Kunststoffteil durch Laserschweißen

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Kunststoffteiles mit einem zweiten Kunststoffteil durch Laserschweißen, wobei beide Kunststoffteile aufeinander positioniert, in einer Spannvorrichtung mit einem transparenten Niederhalter

zusammengepresst und durch Laserschweißen mit einem Laserlicht dicht miteinander verbunden werden.

Stand der Technik

Insbesondere für die Verbindung von Filtermembranen mit Gehäuseunterteilen von Filtergehäusen ist Laserschweißen eine schonende Methode, mit deren Hilfe die empfindliche Membranen sich mit den Gehäuseunterteilen aus Kunststoff dicht verbinden lassen. Für die sichere Nutzung des Laserschweißens müssen bisher die

Kunststoffgehäuse mit laserlichtabsorbierenden Zusatzstoffen ausgerüstet sein oder die laserabsorbierenden Stoffe müssen zwischen Membran und Kunststoffgehäuse eingebracht werden.

Laserabsorbierende Zusatzstoffe erhöhen die Herstellkosten und haben zum größten Teil keine Zulassungen im Pharma- und Medizinbereich. Diese Zusatzstoffe bewirken eine Volumenabsorption der Laserstrahlung in Kunststoffen und erhöhen somit den Bedarf an Laserleistung. Eine Schweißung mit niedriger Laserleistung ist für die Membran aber schonender. Die Zusatzstoffe machen die Komponente und damit die Endprodukte teurer. Zudem erhöhen sie auch die extrahierbaren Bestandteile in Endprodukten. Aus der DE 102 1 1 782 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von einem Gehäuseunterteil mit einem Filter bekannt, wobei der Filter mit einem umlaufenden Randbereich auf seiner dem Gehäuseunterteil zugewandten Unterseite durch Laserschweißen dicht mit einem Auflagerand des Gehäuseteils verbunden wird. Dabei ist das Gehäuseteil aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet, der Laserlicht adsorbiert, während der Filter aus einem für Laserlicht transparenten Polymervlies ausgebildet ist. Zum Verbinden von Gehäuseunterteil und Filter wird der Filter mit seinem Randbereich auf einen Auflagerand des Gehäuseunterteils aufgesetzt und in einer Spannvorrichtung mit einem transparenten Niederhalter zusammengepresst, wobei der Randbereich des Filters durch

Laserschweißen dicht mit dem Auflagerand des Gehäuseunterteils verbunden wird.

Nachteilig dabei ist, dass das Gehäuseunterteil unerwünschte absorbierende Zusatzstoffe enthalten muss.

Aus der DE 198 60 357 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen von zwei

Filterhalbschalen bekannt, wobei eine Filterhalbschale aus einem laserlichtdurchlässigen Kunststoff und die andere Filterhalbschale aus einem für Laserlicht undurchlässigen Kunststoff ausgebildet ist und daher ebenfalls unerwünschte, das Laserlicht

absorbierende Zusatzstoffe enthalten muss.

Aus der DE 10 2006 008 776 B4 ist ein Verfahren zum Verbinden eines ersten

Kunststoffteiles mit einem zweiten Kunststoff teil durch Laserschweißen bekannt, bei dem der Einsatz zusätzlicher Absorberstoffe vermieden werden soll. Dabei muss die

Wellenlänge des Laserlichtes so gewählt werden, dass sie von den Kunststoffen mindestens zu 5% absorbiert wird und der Laserstrahl in Fügestelle der beiden

Fügepartner fokussiert sein muss. Nachteilig dabei ist, dass ist die genaue Fokussierung, Verarbeitungsfenster sehr klein macht. Bereits eine kleine Defokussierung führt zu schlechten Schweißergebnissen. Ein weiterer Nachteil ist die Begrenzung durch die Wahl der Wellenlänge, die mindestens zu 5% durch den Kunststoff absorbiert werden muss. Dabei werden Wellenlängen über 1000 nm benötigt. Diodenlaser für diese Wellenlängen sind sehr teuer und noch nicht allgemein erhältlich. Aufgabenstellung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Kunststoffteiles mit einem zweiten Kunststoffteil durch Laserschweißen anzugeben, das ohne unerwünschte absorbierende Zusatzstoffe in der fertigen Verbindung auskommt und kostengünstig mit handelsüblichen Diodenlasern mit zwischen 800 nm und 1000 nm liegenden Wellenlängen durchgeführt werden kann.

Darlegung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass beide Kunststoffteile für das Laserlicht transparent ausgebildet sind, dass mindestens das zweite Kunststoffteil dünn ausgebildet ist, dass dem zweiten Kunststoffteil auf der dem ersten Kunststoff teil abgewandten Außenseite zum Schweißen eine das Laserlicht absorbierende, durch das Laserlicht nicht schmelzbare Matte vorgelagert wird, die sich nicht mit dem anliegenden zweiten Kunststoffteil verbindet und dass das Laserlicht über das erste Kunststoffteil dem zweiten Kunststoffteil zugeführt wird.

