DE102008020943A1 - Method for joining at least two transparent joining partners by means of laser transmission welding - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurchgetreten ist, und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein von wenigstens beiden Fügepartnern eingeschlossener Fügebereich vorgesehen wird, in dem Nanopartikel enthalten sind, die im Wege der Lichtabsorption Oberflächenplasmonen auszubilden in der Lage sind, die zur Erhitzung der Nanopartikel und letztlich zur Schmelzausbildung innerhalb des Fügebereiches führen.The invention relates to a method for joining at least two joining partners by means of laser transmission welding in which the at least two joining partners which are at least partially transparent for laser radiation are brought into mutual central or direct surface contact and include at least one common joining region, which is acted on by the laser beam, after the latter is at least partially passed through at least one joining partner, and is absorbed in the joining region to an extent, so that forms a melt in the joining region, which leads to solidification to a material bond between the two joining partners. The invention is characterized in that a joining region enclosed by at least two joining partners is provided, in which nanoparticles are contained which are capable of forming surface plasmons by way of light absorption, which lead to the heating of the nanoparticles and ultimately to the formation of enamel within the joining region.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurch getreten ist, und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt.The The invention relates to a method of joining at least two joining partners by means of laser transmission welding, in which the at least two for a laser radiation at least partially transparent joining partners in a mutual medium or immediate surface contact be brought and at least include a common joining area, the is acted upon by the laser beam after this by at least at least partially entered a joint partner is, and in the joining area to an extent is absorbed, so that in the joint area a melt training, which, after solidification to a material connection between the two Leads mating partners.
Stand der TechnikState of the art
Zum stoffschlüssigen Verbinden wenigstens zweier zumeist aus Polymermaterialien bestehenden Bauteilen oder Folien wird in gängiger Praxis die Technik des Laserdurchstrahlschweißens eingesetzt, bei der wenigstens einer der miteinander zu verbindenden Fügepartner aus einem für die Laserstrahlung transparenten Polymermaterial besteht, so dass dieser von dem Laserstrahl weitgehend schadlos in Transmission durchsetzt werden kann. Vorsorge ist hierbei dahingehend zu treffen, dass ein durch Lichtabsorption bedingter Wärmeeintrag vorrangig in der Fügeebene der jeweils stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Fügepartner zu erfolgen hat. Hierzu gilt es, ein das Laserlicht signifikant absorbierendes Material innerhalb eines die Fügeebene umfassenden Fügebereiches zwischen beide Fügepartner einzubringen.To the integral connection of at least two mostly Polymer materials existing components or films is in common Practice the technique of laser transmission welding used in the at least one of the joining partners to be joined together from a transparent to the laser radiation polymer material exists, so that this of the laser beam largely harmless can be penetrated in transmission. Provision is hereby to that effect to meet that caused by light absorption heat input primarily in the joining plane of the respective cohesive has to be joined together. For this purpose, it is a material that significantly absorbs the laser light within a joining area comprising the joining plane to bring in between both joining partners.
Die Absorbermaterialien können entweder in einem der beiden miteinander zu verbindenden Fügepartner enthalten sein oder in Form eines oberflächlichen Stoffauftrages auf die Oberfläche eines oder beider miteinander zu verbindenden Fügepartner, beispielsweise im Wege eines Druck- oder Sprühvorganges aufgebracht werden. Der sich durch flächiges Kontaktieren beider miteinander zu verbindenden Fügepartner ausbildende Fügebereich wird wie eingangs erläutert mit Laserlicht bestrahlt bis ein oberflächiges Aufschmelzen eines oder beider Fügepartner im Fügebereich erfolgt, wobei der Fügevorgang dadurch unterstützt werden kann, indem die Fügepartner einem zusätzlichen auf den Fügebereich orientierten Anpressdruck ausgesetzt werden.The Absorber materials can either be in one of the two to be joined together or in the form of a superficial cloth job on the Surface of one or both to be joined together Joining partners, for example by means of a printing or spraying process be applied. The contact by surface contact both joining partners to be joined together Joining area is as explained above with laser light irradiated until a superficial melting of one or both join partners in the joining area, where the joining process can be supported thereby by the joining partners an additional on the Be exposed joint area oriented contact pressure.
Typische Absorbermaterialien, die für das Laserdurchstrahlschweißen von für das Laserlicht transparenten thermoplastischen Bauteilen geeignet sind, sind Ruß- oder Farbstoffpartikel, die allein oder im Verbund mit einem zusätzlichen Trägermaterial partikulär oder molekular auf die Oberfläche wenigstens eines Fügepartners aufgebracht werden. Im Idealfall wird angestrebt, dass nach Vollendung des Schweißvorganges das innerhalb des Fügebereiches enthaltene Absorbermaterial keinerlei Trübung oder farbliche Veränderungen der Fügepartner verursachen soll. In bevorzugter Weise werden daher Absorbermaterialien verwendet, die die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich zu absorbieren vermögen, im sichtbaren Spektralbereich jedoch transparent sind. Auch werden Absorbermaterialien zu Zwecken des Laserdurchstrahlschweißens eingesetzt, die sich während der Laserbestrahlung thermisch zersetzen und nach dem Schweißvorgang nicht mehr sichtbar sind.typical Absorber materials used for laser transmission welding of transparent to the laser light thermoplastic Components are soot or dye particles, alone or in combination with an additional carrier particulate or molecularly applied to the surface of at least one joining partner become. Ideally, it is desirable that after completion of the welding process the absorber material contained within the joining area no haze or color changes the joining partner should cause. In a preferred manner Therefore, absorber materials are used, the laser radiation with absorb a wavelength in the infrared spectral range but transparent in the visible spectral range are. Absorber materials are also used for purposes of laser transmission welding used, which is thermally during the laser irradiation decompose and no longer visible after the welding process are.
