DE102013100335A1

DE102013100335A1 - Verfahren und Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung von Materialien

Info

Publication number: DE102013100335A1
Application number: DE201310100335
Authority: DE
Inventors: Harald Gross
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung von zwei Materialien 3,4, die an einer Grenzschicht direkt oder indirekt miteinander im flächigen Kontakt stehen, durch Verschweißen oder Laminieren. Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem die unterschiedlichsten Materialien miteinander bei hohem Durchsatz stoffschlüssig durch Laminieren oder Verschweißen miteinander verbunden werden können. Dazu wird die Grenzschicht mittels Strahlung von einer Blitzlampe 2 oder einem Blitzlampenfeld als Strahlungsquelle durch eines der beiden Materialien hindurch, welches für die Strahlung transparent ist, zumindest abschnittsweise erwärmt, indem die Strahlung durch eine Absorptionsschicht 5 und/oder ein Material des Materialverbundes 6 zumindest abschnittsweise absorbiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von zwei Materialien. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Verbindung von zwei Materialien durch Verschweißen oder Laminieren. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ausführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der zunehmende Einsatz von Kunststoffmaterialien in vielen Industriezweigen wirft die Frage geeigneter Fügeverfahren auf. Dafür stehen viele Möglichkeiten, wie z. B. Schrauben, Kleben, Löten zur Verfügung. Eine industriell weit verbreitete Technik ist das Schweißen, das im Bereich der Kunststoffe bisher jedoch eher selten angewandt wird.
Der Fachmann versteht unter Schweißen das unlösbare und stoffschlüssige Verbinden von Werkstoffen unter Zuhilfenahme von Wärme oder Druck mit oder ohne Schweißzusatzstoffen, wobei die notwendige Energie von außen zugeführt wird. Beim bekanntesten Schweißverfahren, dem Schmelzschweißen, werden die zu verschweißenden Werkstoffe bis zum Schmelzen erwärmt. Dabei können die zu verschweißenden Werkstoffe aus gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien, also z. B. aus zwei verschiedenen Kunststoffen, bestehen. Die Schmelze vermischt sich und nach dem Erkalten sind die Materialien fest miteinander verbunden. Im Bereich der Kunststoffe können nur thermoplastische Materialien verschweißt werden, da nur diese schmelzen.
Eine weitere Möglichkeit zur stoffschlüssigen Verbindung von Werkstoffen ist das Laminieren. Dabei wird eine dünne, oftmals folienartige Schicht flächig auf ein Trägermaterial geklebt. Beim Heißlaminieren werden häufig zweilagige Laminierfolien aus zwei verschiedenen Kunststoffen genutzt, wovon der Kunststoff in der Lage, die im Kontakt zum Trägermaterial steht, als Schmelzklebstoff dient und bei Erwärmung auf Temperaturen oberhalb seiner Schmelztemperatur eine Klebwirkung entfaltet. Der Schmelzkleber verklebt beim Erkalten das Trägermaterial mit der folienartigen Schicht.
Im Gegensatz zum Schmelzschweißen wird somit lediglich ein Material, der Schmelzklebstoff, auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt. Mit diesem Verfahren lässt sich z. B. Papier mit Kunststofffolie zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung laminieren oder Sicherheitsglas durch Laminieren von Glasscheiben mit Kunststofffolien herstellen. Ein weiteres Beispiel ist das Schützen von Kunststofffolien mit im Siebdruckverfahren aufgebrachter organischer Elektronik, wie Transistoren oder Solarzellen, vor Feuchtigkeit oder dem Einfluss von Sauerstoff durch Laminieren mit einer weiteren Kunststofffolie, die mit einer dünnen Barriereschicht ausgestattet ist.
Typischerweise werden beim Heißlaminieren alle Materialien mindestens auf eine Temperatur erwärmt, die der Schmelztemperatur des Schmelzklebstoffs entspricht. Dies kann u. a. in einem Konvektionsofen, über eine beheizte Trommel oder eine Strahlungsheizung erfolgen. Für das Beispiel der zu laminierenden Glasscheibe ist dies aufgrund der hohen Wärmekapazität der dicken Glasscheibe ein zeitaufwendiger Prozess. Im Falle der zu schützenden organischen Elektronik kann diese durch die Einwirkung zu hoher Temperaturen geschädigt werden.
Aus der Literatur (z. B. DE 103 50 568 A1 , J.-E. Schulz, „Werkstoff-, Prozess- und Bauteiluntersuchungen zum Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen", Dissertation, RWTH Aachen, 2003) ist die Verschweißung von zwei Kunststoffen durch Laserstrahlen bekannt, wobei mindestens der obere Kunststoff für das Laserlicht transparent sein muss. Der untere Kunststoff muss das Laserlicht entweder selbst oder aufgrund geeigneter Zusätze absorbieren oder mit einer lichtabsorbierenden Oberfläche beschichtet sein.
