Transmissionsprüfung für Laserprozesse – Lasertransparenz von Thermoplasten messen

Die Transmissionsprüfung bestimmt, welcher Anteil der Laserstrahlung den lasertransparenten Fügepartner durchdringt und damit tatsächlich in der Fügeebene zur Verfügung steht. Beim Laserdurchstrahlschweißen von Thermoplasten entsteht die Schmelze nicht dort, wo der Laser eingestellt wird, sondern dort, wo Photonen ankommen. Zwischen beidem liegen Reflexion an den Grenzflächen, Absorption im Volumen und – bei teilkristallinen, gefüllten oder pigmentierten Werkstoffen – Streuung. Entscheidend sind daher der spektrale Transmissionsgrad bei der Prozesswellenlänge, die optische Weglänge im Bauteil und die Winkelverteilung der austretenden Strahlung. Erst diese Größen bestimmen Intensität, Streckenenergie und Temperaturfeld an der Fügefläche und damit die Reproduzierbarkeit der Schweißnaht.

Für die Transmissionsprüfung selbst existiert keine eigenständige, sauber abgegrenzte Marktdefinition. Als belastbarer Marktindikator dient der angrenzende Markt für Laser-Kunststoffschweißen, da jede Anlage in Serienfertigung eine Werkstoff- und Bauteilfreigabe über die Lasertransparenz voraussetzt.

Kommerzielle Marktstudien beziffern diesen Markt für 2025 auf rund 1,5 bis 1,7 Mrd. USD und erwarten bis 2032 ein Volumen zwischen etwa 2,3 und 2,7 Mrd. USD, entsprechend jährlichen Wachstumsraten von etwa 5 bis 8 %. Die Spannweite der Schätzungen ist erheblich und resultiert aus unterschiedlichen Abgrenzungen: teils werden nur Anlagen, teils auch Lohnfertigung, Werkzeuge und Service einbezogen. Die Größenordnung ist damit aussagekräftig, die exakte Zahl nicht.

Technisch bedeutsamer als die absolute Zahl ist die Verschiebung innerhalb der Wertschöpfung:

Die Wirkungskette ist durchgängig: Miniaturisierung und Funktionsintegration verkleinern Fügeflächen und Wandstärken. Damit sinkt die zulässige Energietoleranz, weil dieselbe absolute Abweichung einen größeren relativen Fehler erzeugt. Gleichzeitig steigt der Anteil gefüllter und eingefärbter Compounds, deren optische Eigenschaften chargen- und positionsabhängig schwanken. Beides zusammen verlagert die Qualitätssicherung von der Nahtprüfung nach dem Schweißen zur Materialprüfung davor.

Regulatorisch wirkt vor allem die Medizintechnik: Die EU-Verordnung 2017/745 (MDR) verlangt für nicht zerstörungsfrei prüfbare Prozesse – und dazu zählt das Fügen von Fluidikkanälen – eine Prozessvalidierung mit dokumentierten Prozessgrenzen. Die Transmission des Fügepartners ist dabei eine der wenigen Größen, die vor dem Fügen und zerstörungsfrei erfasst werden kann.

Beim Laserdurchstrahlschweißen werden zwei Thermoplaste gefügt, die sich in ihrer optischen Wechselwirkung mit der Laserstrahlung unterscheiden. Der obere Fügepartner ist für die Prozesswellenlänge weitgehend transparent, der untere absorbiert die Strahlung – meist durch Ruß, alternativ durch im sichtbaren Bereich unauffällige NIR-Absorber.

Die Strahlung durchdringt den oberen Partner, wird an der Grenzfläche im absorbierenden Werkstoff in einer dünnen Randschicht in Wärme umgewandelt und schmilzt diesen lokal auf. Die Wärme gelangt anschließend durch Wärmeleitung in den transparenten Partner, der ebenfalls aufschmilzt. Unter Fügedruck entsteht eine stoffschlüssige Verbindung durch Interdiffusion der Makromoleküle über die Grenzfläche.

