135 130 beschrieben. Polyarylenethersulfone weisen
in der Regel einen Schmelzpunkt von mindestens 320°C, Polyarylene
therketone von mindestens 370°C auf. Geeignete Polyphenylenether
sulfone sind z. B. unter der Bezeichnung Ultrason® E (BASF AG),
geeignete Polyphenylenethterketone unter der Bezeichnung Victrex®
im Handel erhältlich.
Des weiteren sind Polyurethane, Polyisocyanurate und Polyharn
stoffe geeignete Materialien für die Herstellung der Kunststoff
formteile. Weiche, halbharte oder harte, thermoplastische oder
vernetze Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte, beispielsweise Po
lyurethane, Polyisocyanurate und/oder Polyharnstoffe, insbeson
dere Polyurethane, sind allgemein bekannt und im Handel u. a. un
ter der Bezeichnung Elastolan® (Elastogran GmbH) erhältlich. Ihre
Herstellung ist vielfältig beschrieben und erfolgt üblicherweise
durch Umsetzung von Isocyanaten mit gegenüber Isocyanaten reak
tiven Verbindungen bei allgemein bekannten Bedingungen. Bevorzugt
wird die Umsetzung in Gegenwart von Katalysatoren und/oder Hilfs
stoffen durchgeführt. Wenn es sich um geschäumte Polyisocyanat-
Polyadditionsprodukte handelt, so werden diese in Gegenwart von
üblichen Treibmitteln hergestellt.
Als Isocyanate kommen die an sich bekannten aromatischen, aryla
liphatischen, aliphatischen und/oder cycloaliphatischen organi
schen Isocyanate, bevorzugt Diisocyanate in Frage.
Als gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen können beispiels
weise allgemein bekannte Verbindungen mit einem Molekulargewicht
von 60 bis 10000 g/mol und einer Funktionalität gegenüber Isocya
naten von 1 bis 8, bevorzugt 2 bis 6 eingesetzt werden (im Falle
von thermoplastischen Polyurethanen TPU Funktionalität ca. 2),
beispielsweise Polyole mit einem Molekulargewicht von 500 bis
10000 g/mol, z. B. Polyetherpolyole, Polyesterpolyole, Polyether
polyesterpolyole, und/oder Diole, Triole und/oder Polyole mit Mo
lekulargewichten kleiner 500 g/mol.
Polylactide, also Polymere der Milchsäure, sind an sich bekannt
oder können nach an sich bekannten Verfahren hergestellt werden.
Neben Polylactid können auch Co- oder Blockcopolymere auf der Ba
sis von Milchsäure und weiteren Monomeren verwendet werden. Meist
werden lineare Polylactide eingesetzt. Es können aber auch ver
zweigte Milchsäurepolymerisate verwendet werden. Als Verzweiger
können z. B. mehrfunktionelle Säuren oder Alkohole dienen.
Als geeignete halogenhaltige Polymerisate sind insbesondere Poly
merisate des Vinylchlorids zu nennen, insbesondere Polyvinylchlo
rid (PVC) wie Hart-PVC und Weich-PVC, und Copolymerisate des Vi
nylchlorids wie PVC-U-Formmassen.
Weiterhin kommen fluorhaltige Polymere in Betracht, insbesondere
Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen-
Copolymere (FEP), Copolymere des Tetrafluorethylens mit Perfluo
ralkylvinylether, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (ETFE) Po
lyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), Polychlortri
fluorethylen (PCTFE), und Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymere
(ECTFE).
Imidgruppenhaltige Polymere sind insbesondere Polyimide, Poly
etherimide, und Polyamidimide.
Geeignete Celluloseester sind etwa Celluloseacetat, Celluloseace
tobutyrat, und Cellulosepropionat.
Daneben kommen auch Silicon-Polymere als Thermoplaste in Be
tracht. Geeignet sind insbesondere Siliconkautschuke. Dabei han
delt es sich üblicherweise um Polyorganosiloxane, die zu Vernet
zungsreaktionen fähige Gruppen aufweisen. Derartige Polymere wer
den beispielsweise in Römpp Chemie Lexikon, CD-ROM Version 1.0,
Thieme Verlag Stuttgart 1995, beschrieben.
Schließlich kann auch die Verbindungsklasse der Thermoplastischen
Elastomere (TPE) herangezogen werden. TPE lassen sich wie Thermo
plaste verarbeiten, haben jedoch kautschukelastische Eigenschaften.
Es sind TPE-Blockpolymere, TPE-Pfropfpolymere und segmen
tierte TPE-Copolymere aus zwei oder mehr Monomerbausteinen geei
gnet. Besonders geeignete TPE sind thermoplastische Polyurethan-
Elastomere (TPE-U oder TPU), Styrol-Oligoblock-Copolymere (TPE-S)
wie SBS (Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymer) und SEBS (Styrol-
Ethylen-Butylen-Styrol-Blockcopolymer, erhältlich durch Hydrieren
von SBS), thermoplastische Polyolefin-Elastomere (TPE-O), therm
plastische Polyester-Elastomere (TPE-E), thermoplastische Poly
amid-Elastomere (TPE-A) und insbesondere thermoplastische Vulka
nisate (TPE-V). Einzelheiten zu TPE findet der Fachmann in G.
Holden et al., Thermoplastic Elastomers, 2. Auflage, Hanser Ver
lag, München 1996.
Die Kunststoffformteile (A, B) können darüber hinaus übliche Zu
satzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel enthalten.
Geeignete Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel sind z. B.
Gleit- oder Entformungsmittel, Kautschuke, Antioxidantien, Stabi
lisatoren gegen Lichteinwirkung, Antistatika, Flammschutzmittel
oder faser- und pulverförmige Füll- oder Verstärkungsmittel sowie
andere Zusatzstoffe oder deren Mischungen.
Geeignete Gleit- und Entformungsmittel sind z. B. Stearinsäuren,
Stearylalkohol, Stearinsäureester oder -amide, Siliconöle, Me
tallstearate, Montanwachse und solche auf Basis von Polyethylen
und Polypropylen.
Geeignete Antioxidantien (Wärmestabilisatoren) sind etwa sterisch
gehinderte Phenole, Hydrochinone, Arylamine, Phosphite, verschie
dene substituierte Vertreter dieser Gruppe, sowie deren Mischun
gen. Sie sind etwa als Topanol®, Irgafos®, Irganox® oder Naugard®
im Handel erhältlich.
Geeignete Stabilisatoren gegen Lichteinwirkung sind z. B. ver
schiedene substituierte Resorcine, Salicylate, Benzotriazole,
Benzophenone, HALS (Hindered Amine Light Stabilizers), wie sie
z. B. als Produkt mit der Bezeichnung Tinuvin® kommerziell erhält
lich sind.
Geeignete Antistatika sind beispielsweise Aminderivate wie N,N-
Bis(hydroxyalkyl)alkylamine oder -alkylenamine, Polyethylenglyco
lester oder Glycerinmono- und -distearate, sowie deren Mischun
gen.