Alle bisher zu diesem Zweck bekannten Absorbermaterialien vermögen die Photonenenergie der Laserstrahlung entweder im Rahmen elektronischer Bandübergänge zu absorbieren oder die dem Laserstrahl innewohnende Lichtenergie wird durch Lichtstreuung innerhalb des Fügebereiches eingekoppelt, ein Vorgang der beim Einsatz partikulärer Absorbermaterialien, wie beispielsweise Ruß oder Siliziumoxid auftritt.All heretofore known absorber materials for this purpose the photon energy of the laser radiation either in the context of electronic To absorb band transitions or the laser beam inherent light energy is due to light scattering within the Joined joint area, a process of use particulate absorber materials, such as carbon black or silica occurs.
Aus
der
Ein ähnliches
Verfahren ist der
Neben
der Verwendung von Ruß als Laserlicht absorbierendes Material
zur Durchführung von Laserdurchstrahlschweißverfahren
geht aus den Druckschriften
Demgegenüber
wird in der
In
der
Die vorstehend beschriebenen Absorbermaterialien weisen eine Reihe von Nachteilen auf, so beispielsweise wird beim Einmischen des Absorbermaterials in das Polymermaterial der jeweils beteiligten Fügepartner ein relativ großes Volumen im Bereich der Schweißnaht beeinflusst, so dass sich die Wärmeeinflusszone nicht längs einer Ebene erstreckt. Beim Aufbringen der Absorbermaterialien auf die jeweilige Polymeroberfläche des jeweiligen Fügepartners sind die aufgebrachten Schichtdicken relativ groß, d. h. sie liegen im Mikrometerbereich, zumal die Farbstoffe teilweise aus Mikrometer großen kristallinen Partikeln bestehen und zudem von einem umgebenden Hilfsmaterial auf der Oberfläche zu fixieren sind.The absorber materials described above have a number of Disadvantages, for example, when mixing the absorber material in the polymer material of each joining partner involved a relatively large volume in the region of the weld influenced, so that the heat affected zone is not longitudinal a plane extends. When applying the absorber materials on the respective polymer surface of the respective joining partner the applied layer thicknesses are relatively large, d. H. they are in the micrometer range, especially as the dyes partially consist of micrometer sized crystalline particles and also from a surrounding auxiliary material on the surface to be fixed.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurchgetreten ist und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt, derart weiterzubilden, dass der durch das Licht-absorbierende Material beeinflusste Fügebereich möglichst klein dimensioniert sein soll, so dass der thermisch behandelte Fügebereich in Ausbildung einer Schweißnaht möglichst keine oder nur geringfügige optisch wahrnehmbare sowie auch materialintrinsische Irritationen hervorzurufen vermag. Darüber hinaus soll der mittels Laserstrahl zu deponierende Energieeintrag zur Ausbildung eines vollständigen Stoffschlusses zwischen den wenigstens zwei Fügepartnern möglichst gering gehalten werden.Of the Invention is based on the object, a method for joining of at least two joining partners by means of laser transmission welding, in which the at least two for a laser radiation at least partially transparent joint partners in a mutual medium- or direct surface contact be brought and at least include a common joining area, the is acted upon by the laser beam after this by at least a joining partner at least partially passed is and absorbs in the joint area to an extent becomes, so that forms a melt in the joint area, which, after solidification, leads to a material bond between the two joining partners, in such a way that by the light-absorbing material influenced joining area as small as possible should be, so that the thermally treated joining area in training a weld as possible no or only slightly visible and material intrinsic Can cause irritation. In addition, supposedly the energy input to be deposited by laser beam for training a complete connection between the at least two joining partners are kept as low as possible.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf mögliche Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The Solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further Features are the subject of the dependent claims and the other Description in particular with reference to possible Refer to exemplary embodiments.
Das lösungsgemäße Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei Fügepartnern mittels Laserdurchstrahlschweißen, bei dem die wenigstens zwei für eine Laserstrahlung zumindest teiltransparenten Fügepartner in einen gegenseitigen mittel- oder unmittelbaren Flächenkontakt gebracht werden und wenigstens einen gemeinsamen Fügebereich einschließen, der von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, nachdem dieser durch wenigstens einen Fügepartner zumindest teilweise hindurchgetreten ist und der in dem Fügebereich in einem Maße absorbiert wird, so dass sich im Fügebereich eine Schmelze ausbildet, die nach Erstarren zu einem Stoffschluss zwischen beiden Fügepartnern führt, zeichnet sich dadurch aus, dass ein von wenigstens beiden Fügepartnern eingeschlossener Fügebereich vorgesehen wird, in dem Nanopartikel enthalten sind, die im Wege der Lichtabsorption Oberflächenplasmonen auszubilden in der Lage sind, die zur Erhitzung der Nanopartikel und letztlich zur Schmelzausbildung innerhalb des Fügebereiches führen.The Solution-based method for joining at least two joining partners by means of laser transmission welding, in which the at least two for a laser radiation at least partially transparent joint partners in a mutual medium- or direct surface contact be brought and at least include a common joining area, the is acted upon by the laser beam after this by at least a joining partner at least partially passed is and absorbs in the joint area to an extent becomes, so that forms a melt in the joint area, after solidification to a material connection between the two joining partners leads, characterized by being one of at least Both joint partners included joining area is provided in which nanoparticles are contained in the way form the light absorption surface plasmons in capable of heating the nanoparticles and ultimately lead to the formation of enamel within the joint area.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee sieht die gezielte Nutzung spezieller Absorbermaterialien für die Laserstrahlabsorption am Ort des Fügebereiches vor, die den physikalischen Effekt der Plasmonenanregung zeigen. Dabei handelt es sich um kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen metallischer Nanopartikel. Die Plasmonenanregung wird auch als Oberflächenplasmon, Plasmaresonanzabsorption, Partikelplasmon oder Mie-Plasmon bezeichnet. Grundsätzlich wird eine kollektive Schwingung der Elektronen innerhalb eines Nanopartikels als Plasmon bezeichnet. Die Plasmonenanregung wird vor allem bei Nanopartikeln von Metallen, ihren Legierungen sowie auch Metalloxiden beobachtet. Die Anregung von Plasmonen kann typischerweise in Fällen beobachtet werden, wenn die Partikelgröße der lichtbeaufschlagten Partikel klein gegenüber der Lichtwellenlänge ist, d. h. im Falle der Verwendung von sichtbarem Licht oder infrarotem Licht liegen typische Partikelgrößen derartiger Nanopartikel zwischen einigen wenigen nm bis einigen 100 nm.The idea underlying the invention provides for the targeted use of special absorber materials for laser beam absorption at the location of the joining region, which show the physical effect of the plasmon excitation. These are collective oscillations of the conduction band electrons of metallic nanoparticles. Plasmon excitation is also referred to as surface plasmon, plasma resonance absorption, particle plasmon, or Mie plasmon. Basically, a collective oscillation of electrons within a nanoparticle is called a plasmon. The Plasmonenanregung becomes particularly with Nanopartikeln of metal len, their alloys as well as metal oxides observed. The excitation of plasmons can typically be observed in cases where the particle size of the light-exposed particles is small compared to the wavelength of light, ie in the case of the use of visible light or infrared light typical particle sizes of such nanoparticles are between a few nm to several 100 nm.
