Der Inhalt der deutschen Patentanmeldung 10 2012 220 285.4 wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines Fügepartners aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einem Fügepartner aus Glas. Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten dass üblicherweise derzeit Glas-Kunststoffverbindungen durch den Einsatz von Klebstoffen realisiert werden. Als beispielhafte Anwendung können hier Handydisplays aus Glaswerkstoff benannt werden, die mit einem PC bzw. PC/ABS-Gehäuse verbunden werden. Es wird in einem ersten Schritt der Klebstoff appliziert, in einem zweiten Schritt wird die Glasscheibe aufgesetzt. Bei diesem Pro- zess besteht eine große Gefahr, dass austretender Klebstoff die auf dem Glas befindlichen ITO- Schichten„kurzschließt" und somit das Touch- Display unwiderruflich zerstört. Zusätzlich zu dieser Gefahr der Ausschussproduktion hat diese Technik den Nachteil, dass die Fügestellen op- tisch nicht ansprechend aussehen und durch einen Schwarzdruck auf dem Display verdeckt werden müssen.

Weitere Anwendungen für diese Klebetechnik können Verglasungen im Automobilbau sein, wie z.B. Sonnendächer in einem Kunststoffträger. In diesem Bereich wird heute aus wirtschaftlichen Gründen vornehmlich PP als Material für den thermoplastischen Fügepartner eingesetzt. Aufgrund seine unpolaren Struktur ist PP nur nach entsprechenden Vorbehandlungen klebbar, wodurch Mehrkosten entstehen. Eine dritte Anwendung sind Steuergeräte/Frequenzumrichter, die direkt auf die Rückseite einer Substratscheibe von Photovoltaik-Solarpaneelen aufgebracht werden. Die EP 1 763 431 B 1 betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen eines thermoplastischen Polymermaterials mit einem für das verwendete Laserlicht durchlässigen zweiten Material, wobei für das Laserschweißen das Laserlicht an der Schweißstelle durch das zweite Material auf das erste Material gerichtet ist und wenigstens das erste Material an der Schweißstelle unter der Einwirkung des Laserlichts erweicht. Das zweite Material gemäß der EP 1 763 431 B 1 kann ein nichterweichendes Material sein, an welchem das erweichte erste Material nach dem Verfestigen haftet. Beispielsweise kann durch das Verfahren gemäß der EP 1 763 431 B 1 zum Laserschweißen ein thermoplastisches Polymermaterial (erstes Material) mit Glas verbunden werden.

Die DE 10 2009 034 226 AI betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Lampe mit einem zumindest teiltransparentem Teil und einem Kunststoffteil, das ein Lampengehäuse oder einen Lampensockel bildet. An zumin- dest einer Verbindungsstelle wird durch Aufschmelzen zumindest des Kunststoffteils mittels eines Laserstrahls eine stoffschlüssige oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffteil und dem zumindest teiltransparenten Teil erzeugt. Bei einem Ausführungsbeispiel der DE 10 2009 034 226 AI besteht das zumindest teiltransparente Teil der Lampe aus Glas. Durch das Aufschmelzen der zumindest einen Verbindungsstelle des Kunststoffteils wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffteil und dem Glasteil erzeugt. Bei dem Verfahren gemäß der DE 10 2009 034 226 AI durch- dringt während des Aufschmelzens der Laserstrahl das zumindest teiltransparente Teil und erhitzt zunächst im Wesentlichen das Kunststoffteil. Das Kunststoffteil besteht vorzugsweise aus Polycarbonat, Polypropylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol oder Polybutylenterephthalat.

Die JP 201 1-207 056 A betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines thermoplastischen Kunststoffs mit einem Trägermaterial aus Glas. Das Trägermaterial wird in dessen Randbereich mit dem Kunststoffgrundkörper verschweißt. Dabei strahlt ein Laser durch das Trägermaterial hindurch und erhitzt eine Kontaktfläche des Kunststoffs. Gemäß der JP 201 1-207 056 A dient der Kunststoffkörper als Grundkörper und das Trägermaterial aus Glas als Abdeckung. In einem Bereich, in dem das Trägermaterial nicht mit dem Kunststoffkörper verschweißt ist, ist zwischen Grundkörper und Trägermaterial ein Halbleitermaterial angeordnet.