Geeignete Flammschutzmittel sind z. B. die dem Fachmann bekannten
halogenhaltigen Verbindungen, allein oder zusammen mit Antimon
trioxid, oder phosphorhaltige Verbindungen, Magnesiumhydroxid,
roter Phosphor, sowie andere gebräuchliche Verbindungen oder de
ren Mischungen. Unter bekannte Flammschutzmittel fallen z. B. die
in der DE-A 196 32 675 oder die in der Encyclopedia of Chemical
Technology, Hrsg. R. Kirk und D. Othmer, Vol. 10, 3. Aufl., Wi
ley, New York, 1980, Seiten 340 bis 420, offenbarten Phosphorver
bindungen, wie Phosphate, z. B. Triarylphosphate wie Triskresyl
phosphat, Phosphite, z. B. Triarylphosphite, oder Phosphonite. Als
Phosphonite werden in der Regel Bis-(2,4-di-tert.-butylphe
nyl)-phenylphosphonit, Tris-(2,4-di-tert.butylphenyl)-phosphonit,
Tetrakis-(2,4-di-tert.butyl-6-methylphenyl)-4,4'-biphenylylen-di-
phosphonit, Tetrakis-(2,4-di-tert.butylphenyl)-4,4'-biphenylylen-
diphosphonit, Tetrakis-(2,4-di-methylphenyl)-1,4-phenylylen-
diphosphonit, Tetrakis-(2,4-di-tert.butylphenyl)-1,6-hexylylen-
diphosphonit und/oder Tetrakis-(3,5-di-methyl-4-hydroxy-phe
nyl)-4,4'-biphenylylen-diphosphonit, Tetrakis-(3,5-di-tert.-bu
tyl-4-hydroxy-phenyl)-4,4'-biphenylylen-diphosphonit verwendet.
Geeignete Diphosphonite stellen Tetrakis-(2,4-di-tert.-butylphe
nyl)-4,4'-biphenylen-diphosphonit, Tetrakis-(2,4-di-tert.butyl
phenyl)-1,6-hexylylen-iphosphonit, Tetra
kis-(3, 5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-4,4'-biphenylylen-diphosphonit
und Tetrakis-(3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)-4,4'-bipheny
lylen-diphosphonit sowie Tetrakis-(2,4-di-tert.butyl)-1,4-pheny
lylen-diphosphonit dar.
Des weiteren geeignet sind anorganische Flammschutzmittel auf der
Basis von Hydroxiden oder Carbonaten, insbesondere des Magnesi
ums; anorganische und organische Borverbindungen, wie Borsäure,
Natriumborat, Boroxid, Natriumtetraphenylborat und Tribenzylbo
rat, stickstoffhaltige Flammschutzmittel, wie Iminophosphorane,
Melamincyanurat und Ammoniumpolyphosphate, sowie Melaminphosphat
(s. a. Encyclopedia of Chemical Technology, ibid.). Als Flamm
schutzmittel kommen weiterhin auch Gemische mit Antitropfmitteln
wie Teflon oder hochmolekulares Polystyrol in Frage.
Als Beispiele für faserförmige bzw. pulverförmige Füll- und Ver
stärkungsstoffe seien Kohlenstoff- oder Glasfasern in Form von
Glasgeweben, Glasmatten oder Glasseidenrovings, Schnittglas sowie
Glaskugeln genannt, besonders bevorzugt Glasfasern. Die verwende
ten Glasfasern können aus E-, A- oder C-Glas sein und sind vor
zugsweise mit einer Schlichte, z. B. auf Epoxyharz-, Silan-, Ami
nosilan- oder Polyurethanbasis und einem Haftvermittler auf der
Basis funktionalisierter Silane ausgerüstet. Die Einarbeitung der
Glasfasern kann sowohl in Form von Kurzglasfasern als auch in
Form von Endlossträngen (Rovings) erfolgen.
Außerdem seien als Füllstoffe Metallflocken, Metallpulver, Me
tallfasern, metallbeschichtete Füllstoffe (z. B. nickelbeschich
tete Glasfasern) sowie andere Zuschlagstoffe, die elektromagneti
sche Wellen abschirmen, genannt. Insbesondere kommen für letzte
ren Zweck Aluminiumflocken in Betracht, ferner das Abmischen die
ser Masse mit zusätzlichen Kohlenstoffasern, Leitfähigkeitsruß
oder nickelbeschichteten Kohlenstoffasern.
Als teilchenförmige Füllstoffe eignen sich z. B. Ruß, Graphit,
amorphe Kieselsäure, Whisker, Aluminiumoxidfasern, Magnesiumcar
bonat (Kreide), gepulverter Quarz, Glimmer, Mica, Bentonite, Tal
kum, Feldspat oder insbesondere Calciumsilikate wie Wollastonit
und Kaolin.
Die faser-, pulver- bzw. teilchenförmigen Füll- und Verstärkungs
stoffe werden üblicherweise in Mengen von 1 bis 60, bevorzugt 10
bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Kunststoffformteil, verwendet.
Des weiteren können die Kunststoffformteile (A, B) Farbmittel
enthalten, z. B. solche, wie sie nachfolgend für die Einfärbung
der Materialschichten (C1) und (C2) des Kunststoffformkörpers (C)
beschrieben werden. Demgemäß können die Kunststoffformteile (A,
B) gleich- oder verschiedenfarbig und darüber hinaus sowohl
beide Laserstrahlung transmittierend als auch beide Laserstrah
lung absorbierend sein.
Die Herstellung der Kunststoffformteile aus den Polymerformmas
sen, den Zusatzstoffen, Verarbeitungshilfsmitteln und/oder Farb
mitteln kann nach an sich bekannten Mischverfahren erfolgen, bei
spielsweise unter Aufschmelzen in einem Extruder, Banbury-Mi
scher, Kneter, Walzenstuhl oder Kalander. Die Komponenten können
jedoch auch "kalt" verwendet werden und das pulvrige oder aus
Granulaten bestehende Gemisch wird erst bei der Verarbeitung auf
geschmolzen und homogenisiert.
Bevorzugt werden die Komponenten, gegebenenfalls mit den erwähn
ten Zusatzstoffen, Verarbeitungshilfsmitteln und/oder Farbmit
teln, in einem Extruder oder einer anderen Mischvorrichtung bei
Temperaturen von 100 bis 320°C unter Aufschmelzen des thermopla
stischen Polymeren vermischt und ausgetragen. Die Verwendung ei
nes Extruders ist besonders bevorzugt, insbesondere eines gleich
sinnig drehenden, dichtkämmenden Zweischneckenextruders.
Aus den Formmassen lassen sich Kunststoffformteile (auch Halb
zeuge) aller Art herstellen, die dann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren miteinander verbunden werden. Kunststoffformteil im
Sinne der Erfindung ist z. B. ein Spritzgußformteil oder ein tiefgezogenes
Formteil, und schließt Folien und Halbzeuge (Tafeln,
Rohre, Platten, Stäbe, etc.) ein.
Die Kunststoffformteile (A, B) werden über ein weiteres Formteil
(C), enthaltend eine Laserstrahlung transmittierende Material
schicht (C1) auf der der Einfallsrichtung der Laserstrahlung zu
gewandten Seite und, mit dieser in Kontakt stehend oder unmittel
bar verbunden, eine Laserstrahlung absorbierende Materialschicht
(C2), miteinander verbunden.
Laserstrahlung transmittierend im Sinne der vorliegenden Erfin
dung bedeutet, dass die Laserstrahlung nicht oder nur in unter
geordnetem Ausmaß absorbiert wird, d. h. Laserstrahlung transmit
tierendes Material lässt die Laserstrahlung vollständig oder
überwiegend durch, wobei insbesondere nicht mehr als 40% der La
serstrahlung absorbiert werden.
Als Materialien für die Schicht (C1) kommen Laserstrahlung trans
mittierende Thermoplaste oder deren Mischungen in Frage. Es kann
sich bei der Materialschicht (C1) auch um eine Verbundschichtfo
lie oder -platte aus zwei oder mehreren Schichten handeln, die
für Laserstrahlung durchlässig ist. Grundsätzlich kann hierfür
auf die vorgenannten Thermoplaste zurückgegriffen werden, sofern
diese Laserstrahlung transmittierend sind. Grundsätzlich trifft
dieses auf die dem Fachmann bekannten amorphen Thermoplaste zu,
allerdings kommen auch teilkristalline Thermoplaste wie Polyamid,
Polybutylenterephthalat und Polyoxymethylen in Frage, sofern die
Schichtdicke entsprechend gewählt wird, damit das oben angeführte
Kriterium erfüllt ist.