Physikalisch gilt die Bilanz der Strahlungsanteile:

A + R + T = 1

mit dem Absorptionsgrad A, dem Reflexionsgrad R und dem Transmissionsgrad T. Alle drei Größen sind material-, wellenlängen- und temperaturabhängig und beziehen sich stets auf eine konkrete Materialdicke. In optisch inhomogenen Medien – etwa durch Glasfasern, Pigmente oder Kristallite – tritt zusätzlich Streuung auf, die Strahlung aus der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung ablenkt, ohne sie zu absorbieren.

Typische Prozesswellenlängen liegen bei 800 bis 1100 nm, da die meisten unpigmentierten Thermoplaste in diesem Bereich nur schwach absorbieren. Als Referenzwellenlänge der Transmissionsprüfung hat sich 980 nm etabliert, weil sie im Zentrum des industriell genutzten Diodenlaserbereichs liegt.

Die Verfahrensvariante bestimmt, wie viele Messpunkte der Transmissionsprüfung erforderlich sind und wie stark lokale Transmissionsschwankungen durchschlagen.

Bei den Strahlquellen dominieren Diodenlaser mit 808 bis 980 nm wegen ihres hohen elektrooptischen Wirkungsgrades und der kompakten Bauform. Faserlaser mit 1064 nm bieten bessere Strahlqualität und kleinere Fokusdurchmesser. Thulium-Faserlaser bei etwa 1940 nm adressieren die Eigenabsorption der C-H- und O-H-Oberschwingungen und ermöglichen das Fügen ohne Absorber; hier verschiebt sich die Energiedeposition vom Interface in das Volumen beider Partner.

Wichtig für die Prüfplanung: Die Transmissionsprüfung muss bei der Wellenlänge erfolgen, mit der später geschweißt wird. Ein bei 980 nm gemessener Wert ist auf einen 1940-nm-Prozess nicht übertragbar, weil dort gerade die Absorptionsbanden genutzt werden, die bei 980 nm bewusst gemieden werden.

Transmissionsgrad T bei der Prozesswellenlänge. Er skaliert die im Fügespalt verfügbare Leistung direkt: P_Fügespalt = T · P_Laser. Eine Absenkung von 45 % auf 35 % bedeutet 22 % weniger Energie an der Fügefläche – bei unveränderten Anlagenparametern.

Optische Weglänge. Der Transmissionsgrad ist keine Materialkonstante, sondern gilt für eine bestimmte Dicke. Wandstärkenverläufe, Rippen, Anschrägungen und schräg durchstrahlte Bereiche verlängern den Weg und senken T überproportional, wenn Streuung dominiert.

Streuung und Winkelverteilung. Gestreute Strahlung geht nicht verloren, sondern erreicht die Fügeebene verbreitert und mit geringerer Spitzenintensität. Die Naht wird breiter, das Temperaturmaximum niedriger. Zwei Bauteile mit identischem Gesamttransmissionsgrad können deshalb unterschiedliche Schweißergebnisse liefern.

Absorptionsvermögen des unteren Partners. Die Eindringtiefe der Strahlung in die absorbierende Fügefläche bestimmt, ob die Wärme flächig oder in einer sehr dünnen Schicht entsteht. Zu hohe Absorberkonzentration konzentriert die Energie auf wenige Mikrometer und begünstigt thermische Schädigung und Ausgasung.

Intensität und Wechselwirkungszeit. Nicht die Energie allein entscheidet, sondern ihre zeitliche Verteilung. Intensität I = P/A und Wechselwirkungszeit t = d_Spot/v bestimmen gemeinsam die erreichte Spitzentemperatur; die Wärmeleitung wirkt dabei als konkurrierender Verlustmechanismus.

Fügedruck und Fügespaltmaß. Ein Luftspalt unterbricht die Wärmeleitung in den transparenten Partner nahezu vollständig, da die Wärmeleitfähigkeit von Luft rund zwei Größenordnungen unter der von Thermoplasten liegt.

