Medizinprodukte und Komponenten aus der Biotechnologie stellen besondere Anforderungen an die bei der Herstellung verwendete Verbindungstechnik. Diese sollte möglichst ohne Zusatzwerkstoffe auskommen und keinerlei Werkstoffbeeinflussung und Verschmutzung bewirken. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) hat jetzt ein neues lasergestütztes Verfahren zum Konturschweißen qualitativ hochwertiger Schweißnähte entwickelt, das diesen Anforderungen genügt.

Konventionelle Schweißverfahren, wie das Ultraschall-, das Vibrations-, und das Heizelementeschweißen stoßen besonders bei Schweißungen an integrierten elektronischen Bauteilen oder mikromechanischen Baugruppen an ihre Grenzen und weisen eine Reihe von Nachteilen auf: Der zeitlich und räumlich lokalisierte Energieeintrag ist bei diesen Verfahren eingeschränkt. Zudem können die entstehenden mechanischen oder thermischen Belastungen die Fügeteile beschädigen oder zum Verlust von deren Funktion führen.

Daher hat sich mittlerweile bei Kunststoffen das Laserdurchstrahlschweißen als Verfahren der Wahl durchgesetzt. Viele Anwendungen lassen sich damit schnell und zuverlässig fügen. Gerade beim Verschließen mikrofluidischer Strukturen, wie sie in der Medizintechnik vorkommen, erweist sich der lokale Energieeintrag als Vorteil: Eine zu starke Plastifizierung könnte nämlich zum Verstopfen der Strukturen führen.

Durch neue Entwicklungen in der Medizintechnik und Biotechnologie sind allerdings auch die Anforderungen an das Fügeverfahren hinsichtlich einer Miniaturisierung gestiegen. Darauf hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) mit der Entwicklung einer innovativen Methode reagiert.
TWIST (Transmission Welding by an Incremental Scanning Technique) heißt das neue Verfahren, das in der Kombination eines Faserlasers und einer neuartigen Bestrahlungsstrategie besteht.

Das Verfahren vereinigt die Eigenschaften des Konturschweißens mit denen des quasi-simultanen Kunststoffschweißens. Während das Hauptmerkmal des Konturschweißens darin besteht, dass jeder Punkt der Nahtkontur nur einmalig mit der Laserstrahlung wechselwirkt, besteht der Vorzug des Quasisimultanschweißens darin, dass trotz des hohen Vorschubs dieses Verfahrens eine hohe Flexibilität der Nahtkontur gewährleistet bleibt.

Die neue Bestrahlungsstrategie TWIST funktioniert derart, dass die Laserstrahlung entlang der Vorschubbewegung auf einer Kreisbahn geführt wird und jedes Konturinkrement, also jedes kleine Teilstück der Kontur, mehrmals passiert. Durch diese Überlagerung bei Bahngeschwindigkeiten von 4m/sek ist es möglich, Fügegeometrien mit Breiten kleiner als 100µm zu erzielen, wie sie etwa für die Herstellung von medizintechnischen Diagnosechips benötigt werden. Im Hinblick auf die Schweißnaht ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: Zum einen führt die hohe Bahngeschwindigkeit innerhalb der Konturinkrimente zu einem homogenen Energieeintrag über die Schweißnahtlänge. Dadurch lassen sich Schwankungen hinsichtlich der Nahtbreite und -tiefe vermeiden. Zum anderen ist die Tiefe der Wärmeeinflusszone deutlich reduziert, was zur Folge hat, dass die Schweißnaht auf der Rückseite des Werkstückes nicht sichtbar wird.

Insgesamt eignet sich das Verfahren TWIST ganz besonders deshalb für den Einsatz in der Medizintechnik, weil es über eine flexible Schweißnahteinstellung zwischen 100 und 500 µm verfügt und durch seine hohe Geschwindigkeit den Erfordernissen der Branche, hohe Stückzahlen produzieren zu müssen, genügt.
Als weiteres Anwendungsfeld für TWIST käme außerdem die Automobilindustrie in Frage. Die Bestrahlungsstrategie ließe sich für das Schweißen von Kunststoffteilen sowohl bei der Montage von Stoßfängeranbauteilen als auch von Innenverkleidungselementen einsetzen.