Besonders geeignete Thermoplaste für die Materialschicht (C1)
stellen transparente oder transluzente Polymere wie Polymethylme
thacrylat, Stryol/Acrylnitril-Copolymerisat (SAN, z. B. das Han
delsprodukt Luran® (BASF AG)), ASA-Copolymerisate (z. B. das Han
delsprodukt Luran® S (BASF AG)), Polycarbonat, amorphes Polyamid,
Polyethersulfone, Polysulfone, Polystyrol, Mischungen aus Polyme
thyl(meth)acrylaten und SAN-Polymerisaten, die mit Polyacrylat
kautschuken schlagzäh modifizier sind (z. B. Terlux® (BASF AG)),
Polyethylen, Polypropylen oder Mischungen aus Polybutylentereph
thalat und Polycarbonat oder Polybutylenterephthalat und Poly
ethylenterephthalat dar.
Die Materialschicht (C1) kann auch Farbmittel enthalten, die
nicht im Wellenlängenbereich der eingesetzten Laserstrahlung ab
sorbieren, oder solche, die zwar Laserstrahlung absorbieren, al
lerdings aufgrund des gewählten Konzentrationsbereiches oder der
Dicke der Schicht (C1) im Sinne der Erfindung ausreichend Laserstrahlung
transmittierend bleiben. Als Farbmittel kommen z. B. die
nachfolgend in Tabelle 1 beschriebenen lasertransparenten Farb
mittel in Frage. Die darin angegebenen Farbmittelkonzentrationen
stellen bevorzugte Ausführungsformen dar und beziehen sich auf
die Gesamtmasse der Materialschicht (C1).
Unter einem Farbmittel versteht man alle farbgebenden Stoffe nach
DIN 55 944, welche in anorganische und organische Farbmittel so
wie natürliche und synthetische einteilbar sind (s. Römpps Che
mie-Lexikon, 1981, 8. Auflage, S. 1237). Nach DIN 55943 (Sept.
1984) und DIN 55945 (Aug. 1983) ist ein Pigment ein im Anwen
dungsmedium praktisch unlösliches, anorganisches oder organi
sches, buntes oder unbuntes Farbmittel. Farbstoffe sind in Lö
sungsmitteln und/oder Bindemitteln (hier also in den den Kunst
stoffformmassen zugrunde liegenden Materialien) lösliche, anorga
nische oder organische, bunte oder unbunte Farbmittel.
Zur Bezeichnung der Farbmittel wird nachfolgend die Nomenklatur
der Colour Index (C. I.) verwendet. Alle Farbmittelbezeichnungen
wie "Solvent Orange 60" oder "Pigment Red 101" sind C. I.-Bezeich
nungen. Der Kürze halber wird der Namensbestandteil "C. I." nach
folgend zuweilen weggelassen.
Einige der genannten Farbmittel können in verschiedenen Struktu
ren vorliegen, die sich geringfügig voneinander unterscheiden.
Beispielsweise können Pigmente mit verschieden Metallionen ver
lackt sein, wodurch unterschiedliche Formen des Pigments entste
hen. Diese Formen werden gemäß C. I. ggf. durch Anhängen eines
Doppelpunkts und einer Ziffer bezeichnet, z. B. Pigment Red 48 für
das mit Natrium verlackte Pigment, Pigment Red 48 : 1 mit Calcium
verlackt, Pigment Red 48 : 2 mit Barium verlackt, Pigment Red 48 : 3
mit Strontium verlackt, Pigment Red 48 : 4 mit Magnesium verlackt.
Die hier genannten C. I.-Farbmittelbezeichnungen sind so zu ver
stehen, dass sie alle diese Formen bzw. Strukturen umfassen. Sie
sind im Colour Index verzeichnet. Pigment Red 48 : 3 ist besonders
bevorzugt.
Bevorzugt enthält die Materialschicht (C1) insgesamt (Summe aller
Farbmittel) 0,01 bis 5, besonders bevorzugt 0,015 bis 2 und ganz
besonders bevorzugt 0,02 bis 0,4 Gew.-% an Farbmitteln.
Die Dicke der Materialschicht (C1) kann frei gewählt werden, so
lange sie Laserstrahlung transmittierend ist, und hängt vom ge
wählten Polymermaterial ebenso ab wie von Farbmittelzusätzen oder
dem Einsatzzweck des Verbundformkörpers. Bevorzugt sind Schicht
dicken im Bereich kleiner 15 mm, bevorzugt im Bereich von 0,0005
bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,25 bis 5 und insbesondere 0,5
bis 3 mm. Regelmäßig wird über die Dicke der Schicht (C1) die
Stabilität oder Steifigkeit der mittels Laserschweißens erzeugten
Verbindung festgelegt.
An die Materialschicht (C1) schließt sich in einer bevorzugten
Ausführungsform eine mit dieser verbundene Materialschicht (C2)
an, die Laserstrahlung absorbierend ist. Dabei kann das die Mate
rialschicht (C2) bildende Polymermaterial selber Laserstrahlung
absorbierend sein oder durch entsprechende Zusatzstoffe Laser
strahlung absorbierend gemacht werden. Bevorzugt liegt der Mate
rialschicht (C2) ein Thermoplast oder eine Mischung aus Thermoplasten
wie vorgehend für die Kunststoffformmassen (A, B) be
schrieben zugrunde. Diese Thermoplasten oder deren Mischungen
können auch mit den für die Materialschicht (C1) verwendeten
übereinstimmen. Ebenso können sie mit den für die Kunststoffform
teile (A, B) verwendeten Materialien übereinstimmen. Dieses ist
jedoch nicht unbedingt erforderlich für das Gelingen des erfin
dungsgemäßen Verfahrens. Vorteilhafterweise ist das der Schicht
(C2) zugrunde liegende Kunststoffmaterial mit dem Kunststoffmate
rial der Kunststoffformteile (A, B) verträglich, d. h. die jewei
ligen Schmelzen dieser Materialien sind partiell oder vollständig
mischbar.
Bevorzugte Thermoplaste für die Materialschicht (C2) sind vinyla
romatische (Co)polymere, wie vorgehend beschrieben, also bei
spielsweise ASA-, ABS-, AES- oder SAN-Copolymerisate, des wei
teren Polyamide oder Polybutylenterephthalat oder deren Mischun
gen.
Im Sinne der Erfindung ist die Materialschicht (C2) dann Laser
strahlung absorbierend, wenn die Laserstrahlung von dieser
Schicht vollständig oder überwiegend absorbiert wird, d. h. die
Laserstrahlung nicht oder nur in untergeordnetem Ausmaß, insbe
sondere nicht mehr als 40% durchgelassen wird.
Die Dicke der Schicht (C2) liegt im allgemeinen im Bereich von
0,005 bis 1,5, bevorzugt von 0,01 bis 0,5 und besonders bevorzugt
von 0,05 bis 0,3 mm.
Sofern die Materialschicht (C2) nicht bereits durch die Wahl ge
eigneter Thermoplaste Laserstrahlung absorbierende Eigenschaften
aufweist, wird dieses durch die Wahl von Farbmitteln oder Zusatz
stoffen in entsprechender Konzentration herbeigeführt.