Temperatur und Feuchte des Bauteils. Die optischen Kennwerte sind temperaturabhängig; bei Polyamiden verändert außerdem die Wasseraufnahme das NIR-Absorptionsverhalten, weil O-H-Oberschwingungsbanden hinzukommen. Für absorberfreie Prozesse ist das prozessrelevant, für 980-nm-Prozesse meist zweitrangig.

Dieser Abschnitt fasst die in der Praxis häufigsten Fehlinterpretationen zusammen.

Datenblattwerte gelten nicht für das Bauteil. Compound-Datenblätter nennen Transmissionswerte für spritzgegossene Normplatten definierter Dicke. Im realen Bauteil verändern Faserorientierung, Bindenähte, Anschnittlage, Werkzeugtemperatur und lokale Abkühlgeschwindigkeit den Kristallisationsgrad und die Faserverteilung. Die Folge sind Transmissionsunterschiede von mehreren Prozentpunkten innerhalb eines Bauteils – bei nominell identischem Werkstoff.

Nominell ausreichende Laserleistung ist keine Zusage über die Fügeebene. Angegeben wird die optische Ausgangsleistung der Strahlquelle. Zwischen ihr und der Fügefläche liegen Optikverluste, Fresnel-Reflexion an zwei Grenzflächen, Volumenabsorption und Streuung. Prozessfreigaben, die auf der eingestellten Leistung basieren, überschätzen die verfügbare Energie systematisch.

Elektrische Anschlussleistung ist keine optische Dosis. Der elektrooptische Wirkungsgrad von Diodenlasern liegt typischerweise bei 40 bis 60 % und sinkt mit steigender Sperrschichttemperatur. Eine über die Anschlussleistung geführte Prozessregelung erfasst weder Alterung der Barren noch Verschmutzung der Schutzgläser.

Gerichtete und diffuse Transmission werden verwechselt. Eine Ulbrichtkugel erfasst die hemisphärische Gesamttransmission und liefert für streuende Werkstoffe den höheren Wert. Eine enge Detektorapertur erfasst nur den quasi-kollimierten Anteil und liefert einen niedrigeren Wert. Beide Werte sind korrekt und beantworten verschiedene Fragen: Die Gesamttransmission beschreibt die Energiebilanz, die aperturbegrenzte Messung die im Nahtquerschnitt konzentrierte Intensität. Ohne Angabe von Messgeometrie, Aperturgröße und Detektorabstand sind Transmissionswerte streuender Bauteile nicht vergleichbar.

Messung am falschen Ort. Eine Messung an einer ebenen Referenzfläche außerhalb der Fügezone erfasst weder Wandstärkenverläufe noch lokale Faseranhäufungen entlang der Naht. Aussagekräftig ist das Transmissionsprofil entlang der geplanten Schweißkontur, nicht ein Einzelwert.

Messung bei der falschen Wellenlänge. Der nach ISO 13468 bestimmte Lichttransmissionsgrad bezieht sich auf den sichtbaren Spektralbereich und ist für die NIR-Prozesswellenlänge nicht aussagekräftig. Umgekehrt sagt eine hohe NIR-Transmission nichts über die visuelle Erscheinung aus – laserschwarze, im NIR transparente Compounds nutzen genau diese Entkopplung.

Reziprozität wird unzulässig angenommen. Die Vorstellung, doppelte Leistung bei halber Bestrahlungszeit erzeuge dasselbe Ergebnis, gilt nur, solange Wärmeleitung vernachlässigbar ist. Bei langsamen Prozessen fließt Wärme in das Bauteilvolumen ab und die tatsächlich erreichte Spitzentemperatur bleibt hinter der Rechnung zurück; bei sehr schnellen Prozessen begrenzt die thermische Schädigung des Absorbers die zulässige Intensität.