Maximale Absorptionseffekte im Rahmen der Plasmonenanregung erfolgt in jenen Fällen, in denen die Wellenlänge des jeweils einfallenden Lichtes mit der spektralen Lage der Plasmonenresonanz der Nanopartikel übereinstimmt. Die spektrale Lage der Plasmonenresonanz ist vom Material der Nanopartikel selbst, von einem die Nanopartikel umgebenden Medium, zumeist ein Polymermaterial, sowie von der Partikelgröße und Partikelform der Nanopartikel abhängig. Somit ist es möglich, durch geeignete Wahl und Dimensionierung der vorstehenden Parameter die Lage der Plasmonenresonanz in geeigneter Weise zu beeinflussen, um eine möglichst große Überlappung zwischen der spektralen Lage der Plasmonenresonanz und der Wellenlänge des auf die Nanopartikel einfallenden Laserlichtes zu erhalten.maximum Absorption effects in the context of the Plasmonenanregung takes place in those Cases where the wavelength of each incident Light coincides with the spectral position of the plasmon resonance of the nanoparticles. The spectral position of the plasmon resonance is of the material of the nanoparticles itself, from a medium surrounding the nanoparticles, usually one Polymer material, as well as the particle size and Particle shape of the nanoparticles dependent. Thus, it is possible by suitable choice and dimensioning of the above parameters to influence the position of the plasmon resonance in a suitable manner, to ensure the greatest possible overlap between the spectral position of the plasmon resonance and the wavelength of the laser light incident on the nanoparticles.
Im Wege der Plasmonenanregung werden die Nanopartikel erhitzt und geben ihre Wärme lokal an die die Nanopartikel umgebende Matrix ab. Fallen die spektrale Lage der Plasmonenresonanz sowie die Lichtwellenlänge der Laserstrahlung weitgehend zusammen, so ist zur Ausbildung einer Schmelze eine einzige Lage von Nanopartikeln innerhalb des Fügebereiches ausreichend, zumal Nanopartikel im Wege der Plasmonenanregung Lichtenergie effektiv in Schwingungen und damit in Wärme umzusetzen in der Lage sind, die unmittelbar innerhalb des Fügebereiches abgegeben wird.in the Pathways of plasmon excitation will heat and give the nanoparticles their heat locally to the matrix surrounding the nanoparticles from. Fall the spectral position of the plasmon resonance as well as the light wavelength the laser radiation largely together, so is to form a Melt a single layer of nanoparticles within the joining area sufficient, especially as nanoparticles by means of plasmon excitation light energy effective in vibrations and thus convert into heat capable of being directly within the joining area is delivered.
Die laserinduzierte Erwärmung der Nanopartikel führt neben der sich ausbildenden Aufschmelzung des die Nanopartikel umgebenden Polymers auch zu einer Änderung von Größe und Form der Nanopartikel bedingt durch Koaleszenz- und Rekristallisationsprozesse, möglicherweise auch durch Coulomb-Explosion. Durch die Änderung von Partikelgröße sowie auch Partikelform der Nanopartikel kommt es zu einer Verschiebung der spektralen Lage der Plasmonenresonanz, die mittels einer geeigneten messtechnischen Erfassung als Indiz für ein Maß des einsetzenden Schmelzvorganges anzusehen ist. Liegt beispielsweise die Plasmonenresonanz der Nanopartikel im sichtbaren Spektralbereich, so kann eine farbliche Veränderung im Fügebereich innerhalb der sich ausbildenden Schweißnaht beispielsweise unter Verwendung einer einfachen optischen Transmissionsmessung erfasst und entsprechend quantifiziert werden. Auf diese Weise ermöglichen die sich ändernden Transmissionswerte eine Qualitätsbeurteilung des Schweißvorganges, gegebenenfalls sogar eine online oder inline Überwachung des Schweißvorganges.The laser-induced heating of the nanoparticles leads in addition to the developing melting of the nanoparticles surrounding Polymers also change size and shape of the nanoparticles due to coalescence and recrystallization processes, possibly also by Coulomb explosion. By the change of particle size as well as particle shape of the Nanoparticles cause a shift in the spectral position the plasmon resonance, by means of a suitable metrological Capture as an indication of a measure of incipient Is to be regarded melting process. For example, lies the plasmon resonance the nanoparticles in the visible spectral range, so can a color Change in the joining area within the itself forming weld, for example, using recorded a simple optical transmission measurement and accordingly be quantified. In this way, the changing ones allow Transmission values a quality assessment of the welding process, possibly even an online or inline monitoring the welding process.