Bevorzugt wählt man die in der Materialschicht (C2) enthaltenen
Farbmittels aus unter Ruß, Knochenkohle, C. I. Pigment Black 11
oder den Farbmitteln gemäß Tabelle 1, wobei für letztere die Kon
zentration oberhalb der in Tabelle 1 angegebenen Obergrenzen zu
liegen hat. Geeignete Zusatzstoffe stellen z. B. auch gängige Fa
serstoffe wie Kohlenstoff- oder Glasfasern oder Füllmaterialien
wie Graphit, Kreide, Wollastonit oder Kaolin dar. Bevorzugt wird
auch auf handelsübliche Flammschutzmittel wie die vorgehend be
schriebenen organischen Phosphate, Phosphite, Phosphonite oder
auf elementaren (roten) Phosphor zu diesem Zweck zurückgegriffen.
Als Ruße kommen insbesondere solche in Frage, die ein Porenvolu
men, bestimmt mittels DBP-Absorption (DBP = Dibutylphthalat) ge
mäß DIN 53 601, von 10 bis 300, bevorzugt 40 bis 150 und insbesondere
90 bis 120 ml/100 g, aufweisen. Die DBP-Adsorptionsrate
wird im allgemeinen nach DIN 53 601 oder ASTM-D 2414 bestimmt und
stellt ein Maß für die Struktur des jeweiligen Rußes dar. Unter
Struktur versteht man die Verkettung von Rußprimärteilchen zu Ag
gregaten. Zur Bestimmung dieser Kenngröße wird zu 10 g Pigmen
truß, der in einem Kneter mit meßbarer Kraftübertragung (Plasto
graphen) vorgelegt wird, so lange Dibutylphthalat zugetropft, bis
das maximale Drehmoment (Netzpunkt des Rußes) überschritten ist.
Bevorzugt sind Ruße mit einer spezifischen Oberfläche nach
BET (gemäß DIN 60 132 oder ASTM D 3037) von mindestens 10 bis
1000, bevorzugt 30 bis 500, insbesondere 100 bis 300 m2/g. Weiter
hin sind Ruße mit einer Iodadsorption (gemäß DIN 53 582 oder
ASTM-D 1510) von 23 bis 500 bevorzugt. Außerdem bevorzugt sind
Ruße mit einem pH-Wert, bestimmt nach DIN EN ISO 787/9 bzw. ASTM
D 1512, von 1 bis 14, insbesondere 3 bis 11. Die mittlere Primär
teilchengröße beträgt üblicherweise 5 bis 500, vorzugsweise 10
bis 100 und insbesondere 14 bis 60 nm. Derartige Rußtypen sind
z. B. unter den Markenbezeichnungen Printex® (von Degussa AG) oder
Raven® (von Columbian) erhältlich.
Knochenkohle ist ein mineralisches Schwarzpigment enthaltend ele
mentaren Kohlenstoff, und wird auch als Knochenschwarz, Elfen
beinschwarz oder C. I. Pigment Black 9 bezeichnet. Bevorzugte Kno
chenkohlen enthalten 70 bis 90, insbesondere 75 bis 85 Gew.-%
Calciumphosphat und 10 bis 30, insbesondere 15 bis 25 Gew.-% Koh
lenstoff. Bevorzugte Knochenkohlen haben eine Dichte von 2,3 bis
2,8, insbesondere 2,4 bis 2,6 g/ml, und eine Teilchengröße von 1
bis 50, insbesondere 2 bis 25 µm.
Sofern es sich bei den Farbmitteln um Pigmente handelt, weisen
diese im allgemeinen einen mittleren Teilchendurchmesser von 0,01
bis 100 Mikrometer, bevorzugt von 0,01 bis 10 Mikrometer auf. Der
mittlere Teilchendurchmesser kann z. B. mittels Elektronenmikros
kopie (Lichtstreuung) oder Messung der Sedimentationsgeschwindig
keit bestimmt werden.
Es können auch beliebige Mischungen der vorgenannten Farbmittel
und/oder Zusatzstoffe eingesetzt werden.
Bevorzugt enthält Materialschicht (C2) insgesamt (Summe aller
Farbmittel und Zusatzstoffe) mindestens 0,01 Gew.-% an Farbmit
teln und/oder Zusatzstoffen, bezogen auf das Gesamtgewicht der
Materialschicht (C2).
Bei der Laserstrahlung absorbierenden Materialschicht (C2) ist
bezüglich der Obergrenze der bevorzugten Farbmittelkonzentration
lediglich zu beachten, dass die Laserstrahlung eine gewisse Mindesteindringtiefe
in diese Schicht haben muss, damit sich die zum
Verschweißen erforderliche Schmelze bilden kann. Sehr hohe Farb
mittelkonzentrationen in der Schicht (C2) würden dazu führen,
dass die Laserstrahlung nur an der Grenzfläche Schicht
(C1)/Schicht (C2) absorbiert wird, wodurch keine bzw. zuwenig
Schmelze an der Oberfläche von (C2), die mit den Kunststoffform
massen in Kontakt tritt, gebildet wird. In diesem Fall würde
keine oder nur eine mangelhafte Schweißverbindung mit den Kunst
stoffformmassen (A, B) entstehen.
Die Farbmittel und/oder Zusatzstoffe können mit den den Kunst
stoffformmassen (A, B) oder den Materialschichten (C1) und (C2)
zugrunde liegenden Polymeren in üblicher Weise vermischt werden.
Beispielsweise kann man Polymer und Farbmittel und/oder Zusatz
stoff unter Aufschmelzen des Polymeren in einem Extruder, Ban
bury-Mischer, Kneter, Walzenstuhl oder Kalander vermischen. Die
Komponenten können jedoch auch "kalt" verwendet, d. h. unaufge
schmolzen vermengt werden. Das pulvrige oder aus Granulaten be
stehende Gemisch wird dann erst bei der Verarbeitung aufgeschmol
zen und homogenisiert.
Insbesondere kann man auch zunächst das oder die Farbmittel und/
oder Zusatzstoffe mit einer vergleichsweise geringen Menge des
Polymeren abmischen, wodurch ein Farbmittelkonzentrat (sog. Ma
sterbatch) entsteht. In der Regel enthält ein Masterbatch 0,005
bis 30 Gew.-% Farbmittel. Das Farbmittel-freie Polymere wird dann
mit einer definierten Menge des Masterbatches abgemischt.
Die Materialschichten (C1) und (C2) können nach gängigen Verfah
ren, z. B. mittels Extrusion oder Gießen, separat hergestellt und
anschließend über bekannte Laminier- oder Kaschierverfahren, z. B.
im beheizten Walzenspalt, miteinander verbunden werden. Des wei
teren können die Materialschichten (C1) und (C2) nach dem Verfah
ren der Coextrusion, wie im Handbuch der Kunststoff-Extrusions
technik I, Grundlagen, Hrsg. F. Hensen, W. Knappe und H. Potente,
Hanser Verlag, München, 1989, insbesondere Kapitel 8.7, beschrie
ben, in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Bevorzugt sind die
Verfahren der Düsen- und Adaptercoextrusion. Die Düsencoextrusion
findet sich z. B. in der EP-A 0 225 500 erläutert. Die Herstellung
von Verbundschichtfolien nach dem Adaptercoextrusionsverfahren
ist z. B. in dem Tagungsband der Fachtagung Extrusionstechnik
"Coextrusion von Folien", 8./9. Oktober 1996, VDI-Verlag Düssel
dorf, insbesondere in dem Beitrag von Dr. Netze, beschrieben.
Dieses wirtschaftliche Verfahren kommt bei den meisten Coextru
sionsanwendungen zum Einsatz.
In einer alternativen Ausführungsform stellt die Schicht (C2)
eine separate Materialschicht, z. B. in Form einer Folie oder ei
nes Folienstreifens, dar, die mit der Schicht (C1) in engem Kon
takt steht und z. B. über Hilfsmittel wie Klemmen oder punktuelle
Verklebungen oder über den Auflagedruck der Materialschicht (C1)
in die gewünschte Position gebracht und dort während des
Schweißvorgangs gehalten wird.