Überraschend hat sich gezeigt, dass bei Verwendung mindestens eines dünnen

Kunststoffteiles es für den Schmelzprozess an der von beiden Kunststoffteilen gebildeten Fügestelle ausreichend ist, dem dünnen zweiten Kunststoffteil auf der dem ersten Kunststoffteil abgewandten Außenseite zum Schweißen eine das Laserlicht

absorbierende, durch das Laserlicht nicht schmelzbare Matte vorzulagern. Nach dem Laserschweißen wird die aus den beiden Kunststoffteilen bestehende Vorrichtung von der Matte einfach abgehoben und weist keine absorbierenden Zusatzstoffe auf. Zudem kann die Matte kostengünstig wiederverwendet werden. Durch die laserabsorbierende Matte kann genug Hitze zum Schweißen erzeugt werden, so dass die Benutzung eines unerwünschten Absorbers zwischen den Kunststoffteilen überflüssig ist.

Die Dicke des dünnen Kunststoffteiles und die Energiedichte des Laserlichtes bzw.

Laserstrahles sind aufeinander abgestimmt. Unter„dünn" wird eine Dicke des zweiten Kunststoffteiles verstanden, die einen ausreichenden Schmelzprozess an der Fügestelle der zu verbindenden Kunststoffteile zulässt. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Kunststoffteil ein Gehäuseunterteil mit einem Auflagerand, auf dem das als Filter ausgebildete zweite Kunststoffteil mit einem an seiner Unterseite angeordneten Randbereich aufgesetzt wird. Damit wird aus dem Gehäuseunterteil und dem Filter eine Vorrichtung, die die obigen Vorteile aufweist und die durch Verbindung mit einem Gehäuseoberteil zu einer

Filtervorrichtung komplettiert werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die nicht schmelzbare Matte elastisch ausgebildet. Dies gleicht zum einen eventuelle Spannungen in der Fixiervorrichtung zum Laserschweißen aus und schützt zum anderen das dünne zweite Kunststoffteil, beispielsweise den Filter. Auch lässt sich eine elastische Matte leichter nach dem Schweißvorgang von dem zweiten Kunststoff teil trennen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als nicht schmelzbare Matte eine grau oder schwarz eingefärbte Matte dem zweiten Kunststoffteil vorgelagert, die bevorzugt aus Silikon ausgebildet ist. Solche Matten haben sich als besonders günstig erwiesen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Filter als eine Filtermembran ausgebildet, die an der Unterseite durch ein durch das Laserlicht schmelzbares Verstärkungsvlies verstärkt ist. Das Verstärkungsvlies stellt dabei den eigentlichen Fügepartner zu dem Gehäuseunterteil dar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke des dünnen zweiten Kunststoffteiles mit der Energiedichte des Laserlichts so abgestimmt, dass die beiden Kunststoffteile in ihrem Fügebereich geschmolzen werden.

Die miteinander zu verbindenden Kunststoffteile sollten geeignet sein, miteinander durch Laserschweißen verbunden zu werden. Grundsätzlich ist es nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch möglich, zwischen dem zweiten Kunststoffteil und dem ersten Kunststoff teil ein hochschmelzendes Vlies einzulegen. Während des Laserschweißens werden die zu beiden Seiten des Vlieses anliegenden Schichten, die aus zum direkten Laserschweißen unverträglichen Kunststoffen ausgebildet sind, angeschmolzen und in das Vlies eingedrückt.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll unter einem hochschmelzenden Vlies ein Vlies aus einem Kunststoff verstanden werden, der bei einer Schweißtemperatur, bei der die anliegenden Kunststoffschichten zum Schmelzen gebracht werden, seine Struktur im Wesentlichen beibehält, so dass die angeschmolzenen Kunststoffe der benachbarten Schichten in den Vlies eingedrückt werden können und nach dem Abkühlen eine feste und dichte Verbindung entsteht.

Bevorzugt ist das hochschmelzende Vlies aus Polyetheretherketon oder

Polyphenylensulfid oder Polyamide oder Polyetherimid oder Polyethylenterephthalat ausgebildet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 : eine Seitenansicht im Schnitt und Explosionsdarstellung einer

Vorrichtung mit einem ersten als Gehäuseunterteil ausgebildeten Kunststoffteil und einem zweiten als Filter ausgebildeten Kunststoffteil;

Figur 2: eine Seitenansicht im Schnitt der Vorrichtung von Figur 1 mit gestrichelt dargestellten Niederhalter einer Laserschweißvorrichtung und einem gestrichelt dargestellten Laserstrahl;

Figur 3: eine Seitenansicht der fertigen Vorrichtung von Figur 2; Figur 4: eine Seitenansicht im Schnitt einer Filtervorrichtung, bestehend aus der