Eine besonders bevorzugte Ausprägung der Anordnung der innerhalb des Fügebereiches vorzusehenden Nanopartikel sieht die Verwendung von Nanopartikeln mit einer Form und Größe vor, so dass sich die Nanopartikel durch die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung im Wege der vorstehend zitierten Koaleszenz und Rekristallisation zu großen Partikeln mit einer Größe im Mikrometerbereich umwandeln, wodurch die Plasmonenanregung zum Erliegen kommt und die sich ausbildende Schweißnaht im Fügebereich für sichtbares Licht als nahezu vollständig transparent in Erscheinung tritt. Da in diesem Fall keine Plasmonenanregung mehr erfolgt, ist auch kein Absorptionsmaximum im Spektrum des sichtbaren Lichtes wahrnehmbar. Die relativ großen Partikel in Mikrometergröße bewirken lediglich eine Streuung des Lichtes, wodurch die Schweißnaht je nach Größe und Abstand der Partikel transluzent bis transparent wirkt.A Particularly preferred expression of the arrangement within The nanoparticle to be provided in the joining region sees the Use of nanoparticles with a shape and size before, so that the nanoparticles through the interaction with the Laser radiation by way of the above cited coalescence and recrystallization to large particles with a size in the Convert micrometer range, causing the Plasmonenanregung stops and the forming weld in the joint area for visible light as almost completely transparent appears in appearance. Because in this case no plasmon excitation is more, is also no absorption maximum in the spectrum of visible light imperceptible. The relatively large particles in micrometer size cause only a scattering of light, causing the weld depending on the size and distance of the particles translucent until transparent acts.
Für das Aufbringen von Nanopartikeln innerhalb des Fügebereiches zwischen den wenigstens zwei Fügepartnern, die grundsätzlich eine beliebige Bauteilform annehmen können, so insbesondere auch in Folienform vorliegen können, stehen grundsätzlich zwei unterschiedliche Wege offen. So können zum einen die Nanopartikel als gelöste Kolloide innerhalb einer Lösung vorliegen und mittels eines geeigneten Nassbeschichtungsverfahrens auf die Oberfläche wenigstens eines Fügepartners aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit sieht ein Abscheiden von Nanopartikeln auf der Oberfläche wenigstens eines Fügepartners oder, wie die weiteren Ausführungen noch zeigen werden, auf einem Trägersubstrat mittels physikalischer und/oder chemischer Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Vakuumtechnologien vor.For the application of nanoparticles within the joining area between the at least two joining partners, in principle can assume any component form, in particular also can be in foil form, are basically two different ways open. So can on the one hand the Nanoparticles as dissolved colloids within a solution and by means of a suitable wet coating method on the surface of at least one joining partner be applied. Another possibility sees a deposition of nanoparticles on the surface of at least one joining partner or, as the further remarks will show, on a carrier substrate by means of physical and / or chemical vapor deposition using vacuum technologies in front.
Im vorstehend erstgenannten Fall der Verwendung von Nassbeschichtungsverfahren stehen Nanopartikel aus unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise aus Gold, Silber oder Kupfer oder ähnlichen Metallen, Metalllegierungen oder Metalloxiden, mit unterschiedlichen Partikelgrößen kommerziell zur Verfügung, die unter Ausbildung einer Suspension in einer Flüssigkeit, beispielsweise in einem organischen Lösungsmittel oder einer Polymerlösung dispergiert werden. Die Suspension kann durch Aufstreichen, Aufsprühen im Wege eines Tiefdruckverfahrens oder einer Tintenstrahlbeschichtung vorzugsweise auf die Oberfläche eines Fügepartners aufgebracht werden, so dass nach Eintrocknen der die suspendierten Nanopartikel umgebenden, sogenannten Matrixflüssigkeit oder im Wege einer Lösungspolymerisation eine Schicht aus weitgehend voneinander isolierten Nanopartikeln entsteht, die jeweils durch ein organisches festes Medium voneinander getrennt sind. Eine derartige Schichtausbildung ist u. a. auch aus der Sol-Gel-Technik dem Fachmann bekannt. Zur Ausbildung von Plasmonenanregungen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nanopartikel innerhalb der die Nanopartikel einbettenden Matrixschicht voneinander getrennt eingelagert sind. Besonders bevorzugt ist es, die derart herstellbaren Nanopartikelabsorberschichten mit Schichtdicken von wenigen Mikrometern, vorzugsweise maximal 30 bis 40 μm herzustellen.In the above-mentioned case of using wet coating methods, nanoparticles of different materials, preferably of gold, silver or copper or similar metals, metal alloys or metal oxides, having different particle sizes are commercially available which form a suspension in a liquid, for example in an organic solvent or a polymer solution. The suspension can be applied by brushing, spraying by means of a gravure printing method or an ink jet coating preferably on the surface of a joining partner, so that after drying of the so-called matrix liquid surrounding the suspended nanoparticles or by solution polymerization, a layer of substantially mutually isolated nanoparticles, the ever because they are separated by an organic solid medium. Such a layer formation is also known, for example, from the sol-gel technique to those skilled in the art. For the formation of plasmon excitations, it is particularly advantageous if the nanoparticles are embedded separately within the matrix layer embedding the nanoparticles. It is particularly preferred to produce the nanoparticle absorber layers that can be produced in this way with layer thicknesses of a few micrometers, preferably a maximum of 30 to 40 μm.
Andererseits lassen sich jedoch Nanopartikel auch im Wege der vorstehend erwähnten physikalischen Gasphasenabscheidung herstellen, so beispielsweise mittels vakuumtechnischer PVD-Verfahren, thermischen Verdampfens oder Sputterns, oder mittels CVD-Verfahren, z. B. MOCVB-metallorganische chemische Gasphasenabscheidung oder durch die Kombination zweier dieser Verfahren.on the other hand However, nanoparticles can also be in the way of the aforementioned produce physical vapor deposition, such as by means of vacuum technical PVD process, thermal evaporation or sputtering, or by CVD methods, e.g. B. MOCVB organometallic chemical vapor deposition or by the combination of two this procedure.