In weiteren Ausführungsformen ist auf die Außenfläche der Mate
rialschicht (C2) zusätzlich, durchgängig oder partiell, eine
dünne Haftschicht (C0) aufgebracht, die die Befestigung des Form
körpers (C) an den Kunststoffformteilen (A, B) erleichtert und
zumindest bis zur Laserbestrahlung für eine temporäre Fixierung
sorgt. Die Haftschicht (C0) setzt sich geeigneterweise aus einem
Material zusammen, dessen Schmelzpunkt in etwa dem des Polymeren
entspricht oder niedriger ist als dasjenige Material, das der
Schicht (C2) zugrunde liegt. Die Dicke der Schicht (C0) liegt
üblicherweise im Bereich von 0,0001 bis 0,1 mm. Das Material der
Haftschicht (C0) ist bevorzugt mit dem der Kunststoffformkörper
(A, B) verträglich. Aufgrund der regelmäßig geringen Anteile an
Haftschicht (C0), bezogen auf die Materialschicht (C2), ist es
allerdings im allgemeinen unschädlich, wenn das Haftschichtmate
rial mit dem Material der Kunststoffformteile (A, B) und/oder dem
der Schicht (C2) partiell unverträglich ist.
Das Formteil (C) weist jeweils Überlappungsbereiche mit den
Kunststoffformteilen (A, B) auf, wobei die Materialschicht (C2)
bzw. (C0) in Kontakt steht mit den Oberflächen dieser Formteile.
Geeigneterweise sind die Oberflächenstrukturen der überlappenden
Formteile zumindest in Teilbereichen einander angepasst, so dass
sich die Formteile unmittelbar berühren können oder einen Abstand
nicht größer als 300 µm beim Laserschweißvorgang aufweisen. Be
vorzugt ist dieser Abstand kleiner 200, insbesondere kleiner 100 µm.
Das Formteil (C) kann dabei z. B. als Stab, Folie oder Platte aus
gebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform verfügt das Formteil (C) über
Aufnahmeeinheiten für die zu verbindenden Kunststoffformteile (A,
B) bzw. für bestimmte Segmente dieser Formteile, welche Ab
schnitte dieser Kunststoffformteile (A, B) formschlüssig aufneh
men können. Ein solches über Aufnahmeeinheiten verfügendes Form
teil (C) wird nachfolgend auch als Halterung bezeichnet. Je nach
äußerer Form der Formteile (A, B) können diese Aufnahmeeinheiten
z. B. mulden-, halbkugel-, quader-, kegel- oder trapezförmig aus
gestaltet sein. Der Bereich der Aufnahmeeinheit ist teilweise
oder vollständig mit der Materialschicht (C2) und gegebenenfalls
(C0) versehen. Diese Aufnahmeeinheiten schaffen die Möglichkeit,
die Formteile für die Dauer der Laserbestrahlung zu fixieren. Be
vorzugt sind diese Aufnahmeeinheiten als Klipp ausgestaltet. Je
nach Anzahl der zu verbindenden Formteile können Aufnahmeeinhei
ten in entsprechender Zahl vorgesehen werden. Sind zwei Formteile
miteinander zu verbinden, kann z. B. auf ein im Querschnitt H-för
miges Formteil (C) zurückgegriffen werden, dessen sich gegenüber
stehende Flächen parallel oder im wesentlichen parallel zueinan
der verlaufen und wobei diese Flächen gleich oder unterschiedlich
groß sein können. Selbstverständlich kann auch bei dieser Ausfüh
rungsform die Schicht (C2) zusätzlich mit einer dünnen Haft
schicht (C0) versehen sein. Bei zu verbindenden plattenförmigen
Kunststoffformteilen (A, B) werden die Aufnahmeeinheiten übli
cherweise in der Form der Ränder dieser Formteile exakt angepasst
oder sind im Querschnitt trapezförmig ausgestaltet, wobei die
kürzere der parallelen Seitenflächen die Öffnung der Aufnahmeein
heit darstellt. Bevorzugt stellt das Formteil (C) demnach eine
klippförmige Halterung dar. Diese Halterung kann sich über die
gesamte Länge der zu verbindenden Kunststoffformteilkanten er
strecken und die Form einer Schiene annehmen oder auch nur ein
oder mehrere Bereiche der Kunststoffformteile miteinander ver
binden.
Indem die Aufnahmeeinheiten derart gestaltet sind, dass sie Rand
bereiche der Kunststoffformteile (A, B) einklemmen können, werden
diese Formteile nicht nur fixiert, sondern es kann während des
Laserschweißvorgangs ein Fügedruck aufrecht erhalten werden, der
zu einer besonders innigen und undurchlässigen Schweißnaht führt.
Auf diese Weise können insbesondere auch Bauteile bzw. platten
förmige Gebilde, die großflächig und/oder dünnwandig sind, ohne
zusätzlichen apparativen Aufwand fixiert und laserverschweißt
werden.
Von den sich gegenüber liegenden Flächen der Aufnahmeeinheiten,
die auf den überlappenden Wandungsbereichen der Kunststoffform
teile aufliegen, kann jeweils nur eine Fläche oder auch sämtliche
Flächen mit einer Materialschicht (C2) ausgestattet sein. Für
letzteren Fall kann dann eine um- bzw. beidseitige Laserver
schweißung vorgenommen werden, wodurch eine Doppelschweißnaht
entsteht, was zu einer besonders festen Verbindung führt.
Des weiteren ist es möglich, Formteile (C) zu verwenden, deren
jeweilige Aufnahmeeinheiten über Materialschichten (C2) verfügen,
die auf unterschiedlichen Polymermaterialien basieren. Auf diese
Weise ist es möglich, Kunststoffformteile (A, B) miteinander zu
verbinden, die aus nicht verträglichen oder mischbaren Polymeren
bestehen. Vorteilhaft ist hierbei, dass das Polymermaterial des
einen Kunststoffformteils mit dem Polymermaterial der Schicht
(C2) der überlappenden Aufnahmeeinheit nicht gänzlich unverträg
lich ist, d. h. eine zumindest partiell mischbare Schmelze bildet,
und dass in entsprechender Weise das Polymermaterial des anderen
Kunststoffformteils mit dem Schicht-(C2)-Polymermaterial der an
deren Aufnahmeeinheit nicht gänzlich unverträglich ist. Insoweit
nur die Schicht-(C2)-Materialien unterschiedlich zu sein haben,
kann der Grundkörper weiterhin aus einheitlichem Material der
Schicht (C1) bestehen, was weiterhin eine undurchlässige und
steife Verbindung sicherstellt. Demnach ist es für den Fall un
terschiedlicher, nicht verträglicher Polymermaterialien für die
zu verbindenden Kunststoffformteile nicht nötig, Aufnahmeeinhei
ten enthaltend unterschiedliche Schicht-(C2)-Materialien mittels
Verkleben, Nieten oder Verschrauben verbinden zu müssen. Gleich
wohl kommen auch diese Varianten in Betracht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich mittels Laser
schweißen aus zwei oder mehreren Kunststoffformteilen zusammenge
setzte Verbundformteile aller Art herstellen.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Laserstrahlung
hat im allgemeinen eine Wellenlänge im Bereich von 150 bis 11000,
vorzugsweise im Bereich von 700 bis 2000, insbesondere 800 bis
1100 nm.