Die vorgenannten Druckschriften offenbaren zwar durchgehend das Prinzip des Laser-induzierten Schmelzklebens eines thermoplastischen Fügepartners mit einem Glas-Fügepartner. Versuche bei der Anmelderin haben in diesem Zusammenhang jedoch gezeigt, dass die grundsätzliche Technik insbesondere im Hinblick auf die beim Abkühlen der Fügepartner entstehenden Spannungen in den beiden unterschiedlichen Materialien, nämlich ein thermoplastischen Kunststoff und Glas, die Schmelzklebe-Verbindung in ihrer Festigkeit leidet. Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Fügen eines Fügepartners aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einem Fügepartner aus Glas anzugeben, das mit einfachen verfahrenstechnischen Mitteln zu einer zuverlässigen Thermoplast-Glas-Verbindung ohne Einsatz von Klebstoffen führt. Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

- Bereitstellen eines Thermoplast-Fügepartners aus einem Laserabsorbierenden, thermoplastischen Material,

- Bereitstellen eines Glas-Fügepartners aus einem Laser- transmissiven Glas-Material,

- Positionieren des Thermoplast-Fügepartners und des Glas- Fügepartners aufeinander unter Beaufschlagung der Fügepartner mit einer Fügekraft,

- Erwärmen des Glas-Fügepartners mittels einer Strahlung, und

- Einstrahlen eines Laser-Bearbeitungsstrahls auf die Grenz- Oberfläche des Thermoplast-Fügepartners durch den Glas- Fügepartner hindurch in eine Fügezone unter Aufschmelzen des Thermoplast-Fügepartners und Ausbildung einer Haftverbindung zwischen den beiden Fügepartnern in der Fügezone mit deren Abkühlung.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht also vom grundsätzlich bekannten Laser-Durchstrahl-Schweißen aus, bei dem der Bearbeitungsstrahl durch einen Laser-transmissiven Fügepartner auf den Laser-absorbierenden Fügepartner strahlt, der aufgeschmolzen und im Falle eines aus Glas bestehenden transmissiven Fügepartner an diesem im Schmelzebereich anhaftet,

Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sind an solchen Haft- Verbindungen drei unterschiedliche Wirkmechanismen beteiligt. Zum einen bilden sich Nebenvalenzbindungen in den angrenzenden Molekülschichten aus. Der Wirkabstand dieses vor allem auf Wasserstoff-Bindungen beruhenden Effektes beträgt ca. 0,5 nm. Daher muss zwangsläufig einer der Verbin- dungspartner aufgeschmolzen werden, um Oberflächenunebenheiten zu überbrücken. Zusätzlich ist es notwendig, dass dieser aufgeschmolzene Fügepartner auf der Oberfläche des fest vorliegenden Partners spreitet, d.h. die Oberflächenspannung sollte möglichst gering sein. Auf der anderen Seite bedarf dieser Wirkmechanismus einer Polarität des aufgeschmolzenen Mediums, diese Forderung schließt eine Oberflächenspannung von 0 aus. Sie beträgt also im optimalen Fall nur den essentiell notwendigen Anteil der polaren Oberflächenenergie. Ein zweiter, von der Polarität unabhängiger Wirkmechanismus ist die mechanische Verkrallung des plastifizierten Werkstoffes in der Oberflächenstruktur des solid vorliegenden Fügepartners. Dieser Mechanismus ist von der Polarität der Werkstoffe unabhängig, fordert jedoch auch eine geringe Oberflächenenergie, damit es zu einer möglichst vollständigen Spreitung des aufgeschmolzenen Fügepartners kommen kann.

Als dritter potentiell wirkender Mechanismus sind kovalente Bindungen zu nennen. Dieser Bindungstyp verspricht hohe Haftkräfte, er bedarf jedoch in vielen Fällen einer Funktionalisierung der Kunststoff Oberfläche. Auf der Seite des Glases stehen für gewöhnlich Si-(Silizium-)Moleküle zur Verfügung, die sich zur Ausbildung von kovalenten Bindungen zu SiOH (Sila- nol) anbieten. Das wiederum bedeutet, dass an der Oberfläche des thermoplastischen Kunststoffes H-(Wasserstoff-)Moleküle für diese Reaktion zur Verfügung stehen muss. Diese Moleküle können entweder natürlich im Kunststoff enthalten sein, oder sie können durch eine Funktionalisierung eingebracht werden.