So bilden die meisten Metalle während der vakuumtechnischen Abscheidung beispielsweise auf einer polymeren Oberfläche zunächst diskontinuierliche Inselschichten, wobei die Größe der Nanopartikel durch die verwendete Menge an Metall beim Metallverdampfen oder durch einen rechtzeitigen Abbruch des Verfahrens beim Metallsputtern gezielt eingestellt werden kann. Im Rahmen eines derartigen Vakuumbeschichtungsverfahrens wachsen die Nanopartikel direkt auf einer polymeren Oberfläche eines Trägersubstrates oder eines Fügepartners auf. Andererseits können sowohl einzelne Bauteile als auch kontinuierliche Folien auf diese Weise mit Nanopartikeln beschichtet werden. Insbesondere lassen sich die Form und Größe der sich im Wege der Abscheidung ausbildenden Nanopartikel im Wege des thermischen Verdampfens oder Sputterns durch Prozessparameter, wie Prozessdruck, Substrattemperatur und ähnliche relevante, den Verdampfungsprozess beeinflussende Prozessparameter gezielt einstellen. Ein entscheidender Vorteil der metallischen Nanopartikel als Absorbermaterial für das Laserdurchstrahlschweißen liegt in der außerordentlich hohen Effektivität, mit der die Nanopartikel im Wege der Plasmonenresonanzanregung absorbierte Lichtenergie in Wärmeenergie umzusetzen und diese an das die Nanopartikel umgebende Polymermaterial direkt abzugeben in der Lage sind. So ist es vollkommen ausreichend die durch thermisches Verdampfen oder Sputtern abgeschiedenen Nanopartikel lediglich in einer Ebene isoliert nebeneinander anzuordnen, um einen ausreichenden Wärmeeintrag zu erhalten, der eine Schmelze des die Nanopartikel umgebenden Polymermaterials bewirkt.So Most metals form during the vacuum engineering Deposition, for example, on a polymeric surface initially discontinuous island layers, where the size the nanoparticles by the amount of metal used in the metal evaporation or by a timely termination of the metal sputtering process can be targeted. In the context of such a vacuum coating method The nanoparticles grow directly on a polymeric surface a carrier substrate or a joining partner on. On the other hand, both individual components as well continuous films coated in this way with nanoparticles become. In particular, the shape and size can be the nanoparticles forming by deposition in the way of deposition thermal evaporation or sputtering by process parameters, such as process pressure, Substrate temperature and similar relevant, the evaporation process specifically set influencing process parameters. A decisive one Advantage of metallic nanoparticles as absorber material for the laser transmission welding is in the extremely high Effectiveness with which the nanoparticles through the Plasmonenresonanzanregung to convert absorbed light energy into heat energy and to deliver them directly to the polymer material surrounding the nanoparticles are able to. So it is perfectly sufficient by the thermal Vaporizing or sputtering deposited nanoparticles only in a layer isolated next to each other to arrange a sufficient Heat input, which is a melt of the nanoparticles surrounding polymer material causes.
Darüber hinaus können im Rahmen vakuumtechnischer Aufdampf- bzw. Sputter-Verfahren Masken eingesetzt werden, durch die eine Abscheidung der Nanopartikel auf vorgebbaren Flächenbereichen bspw. einer Polymeroberfläche aufgebracht werden können, so dass auf diese Weise letztlich beliebige Schweißnahtgeometrien, sowohl im mm- als auch μm-Bereich geschaffen werden können. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Abscheidung von Nanopartikeln mehrschichtig vorzunehmen, um auf diese Weise auch dreidimensionale Nanopartikelanordnungen innerhalb des Fügebereiches zu realisieren.About that In addition, in the context of vacuum vapor deposition or Sputtering masks are used, through which a deposition of the Nanoparticles on specifiable surface areas, for example. One Polymer surface can be applied, so that in this way ultimately any welding seam geometries, can be created in both the mm and the micron range. Of course it is also possible the deposition to make nanoparticles multilayered in this way also three-dimensional nanoparticle arrangements within the joining region to realize.
Zusätzlich zur reinen Metallabscheidung, wie vorstehend beschrieben, ist auch eine kombinierte Abscheidung von Metall und Polymermaterial denkbar, bspw. mittels Plasmapolymerisation oder Plasmasputtern. Hierbei werden sowohl Metallnanopartikel als auch Polymermaterial auf eine Substratoberfläche abgeschieden, unter Ausbildung einer dünnen Polymerschicht, die die Nanopartikel matrixartig umgibt. Dabei können durch die Steuerung des Energieeintrags auch Schicht erzeugt und verwendet werden, die als amorphe a-CH-Schichten oder sogenannte diamantartige Kohlenstoffschichten kaum noch Polymereigenschaften zeigen. Typische Schichtdicken derartiger Hybridschichten, bestehend aus einem Polymermaterial sowie den Nanopartikeln betragen etwa 100 nm, können jedoch auch wesentlich dicker ausgebildet werden.additionally for pure metal deposition, as described above, is also a combined deposition of metal and polymer material conceivable, For example by means of plasma polymerization or plasma sputtering. in this connection Both metal nanoparticles and polymer material on a Substrate surface deposited to form a thin polymer layer, which makes the nanoparticles matrix-like surrounds. It can by controlling the energy input Also layer produced and used as amorphous a-CH layers or so-called diamond-like carbon layers scarcely polymer properties demonstrate. Typical layer thicknesses of such hybrid layers, consisting of a polymer material and the nanoparticles are about 100 nm, but can also be made much thicker.