Für das Verschweißen werden die Oberflächen der zu verbindenden Kunststoffe miteinander in Kontakt gebracht. Anschließend wird ein Lichtstrahl entlang der gewünschten Schweißnaht durch den für den Lichtstrahl transparenten, oberen Kunststoff hindurch bewegt. Durch geeignete Lichtabsorption wird die Temperatur der Grenzschicht auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der bzw. des Kunststoffe/s erhöht, sodass eine Verschweißung der beiden Kunststoffe stattfindet. Aufgrund der schnellen Strahlführung bleiben dabei beide Kunststoffe mit Ausnahme der Grenzschicht auf Raumtemperatur.
Auch der für das Heißlaminieren notwendige Energieeintrag kann mittels Laserstrahlung realisiert werden, wobei der Schmelzklebstoff auf Temperaturen oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird und dann Trägermaterial und folienartige Schicht flächig miteinander verklebt.
Nachteilig wirken sich bei diesen laserbasierten Verfahren die hohen Kosten des Lasers und dessen geringer Durchsatz bei Flächen im Quadratmeterbereich aus.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die unterschiedlichsten Materialien, auch thermisch nur mäßig leitfähige Materialien wie Kunststoffe, Glas oder Keramiken miteinander bei hohem Durchsatz stoffschlüssig durch Laminieren oder Verschweißen miteinander verbunden werden können. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von – Materialien durch Verschweißen oder Laminieren mit Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens gemäß Anspruch 10. Die davon jeweils abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen wieder.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zu verbindenden Materialien übereinander positioniert und in direkten oder über eine zwischenliegende Schicht in indirekten Kontakt miteinander gebracht. Die zu verbindenden Materialien können selbst aus mehreren Komponenten aufgebaut sein. Die Materialien einschließlich ergänzender Schichten, die der Herstellung des Verbundes oder dessen Funktionen dienen, sollen hier als Materialverbund bezeichnet sein.
Meist werden zwei Materialien durch Laminieren oder Verschweißen miteinander verbunden. Optional gestattet das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der zeitlich und räumlich begrenzbaren Erwärmung auch die Verbindung von mehr als zwei Materiallagen, beispielsweise wenn Strahlungsquellen beidseitig des Materialverbundes angeordnet sind und/oder absorbierende und gegebenenfalls auch reflektierende Materialien und Schichten oder Abschnitte davon in geeigneter Weise zueinander angeordnet werden. Der Strahlungseinfall erfolgt vorzugsweise senkrecht auf die zu verbindenden Materialien. Alternativ können auch um bis zu 45° abweichende Einfallswinkel gewählt werden.
Zur stoffschlüssigen Verbindung der Materialien erfolgt die Bestrahlung mit einer oder mehreren Blitzlampen durch eines der beiden Materialien hindurch, welches zu diesem Zweck für die Strahlung transparent ist. Die Transparenz zumindest eines der Materialien gestattet eine Begrenzung des zu erwärmenden Materials bzw. der zu erwärmenden Schicht auf Bereiche, die an die Grenzschicht angrenzen. Damit ist das Verbindungsverfahren auf sehr unterschiedliche Materialien anwendbar.
Mit einer Blitzlampe ist eine linienweise und mit mehreren auch eine flächenhafte Bestrahlung in einem Blitzlampenfeld erzielbar. Damit kann die Verbindung auch im Durchlaufverfahren mit hohem Durchsatz hergestellt werden, wobei die Blitzlampen sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Materialverbundes ausdehnen und quer zur Transportrichtung des Materialverbundes angeordnet sind.
Die nachfolgend verwendeten Angaben „oberes“ bzw. „unteres“ Material beziehen sich auf den Strahlungseinfall für die Situation des einseitigen Strahlungseinfalls, an der nachfolgend die Erfindung beschrieben werden soll. D. h., das Licht trifft zunächst auf das „obere“ Material und im weiteren Verlauf auf das „untere“ Material. In analoger Weise treffen die Ausführungen auch auf den beidseitigen Strahlungseinfall zu, bei dem die Materialien als „erstes“ und „zweites“ unterschieden werden können.
Der Begriff der „Grenzschicht“ meint in diesem Zusammenhang den dreidimensionalen Raum entlang der Grenzfläche beider miteinander zu verbindender Materialien, welcher im Vergleich zu den Dimensionen der Grenzfläche eine sehr geringe Dicke aufweist.
Die Bestrahlung erfolgt, auf die zu verbindenden Materialien abgestimmt, hinsichtlich der Parameter Energiedichte, Zeitdauer, Tiefe und flächige Ausdehnung im Materialverbund derart, dass in zumindest einer Schicht und/oder zumindest einem Material des Materialverbundes die Absorption erfolgt in deren Ergebnis die Grenzschicht ausreichend erwärmt wird, um die stoffschlüssige Verbindung zu erzielen.