Alle vorgenannten Wirkmechanismen leiden unter der Tatsache, dass sich aufgrund des gegenüber dem thermoplastischen Kunststoff deutlich gerin- geren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas die Schmelzhaft- oder -klebe-Verbindung zwischen dem Thermoplast und dem Glas durch das starke Zusammenziehen des erstgenannten Materials in der Fügezone, also in aller Regel in der hergestellten Schmelzklebe-Naht, Nahteigenspannun- gen auftreten. Diese Spannungen überlagern die erreichten Haftkräfte und verringern diese. Bei einigen Verbindungen konnte sogar ein vollständiges Auftrennen beobachtet werden, was darauf schließen lässt, dass die Nahteigenspannungen die erreichten Haftkräfte übersteigen. Diese Problematik wird durch die ferner verfahrenstechnisch vorgesehene Erwärmung des Glas-Fügepartners entschärft. Durch diese Maßnahme wird dessen Temperatur im Einklang mit der Erhitzung des Thermoplast- Fügepartners erhöht, so dass beide Fügepartner ein gleichmäßigeres Abkühlverhalten mit deutlich verringertem internen Spannungsaufbau zeigen. Entsprechende Versuche lassen erkennen, dass zuverlässige Verbindungen zwischen den beiden genannten Fügepartnern mit hoher Festigkeit hergestellt werden können.

In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens angegeben. So kann das Material des Thermoplast-Fügepartners ausgewählt sein aus einem oder mehreren folgender thermoplastischer Materialien: Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylente- rephthalat (PC), Polyetherimid (PEI), Polyamid (PA) oder Cycloolefmco- polymer (COC).

Für den Glas-Fügepartner haben sich als bevorzugte Materialien Borosili- kat-Glas, Quarzglas, Magnesiumfluorid, gehärtete Gläser, hergestellt durch Ionenaustauschverfahren oder vorgespannte Gläser vornehmlich aus Boro- silikat-Glas herausgestellt.

Der Laser-Bearbeitungsstrahl ist vorzugsweise ein Infrarot-Laserstrahl, insbesondere mit einer Wellenlänge von 808 nm oder 2000 nm, der mit einer Laser-Leistung von 10 W bis 200 W bereitgestellt werden kann. Hierfür können übliche Laserstrahl-Bearbeitungsanlagen eingesetzt werden, wie sie von der Anmelderin z.B. für das Laser- Durchstrahlschweißen hergestellt und vertrieben werden.

Eine bevorzugte Strahlungsquelle für die Erwärmung des Glas- Fügepartners kann durch mindestens einen Halogen- Strahler gebildet sein, der beispielsweise eine kurzwellige I -Strahlung emittiert und dessen Leistung zwischen 500 W und 2000 W, vorzugsweise 1000 W beträgt. Durch diese relativ breitbandige Sekundärstrahlung, die zeitlich vor und/oder auch gleichzeitig mit dem Laser-Bearbeitungsstrahl auf den Glas-Fügepartner aufgebracht werden kann, wird eine intensive Erwärmung des Glasmaterials erzielt. Eine weitere Optimierung der Festigkeit der Verbindung zwischen dem Thermoplast- und Glas-Fügepartner kann dadurch erzielt werden, dass der Thermoplast-Fügepartner zumindest im Bereich der Fügezone durch eine Plasmabehandlung oder Beflammung oberflächenaktiviert wird. Bei dieser Plasmabehandlung kann vorzugsweise Luft, Sauerstoff oder Stickstoff als Prozessgas eingesetzt werden. Bei dem Plasmabehandlungsprozess werden OH-Gruppen an der Oberfläche des Kunststoff-Fügepartners angereichert. Diese OH-Gruppen stehen dann bei dem nachgelagerten Verbindungspro- zess als Partner für die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zur Verfügung. Überlagert zu der Bildung dieser Nebenvalenzbindungen kommt es zu einer kovalenten Verbindung zwischen den Si-Molekülen im Glas und den OH-Gruppen an der funktionalisierten Oberfläche des Kunststoffes. Eine weiter gesteigerte Festigkeit der Verbindung lässt sich erwarten, wenn die Oberfläche des Glas-Fügepartners zumindest im Bereich der Fügezone aufgeraut wird. Durch diese beispielsweise mittels Ultrakurzpulslaser mit einer Pulsdauer < 10 ns eingebrachte Strukturierung wird die am Verbin- dungsprozess beteiligte Fläche um ein Vielfaches vergrößert, was den Ver- krallungseffekt des geschmolzenen Thermoplast-Material in diesen Ober- flächen-Mikro strukturen und damit die Fügefestigkeit der Verbindung steigert.

Als weitere bevorzugte Verfahrensmaßnahme wird der beim Fügen der beiden Fügepartner auftretende Setzweg gemessen. Dies kommt der Reproduzierbarkeit des Fügeverfahrens zugute.

