Erhöhung der Selektivität und Präzision beim Schweißen von mehrschichtigen Thermoplastfolien durch den Einsatz von wellenlängenangepasster Laserbearbeitung

Brosda, Maximilian; Häfner, Constantin Leon; Hopmann, Christian

doi:43514

Erhöhung der Selektivität und Präzision beim Schweißen von mehrschichtigen Thermoplastfolien durch den Einsatz von wellenlängenangepasster Laserbearbeitung = Increasing selectivity and precision for welding of multi-layer thermoplastic films by using wavelength-adapted laser processing

Brosda, Maximilian^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeMaximilian Brosda

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-229-0

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08127
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992290/files/992290.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Film (frei) ; Laser (frei) ; Polymer (frei) ; encapsulation (frei) ; packaging (frei) ; welding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Polymerfolien finden in vielen Bereichen der Industrie Anwendung. Gerade dort, wo vor allem flexible und zudem kostengünstige Umsetzungen gefordert sind, stellen Polymerfolien eine herausragende Möglichkeit dar. Das Spektrum des Einsatzbereiches von Polymerfolien reicht über die Verpackungstechnik, Medizintechnik, den Automotive-Bereich bis zur High End Anwendung im Bereich der OLED/OPV Verkapselung. Polymerfolien sind zumeist für den einzelnen Anwendungsfall individuell entwickelt, um eine größtmögliche Schnittmenge für die definierten gegebenen Eigenschaftsanforderungen zu erhalten. Ein bedeutender Teil der verwendeten Polymerfolien ist dabei für das menschliche Auge transparent. Dies hat neben ästhetischen und verkaufsfördernden Aspekten auch sicherheitstechnische Gründe. Bei der Verkapselung von flexiblen OLEDs oder OPVS ist die Transparenz durch technische Randbedingungen auch zwingend erforderlich. Üblicherweise werden die zuvor speziell entwickelten Folien rollenweise von spezialisierten Herstellern produziert und dann erst beim Anwender oder Warenproduzenten eigenständig weiterverarbeitet. Der zentrale Schritt eines Weiterverarbeitungsprozesses ist das Fügen. Beim Fügen wird eine Polymerfolie mit sich selbst oder einem weiteren Fügepartner z.B. in Form eines Bechers verbunden, um ein Gut abzupacken. Hierfür sind Werkzeuge mit geometrisch fest definierter Form z.B. Heißsiegelbacken oder Ultraschallrollen etabliert. Zunehmend spielen bei der Auswahl von Technologien zur Weiterverarbeitung von Polymerfolien Aspekte der Formatflexibilität, Ressourceneffizienz und Präzision eine wichtige Rolle. Dies sind Anforderungen an die Produktanzahl bis runter zu Losgröße eins, eine Minimierung der eingesetzten Polymervielfalt in einem Folienverbund, um eine bessere Recyclingfähigkeit zu erreichen, und reproduzierbare und qualitätsrelevant nachweisbare Verbindungen zur Steigerung der Produktsicherheit. Die bisher auf dem Markt befindlichen, technologischen Ansätze können diesen vielschichtigen Anforderungen nur eingeschränkt Lösungen gegenüberstellen. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht, inwieweit Dioden- und Faserlaserstrahlquellen mit angepassten Emissionswellenlängen Antworten auf die gestellten Anforderungen geben können. Hierzu wird die Energiedeposition mittels Laserstrahlung anhand des zentralen Schritts des Fügens unter Einsatz von wellenlängen-angepassten Laserstrahlquellen betrachtet. Aus dieser Verfahrensvariante lassen sich dann wiederum auch andere Verfahren wie das laser- basierte Schneiden ableiten. Um die Eignung von wellenlängenangepassten Laserstrahl- quellen für das Schweißen von Polymerfolien genauer zu untersuchen, werden Aspekte der Wechselwirkung der eingestrahlten Laserstrahlung mit den einzelnen Schichten eines Polymerfolienverbundes und die sich daraus ableitenden Wärmeleitungsvorgänge physikalisch beschrieben und untersucht. Die Betrachtung und Beweisführung erfolgt dabei sowohl anhand von Simulationen zur Strahlpropagation und Wärmeleitung im 3D Raum als auch an bildgebenden Thermografieaufzeichnungen und Dünnschnitten an physischen Schweiß- proben. Der Einsatz in der Produktion erfordert zudem Aussagen über den Einfluss von einzelnen Prozessparametern auf den Fügeprozess. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen an marktüblichen und repräsentativen Polymerfolien durchgeführt. Den Anforderungen an Qualitätssicherheit wird mit Untersuchungen zu geeigneten infraroten, thermo- grafischen, spektralen und bildgebenden Sensoren Rechnung getragen. Perspektivisch erfolgt die Betrachtung eines hybriden und simultanen laserbasierten Füge- und Trennprozesses für mehrschichtige Polymerfolien.

Polymer films are used in many areas of industry. Polymer films are an outstanding option, especially where flexible and cost-effective implementations are required. The spectrum of applications for polymer films ranges from packaging technology, medical technology and the automotive sector to high-end applications in the field of OLED/OPV encapsulation. Polymer films are mostly developed for the individual application in order to obtain the greatest possible intersection for the defined given property requirements. A significant proportion of the polymer films used are transparent to the human eye. In addition to aesthetic and sales promotion aspects, this also has safety-related reasons. In the encapsulation of flexible OLEDs or OPVS, transparency is mandatory due to technical constraints. Usually, the previously specially developed films are produced in rolls by specialized manu- facturers and then only further processed independently at the user or goods producer. The central step in a further processing operation is joining. In joining, a polymer film is welded to itself or to another joining partner, for example to of a cup. Tools with a geo- metrically fixed shape, e.g., heat-sealing jaws or ultrasonic rollers, are established for this purpose. Increasingly, aspects of format flexibility, resource efficiency and quality are play- ing an important role in the selection of technologies for the further processing of polymer films. These are requirements for the number of products down to batch size one, minimi- zation of the variety of polymers used in a film composite to achieve better recyclability, and reproducible and quality-relevant verifiable joints to increase product safety. The tech- nological approaches available on the market to date can only offer limited solutions to these complex requirements. Therefore, this thesis investigates the extent to which diode and fiber laser systems with adapted emission wavelengths can provide answers to these requirements. For this purpose, energy deposition by means of laser radiation is considered based on the central step of joining using wavelength-matched laser beam sources. From this process variant, in turn, other processes such as laser-based cutting can be derived. To investigate the suitability of wavelength-matched laser beam sources for welding polymer films in more detail, aspects of the interaction of the irradiated laser radiation with the individual layers of a polymer film composite and the resulting heat conduction processes are physically described and investigated. The observation and demonstration are based on simulations of beam propagation and heat conduction in 3D space as well as on imaging thermographic recordings and thin sections of physical weld specimens. The application in production also requires statements about the influence of individual process parameters on the joining process. For this purpose, experimental investigations are carried out on commercially available and representative polymer foils. The requirements for quality assurance are considered with investigations into suitable infrared, thermographic, spectral and imaging sensors. In the future, a hybrid and simultaneous laser-based joining and separa- tion process for multilayer polymer films will be considered.

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