Durch gezielte Auswahl der verwendeten Materialien sowie der Bestrahlungsparameter können daher auch thermisch nur mäßig leitfähige Materialien effektiv miteinander verbunden werden, da auf eine Erwärmung des gesamten Materialverbunds verzichtet werden kann. Die Materialien müssen dabei so beschaffen sein, dass die Bestrahlung zu einer für die Realisierung einer stoffschlüssigen Verbindung ausreichenden Erwärmung der Grenzschicht führt.
Im Falle eines Laminierverfahrens beinhaltet die Grenzschicht einen Klebstoff, sodass dieser durch Bestrahlung erwärmt wird und die zu verbindenden Materialien miteinander verklebt. Handelt es sich um ein Schmelzschweißverfahren, erfolgt in der erwärmten Grenzschicht sodann das Verschmelzen der zu verbindenden Materialien. In beiden Fällen werden zwei Materialien stoffschlüssig miteinander verbunden. Stoffschlüssig bedeutet dabei, dass die verbundenen Werkstoffe durch atomare oder molekulare Kräfte wie beispielsweise van der Waals-Kräfte zusammengehalten werden und sich somit nicht ohne Zerstörung wieder voneinander trennen lassen. Durch die zumindest abschnittsweise Erwärmung der Grenzschicht kann eine lokal definierte Verbindung der Materialien erfolgen. Das heißt, dass entsprechend eines vorzugebenden Musters beide Materialien nur an bestimmten Stellen miteinander verbunden werden. Damit kann eine Verbindung der Materialien realisiert werden, ohne dass der Energieeintrag auf die komplette Grenzfläche erfolgt. Dadurch können beispielsweise Folien mit wärmeempfindlichen Strukturen wie biologischen Schichten oder elektrischen Schaltkreisen mit einer zweiten Folie verbunden werden, wobei die Verbindungspunkte nur an den Stellen liegen, an denen keine wärmeempfindliche Struktur vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestrahlung über eine Zeit von 1 µs bis 100 ms, bevorzugt im Bereich von 50 µs bis 500 µs. Die für die Bestrahlung verwendeten Blitzlampen gestatten solche Bestrahlungszeiten. Durch die geringe Einwirkzeit der Bestrahlung wird die Temperatur der Materialien mit Ausnahme vom absorbierenden Material bzw. Absorptionsschicht während des Prozessierens im Vergleich zur Umgebungstemperatur nicht wesentlich erhöht. Dadurch können auch wärmeempfindliche Materialien miteinander verbunden werden. Außerdem kann ein höherer Durchsatz generiert werden, da das herkömmliche zeit- und energieaufwendige Aufheizen des gesamten Materialverbundes entfällt. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Materialien mit hoher Wärmekapazität, wie z. B. dicken Glasscheiben, vorteilhaft. Des Weiteren werden durch die kurzen Bestrahlungszeiten nachteilige Diffusionsprozesse und/oder Kristallbildung, z. B. bei organischen Leuchtdioden, stark verringert, da hierbei die Expositionszeit bei erhöhter Temperatur eine entscheidende Rolle spielt. Beispielsweise ist es möglich Polyethylen-Folien kurzzeitig mit Blitzlampen auf bis zu mehrere hundert °C zu erwärmen, also weit über die Glastemperatur des Polyethylens von ca. 100 C° hinaus, ohne deren Struktur zu ändern.
In verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Erwärmung der Grenzschicht durch die Strahlungsabsorption in verschiedenen Materialien und/oder Schichten erfolgen, z. B. im oberen und/oder im unteren Material. Dabei kann das Material selbst für eine Erwärmung ausreichend Licht absorbieren oder es enthält absorbierende Zusätze, die diesen Zweck erfüllen.
Für den Fall, dass die Strahlungsabsorption innerhalb des unteren Materials erfolgt, muss mindestens das obere Material zumindest teilweise transparent für die genutzte Blitzlampenstrahlung sein, damit die Strahlung bis in das untere Material vordringen kann. Die Transparenz des oberen Materials für die Blitzlampenstrahlung muss dabei so ausgeprägt sein, dass ein für die Erwärmung der Grenzschicht ausreichender Anteil an Strahlung für die Absorption im unteren Material zur Verfügung steht. Diese Ausführungsvariante ist besonders vorteilhaft, falls das obere Material wärmeempfindlich ist und/oder eine hohe Wärmekapazität besitzt, da es nicht oder nur geringfügig erwärmt wird.