Als vorteilhafter Parameter für die Herstellung einer nahtförmigen Fügezone wird der Laser-Bearbeitungsstrahl mit einer Vorschub-Geschwindigkeit von 2 mm/s bis 100 mm/s über die Grenz-Oberfläche des Thermoplast- Fügepartners geführt. Die Fügekraft, die auf die beiden Fügepartner aufgebracht wird, kann dabei zwischen 200 N und 800 N, vorzugsweise 400 N, betragen. Einige wesentliche Vorteile der Erfindung lassen sich nochmals stich- punktartig wie folgt zusammenfassen:

- Kein Verbrauchsmaterial, wie insbesondere ein gesonderter Klebstoff, ist notwendig;

- der Füge-Prozess ist gut steuerbar; - es ist nur ein Prozessschritt notwendig;

- es können feine, abgegrenzte Strukturen erstellt werden; und

- eine online-Prozesskontrolle ist in den Füge-Apparat integrierbar.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, aufgebrochene Perspektivdarstellung einer

Laserfügevorrichtung mit den beiden Fügepartnern,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Fügepartner mit einer intakten Klebe-

Haftnaht, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Thermoplast-Fügepartner nach einem gewaltsamen Trennen der Klebe-Haftnaht.

Die Fig. 1 zeigt zwei zu verklebende Fügepartner, nämlich einen ersten Glas-Fügepartner 1, und einen zweiten Thermoplast -Fügepartner 2. Es wird für diese Verklebung eine Vorrichtung verwendet, wie sie auch für Laserdurchstrahlschweiß-Verfahren zum Einsatz kommt. Der obere Glas- Fügepartner 1 ist für den Laserbearbeitungsstrahl 3 transmissiv, der untere Thermoplast-Fügepartner 2 ist absorptiv dafür. Im Übrigen ist das Laserdurchstrahlschweißen bekannt und bedarf keiner näheren Erörterung.

Der Laser-Bearbeitungsstrahl 3 wird über einen als Ganzes mit 4 bezeichneten Bearbeitungskopf von einer stationären Laserstrahlquelle über eine Faseroptik zu der Fokussieroptik 5 herangeführt. Laserquelle und Faseroptik sind der Übersichtlichkeit halber in den Zeichnungen weggelassen. Die Fokussieroptik 5 sitzt an einem Träger 6 des Bearbeitungskopfes 4, der beispielsweise am Manipulationsarm eines Industrieroboters angeflanscht ist. Über einen Ausleger 8 ist seitlich neben der optischen Achse 9 des Laserbearbeitungsstrahls 3 eine Spannrolle 10 gelagert, die mit ihrem Umfang auf dem oberen Glas-Fügepartner 1 abrollt und damit im Bereich der vorzunehmenden Verklebung die beiden Fügepartner 1 , 2 durch Aufbringen einer entsprechenden Fügekraft F miteinander verspannt. Eine entspre- chende Gegenhalterung für die Rolle unterhalb der Schweißkontur ist in den Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht dargestellt.

Ferner ist am Träger 6 des Bearbeitungskopfes 4 ein IR-Halogen- Strahler 14 angebracht, der eine kurzwellige, infrarote Sekundär Strahlung 15 er- zeugt. Der IR-Halogen- Strahler 14 sitzt dabei in einem Sekundärstrahlre- flektor 16 am Träger 6. Auf Grund des Reflektors 16 wird die Sekundärstrahlung 15 fokussiert auf die Fügezone 18 gerichtet. Wie aus Fig. 1 dabei deutlich wird, ist der Fokusbereich 19 der Sekundär Strahlung 15 gegenüber dem Fokus 21 des Laserfügestrahls 3 verbreitert, so dass in der Fügezone 18 konzentrisch um den Fokus 21 die Sekundärstrahlung 15 für eine Erwärmung des oberen Glas-Fügepartners 1 sorgt.

Mit der vorstehend beschriebenen Fügevorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt realisieren:

Der Thermoplast- Fügepartner 2 wird vorbereitet, indem seine aufzuschmelzende Grenz-Oberfläche 20 Plasma-aktiviert wird. Bei dem eingesetzten Plasma handelt es sich um ein Druckluftplasma, wobei nicht gesichert geklärt ist, welche Bestandteile der Luft bei der Plasmaerzeugung 2

ionisiert / radikalisiert werden. Vermutlich handelt es sich O ^" -Ionen, die an der Kunststoffoberfläche O-H-Gruppen (O-H; C-O-O-H; C-H-O; C-O-N- H ₂ ) ausbilden. Durch diese Funktionalisierung wird zum einen die Oberflächenspannung erhöht, zum anderen stehen die O-H-Gruppen für die Bil- dung von kovalenten Bindungen zur Verfügung.