Vorrichtung von Figur 3 und einem aufgesetzten und verschweißten Gehäuseoberteil;

Figur 5: eine Seitenansicht im Schnitt und Explosionsdarstellung einer weiteren

Vorrichtung mit einem ersten als Gehäuseunterteil ausgebildeten Kunststoffteil und einem zweiten als Filter ausgebildeten Kunststoffteil wobei zwischen dem zweiten Kunststoffteil und dem ersten Kunststoffteil ein hochschmelzendes Vlies angeordnet ist;

Figur 6: eine Seitenansicht im Schnitt der Vorrichtung von Figur 5 mit gestrichelt dargestelltem Niederhalter einer Schweißvorrichtung und gestrichelt dargestelltem Laserstrahl;

Figur 7: eine Seitenansicht im Schnitt der Vorrichtung von Figur 6 im

verschweißten Zustand;

Figur 8: eine Seitenansicht im Schnitt der Filtervorrichtung von Figur 7 mit

aufgesetztem und verschweißtem Gehäuseoberteil; und

Figur 9: eine Seitenansicht im Schnitt und Ausriss in vergrößerter Darstellung eines Filters, bestehend aus einer Filtermembran mit Verstärkungsvlies an der Unterseite der Filtermembran.

Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen

Eine Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem ersten als Gehäuseunterteil ausgebildeten Kunststoffteil 2 und einem zweiten als Filter ausgebildeten Kunststoffteil 4.

Das zweite Kunststoffteil 4 weist eine Filtermembran 5 auf, die an ihrer Unterseite durch ein schmelzbares (durch Laserschweißen/Laserdurchstrahlschweißen)

Verstärkungsvlies 6 verstärkt ist. Das erste Kunststoffteil 2 und das zweite Kunststoffteil 4 sind für Laserlicht 7 transparent ausgebildet.

Zur Herstellung der Vorrichtung 1 wird entsprechend Figur 2 in einer

Laserschweißvorrichtung auf einer Unterlage eine das Laserlicht 7 absorbierende nicht schmelzbare Matte 8 positioniert. Auf die Matte 8 wird in einem Folgeschritt das zweite Kunststoffteil 4 mit seiner dem ersten Kunststoffteil 2 abgewandten Außenseite 16 aufgesetzt. Auf ihrer der Außenseite 16 abgewandte Unterseite 10 weist das zweite Kunststoffteil 4 einen Randbereich 13 auf, auf den in einem weiteren Schritt das erste Kunststoffteil 2 mit seinem dem zweiten Kunststoffteil 4 zugewandten Auflagerand 9 aufgesetzt wird.

Die Vorrichtung 1 wird in der Laserschweißvorrichtung durch deren für das Laserlicht 7 transparenten Niederhalter 1 1 zusammengepresst. Der Randbereich 13 des zweiten Kunststoffteils 4 wird durch Laserschweißen dicht mit dem Auflagerand 9 des

Gehäuseunterteils 2 verbunden.

Auf die fertige Vorrichtung 1 , 1 ' wird dann in bekannter Weise ein Gehäuseoberteil 14, 14' aufgesteckt und mit dieser in bekannter Weise verschweißt. Damit bildet die

Vorrichtung 1 , V zusammen mit dem Gehäuseoberteil 14, 14' eine Filtervorrichtung 15, 15'.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Figuren 5 bis 8 sind die beiden

Kunststoffteile 2', 4 aus zum direkten Laserschweißen unverträglichen Kunststoffen ausgebildet. Dabei wird zwischen dem zweiten Kunststoffteil 4 und dem ersten

Kunststoffteil 2' ein hochschmelzendes Vlies (3) eingelegt. Während des

Laserschweißens werden die zu beiden Seiten des Vlieses (3) anliegenden Schichten angeschmolzen und in das Vlies (3) eingedrückt. Das Verstärkungsvlies 3 der

Filtermembran 5 kann dabei beispielsweise aus Polypropylen ausgebildet sein. Das erste Kunststoffteil 2' ist in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 5 bis 8 us Polystyrol ausgebildet. Für das hochschmelzende Vlies 3 können beispielsweise

Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid oder Polyamide oder Polyetherimid oder Polyethylenterephthalat verwendet werden. Das zweite Kunststoffteil 4 weist entsprechend Figur 9 an seiner Unterseite 10 ein Verstärkungsvlies 6 auf, das beim Laserschweißen zumindest angeschmolzen wird.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.

Bezugszeichenliste

, 1 ' Vorrichtung

, 2' erstes Kunststoffteil (Gehäuseunterteil)

Vlies

zweites Kunststoffteil (Filter)

Filtermembran von 4

Verstärkungsvlies von 4 Laserlicht

nicht schmelzbare Matte, 9' Auflagerand von 2

0 Unterseite von 4

1 Niederhalter

2 Oberseite von 3

3 Randbereich von 4

4, 14' Gehäuseoberteil

5, 15' Filtervorrichtung

6 Außenseite von 4