Für den Fall, dass zwei transparente Materialien miteinander verbunden werden sollen, kann die Strahlungsabsorption in einer für diesen Zweck zusätzlich eingefügten Absorptionsschicht zwischen den beiden zu verbindenden Materialien und damit direkt benachbart zur oder innerhalb der zu erwärmenden Grenzschicht erfolgen, je Lage der sich bei dem verwendeten Verfahren und den Schmelztemperaturen der Materialien ausbildenden Grenzschicht. Damit wird die oben definierte Grenzschicht um diese zusätzlich eingefügte absorbierende Schicht erweitert. Die beschriebene Absorptionsschicht kann dabei als separate Schicht oder als Beschichtung auf mindestens einem der Materialien ausgebildet sein. Vorteilhaft kommt es bei dieser Ausführungsvariante nur zur Erwärmung der Grenzschicht, während die zu verbindenden Materialien nicht oder nur geringfügig erwärmt werden, was insbesondere bei der Verwendung von wärmeempfindlichen Materialien und/oder Materialien mit hoher Wärmekapazität von Bedeutung ist.
Diese zusätzlich eingefügte absorbierende Schicht besteht vorteilhaft aus CrN, das als lichtabsorbierendes Material bekannt ist. Auch andere Metalle, z.B. Cu, Au und/oder Ag oder Metalllegierungen sind für die Absorptionsschicht verwendbar. Als eine die benannten Materialien als wesentliche Bestandteile enthaltende Schicht soll hier eine solche Materialzusammensetzung verstanden sein, bei der wesentliche und die Strahlungsabsorption bestimmende Bestandteile CrN, Cu, Au und/oder Ag oder Legierungen davon sind. Das schließt ein, dass technologisch bedingte Verunreinigungen oder technologisch bedingte Beimengungen, die z.B. zur Herstellung der Schicht dienlich sind, enthalten sein können. Derartige Verunreinigungen oder technologische Beimengungen liegen meist im Bereich von kleiner 1 %, können aber auch einige wenige Prozent betragen.
Die Bestandteile der Absorptionsschicht zeichnen sich vorteilhaft durch eine hohe Absorption im jeweiligen Wellenlängenbereich der Blitzlampenstrahlung, die üblicherweise im Bereich von 200 nm bis 1000 nm liegt, und eine gute Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Schicht aus, sodass die Erwärmung der Grenzschicht schnell und unter möglichst geringem Energieverbrauch erfolgen kann. Zur Verbindung von UV-empfindlichen Materialien besteht die Absorptionsschicht vorzugsweise aus Bestandteilen, die auch außerhalb des UV-Bereichs ausreichend Strahlung für eine Erwärmung der Grenzschicht absorbieren, wie z. B. CrN, Cu, C (Graphit) und/oder Au. Für nicht UV-empfindliche Materialien können auch Absorptionsschichten wie beispielsweise Ag eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Variante erfolgt die lokal definierte Verbindung durch Strukturierung der für die Strahlungsabsorption zusätzlich in oder an die Grenzschicht der zu verbindenden Materialien eingebrachten Absorptionsschicht mit strahlungsabsorbierenden und für die Strahlung transparenten oder strahlungsreflektierenden Bereichen. Unter Strukturierung wird dabei die gezielte Veränderung verstanden, durch die Bereiche mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften erzeugt werden. Meist sind das Unterbrechungen der Schicht in ihrer flächigen Ausdehnung, aber auch eine lokal differenzierte Änderung der Absorption in der Schicht ist möglich. Dadurch kann eine gezielte Verbindung der Materialien an nur bestimmten Stellen realisiert werden. Dies ermöglicht die Aussparung wärmempfindlicher Bereiche, wie z. B. Bereiche mit biologischen Beschichtungen, bei denen eine Temperatur von 42 °C aufgrund der Gerinnung von Eiweißen nicht überschritten werden darf und die unter Nutzung der vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung im Abstand von ca. 50 µm dennoch laminiert bzw. verschweißt werden können.
Für den Fall, dass die Absorptionsschicht mit strahlungsabsorbierenden und für die Strahlung transparenten Bereichen strukturiert ist, trifft der Anteil an nicht in der Absorptionsschicht absorbierter Strahlung auf das untere Material. Diese im Vergleich zur Verwendung einer mit strahlungsabsorbierenden und strahlungsreflektierenden Bereichen strukturierten Absorptionsschicht kostengünstig und einfach zu realisierende Variante ist vorzugsweise anzuwenden, wenn das untere Material die Strahlung nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil absorbieren kann, d. h. transparent ist und nicht durch die Strahlung geschädigt wird.