Die beiden Fügepartner 1 , 2 werden dann in die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eingespannt. Der Bearbeitungskopf 4 fährt nun unter Beaufschlagung der beiden Fügepartner 1, 2 mit der Spannrolle 10 die Fügekontur K, die eine Haft- oder Klebe-Naht zwischen den beiden Fügepartnern bilden soll, in Vorschubrichtung 13 ab, wobei in der jeweiligen Fügezone 18 über die Sekundärstrahlung 15 der obere Glas-Fügepartner 1 lokal erwärmt wird. Gleichzeitig wird der Laser-Bearbeitungsstrahl 3 auf die dem Glas-Fügepartner 1 zugewandte Grenz-Oberfläche 20 des Thermoplast-Fügepartners 2 durch den Glas-Fügepartner 1 gerichtet und führt dort zu einem lokalen Aufschmelzen des Thermoplast-Fügepartners 2. Damit wird ein inniger Kontakt unter Ausbildung von Wasserstoff-Bindungen und einer Mikro-Verkrallung zwi- sehen den beiden Fügepartnern 1 , 2 erzielt und damit eine Schmelz-

Anhaftung zwischen den beiden Fügepartnern 1 , 2 hervorgerufen. Der bei diesem Fügen der beiden Fügepartner 1 , 2 zwischen diesen auftretende Setzweg wird als aussagefähiger Parameter für den Schmelzprozess gemessen und in die Prozess Steuerung einbezogen. Nach dem Abkühlen der beiden Fügepartnern 1 , 2, das aufgrund der Erwärmung des Glas- Fügepartners 1 zu vernachlässigbaren inneren Spannungen innerhalb der Fügezone 18 führt, ist eine stabile Thermoplast-Glas-Schmelzklebe- Verbindung zwischen beiden Fügepartnern 1 , 2 gebildet. Anhand von Fig. 2 und 3 sind Versuchsergebnisse mit dem erfindungsgemäßen Füge-Verfahren darzulegen. So zeigt Fig. 2 die Draufsicht auf die beiden Fügepartner 1 , 2 nach dem Herstellen einer Fügekontur K in Form einer kurzen Schmelzklebe-Naht, die sich als gleichmäßige, schwarz glän- zende Nahtfläche in der Grenz-Oberfläche 20 des unteren Thermoplast- Fügepartners 2 präsentiert. Es ist eine starke Anhaftung festzustellen, zwischen beiden Fügepartnern 1 , 2 liegt also eine stabile Klebeverbindung vor. Die Fig. 3 zeigt die Grenz-Oberfläche 20 des Thermoplast-Fügepartners 2 nach dem gewaltsamen Abreißen des oberen Glas-Fügepartners 1. Es sind Ausbrüche im Thermoplast-Material zu erkennen, die auf die Festigkeit der Nahterbindung hinweisen.

Im vorstehend erörterten Fall bestand der Glas-Fügepartner 1 aus Standardglas BK7 mit einer Dicke von 5 mm, der Thermoplast-Fügepartner 2 aus einer Materialkombination PC/ABS. Die Laser-Leistung betrug 28 W, die Leistung der Sekundär Strahlung 1000 W. Die Vorschub- Geschwindigkeit v des Laserstrahls wurde auf 7 mm/s eingestellt, die Fügekraft F auf 400 N. In der folgenden Tabelle sind erfolgreiche Versuche zur Herstellung von Schmelzklebenähten zwischen verschiedenen Thermoplasten und Glas (BK7, Dicke 5 mm) mit den entsprechenden Materialien und Parametern dokumentiert:

Thermoplast- Laser- Halogen- Vorschub- Fügekraft Material Leistung Leistung Geschwindigkeit

PC/PET 28 W 1000 W 7 mm/s 400 N

PC/ABS 28 W 1000 W 7 mm/s 400 N

PP 14 W 1000 W 3 mm/s 400 N

PA (Grilamid) 24 W 1000 W 5,25 mm/s 400 N Bei dem Versuch mit der Thermoplast-Materialkombination PC/PET wurden im Übrigen Temperaturwechsel-Versuche mit den verklebten Fügepartnern 1 , 2 durchgeführt. So konnte nach drei Temperaturwechseln in- nerhalb von 30 bis 60 Minuten in einem Temperaturbereich von -20°C bis 60°C kein Aufreißen der Klebenaht beobachtet werden.