Auch ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich die Abscheidung der Metallnanopartikel im Wege der vorstehenden Kombination aus Metallabscheidung und Polymerabscheidung derart vorzunehmen, so dass die Nanopartikelabscheidung ausschließlich auf oder unter einer dünnen Polymerschicht bzw. Polymerfolie oder beidseitig durch die Polymerfolie beabstandet aufgebracht werden. Wird beispielsweise eine Polymerschicht auf die Oberfläche eines Fügepartners abgeschieden, auf der im weiteren die Nanopartikel aufgebracht werden, so dient die Polymerschicht bei geeigneter Wahl des eingesetzten Polymers als Haftvermittler zu dem jeweiligen Fügepartner, das aus unterschiedlichen thermoplastischen Polymeren bestehen kann. Werden die Nanopartikel zusätzlich mit einer Polymerschicht überdeckt, so kann die Deckschicht als mechanische oder chemische Schutzschicht dienen oder entsprechend ausgebildet sein. Insbesondere lassen sich das Absorptionsverhalten der einzelnen Nanopartikel und die damit verbundene Plasmonenresonanz durch das verwendete Material beeinflussen, das die Nanopartikel matrixartig umgibt.Also it is possible in a further embodiment the deposition of the metal nanoparticles by way of the above Combination of metal deposition and polymer deposition such so that the nanoparticle deposition exclusively on or under a thin polymer layer or polymer film or be applied spaced apart on both sides by the polymer film. For example, a polymer layer on the surface a joining partner deposited, on the further the Nanoparticles are applied, so the polymer layer is at suitable choice of the polymer used as a primer the respective joining partner, the different thermoplastic Polymers can exist. Are the nanoparticles in addition covered with a polymer layer, so the cover layer serve as a mechanical or chemical protective layer or accordingly be educated. In particular, the absorption behavior can be the individual nanoparticles and the associated plasmon resonance influenced by the material used, which is the nanoparticles surrounds like a matrix.
So konnte beispielsweise festgestellt werden, dass aus Silber bestehende Nanopartikel durch Einbettung in eine dünne Polymerschicht über eine bessere Alterungsbeständigkeit sowie auch bessere Haftung auf einer entsprechenden Polymerunterlage verfügen. Zudem zeigen sich bedingt durch eine nur sehr geringe Schichtdicke der derart hybrid gestalteten Polymerschicht keinerlei Nachteile beim Laserdurchstrahlschweißen, sei es im Rahmen der Verbindung zweier als Folien ausgebildeter Fügepartner oder im Falle dreidimensionaler, als Bauteile ausgebildete Fügepartner. Besonders vorteilhafte Fügeergebnisse konnten erzielt werden, wenn die dünne, die jeweiligen Nanopartikel enthaltende bzw. aufweisende Polymerschicht aus demselben oder einem sehr ähnlichen Material gewählt ist aus dem auch die beiden miteinander zu verbindenden Fügepartner bestehen.For example, it has been found that silver nanoparticles embedded in a thin polymer layer have better aging resistance as well as better adhesion to a corresponding polymer backing. In addition, due to only a very small layer thickness of the thus hybrid-shaped polymer layer, there are no disadvantages with the laser durchstrahlschweißen, whether in the context of the combination of two trained as foils joining partners or in the case of three-dimensional, designed as components joint partner. Particularly advantageous joining results could be achieved if the thin polymer layer containing or comprising the respective nanoparticles is selected from the same or a very similar material from which the two joining partners to be joined together also exist.
Zur praktischen Durchführung des lösungsgemäßen Fügeverfahrens können die Oberflächen beider Fügepartner oder wenigstens die Oberfläche eines Fügepartners mit Nanopartikeln versehen werden. Gleichsam ist es möglich, zwischen beide Fügepartner eine vorstehend beschriebene, mit Nanopartikeln angereicherte oder in der vorstehenden Weise mit Nanopartikeln kombinierte Polymerschicht in Form einer sogenannten Schweißhilfsfolie vorzusehen. Dies kann entweder durch bloßes Einbringen zwischen beiden Fügepartner erfolgen oder durch vorheriges thermisches Verbinden, vorzugsweise mittels Laminieren, mit der Oberfläche wenigstens eines Fügepartners, um auf diese Weise das nachfolgende Laserschweißen zu vereinfachen. Der eigentliche Laserschweißprozess, bei dem der Fügebereich mit Laserstrahlung gezielt beaufschlagt und dadurch zur Schmelze gebracht wird, kann in vorteilhafter Weise durch gegenseitiges Verpressen beider Fügepartner unterstützt werden.to Practical implementation of the solution according to Joining process, the surfaces of both Joining partner or at least the surface of a Joining partners are provided with nanoparticles. as it were Is it possible to have one between both joining partners? described above, enriched with nanoparticles or in the above manner combined with nanoparticles polymer layer to provide in the form of a so-called Schweißhilfsfolie. This can be done either by mere introduction between the two Join partners or by previous thermal Connect, preferably by means of lamination, with the surface at least one joining partner, in order in this way the following To simplify laser welding. The actual laser welding process, in which the joining area is specifically exposed to laser radiation and thereby melted, can advantageously supported by mutual compression of both joining partners become.