Für den Fall, dass das untere Material selbst Strahlung in nicht nur geringen Anteilen absorbieren kann und/oder durch die Strahlung geschädigt werden könnte, wird vorzugsweise eine mit strahlungsabsorbierenden und strahlungsreflektierenden Bereichen strukturierte Absorptionsschicht verwendet. Bei dieser Variante trifft auf das untere Material keine bzw. nur ein sehr geringer Anteil an Strahlung auf, da sie in den reflektierenden Bereichen zurückgeworfen wird, wodurch eine Schädigung des unteren Materials durch Strahlung und/oder eine Erwärmung weitgehend vermieden wird und eine lokal definierte Verbindung der Materialien dennoch realisiert werden kann.
In einer weiteren alternativen Variante erfolgt die lokal definierte Verbindung durch Einbringen einer mit strahlungsreflektierenden und für die Strahlung transparenten Bereichen strukturierten Maske in den Strahlungsgang zwischen Strahlungsquelle und zu verbindenden Materialien. Eine solche Maske, die nur in den Bereichen für die Strahlung transparent ist, in denen der darunter liegende Materialverbund der Bestrahlung ausgesetzt werden sollen, wird auch als Schattenmaske bezeichnet. Damit wird der Materialverbund von den nicht-transparenten Bereichen beschattet, sodass es an diesen Stellen nicht zu einer Strahlungsabsorption und infolgedessen zu keiner Verbindung der Materialien in diesem Bereich kommt. Die Maske kann aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, u. a. kann ein mit Chrom beschichteter Glasträger gewählt werden, dessen Beschichtung definierte Durchgänge aufweist, durch die die Strahlung bis zu den zu verbindenden Materialien vordringen kann und dort nach geeigneter Absorption eine lokal definierte Verbindung bewirkt. Die Verwendung einer strukturierten Maske stellt eine kostengünstige Alternative zur Strukturierung der Absorptionsschicht dar, da sie wiederholt verwendet werden kann.
Außerdem ist es möglich mehrere strukturierte Masken in den Strahlungsgang einzubringen. Damit kann die gewünschte lokal definierte Verbindung der Materialien durch eine baukastenartige Kombination verschiedener Masken erreicht werden, wobei die Masken selbst flexibel für die Erzeugung unterschiedlicher Verbindungsmuster eingesetzt werden können.
In einer Ausführungsvariante umfasst ein Material des Materialverbundes ein Substrat mit organischer Elektronik, wie z. B. organischen Leuchtdioden, organischer Photovoltaik oder organischen Transistoren. Die Bestrahlung erfolgt abschnittsweise oder auf die Rückseite der Elektronik gerichtet, sodass die Leuchtflächen der Dioden nicht erfasst werden. Organische Elektronik wird typischerweise durch Diffusionsprozesse und/oder Kristallbildung bereits bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperaturen der organischen Materialien geschädigt. Da bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Expositionszeit bei erhöhter Temperatur durch die Blitzdauer auf deutlich unter eine Millisekunde begrenzt werden kann, kommt es nur zur lokalen Erwärmung der Grenzschicht, während die organischen Materialien nahezu bei Umgebungstemperatur bleiben, wodurch eine Schädigung des organischen Materials weitgehend verhindert wird. Unter organischem Material ist hier ein zusätzlich aufgebrachtes Material auf Kohlenstoffbasis, wie z. B. organische Leuchtdioden, zu verstehen, nicht jedoch etwaige Trägermaterialen bzw. Materialien des Materialverbundes auf Kunststoffbasis, die verbunden werden sollen.
Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darauf zu achten, dass das Licht der Blitzlampe nicht direkt auf die organischen Materialien trifft. Dies wird durch die Bestrahlung der Rückseite des Trägermaterials, d. h. des Reflektors der organischen Leuchtdiode oder durch abschnittsweise Bestrahlung der Bereiche ohne organische Materialien erreicht. Sollen empfindliche Materialien, wie z. B. bestimmte Kunststoffe, die durch UV-Licht geschädigt werden könnten, miteinander verbunden werden, so wird das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft so ausgeführt, dass die Erwärmung mittels UV-freier Strahlung erfolgt und daher keine durch die Strahlungsquelle emittierte möglicherweise schädigende UV-Strahlung auf den Materialverbund auftreffen kann. UV-freie Strahlung meint hier, dass der UV-Anteil der Strahlung so gering ist, dass es zu keiner Materialschädigung kommt.
Eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst zumindest eine Strahlungsquelle in Form einer Blitzlampe oder eines Blitzlampenfeldes zur linien- oder flächenweisen Bestrahlung des Materialverbundes. Die Strahlungsquellen können dabei ein- oder beidseitig des Materialverbundes angeordnet sein, sodass auch mehrere Materiallagen miteinander verbunden werden können. Die Anordnung der Strahlungsquellen erfolgt vorzugsweise so, dass die Strahlung senkrecht auf den Materialverbund auftrifft, wobei alternativ auch um bis zu 45° abweichende Einfallswinkel gewählt werden können.