Transmission wird als alleiniges Freigabekriterium verwendet. T beschreibt nur den transparenten Partner. Schwankt die Absorberkonzentration im Gegenstück, verschiebt sich die Energiedeposition, ohne dass die Transmissionsmessung dies anzeigt. Eine belastbare Werkstofffreigabe umfasst beide Fügepartner.

Lagetoleranz bei streuenden Prüflingen wird unterschätzt. Bei stark streuenden Bauteilen hängt der angezeigte Transmissionswert merklich von Position und Ausrichtung des Prüflings im Messkopf ab. Ohne definierte, reproduzierbare Bauteilaufnahme entsteht eine Messstreuung, die größer sein kann als die zu detektierende Materialschwankung.

Kristallinität. Teilkristalline Thermoplaste wie PA, PP, POM und PBT enthalten Sphärolithe, deren Brechungsindex sich von dem der amorphen Phase unterscheidet. An diesen Grenzflächen wird Strahlung gestreut. Amorphe Werkstoffe wie PC, PMMA und PS zeigen deshalb deutlich höhere gerichtete Transmission. Da die Kristallinität von der Abkühlgeschwindigkeit abhängt, wirken Werkzeugtemperatur und Wandstärke direkt auf die Lasertransparenz – ein Prozessparameter des Spritzgusses wird damit zum optischen Parameter des Schweißprozesses.

Glasfasern. Verstärkungsfasern senken die Transmission überwiegend durch Streuung, nicht durch Absorption. Untersuchungen an kurzglasfaserverstärktem PA6 zeigen einen Rückgang der übertragenen Laserenergie von etwa 70 % auf rund 20 %, wenn der Fasergehalt von 0 auf 63 Gew.-% steigt; im Bereich 0 bis 50 Gew.-% nimmt der Streuanteil um bis zu etwa 50 % zu. Praktisch relevant ist zusätzlich die Faserorientierung: In fließrichtungsparallelen Bereichen unterscheidet sich die effektive Streuung von der in Bindenahtbereichen.

Mineralische Füllstoffe. Talkum, Kreide und Glaskugeln wirken bei gleichem Massenanteil deutlich stärker transmissionsmindernd als Glasfasern. Glaskugeln können das Durchstrahlschweißen bereits bei geringen Wandstärken verhindern.

Pigmente. Deckende Weißpigmente, insbesondere Titandioxid, sind für lasertransparente Bauteile weitgehend ausgeschlossen, da ihre Streuwirkung nur schwach wellenlängenabhängig ist und im NIR ähnlich wirkt wie im sichtbaren Bereich. Ruß im absorbierenden Partner ist dagegen erwünscht; bereits Massenanteile im Bereich von 0,05 bis 0,5 % erzeugen ausreichende Absorption.

Bauteildicke. Bei streuenden Werkstoffen wächst die Transmissionsminderung mit der Dicke stärker als exponentiell nach einem reinen Absorptionsansatz, weil die mittlere Photonenweglänge durch Mehrfachstreuung überproportional zunimmt. Für stark streuende Werkstoffe wie POM oder PBT begrenzt dies die Dicke des transparenten Partners in der Praxis auf wenige Millimeter; für PEEK liegt die Grenze noch niedriger.

Geometrie und Einfallswinkel. Bei gekrümmten Flächen und Radialnähten trifft die Strahlung schräg auf. Die durchstrahlte Weglänge wächst mit 1/cos θ, gleichzeitig steigt der Fresnel-Reflexionsgrad mit dem Einfallswinkel an. Beide Effekte senken die im Fügespalt ankommende Leistung, ohne dass sich der Werkstoff geändert hätte. Transmissionsprüfungen an rotationssymmetrischen Bauteilen sollten deshalb in der tatsächlichen Prozessgeometrie erfolgen.