Auch lässt sich das lösungsgemäße Schweißverfahren zum Verbinden mehrerer Fügepartner derart einsetzen, indem mehrere stapelförmig übereinander angeordnete, für die Laserstrahlung transparente, zumeist aus thermoplastischen Polymermaterialien bestehende Fügepartner, vorzugsweise in Form von Folien oder Bauteilen, vorgesehen werden, zwischen denen jeweils die vorstehend beschriebenen, Nanopartikel enthaltenden Absorbermaterialien eingebracht werden. Da die einzelnen, jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Bauteilen eingebrachten Absorberschichten sehr dünn ausgebildet sind, wird der Laserstrahl von jeder einzelnen Absorberschicht nicht vollständig absorbiert, sondern vermag die einzelnen Fügebereiche vielmehr nacheinander, jeweils mit abnehmender Lichtleistung, bedingt durch die jeweils lokal in jeder Absorptionsschicht stattfindende Absorption, zu durchdringen. Die einzelnen vom Laserstrahl in Abfolge transmittierten Absorptionsschichten werden in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen Absorptionsvermögen derart ausgebildet, dass die oberen Absorptionsschichten, die von einem weitgehend ungeschwächten Laserstrahl durchdrungen werden eine geringere Absorption aufweisen als jene, die im Bauteil- bzw. im Folienstapel weiter unten angeordnet sind. Das jeweilige Absorptionsvermögen pro Absorptionsschicht kann, wie vorstehend erwähnt, durch eine Reihe von Maßnahmen individuell eingestellt werden, so beispielsweise durch die Materialwahl, Form und Größe der Nanopartikel sowie auch durch die Materialwahl der die Nanopartikel umgebenden Polymermatrix.Also can the solution according to welding process to connect several join partners in such a way by several stacked superimposed, transparent to laser radiation, mostly of thermoplastic polymer materials existing joining partners, preferably in the form of films or components, are provided, between each of which the above described, nanoparticle-containing absorber materials introduced become. As the individual, each between two directly adjacent components introduced absorber layers are very thin, The laser beam from each absorber layer is not complete rather absorbs the individual joint areas successively, each with decreasing light output, due to the absorption occurring locally in each absorption layer, to penetrate. The individual transmitted by the laser beam in sequence Absorption layers are advantageously with different Absorbency is designed such that the upper absorption layers, penetrated by a largely unattenuated laser beam will have a lower absorption than those in the component or are arranged further down in the film stack. The respective Absorbency per absorption layer can be as above mentioned, through a series of measures individually be set, so for example by the choice of material, shape and size of the nanoparticles as well as by the Material choice of the polymer matrix surrounding the nanoparticles.
Ebenfalls ist es möglich bei einer stapelförmigen Bauteilanordnung jeweils Fügebereiche mit unterschiedlichen Absorptionsschichten vorzusehen, die jeweils unterschiedliche Laserwellenlängen absorbieren. Damit können in einer mehrfach zu verschweißenden Folienanordnung bzw. bei mehrfach miteinander zu verschweißenden Bauteilen einzelne Fügebereiche unabhängig voneinander unter Verwendung verschiedener Laser, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, verschweißt werden. Hierdurch lassen sich strukturierte Schweißnähte, z. B. mit Unterbrechungen für spätere Einfüllprozesse innerhalb eines Mehrlagenaufbaus, realisieren.Also it is possible in a stack-shaped component assembly Joining areas with different absorption layers provide, each having different laser wavelengths absorb. This can be welded in a multiple Foil arrangement or at multiple times to be welded together Components individual joining areas independent of each other using different lasers, the light with different Emit wavelengths, be welded. hereby can structured welds, z. B. with interruptions for later filling processes within a multilayer structure.
Mit dem lösungsgemäßen Fügeverfahren auf der Basis des Laserdurchstrahlschweißens ist eine Reihe von Vorteilen verbunden. So ist es insbesondere möglich, die innerhalb des Fügebereiches vorzusehenden Absorptionsmaterialschicht mit sehr geringen Schichtdicken von 10 bis 100 nm maximal 400 nm auszubilden, so dass die Menge an einzubringenden Fremdmaterialien – verglichen zum Polymermaterial der Fügepartner – zwischen zwei miteinander zu fügenden Fügepartnern gering gehalten werden kann. Durch die sehr hohe Effektivität, mit der die eingestrahlte Laserenergie im Fügebereich von den Nanopartikeln absorbiert und letztlich in Wärme umgesetzt werden kann, wird das Polymermaterial der Fügepartner in der Partikelumgebung lediglich lokal erwärmt und geschmolzen, wodurch sich eine nur sehr kleine Wärmeeinflusszone ausbildet. Das Ausgangspolymer der jeweiligen Fügepartner wird daher nur sehr lokal verändert, so dass ein sich beim Abkühlen der Schweißnaht einhergehender innerer Materialverzug sehr gering gehalten werden kann.With the solution according to the joining method The basis of laser transmission welding is a series connected by advantages. So it is possible in particular the absorption material layer to be provided within the joining area with very low layer thicknesses of 10 to 100 nm maximum 400 nm train, so the amount of foreign materials introduced - compared to the polymer material of the joining partners - between two join partners to be joined together low can be held. Due to the very high effectiveness, with which the irradiated laser energy in the joint area of the Nanoparticles absorbed and ultimately converted into heat can be, the polymer material of the joining partner in the particle environment is only locally heated and melted, whereby a very small heat affected zone is formed. The starting polymer of the respective joint partner is therefore only changed very locally, leaving one to cool down the welding seam accompanying internal material distortion very can be kept low.
Durch die Anpassungsmöglichkeit der Plasmonenresonanz durch die Materialwahl der Nanopartikel sowie deren Größe, Form und Anordnung sowie das die Nanopartikel umgebende Material an die jeweils eingesetzte Wellenlänge der Laserstrahlung, können Lasersysteme eingesetzt werden, die in vielfachen technischen Bereichen bereits vorhanden sind und eingesetzt werden, wie beispielsweise Neodym-YAG-Laser etc.By the possibility of adaptation of the plasmon resonance by the Material choice of nanoparticles and their size, Shape and arrangement as well as the material surrounding the nanoparticles to the wavelength of the laser radiation used in each case Laser systems are used in multiple technical fields already exist and are used, such as Neodymium YAG laser etc.