Durch die Verwendung einer Blitzlampe ist eine linienweise Bestrahlung, bei Einsatz mehrerer Blitzlampen auch eine flächenweise Bestrahlung erzielbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher auch für Durchlaufverfahren einsetzbar, wobei die Blitzlampen sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Materialverbundes ausdehnen und quer zur Transportrichtung des Materialverbundes angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem Mittel zur Einstellung der Bestrahlungsparameter, wie z. B. Energiedichte, Zeitdauer, Fokussierung, umfassen, um eine optimierte Verbindung der Materialien zu erreichen.
Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Einbringen von Filtern zum Filtern definierter Wellenlängen der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung. Damit kann beispielsweise das Auftreffen von UV-Strahlung auf den Materialverbund verringert bzw. verhindert werden. Dies ermöglicht die Verbindung von Materialien, die durch UV-Strahlung geschädigt werden, wie z. B. bestimmte Kunststoffe. Außerdem kann z. B. das Spektrum der emittierten Strahlung auf das Absorptionsspektrum des absorbierenden Materials angepasst und somit die Strahlungsbelastung für den Materialverbund verringert werden. Des Weiteren ermöglicht diese Ausführungsvariante eine zeitliche Abfolge verschiedener Verbindungsvorgänge gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens, indem Absorptionsmaterialien mit unterschiedlichen Absorptionsbereichen eingesetzt werden, die dann durch Verwendung entsprechender Wellenlängenfilter zeitlich versetzt absorbieren und so eine zeitliche Abfolge der Materialverbindung ermöglichen.
Eine weitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung verhindert die UV-Licht-Emission der Blitzlampen durch Dotierung des Blitzlampenglases mit Cerium. Damit kann die Einwirkung von UV-Strahlung auf den Materialverbund verringert werden, sodass auch UV-empfindliche Materialien miteinander verbunden werden können. Außerdem wird in diesem Fall die Entstehung von Ozon bei Belichtung des Substrats an Luft verhindert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine strukturierte Maske im Strahlungsgang zwischen Strahlungsquelle und Materialverbund, die für die Strahlung der Strahlungsquelle reflektierende und transparente Bereiche aufweist. Dadurch wird beispielsweise eine lokal definierte Verbindung der zwei zu verbindenden Materialien ermöglicht, indem der Materialverbund von den nicht-transparenten Bereichen der Maske beschattet wird und es infolgedessen zu keiner Strahlungsabsorption und somit Verbindung der Materialien in diesem Bereich kommt. Die Maske kann beispielsweise als mit Chrom beschichteter Glasträger mit definierten Durchgängen in der Beschichtung ausgeführt sein. Jedoch kann eine Vielzahl weiterer Trägermaterialien und Beschichtungen, z. B. Stahlblech eingesetzt werden, sofern sie für die Herstellung einer Maske geeignet sind. Vorteilhaft ist außerdem die Wiederverwendbarkeit der Masken, sowohl für die Erzielung mehrerer stoffschlüssiger Verbindungen gemäß der Erfindung als auch für andere Prozesse, bei denen derartige Masken zur Anwendung kommen. Durch baukastenartige Kombination mehrerer Masken können diese flexibel für die Erzeugung unterschiedlicher Verbindungsmuster genutzt werden.
In Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 schematische Darstellung der Erfindung für die Verbindung eines transparenten und eines lichtabsorbierenden Materials,
2 schematische Darstellung der Erfindung für die Verbindung zweier transparenter Materialien mit zwischenliegender Absorptionsschicht,
3 schematische Darstellung der Erfindung für die lokal definierte Verbindung zweier transparenter Materialien mit zwischenliegender, strukturierter Absorptionsschicht, die für die Strahlung transparente Bereichen aufweist und
4 schematische Darstellung der Erfindung für die lokal definierte Verbindung eines transparenten und eines lichtabsorbierenden Materials mittels einer strukturierten Maske, die strahlungsreflektierende und für die Strahlung transparente Bereiche aufweist.
1 stellt ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von zwei Materialien 3, 4 durch Verschweißen dar. Dazu werden die beiden Materialien 3, 4 übereinander im Kontakt so positioniert, dass die Strahlung von einer den Materialien gegenüber liegenden Strahlungsquelle 1, einem Blitzlampenfeld, senkrecht auf die beiden zu verbindenden Materialien 3, 4 auftrifft. Alternativ kann der Einfallswinkel der Strahlung auch entsprechend der obigen Ausführungen anders gewählt werden, wobei Blitzlampen i.a. kein paralleles Licht emittieren.
