Thermoplastische Kunststoffe für das Laserschweißen – Teil 3
Meistens werden Kunststoffe im gefärbten Zustand zu einem Endprodukt verarbeitet. Bei Konsumgütern oder an Sichtbauteilen im Automobilbereich müssen zum Beispiel ästhetische Gesichtspunkte und Vorgaben berücksichtigt werden. Aber auch funktionale Einfärbungen wie Signalfarben werden in bestimmten Bereichen gefordert.
Aus diesem Grund werden den Kunststoffen während der Verarbeitung Farbmittel zugegeben, die das äußere Erscheinungsbild entsprechend den Vorgaben verändern. Die Erstellung einer Farbmatrix von laserstrahltransparenten und laserstrahlabsorbierenden Farbeinstellungen ist aufgrund der Vielzahl von Variablen wie Farbe, Kunststoff, Wanddicke, Laserwellenlänge, Prozessgeschwindigkeit, Zulassungen, etc. nicht möglich. Deshalb wurde ein Schwierigkeitsgrad der Farbkombinationen erstellt (siehe Grafik), mit dem eine erste Aussage für den Einsatz von Farben zum Laserkunststoffschweißen getroffen werden kann.
Bei den Farbzusätzen unterscheidet man zwischen den im Kunststoff unlöslichen Pigmenten und den löslichen Farbstoffen. Beide Gruppen haben einen starken Einfluss auf das Laserdurchstrahl-schweißen von Kunststoffen, da sie die optischen Eigenschaften des Thermoplasts im nahen Infrarotbereich beeinflussen.
Im Unterschied zu den Farbstoffen sind die Farbpigmente im Kunststoff nahezu unlöslich. Die Farbpigmente können anorganischer oder organischer Natur sein, wobei die anorganischen Pigmente vollkommen unlöslich sind.
Die wichtigste Gruppe unter den anorganischen Pigmenten sind die Schwarzpigmente. Bedeutendster Vertreter ist dabei Ruß, der neben preislicher Attraktivität auch positive Auswirkungen auf die Eigenschaften des Kunststoffs hat. Ruß wirkt bereits bei geringen Konzentrationen von 0,5 – 1% ausreichend deckend. Er eignet sich ausgezeichnet zur Einfärbung des laserabsorbierenden Fügepartners, da er nahezu im gesamten Wellenlängenspektrum absorbiert.
Eine ebenfalls bedeutende Gruppe unter den anorganischen Farbpigmenten sind die Weißpigmente. Zu den wichtigsten Vertretern zählen heute Titandioxid TiO2, Zinkweiß ZnO und Zinksulfid ZnS. Da Weißpigmente stark reflektierend und streuend auf die beim Laserkunststoffschweißen eingesetzte Strahlung im nahen Infrarotbereich wirken, können stark weiß gefärbte Bauteile nur schwer geschweißt werden.
Durch die speziellen Anforderungen des Laserdurchstrahlschweißens an die Einfärbungen hinsichtlich Transmission und Absorption für Wellenlängen im nahen Infrarotbereich wurden von der kunststofferzeugenden Industrie und den Farbmittelherstellern spezielle Zusatzstoffe und Einfärbungen entwickelt, die den gesetzten Forderungen genügen. Die heute wohl bekannteste Einfärbung, die speziell für das Laserschweißen von Kunststoffen entwickelt wurde, ist das IR-transparente Schwarz. Durch Überlagerung verschiedener, bedingt lasertransparenter Farbpigmente wird im Bereich des sichtbaren Lichtes ein blickdichter, schwarzer Farbeindruck eines Bauteils erzeugt. Im Unterschied zu anderen Schwarzeinfärbungen ist die so erzeugte Farbgebung transparent für Wellenlängen im nahen Infrarotbereich. Bei Farbeinstellungen, die hell und brillant sind, ist der Einsatz von Ruß nicht möglich. Mit der Verwendung alternativer NIR-Absorber können aber nahezu alle Farben eingestellt werden.