Je nach Einsatzzweck ist es möglich, die Größe und Form der Nanopartikel derart zu wählen, dass durch Wechselwirkung der Nanopartikel mit dem Laserstrahl eine farbliche Änderung im Schweißbereich beispielsweise mit Hilfe eines Spektrometers erfasst werden kann, so dass durch eine Transmissionsmessung online die Qualität der sich ausbildenden Schweißverbindung bestimmt werden kann. Im Rahmen einer Regelung kann die Laserleistung online variiert werden, um ein möglichst optimales Schweißergebnis zu erzielen. Alternativ oder in Kombination zur Transmissionsmessung ist es ebenso möglich eine Reflexionsmessung am Ort der sich ausbildenden Schweißnahtverbindung vorzunehmen, um die Qualitätsüberprüfung im vorstehenden Sinne durchführen zu können.Depending on the intended use, it is possible to select the size and shape of the nanoparticles such that a color change in the welding region can be detected by interaction of the nanoparticles with the laser beam, for example with the aid of a spectrometer so that the quality of the image can be determined online by a transmission measurement forming weld joint can be determined. As part of a scheme, the laser power can be varied online to achieve the best possible welding result. Alternatively or in combination with the transmission measurement, it is also possible to carry out a reflection measurement at the location of the forming weld joint in order to carry out the quality check in the above sense.
Auch ermöglicht der Einsatz von Masken bei der vakuumtechnischen Abscheidung der Nanopartikel auf die jeweilige zu fügende Oberfläche eines Fügepartners oder, wie vorstehend beschrieben, auf eine Schweißhilfsfolie die Erzeugung frei wählbarer Schweißnahtgeometrien, so dass individuell gekrümmte oder flächig aufgeweitete Schweißnahtstrukturen realisierbar sind.Also allows the use of masks in the vacuum technology Deposition of the nanoparticles on the respective to be joined Surface of a joining partner or, as above described on a welding auxiliary foil the generation freely selectable weld geometries, so that individual curved or surface-expanded weld seam structures are feasible.
In besonders vorteilhafter Weise lässt sich das Laserdurchstrahlschweißverfahren an transparenten Polymerfolien, beispielsweise für die Herstellung von pneumatisch stabilisierten Membrankissen für Dach- und Fassadenkonstruktionen einsetzen. Das Verschweißen der jeweiligen Folie kann mit Hilfe des lösungsgemäßen Laserdurchstrahlschweißverfahrens längs individuell räumlich gestalteter Schweißnähte vorgenommen werden und nicht wie bisher lediglich längs geradlinig verlaufender Schweißnähte. Somit gestattet das lösungsgemäße Fügeverfahren für architektonische und gestalterische Anwendungen in Bezug auf die Dicke, die Musterung und Überkreuzungen von Schweißnahtgeometrien vollkommen neue Gestaltungsmöglichkeiten.In the laser transmission welding method can be particularly advantageously used on transparent polymer films, for example for the Production of pneumatically stabilized membrane pads for Use roof and facade constructions. The welding the respective film can with the help of the solution according to Laser transmission welding process along individually spatially designed welds made be and not as previously only longitudinally straight running welds. Thus, that allows Solution-based joining process for architectural and design applications in Regarding the thickness, the patterning and crossovers of Weld seam geometries completely new design options.
Das lösungsgemäße Verfahren ist bereits erfolgreich zum Verbinden zweier ETFE(Ethylen-Tetraflourethylen-Copolymer)-Folien jeweils mit Dicken von 200 μm angewandt worden. Vor dem Aufbringen der Absorberschicht wurden die jeweiligen Folienoberflächen, die miteinander in Kontakt gebracht werden, einer Coronabehandlung unterzogen. Nachfolgend wurde im Wege einer Plasmapolymerisation von Hexamethyldisilasan eine Art Haftvermittlerschicht mit einer Schichtdicke von 20 nm aufgebracht, auf die im Wege thermischen Verdampfens von Gold die eigentliche Absorberschicht in Form von Goldnanopartikeln abgeschieden wurde. Als Schutzschicht sind die Goldnanopartikel im Wege einer weiteren Plasmapolymerisation mit Hexamethyldisilasan mit einer Dicke von 20 nm überzogen worden.The Solution-based method is already successful for joining two ETFE (ethylene tetrafluoroethylene copolymer) films each applied with thicknesses of 200 microns. Before the Applying the absorber layer were the respective film surfaces, which are brought into contact with each other, a corona treatment subjected. The following was by way of a plasma polymerization of Hexamethyldisilasan a kind of adhesion promoter layer with a layer thickness of 20 nm applied to by thermal evaporation of Gold the actual absorber layer in the form of gold nanoparticles was separated. As a protective layer are the gold nanoparticles by way of a further plasma polymerization with hexamethyldisilasan with a thickness of 20 nm has been coated.
Die miteinander in Kontakt gebrachten ETFE-Folien wurden nachfolgend mit einem Infrarotlaser bei einer Wellenlänge von 808 nm bestrahlt, wobei die Laserstrahlung aus einem auf die Absorberschicht fokussierenden Bearbeitungskopf austrat, der zugleich die Folien mit einer vorgebbaren Presskraft beaufschlagt. Die hierbei verwendete Laserleistung betrug 25 Watt.The ETFE films contacted with each other were subsequently with an infrared laser at a wavelength of 808 nm irradiated, wherein the laser radiation from a on the absorber layer Focusing processing head emerged, at the same time the slides acted upon by a predeterminable pressing force. The used here Laser power was 25 watts.
Im Wege einer nachträglichen mechanischen Festigkeitsüberprüfung der resultierenden Schweißnaht konnte gezeigt werden, dass die Zugfestigkeit wenigstens der Hälfte der Zugfestigkeit einer Thermokontaktschweißnaht entspricht. Insbesondere konnte eine Zugfestigkeit erzielt werden, die dem Doppelten der Membranspannung entspricht, die im Einsatzfall bei einem Folienkisseninnendruck von 300 Pa auftritt.in the Ways of a subsequent mechanical strength test the resulting weld could be shown that the tensile strength of at least half of the tensile strength corresponds to a thermal contact weld. Especially could be achieved a tensile strength, which is twice the Membrane voltage corresponds to the case of a foil pad internal pressure of 300 Pa occurs.
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