Die einfachste quantitative Beschreibung der Transmission kombiniert die Grenzflächenreflexion nach Fresnel mit der Volumenabsorption nach dem Lambert-Beer-Gesetz:

T = (1 − R)² · e^{(−α · d)}

mit

• T Transmissionsgrad (dimensionslos)
• R Reflexionsgrad einer Grenzfläche bei senkrechtem Einfall, R = ((n − 1)/(n + 1))²
• n Brechungsindex des Polymers (PA6: ≈ 1,53; PC: ≈ 1,58; PMMA: ≈ 1,49)
• α Absorptionskoeffizient in mm⁻¹ bei der Prozesswellenlänge
• d durchstrahlte Dicke in mm

Konsequenz der Fresnel-Terme. Für PA6 mit n = 1,53 ergibt sich R ≈ 4,4 % je Grenzfläche. Selbst ein vollkommen absorptionsfreies, nicht streuendes Bauteil erreicht damit nur T ≈ 91,4 %. Transmissionsforderungen oberhalb dieses Werts sind für unbeschichtete Kunststoffoberflächen physikalisch nicht erfüllbar.

Voraussetzungen des Modells. Das Lambert-Beer-Gesetz setzt ein homogenes, nicht streuendes Medium, monochromatische Strahlung, kollimierte Ausbreitung und lineare Wechselwirkung voraus. Es gilt damit näherungsweise für amorphe, ungefüllte Thermoplaste.

Grenzen. Sobald Streuung auftritt – also bei praktisch allen teilkristallinen, gefüllten oder pigmentierten Werkstoffen – beschreibt α nicht mehr die Absorption, sondern wird zu einem effektiven Extinktionskoeffizienten µ_ext = µ_a + µ_s aus Absorption und Streuung. Der Unterschied ist prozessentscheidend: Absorbierte Strahlung geht der Fügeebene verloren, gestreute Strahlung erreicht sie weiterhin, jedoch räumlich verbreitert. Aus einer Messung, die nur den kollimierten Anteil erfasst, lässt sich die Energiebilanz nicht rekonstruieren. Physikalisch korrekt beschreibt erst die Strahlungstransportgleichung – praktisch angenähert durch Zweifluss-Modelle vom Kubelka-Munk-Typ oder durch Monte-Carlo- und Raytracing-Verfahren – die Aufteilung in absorbierte, vorwärts- und rückgestreute Anteile.

Praktische Konsequenz. Für streuende Werkstoffe ist ein einzelner Transmissionswert nur dann eine sinnvolle Prozesskenngröße, wenn die Messgeometrie der Prozessgeometrie ähnelt: gleicher Wellenlängenbereich, vergleichbarer Strahldurchmesser, definierte Detektorapertur und definierter Abstand zwischen Bauteilunterseite und Detektor. Genau deshalb schreiben Verfahrensregelwerke die Angabe des Messprinzips – Leistungsmessung, photometrische oder spektrale Messung – zwingend mit vor.

1. Annahmen. Konturschweißen eines Gehäuses aus PA6-GF30, Wandstärke 2 mm, Diodenlaser 980 nm, optische Ausgangsleistung P₀ = 40 W, Spotdurchmesser an der Fügeebene d_S = 1,5 mm, Vorschub v = 100 mm/s. Freigabewert der Transmission T₁ = 42 %; in einem Bereich mit lokaler Faseranhäufung wird T₂ = 30 % gemessen.

2. Modell.
P_F = T · P₀  ·  E_l = P_F / v  ·  I = P_F / A  ·  t = d_S / v  ·  H = I · t

3. Rechnung

4. Ergebnis. Ein Rückgang der Transmission um 12 Prozentpunkte reduziert die in der Fügeebene verfügbare Energie um rund 29 %.

5. Technische Interpretation. Rechnerisch ließe sich der Verlust durch Anheben der Ausgangsleistung auf etwa 56 W oder durch Absenken des Vorschubs auf rund 71 mm/s kompensieren. Beide Wege sind jedoch nicht gleichwertig: Höhere Leistung erhöht die Spitzentemperatur im Absorber und damit das Risiko thermischer Schädigung und Ausgasung; geringerer Vorschub verlängert die Wärmeleitzeit und verbreitert die Wärmeeinflusszone. Die Kompensation ist außerdem nicht exakt linear, weil die Schmelzschichtdicke zusätzlich von der Wärmeleitung abhängt. Sinnvoller als eine globale Parametererhöhung ist daher eine ortsaufgelöste Transmissionsprüfung, die entweder eine positionsabhängige Leistungsführung ermöglicht oder das Bauteil vor dem Fügeprozess aussteuert.