Von den beiden Materialien ist das obere 3 für die Blitzlampenstrahlung 2 transparent, also z. B. Glas oder ein transparenter Kunststoff. Das untere Material 4 hingegen kann die Blitzlampenstrahlung 2 absorbieren. Durch die Bestrahlung des Materialverbundes 6 erwärmt sich die Grenzschicht zwischen beiden Materialien soweit, dass beide Materialien 3, 4 zumindest oberflächlich schmelzen, die Schmelze sich vermischt und sich die Materialien beim Erkalten fest miteinander verbinden. Die dafür notwendigen Energiedichten hängen sehr stark von den Eigenschaften der verwendeten Materialien, wie Absorption, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur, und von der Ausgestaltung des Materialverbundes entsprechend der hier beschriebenen Varianten ab. Werden beispielsweise zwei Kunststofffolien mit einer dazwischen liegenden Graphitschicht als Absorptionsschicht miteinander verbunden, so können Energiedichten im Bereich von 0,2 J/cm² ausreichend sein. Bei der Verbindung anderer Materialien, anderen Absorptionskonstellationen und damit verbundenen Dicken der absorbierenden Komponenten des Materialverbundes, weichen die erforderlichen Energiedichten wesentlich von diesem Wert ab. Insbesondere bei der Verwendung von Metallen werden deutlich größere Energiedichten verwendet.
Optional kann das Auftreffen von UV-Licht auf die Materialien verhindert werden, indem Blitzlampen mit Cerium-dotierten Gläsern eingesetzt werden oder entsprechende Filter in den Strahlungsgang eingebracht werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei in diesem Fall beide zu verbindende Materialien 3, 4 transparent für die Blitzlampenstrahlung 2 sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde als oberes Material 3 Glas verwendet, das mit einer UV-empfindlichen Kunststofffolie als unterem Material 4 verbunden werden soll. Zur Bestrahlung wird in diesem Ausführungsbeispiel nahes UV-Licht verwendet, das Wellenlängen im Bereich von 315 nm bis 380 nm aufweist.
Um eine Absorption der Strahlung und damit die Erwärmung der Grenzschicht zu ermöglichen, wird eine zusätzliche Absorptionsschicht 5 zwischen den beiden transparenten Materialien 3, 4 und damit im Bereich der auszubildenden Grenzschicht eingebracht. Eine mögliche Variante dazu ist die Ausprägung der Absorptionsschicht 5 als Oberflächenbeschichtung auf mindestens einem der zu verbindenden Materialien. Die Absorptionsschicht 5 besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium und wird infolge ihrer Absorption auf eine Temperatur erwärmt, die die Kunststofffolie an der Grenzfläche zur Al-Schicht zum Schmelzen bringt, so dass ein Verschweißen des oberen mit dem unteren Material 3, 4 erfolgt.
Sofern sich alternativ in der Grenzschicht zudem ein Schmelzklebstoff befindet und die Grenzschicht die Schmelztemperatur dieses Klebstoffs durch geeignete Strahlungsabsorption erreicht, kommt es zum Verkleben der beiden Materialien 3, 4, d. h., es findet ein Laminierprozess statt. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ist es beispielsweise, wie oben dargelegt, möglich, auf einem Trägermaterial aufgebrachte organische Leuchtdioden durch Laminieren mit einer Folie vor negativen Einflüssen zu schützen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Materialien 3, 4 lokal definiert miteinander verbunden werden. Dazu wird eine zusätzliche mit strahlungsabsorbierenden und für die Strahlung transparenten Bereichen strukturierte Schicht 6 zwischen den beiden zu verbindenden Materialien 3, 4 eingebracht. Auch diese wirkt als Absorptionsschicht 6, jedoch nur in den absorbierenden Bereichen, so dass es bei Lichteinstrahlung dort zur Absorption kommt und somit zur lokal definierten Erwärmung der Grenzschicht. Im Falle eines Schweißverfahrens erfolgt die Erwärmung bis zum oberflächlichen Schmelzen der Materialien, wodurch beide Materialien 3, 4 nach dem Erkalten in den absorbierenden Bereichen der Absorptionsschicht 6 abschnittsweise fest miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können die transparenten Bereiche von der Verbindung ausgeschlossen werden, z. B. wenn dort elektronische Komponenten in oder auf einem Material ausgebildet sind.
