Infrarot-Abstandsregelsystem für Automobile: Laserschweißen – empfindliche Kunststoffteile schonend verbinden

Das Laserschweißen erweist sich immer mehr als das Fügeverfahren der Wahl, um Kunststoffkomponenten empfindlicher optischer, elektronischer oder elektrischer Geräte zu verbinden. Das zeigt das Beispiel eines Infrarot(IR)-Abstandsregelsystems. Es wurde von der in Lindau am Bodensee ansässigen A.D.C. GmbH, die zu Continental Temic gehört, für Automobile entwickelt. Die Herausforderung bestand darin, das Gehäuse, den Deckel und den vollständig montierten Aggregateträger des schwarz eingefärbten Bauteils so miteinander zu verbinden, dass die empfindlichen Messkomponenten auf dem Träger keinen Schaden nehmen. Daher schieden das Vibrationsschweißen wegen der starken Schwingungsbelastungen und das Heizelementschweißen wegen der hohen Temperaturen von vornherein aus. Auch eine Verklebung der Teile kam nicht in Frage, denn das Risiko, dass sich auf Dauer flüchtige Komponenten des Klebstoffs auf den optischen Linsensystemen niederschlagen, war zu groß.

„Als schonendste Fügemethode bot sich das Laserschweißen an, das zudem noch den Vorteil hat, ein völlig fusselfreies Bauteil zu liefern“, erklärt Frank Krause, Experte für das Kunststoffschweißen bei Bayer Polymers. Fussel könnten zum Beispiel die Bewegungsmechanik des IR-Lasers, mit dem der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug bestimmt wird, in seiner Funktion beeinträchtigen.

Bei der Materialwahl für den Aggregateträger und das Gehäuse mit Steckeranschluss entschieden sich die Konstrukteure für Pocan® KU 1-7625. Den Ausschlag gab die Schweißverträglichkeit des PC/PBT-Blends mit dem Polycarbonat Makrolon®, aus dem der Deckel der Baugruppe gefertigt wird. Im Falle des Gehäuses spielte zusätzlich die hohe Oberflächenqualität, die sich mit Pocan® erzielen lässt, eine wichtige Rolle. Beim Aggregateträger erwies sich außerdem die geringe Verzugsneigung des Materials als Vorteil. Denn das auf dem Träger montierte optische Linsensystem, der Laser und die Bewegungskinematik dürfen nicht durch Verzug dejustiert werden. Beim schwarzen Deckel des Abstandsregelsystems kam es vor allem auf eine sehr hohe Transparenz für den IR-Laserstrahl an, um eine exakte Abstandsmessung sicherzustellen. Er wird deshalb aus einer speziellen Einstellung von Makrolon® gefertigt, die im sichtbaren Spektralbereich schwarz erscheint, aber für IR-Licht durchlässig ist.

Das Laserschweißen des Bauteils vollzieht sich in zwei Schritten. Zunächst wird der lasertransparente Gerätedeckel mit dem komplett montierten Aggregateträger geschweißt. Letzterer stellt die laserabsorbierende Komponente dar, sorgt also dafür, dass das Laserlicht in Wärme umgewandelt wird und in der Fügezone eine Schmelzeschicht entsteht. Anschließend wird der Deckel mit Aggregateträger in das ebenfalls laser-absorbierende Gehäuse gesetzt und mit diesem verschweißt.

Das Resultat sind hochpräzise, dichte und vor allem belastbare Schweißnähte. „Eine konstruktive Herausforderung war hierbei besonders die Schweißnaht zwischen Gehäuse und Deckel, der mit dem Aggregateträger eine hohe mechanische Last trägt“, erläutert Krause. Das Abstandsregelsystem bestand alle gängigen Normtests, die für Bauteile im Frontbereich von Fahrzeugen vorgesehen sind – zum Beispiel die Tauchprüfung in Wasser, den Kugelaufpralltest oder die Vibrationsprüfung im Frequenzbereich von 20 bis 2500 Hertz.