Automobil und E-Mobilität. Sensorgehäuse, Steuergerätedeckel, Ausgleichsbehälter und Fluidverteiler werden überwiegend aus glasfaserverstärkten Polyamiden und PBT gefügt. Kritisch ist hier die Chargen- und Positionsstreuung des Fasergehalts, weil dieselbe Anlagenparametrierung über Monate mit wechselnden Materialchargen laufen muss. Die kritische Prozessgröße ist das Transmissionsprofil entlang der umlaufenden Dichtnaht, nicht der Mittelwert.

Medizintechnik und In-vitro-Diagnostik. Mikrofluidische Kartuschen enthalten Kanäle im Bereich einiger hundert Mikrometer. Ein zu breiter Schmelzbereich verengt oder verschließt den Kanal. Da die Naht nach dem Fügen nicht zerstörungsfrei vollständig beurteilbar ist, verlagert sich die Qualitätssicherung auf die Materialfreigabe. Kritisch ist die Ortsauflösung der Messung und die Rückführbarkeit der Messkette.

Elektronik und Sensorik. Bei hermetisch dichten Gehäusen bestimmt die Nahtqualität die Schutzart und damit die Feuchte- und Medienbeständigkeit – auch in der Elektronik- und Halbleiterfertigung ist die Reproduzierbarkeit der Energieeinbringung über die gesamte Kontur kritisch, insbesondere an Ecken, an denen sich die Wechselwirkungszeit durch Bahnverzögerung ändert.

Optik und Photonik. Bei Lichtleitern, Linsenhaltern und Abdeckungen aus PC oder PMMA gilt eine doppelte Anforderung: hohe NIR-Transmission für den Fügeprozess und definierte Transmission im Nutzspektralbereich – wie sie auch bei optischen Präzisionsbauteilen gefordert wird. Beide Größen müssen getrennt geprüft werden, weil sie unterschiedliche Wellenlängenbereiche betreffen.

Verpackung und Konsumgüter. Beim Fügen dünner Folien und Halbzeuge dominiert die Dickenabhängigkeit: Bei PA6/PP-Folienverbunden sinkt die erreichbare Schweißgeschwindigkeit mit steigender Foliendicke deutlich, weil mehr Material aufgeschmolzen werden muss und die geringe Wärmeleitfähigkeit der Thermoplaste die Prozesszeit begrenzt.

Forschung und Werkstoffentwicklung. Bei der Entwicklung lasertransparenter Compounds ist die spektral aufgelöste Transmission über 600 bis 2000 nm die zentrale Bewertungsgröße, weil sie zeigt, ob eine Rezepturänderung die Absorption oder die Streuung verändert hat.

Angrenzende Anwendungsfelder: UV-Kleben, Vergießen und Verkapseln, Elektronik und Halbleiterindustrie, Optik und Präzisionsbauteile behandeln benachbarte Fügeverfahren und Bauteilklassen.

Zwei transparente Fügepartner. Absorberfreies Schweißen mit Wellenlängen zwischen etwa 1500 und 2000 nm nutzt die Eigenabsorption der Polymere. Die Energie wird dabei nicht an der Grenzfläche, sondern über ein Volumen deponiert; die Fokuslage bestimmt die Lage der Schmelzzone. Die Transmissionsprüfung muss hier bei der tatsächlichen Prozesswellenlänge erfolgen, da die optischen Eigenschaften sich gegenüber 980 nm grundlegend unterscheiden. Alternativ werden im sichtbaren Bereich transparente NIR-Absorber als dünne Zwischenschicht im Fügespalt eingesetzt.