Prinzipiell sind alle üblichen Laser geeignet, beispielsweise
Gaslaser und Festkörperlaser. Gaslaser sind z. B. (in Klammern ist
die typische Wellenlänge der emittierten Strahlung angegeben):
CO2-Laser (10600 nm = 10,6 ?m)
Argon-Gaslaser (488 nm und 514,5 nm)
Helium-Neon-Gaslaser (543 nm, 632,8 nm, 1150 nm)
Krypton-Gaslaser (330 bis 360 nm, 420 bis 800 nm)
Wasserstoff-Gaslaser (2600 bis 3000 nm)
Stickstoff-Gaslaser (337 nm)
CO2-Laser (10600 nm = 10,6 ?m)
Argon-Gaslaser (488 nm und 514,5 nm)
Helium-Neon-Gaslaser (543 nm, 632,8 nm, 1150 nm)
Krypton-Gaslaser (330 bis 360 nm, 420 bis 800 nm)
Wasserstoff-Gaslaser (2600 bis 3000 nm)
Stickstoff-Gaslaser (337 nm)
Festkörperlaser sind z. B. (in Klammern die typische Wellenlänge
der emittierten Strahlung):
Nd:YAG-Laser (Nd3+:Y3Al5O12) (1064 nm)
Hochleistungsdioden-Laser (800 bis 1000 nm)
Rubinlaser (694 nm)
F2-Excimerlaser (157 nm)
ArF-Excimerlaser (193 nm)
KrCl-Excimerlaser(222 nm)
KrF-Excimerlaser (248 nm)
XeCl-Excimerlaser (308 nm)
XeF-Excimerlaser (351 nm)
sowie frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser mit Wellenlängen von 532 nm (frequenzverdoppelt), 355 nm (frequenzverdreifacht) oder 266 nm (frequenzvervierfacht).
Nd:YAG-Laser (Nd3+:Y3Al5O12) (1064 nm)
Hochleistungsdioden-Laser (800 bis 1000 nm)
Rubinlaser (694 nm)
F2-Excimerlaser (157 nm)
ArF-Excimerlaser (193 nm)
KrCl-Excimerlaser(222 nm)
KrF-Excimerlaser (248 nm)
XeCl-Excimerlaser (308 nm)
XeF-Excimerlaser (351 nm)
sowie frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser mit Wellenlängen von 532 nm (frequenzverdoppelt), 355 nm (frequenzverdreifacht) oder 266 nm (frequenzvervierfacht).
Die verwendeten Laser werden üblicherweise bei Leistungen von 1
bis 200, bevorzugt 5 bis 100 und insbesondere 10 bis 50 Watt be
trieben.
Die Energiedichten der eingesetzten Laser werden in der Literatur
üblicherweise als sog. "Streckenenergien" angegeben und liegen
bei der vorliegenden Erfindung im allgemeinen im Bereich von 0,1
bis 50 J/mm. Die tatsächliche Energiedichte ist definiert als
eingebrachte Leistung/erzeugte Schweißfläche. Dieser Wert ist dem
Verhältinis Streckenenergie/Breite der erzeugten Schweißnaht
gleichzusetzen. Die tatsächlichen Energiedichten der verwendeten
Laser betragen üblicherweise 0,01 bis 25 J/mm2.
Die zu wählende Energiedichte hängt u. a. davon ab, ob die zu ver
bindenden Kunststoffformteile Füll- oder Verstärkungsstoffe oder
andere stark laserabsorbierende Stoffe enthalten. Für Polymere,
die keine Füll- oder Verstärkungsstoffe enthalten, betragen die
Energiedichten üblicherweise 1 bis 20, insbesondere 3 bis 10 J/mm.
Für Polymere, die Füll- oder Verstärkungsstoffe enthalten,
betragen sie üblicherweise 3 bis 50, insbesondere 5 bis 20 J/mm.
Entsprechende Laser, die im erfindungsgemäßen Verfahren einge
setzt werden können, sind kommerziell erhältlich.
Besonders bevorzugte Laser emittieren im kurzwelligen Infrarot-
Bereich. Solche besonders bevorzugten Laser sind Festkörperlaser,
insbesondere der Nd:YAG-Laser (Nd3+:Y3Al5O12) (1064 nm), und Hoch
leistungsdioden-Laser (800 bis 1000 nm). Der Nd:YAG-Laser und der
Hochleistungsdiodenlaser sind besonders bevorzugt. Der Nd:YAG-La
ser und der Diodenlaser werden bevorzugt zum Verbinden anderer
Formteile verwendet.
Die Laserstrahlung kann ortsfest (unbewegt) sein und die zu ver
bindenden Formteile können an der Laserstrahlung vorbei bewegt
werden. Ebenso können die Formteile ortsfest (ruhend) sein und
die Laserstrahlung kann an den Formteilen vorbei bewegt werden.
Dabei kann die Laserstrahlung bewegt werden, indem man den Laser
als ganzes, nur den Laserkopf, oder nur die aus dem Laser austre
tende Laserstrahlung über optische oder optisch-mechanische Vor
richtungen bewegt. Solche Vorrichtungen können z. B. Linsen, Spiegel,
lichtleitende Kabel, insbesondere Glasfaserkabel, und andere
in der Lasertechnologie gebräuchliche Vorrichtungen, sowie Kom
binationen der genannten Vorrichtungen, sein. Es ist auch mög
lich, dass sich sowohl Laserstrahlung als auch Formteile bewegen.
Unabhängig von den vorgenannten Ausführungsformen beträgt die re
lative Bewegungsgeschwindigkeit (nachfolgend kurz "Geschwindig
keit") der Laserstrahlung zu den Formteilen üblicherweise 1 bis
10000 mm/s, bevorzugt 5 bis 500 und insbesondere 10 bis 200 mm/s.
Erfindungsgemäß werden der Weg der Laserstrahlung und die zu ver
bindenden Formteile derart zueinander angeordnet, dass die Laser
strahlung an der zu verbindenden Stelle zunächst auf die (laser
transparente) Materialschicht (C1) des Formteils (C) trifft, es
durchdringt und schließlich auf die (laserabsorbierende) Mate
rialschicht (C2) auftrifft.
Bezüglich der Laserleistung und der Geschwindigkeit ergeben sich
die genannten Ober- und Untergrenzen unter anderem dadurch, dass
bei zu hoher Laserleistung bzw. zu geringer Geschwindigkeit sich
das Polymermaterial an der zu verbindenden Stelle der Formteile
zersetzt (thermische Schädigung), und dass bei zu geringer Laser
leistung bzw. zu hoher Geschwindigkeit keine qualitativ hochwer
tige (also dauerhaft feste und dichte) Schweißnaht mehr möglich
ist, da die zum Schweißen erforderlichen Diffusionsvorgänge eine
bestimmte Temperatureinwirkzeit erfordern.
Die Auswahl der geeigneten Verfahrensparameter für das Verschwei
ßen, insbesondere des Lasers, der Wellenlänge, der Laserleistung
und der Geschwindigkeit, richtet sich naturgemäß außer nach der
Dicke der Schicht (C1) sowie nach der chemischen Zusammensetzung
der Schichten (C1) und (C2), insbesondere auch nach den Farbmit
teln und/oder Zusatzstoffen, die in den Materialschichten (C1)
und (C2) enthalten sind. Dabei ist zu beachten, dass manche Poly
mere per se lasertransparent sind, während andere Polymere be
reits im Naturzustand ohne Zusatz laserabsorbierender Additive
einen gewissen Anteil der Laserstrahlung absorbieren. Material
schichten (C1) aus lasertransparenten Polymeren bzw. enthaltend
schwach laserabsorbierende oder in kleiner Menge vorhandene Addi
tive erlauben üblicherweise eine geringere Laserleistung bzw.
eine höhere Vorschubgeschwindigkeit als Schichten (C1) aus im Na
turzustand laserabsorbierenden Polymeren bzw. enthaltend stark
laserabsorbierende oder in großer Menge vorhandene Additive.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die zu verbindenden Form
teile vor dem Laserschweißen zu trocknen, um Schweißnahtdefekte
durch verdampfendes Wasser zu vermeiden.