Im Bereich der für die Strahlung transparenten Bereiche erfolgt die Transmission der Strahlung durch die zusätzliche Schicht 6 hindurch bis in das untere Material 4. Ist dies nicht erwünscht, so kann alternativ eine mit strahlungsabsorbierenden und strahlungsreflektierenden Bereichen strukturierte zusätzliche Schicht 6 im Bereich der Grenzschicht eingebracht werden. In diesem Fall erfolgt die Reflexion der Strahlung in den jeweiligen Bereichen zurück durch das obere Material 3, sodass das untere Material 4 keine bzw. nur ein geringe Strahlenbelastung erfährt.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise für die Laminierung von auf einem Material, z. B. der Kunststofffolie, lokal aufgebrachten biologischen Schichten genutzt werden, wobei in den begrenzten Bereichen mit biologischer Beschichtung eine Temperatur von 42 °C aufgrund der Gerinnung von Eiweißen nicht überschritten werden darf. Eine lokal definierte Verbindung der Materialien 3, 4 ermöglicht es, die Grenzschicht in einer lateralen Entfernung von ca. 50 µm zu den Bereichen mit biologischem Material zu erwärmen, sodass eine Laminierung ohne Schädigung des biologischen Materials erfolgen kann.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine lokal definierte Verbindung von zwei Materialien 3, 4 erfolgt. Die lokal definierte Erwärmung erfolgt hier durch eine strukturierte Maske 7, die strahlungsreflektierende und für die Strahlung transparente Bereiche aufweist. Die Maske 7 wird zwischen dem Blitzlampenfeld 1 und dem oberen Material 3 des Materialverbundes 6 im Strahlengang positioniert, so dass der Materialverbund 6 von den nicht-transparenten Bereichen der Maske 7 teilweise beschattet wird.
Die Maske 7 kann dazu z. B. aus einem mit Chrom beschichteten Glasträger bestehen, wobei die Reflexionsbeschichtung definierte Durchgänge aufweist, durch die die Blitzlampenstrahlung 2 bis zu den zu verbindenden Materialien 3, 4 vordringen kann. Dort, im dargestellten Ausführungsbeispiel im unteren, absorbierenden Material 4 analog der Beschreibung zu 1, erfolgt die Absorption der Strahlung, wodurch die Grenzschicht in den belichteten Bereichen erwärmt wird und je nach Verfahren ein Verschweißen oder Laminieren stattfindet. Alternativ kann die beschriebene Maske 7 auch in Kombination mit einer Absorptionsschicht 5 im Materialverbund 6, wie zu 2 beschrieben, kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsquelle
2: emittierte Strahlung
3: oberes Material
4: unteres Material
5: Absorptionsschicht
6: Materialverbund
7: Maske

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10350568 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J.-E. Schulz, „Werkstoff-, Prozess- und Bauteiluntersuchungen zum Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen“, Dissertation, RWTH Aachen, 2003 [0007]

Claims

Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von zumindest zwei Materialien (3, 4), die an einer Grenzschicht direkt oder über zumindest eine Schicht indirekt miteinander im flächigen Kontakt stehen und nachfolgend als Materialverbund (6) bezeichnet werden, durch Verschweißen oder Laminieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzschicht mittels Strahlung von Blitzlampen (2) durch eines der beiden Materialien hindurch, welches für die Strahlung transparent ist, zumindest abschnittsweise erwärmt wird, indem die Strahlung durch eine Absorptionsschicht (5) und/oder ein Material des Materialverbundes (6) zumindest abschnittsweise absorbiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung über eine Zeit im Bereich von 1 µs bis 100 ms erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Grenzschicht durch eine Strahlungsabsorption innerhalb des unteren, d. h. des dem Strahlungseinfall, bezogen auf die Grenzschicht, abgewandten, Materials (4) des Materialverbundes (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsabsorption in einer an der Grenzfläche anliegenden Absorptionsschicht (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Absorptionsschicht (5) CrN, Cu, Au, Al und/oder Ag oder eine Metalllegierung davon als wesentlichen Bestandteil umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Grenzschicht abschnittsweise erfolgt, indem die Absorptionsschicht (5) strukturiert ist, so dass sie strahlungsabsorbierende und für die Strahlung transparente oder strahlungsreflektierende Bereiche umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Grenzschicht abschnittsweise erfolgt, indem zwischen einer die Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (1) und dem Materialverbund mindestens eine mit strahlungsreflektierenden und für die Strahlung transparenten Bereichen strukturierte Maske (7) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Materialverbundes (6) ein Substrat mit organischer Elektronik umfasst und die Bestrahlung derart erfolgt, dass sie nicht die organische Elektronik erfasst, indem die Bestrahlung abschnittsweise erfolgt oder auf die Rückseite der Elektronik gerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels UV-freier Strahlung erfolgt.
Vorrichtung zur stoffschlüssigen Verbindung von zwei Materialien (3, 4) durch Verschweißen oder Laminieren, dadurch gekennzeichnet, dass zur linien- oder flächenweisen Bestrahlung des Materialverbundes (6) zumindest eine Strahlungsquelle (1), ausgebildet durch eine Blitzlampe oder ein Blitzlampenfeld, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine strukturierte Maske (7) mit für die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung strahlungsreflektierenden und transparenten Bereichen im Strahlengang der Strahlung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Filter zum Filtern definierter Wellenlängen der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampen zur Vermeidung der Emission von UV-Licht Blitzlampengläser mit Cerium-Dotierung aufweist.