Schwarz einzufärbende transparente Bauteile. Farbmittelsysteme ohne Ruß erlauben visuell tiefschwarze Bauteile mit hoher NIR-Transmission. Die Freigabe solcher Compounds ist nur über eine NIR-Transmissionsmessung möglich; eine visuelle Beurteilung ist systematisch irreführend.

Stark streuende Werkstoffe. Bei POM, PBT und hochgefüllten Compounds ist die Dicke des transparenten Partners praktisch auf ein bis zwei Millimeter begrenzt. Angepasste Bestrahlungsstrategien – etwa Strahlformung zu einem Intensitätsprofil mit abgeflachtem oder doppelhöckrigem Verlauf sowie mehrfaches Überfahren – gleichen die streuungsbedingte Aufweitung teilweise aus.

Große Wandstärkenunterschiede. Bei Bauteilen mit variierender Wandstärke entlang der Naht ist eine positionsabhängige Leistungsführung sinnvoll. Grundlage dafür ist ein vorab gemessenes Transmissionsprofil, das in die Bahnsteuerung übernommen wird.

Die Ableitung erfolgt von der Anwendung zur Messgröße, nicht umgekehrt.

Welche Messgröße? Benötigt wird der Transmissionsgrad des lasertransparenten Fügepartners bei der Prozesswellenlänge, angegeben zusammen mit der Bauteildicke am Messort. Für Werkstoffentwicklung und Fehleranalyse ist zusätzlich die spektral aufgelöste Transmission erforderlich; für die Serienprüfung genügt in der Regel die Einzelwellenlängenmessung – die Grundgrößen dazu fasst der Überblick zu radiometrischen Größen zusammen.

Wo messen? Am Bauteil, in der Fügegeometrie und entlang der geplanten Schweißkontur. Ein Messraster entlang der Naht deckt Faseranhäufungen, Bindenähte und Wandstärkenverläufe auf, die ein Einzelmesspunkt nicht erfasst.

Welche Messunsicherheiten sind relevant?

• Drift der Lichtquelle durch Alterung und Temperatur – begrenzbar durch ein Doppelstrahlprinzip mit interner Referenzdiode
• Fremdlichteinfluss in der Fertigungsumgebung – reduzierbar durch modulierte Quellen und synchrone Detektion
• Positionierunsicherheit des Prüflings – bei streuenden Bauteilen der oft dominierende Beitrag, beherrschbar nur über eine bauteilspezifische, reproduzierbare Aufnahme
• Definition der Detektorapertur und des Abstands – bestimmt, welcher Streuanteil miterfasst wird
• Rückführung des Messwerts – über Referenztargets mit bekanntem Transmissionsgrad und Kalibrierung in einem nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditierten Labor

Wann genügt eine Breitband- oder Einzelwellenlängenmessung? Bei freigegebenen Compounds mit bekanntem Spektralverlauf ist die Messung bei der Prozesswellenlänge ausreichend, da nur noch Abweichungen von einem bekannten Zustand detektiert werden müssen.

Wann ist eine spektrale Messung erforderlich? Bei Werkstoffwechsel, neuen Rezepturen, Reklamationsanalysen, Farbmittelwechseln und bei absorberfreien Prozessen. Nur ein Spektrum zeigt, ob eine Transmissionsänderung auf zusätzliche Absorptionsbanden oder auf veränderte Streuung zurückgeht – die erste Ursache lässt sich durch Wellenlängenwahl umgehen, die zweite nicht.

Wann sind ortsaufgelöste oder zeitaufgelöste Messungen notwendig? Ortsaufgelöst bei allen Bauteilen mit ungleichmäßiger Faserverteilung oder variabler Wandstärke sowie bei Nahtbreiten unter etwa einem Millimeter. Zeitaufgelöst bei Prozessen mit thermischer Rückkopplung, bei denen sich die optischen Eigenschaften während des Schweißens ändern.