Das Durchstrahlungslaserschweißen kann in verschiedenen Ausfüh
rungsformen durchgeführt werden. Die wichtigsten werden beispiel
haft genannt:
Konturschweißen: ist ein sequenzieller Schweißprozess, bei dem der Laserstrahl entlang einer frei programmierbaren Nahtkontur geführt oder das Bauteil relativ zum fest montierten Laser bewegt wird. Die Schweißnahtbreite lässt sich je nach Lasertyp und Optik stark variieren und liegt typischerweise im Bereich von 0,6 bis 5 mm.
Simultanschweißen: dabei wird die linienförmig emittierte Strah lung einzelner Hochleistungsdioden entlang der zu schweißenden Nahtkontur angeordnet. Das Aufschmelzen und Verschweißen der ge samten Kontur erfolgt somit zeitgleich (simultan).
Quasi-Simultan- oder Scan-(Abtast-)Schweißen: ist eine Kombina tion aus Kontur- und Simultanschweißen. Der Laserstrahl wird mit tels galvanometrischer Spiegel (Scanner) mit hoher Geschwindig keit entlang der Schweißnahtkontur hin und her geführt. Dadurch erwärmt sich der zu verbindende Bereich allmählich und schmilzt komplett auf.
Maskenschweißen: dabei wird ein linienförmiger Laserstrahl quer über die zu verbindenden Teile bewegt. Durch eine zwischen Laser und Bauteil befindliche Maske wird die Strahlung gezielt abge schattet und trifft nur dort auf die Bauteile, wo sie geschweißt werden sollen. Feinste Strukturen in der Maske erlauben hohe Auf lösungen und Schweißnahtbreiten von nur 10 µm.
Konturschweißen: ist ein sequenzieller Schweißprozess, bei dem der Laserstrahl entlang einer frei programmierbaren Nahtkontur geführt oder das Bauteil relativ zum fest montierten Laser bewegt wird. Die Schweißnahtbreite lässt sich je nach Lasertyp und Optik stark variieren und liegt typischerweise im Bereich von 0,6 bis 5 mm.
Simultanschweißen: dabei wird die linienförmig emittierte Strah lung einzelner Hochleistungsdioden entlang der zu schweißenden Nahtkontur angeordnet. Das Aufschmelzen und Verschweißen der ge samten Kontur erfolgt somit zeitgleich (simultan).
Quasi-Simultan- oder Scan-(Abtast-)Schweißen: ist eine Kombina tion aus Kontur- und Simultanschweißen. Der Laserstrahl wird mit tels galvanometrischer Spiegel (Scanner) mit hoher Geschwindig keit entlang der Schweißnahtkontur hin und her geführt. Dadurch erwärmt sich der zu verbindende Bereich allmählich und schmilzt komplett auf.
Maskenschweißen: dabei wird ein linienförmiger Laserstrahl quer über die zu verbindenden Teile bewegt. Durch eine zwischen Laser und Bauteil befindliche Maske wird die Strahlung gezielt abge schattet und trifft nur dort auf die Bauteile, wo sie geschweißt werden sollen. Feinste Strukturen in der Maske erlauben hohe Auf lösungen und Schweißnahtbreiten von nur 10 µm.
Üblicherweise stehen die Kunststoffformteile (A, B) und das Form
teil (C) über die Materialschicht (C2) oder die Haftschicht (C0)
während der Einwirkung der Laserstrahlung an der zu verbindenden
Stelle miteinander in Kontakt. Beispielsweise berühren sie sich,
indem sie aufeinander liegen. Dabei kann auf die Formteile, falls
erforderlich, ein zusätzlicher Anpressdruck einwirken. Durch das
Aufbringen eines Anpressdruckes auf die Fügenahtkontur während
des Schweißprozesses kann man einen Fügeweg (häufig auch als Ab
schmelzweg bezeichnet) erzeugen. Dadurch lassen sich Verzug oder
Toleranzen oder Einfallstellen im Bereich der Schweißnaht aus
gleichen.
Es ist jedoch auch möglich, zwischen den Kunststoffformteilen und
dem Formteil (C) einen geringen Abstand zu lassen (Fügespalt).
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Verbundform
teile sind insbesondere Gehäuse, Behälter, Verpackungen, Ge
brauchsgegenstände, Bauelemente, Befestigungselemente, etc., von
z. B. Haushalts- und Elektrogeräten oder für den Innen- und Außen
bereich von Automobilen, Flugzeugen oder Schiffen.
Beispielsweise können auch aus Kunststoffaußen- und Kunststoffin
nenwandung bestehende Bauteile von Kühlschränken auf einfache Art
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden.
Die Verbundformteile zeichnen sich u. a. dadurch aus, dass die
Schweißnähte wasser- und gasundurchlässig sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch zur
Herstellung zusammengesetzter Formteile, die weitere Bauteile
enthalten. Solche weiteren Bauteile können z. B. mechanische (ein
schließlich feinmechanische), elektrische, elektronische, opti
sche, akustische oder sonstige Bauteile aus Metallen, Gläsern,
Keramiken, Polymeren, Gummi oder anderen Werkstoffen sein.
Beispiele solcher zusammengesetzten Verbundformteile sind:
- - Gehäuse für Kfz-Elektrik und -Elektronik, z. B. Airbagsteue rung, Antiblockiersystem, Stabilitätskontrolle ESP, elektro nische Schließanlagen, Sensoren für Ölstand und Öldruck, Tem peratur- und Druck-Sensoren
- - doppelwandige Gehäusebauteile, z. B. Kühlschrankwandungen
- - Funkschlüssel, Fahrberechtigungssysteme
- - herkömmliche Kfz-Schließanlagen
- - Schalldämpfer
- - Kfz-Schaltungsgehäuse
- - Gehäuse/Einfassungen für Lampen (auch Lampen in Kfz)
- - Ansaugrohre, Luftführungsrohre, Luftansaugschläuche
- - Kühlwasserkästen in Kfz
- - Stoßfänger, insbesondere Verschweißen der Karosserie-Seiten teile mit dem Stoßfänger, Verschweißen des Trägerteils mit der Außenhaut, Anschweißen von Befestigungselementen)
- - Behälter, die hohen Dichtigkeitsanforderungen genügen müssen, z. B. Tanks und Reservoirs für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase (auch Kfz-Kraftstofftanks)
- - Filtergehäuse, die hohen Dichtigkeitsanforderungen genügen müssen, für feste, flüssige und gasförmige Medien, Aerosole etc., Luftfilter, Ölfilter
- - Pumpengehäuse
- - Verbindung von Leitungen für Flüssigkeiten bzw. Gase, die ho hen Dichtigkeitsanforderungen genügen müssen, z. B. Schlauch verbindungen, Wellrohre
- - Dichtschweißungen
- - Befestigungselemente, z. B. Dübel
- - Gaskartuschen und -patronen
- - Zündkapseln, z. B. für Airbag-Treibladungen
- - Hausfenster mit Rahmen und Fensterscheibe
- - Maschinengehäuse, z. B. Bohrmaschinen, Sägen, Fräsen
- - Gehäuse für elektronische Bauteile, z. B. Computerchips
- - Sicherheits- und Meldeeinrichtungen, z. B. gekapselte IR-Sen soren, schlüssellose Türöffnungssysteme (Kartenleser, Key less-Go-Cards)
- - Lichtschranken
- - Gerätegehäuse oder Behälter, die staub- oder wasserdicht sein sollen, z. B. wasserdichte Foto-, Video- und sonstige Kame ras, Mikroskope
- - Gerätegehäuse, die mit einem Schutzgas gefüllt sind und daher gasdicht sein sollen, z. B. optische Geräte wie Mikroskope, Kameras und Kameraobjektive, Ferngläser
- - Dosiereinrichtungen im technischen und medizinischen Bereich
- - Brillen
- - Verpackungen, z. B. Folien und Spritzgussformteile
- - Geräte in der Medizintechnik
- - Feuerzeuge.
Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise ein
gesetzt werden
- - zum Verbinden schwer verbindbarer Werkstoffe, z. B. Hart- Weich-Verbindungen, Verbinden von Hochtemperaturthermoplasten
- - zum Verbinden von Flammschutzmittel enthaltenden Formteilen
- - zum Fixieren von Verkleidungen, Abdeckungen, Deckeln, Funkti onsteilen, usw. z. B. in Kfz, beispielsweise Sitzlehnen, Rüc kenlehnen, Hutablagen, Tepppiche, Bodenauskleidungen, Armatu rentafeleinbauten, Türverkleidungen, Lüftungssysteme, Heck verkleidungen, Inenverkleidungen des Kofferraums
- - zur Erzeugung definierter Spalte, z. B. für die Mikrosystem technik
- - zum Verbinden nur partiell verbundener Komponenten, z. B. als Ersatz für Nieten
- - zum Einbau von Sollbruchstellen, z. B. um eine ortsaufgelöste mechanische Belastbarkeit zu erzielen
- - für textile Anwendungen, z. B. zur Fixierung oder Verbindung von Geweben, wie Ölfilter, Filze, Vliese, Teppiche
- - für Reparaturschweißungen an bereits verschweißten Formtei len.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ohne weiteres,
unabhängig von der Größe, Bauteile mit identischer oder unter
schiedlicher Zusammensetzung gas- und wasserdicht miteinander
verbinden. Des weiteren können diese Bauteile mit identischen
oder voneinander verschiedenen Farbmitteln eingefärbt sein. Eben
falls unabhängig von der Bauteilgröße und -form lassen sich die
zu verbindenden Bauteile im unverschweißten Zustand bereits gut
und unproblematisch ohne erheblichen apparativen Aufwand fixie
ren, so dass Schweißnähte mit allen gängigen Schweißtechniken er
zeugt werden können. Schließlich liegt in jedem Fall eine optisch
einwandfreie Schweißnaht vor, die auch als Designelement gezielt
genutzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wir anhand der beiliegenden Abb. 1
näher erläutert. Die Bezugszeichen haben dabei die folgende Be
deutung:
1: Kunststoffformteil (A)
2: Kunststoffformteil (B)
3: Kunststoffformteil (C)
4: transmittierende Schicht (C1)
5: absorbierende Schicht (C2)
1: Kunststoffformteil (A)
2: Kunststoffformteil (B)
3: Kunststoffformteil (C)
4: transmittierende Schicht (C1)
5: absorbierende Schicht (C2)
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung laserverschweißter Verbundform
teile, dadurch gekennzeichnet, dass
- a) jeweils mindestens zwei Kunststoffformteile (A, B) über mindestens ein weiteres Formteil (C), enthaltend eine La serstrahlung transmittierende Materialschicht (C1) auf der der Einfallsrichtung der Laserstrahlung zugewandten Seite und, mit dieser verbunden oder in Kontakt stehend, eine Laserstrahlung absorbierende Materialschicht (C2), in Kontakt stehen, wobei die Oberfläche der Material schicht (C2) in den jeweiligen Überlappungsbereichen mit den Kunststoffformteilen (A, B) im wesentlichen form schlüssig mit der Oberfläche dieser Formteile abschließt,
- b) Laserstrahlung durch die transmittierende Schicht (C1) mindestens in den Bereichen teilweise oder vollständig auf die Laserstrahlung absorbierende Schicht (C2) trifft, die mit den zu verbindenden Formteilen (A, B) überlappt, und
- c) der Abstand zwischen der Laserstrahlung absorbierenden Schicht (C2) und der jeweiligen Formteiloberfläche, die diese im wesentlichen formschlüssig überdeckt, während der Bestrahlung mit Laserlicht im wesentlichen konstant gehalten oder verringert wird, und die durch die Laser strahlung erweichten oder aufgeschmolzenen Bereiche der Materialschicht (C2) mit der Oberfläche der Formteile (A, B) für eine Zeitdauer in Berührung treten, die ausreicht, diese Oberflächen zu erweichen oder aufzuschmelzen, und
- d) man die aufgeschmolzenen oder erweichten Bereiche erkal ten lässt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schichten (C1) und (C2) durchgängig unmittelbar miteinander
verbunden sind.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass das Formteil (C) einen Stab, eine Folie oder eine
Platte darstellt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, dass das Formteil (C) separate Aufnahmeeinheiten für die
zu verbindenden Formteile (A, B) aufweist, welche Abschnitte
dieser Formteile formschlüssig aufnehmen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Formteil (C) ein im Querschnitt im wesentlichen H-förmiges
Bauteil darstellt, das jeweils auf mindestens einer Seite der
einander zugewandten Flächen der Aufnahmeeinheiten mindestens
eine Laserstrahlung absorbierende Schicht (C2) aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Laserstrahlung absorbierende Schicht (C2)
auf ihrer Außenseite zumindest teilweise mit einer Haft
schicht (C0) versehen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Kunststoffformteile (A, B) und die Mate
rialschichten (C1) und (C2) aus thermoplastischen Kunststof
fen gebildet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Formteil (C) über mindestens zwei Laser
strahlung absorbierende Schichtbereiche (C2) verfügt, die aus
unterschiedlichen, nicht oder nur schlecht verträglichen Po
lymermaterialien gebildet werden.
9. Laserverschweißte Verbundformteile erhältlich gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung der Verbundformteile gemäß Anspruch 9 als Bauteile
oder Bauteilkomponenten für Haushalts- und Elektrogeräte oder
als Komponenten für den Innen- und Außenbereich von Automobi
len, Flugzeugen oder. Schiffen.
11. Kühlschrank, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus
Außen- und Innenwandung bestehendes Bauteil ein laserver
schweißtes Verbundformteil gemäß Anspruch 9 darstellt.
12. Halterung zum Verbinden von Kunststoffformteilen (A, B) aus
einer Laserstrahlung transmittierenden Materialschicht (C1)
und einer Laserstrahlung absorbierenden Materialschicht (C2),
enthaltend mindestens zwei Aufnahmeeinheiten für die Kunst
stoffformteile, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung in
den Bereichen der jeweiligen Aufnahmeeinheiten partiell oder
vollständig eine Laserstrahlung absorbierende Materialschicht
(C2) aufweist.
13. Halterung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
diese einen im Querschnitt im wesentlichen H-förmigen Form
körper darstellt, wobei jede Aufnahmeeinheit mindestens auf
einer Seite der sich gegenüberliegenden parallen oder im we
sentlichen parallelen Abschnitte aus einer Laserstrahlung
transmittierenden Außenschicht (C1) und einer absorbierenden
Innenschicht (C2) aufgebaut ist.
14. Verwendung der Halterung gemäß den Ansprüchen 12 oder 13 bei
der Herstellung laserverschweißter Verbundformteile.
Priority Applications (2)
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DE10101240A DE10101240A1 (de) | 2001-01-11 | 2001-01-11 | Verfahren zur Herstellung laserverschweißter Verbundformteile sowie diese Verbundformteile |
PCT/EP2002/000087 WO2002055287A1 (de) | 2001-01-11 | 2002-01-08 | Verfahren zur herstellung laserverschweisster verbundformteile sowie diese verbundformteile |
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DE10101240A DE10101240A1 (de) | 2001-01-11 | 2001-01-11 | Verfahren zur Herstellung laserverschweißter Verbundformteile sowie diese Verbundformteile |
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Date | Code | Title | Description |
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8130 | Withdrawal |