Erst nach dieser Festlegung ergibt sich die Gerätewahl: Prozessphotometer in Zangenbauform für die produktionsnahe Einzelwellenlängenprüfung planer Bauteilbereiche, Spektralphotometer mit Ulbrichtkugel für die Bestimmung von gerichteter und diffuser Transmission an Materialproben, akkreditierte Kalibrierung für die Rückführung der gesamten Messkette.

Die Transmissionsprüfung ist in Serienfertigungen zunehmend kein Laborschritt mehr, sondern ein Fertigungsschritt vor dem Fügen.

Vorgelagerte Bauteilprüfung. Ein Messsystem fährt die Schweißkontur ab – manuell definiert oder aus CAD-Daten übernommen – und erzeugt ein Transmissionsprofil. Die technische Bedeutung liegt nicht in der Datenübertragung, sondern darin, dass ein Bauteil bereits vor dem irreversiblen Fügeschritt ausgesteuert werden kann. Das vermeidet den Verbund zweier Teile, von denen eines nicht fügefähig ist.

Adaptive Leistungsführung. Wird das Transmissionsprofil an die Anlagensteuerung übergeben, lässt sich die Laserleistung positionsabhängig nachführen, sodass die Streckenenergie in der Fügeebene konstant bleibt statt der eingestellten Ausgangsleistung. Das verschiebt die Regelgröße vom Anlagenparameter zur physikalisch wirksamen Größe.

Prozessbegleitende Überwachung. Pyrometrie und Thermografie erfassen die Oberflächentemperatur während des Schweißens. Bei absorberfreien Prozessen mit langwelliger Strahlung ist dies eingeschränkt, weil sich die Prozessstrahlung mit der zu messenden Wärmestrahlung spektral überlagert. Die Fügewegmessung bei quasi-simultanem Schweißen liefert dagegen ein direktes mechanisches Maß für das aufgeschmolzene Volumen.

Datenrückführung und Rückverfolgbarkeit. Die Verknüpfung von Bauteilkennung, Transmissionsprofil und Schweißparametern erlaubt statistische Prozesskontrolle über Chargen hinweg und macht Materialdrift erkennbar, bevor sie zu Ausschuss führt. Für regulierte Branchen ist dies zugleich Bestandteil der geforderten Prozessvalidierung.

Absorberfreies Schweißen mit Thulium-Faserlasern. Strahlquellen um 1940 nm nutzen die Eigenabsorption der Polymere. Technische Konsequenz: Die Prüfwellenlänge muss mitwandern; ein 980-nm-Messwert verliert seine Aussagekraft.

Strahlformung statt Leistungserhöhung. Angepasste Intensitätsprofile erzeugen bei nicht streuenden Werkstoffen gleichmäßigere Fügezonen als Gaußprofile. Bei stark streuenden Werkstoffen gleicht die Volumenstreuung die Profilunterschiede weitgehend aus – ein Grund, die Streueigenschaften vor der Optikauslegung zu messen.

Simulationsgestützte Prozessauslegung. Gekoppelte Raytracing- und FEM-Modelle bilden Streuung und Wärmeleitung gemeinsam ab. Ihre Eingangsgrößen sind gemessene Absorptions- und Streukoeffizienten; die Qualität der Simulation hängt damit unmittelbar an der Qualität der optischen Charakterisierung.

Laserdurchlässige Schwarzeinfärbung. Rußfreie Farbmittelsysteme entkoppeln optische Erscheinung und NIR-Transmission. Technische Konsequenz: Wareneingangsprüfungen können nicht mehr visuell erfolgen.

Ortsaufgelöste 100-%-Prüfung. Mehrpunkt- und Flächenmesssysteme lösen die Stichprobenprüfung ab. Technische Konsequenz: Der Prüfschritt wird taktzeitrelevant, was kurze Messzeiten und hohe Wiederholpräzision voraussetzt.

Additive Fertigung als neue Werkstoffklasse. Bei 3D-gedruckten Fügepartnern erzeugen Schichtgrenzen und Poren zusätzliche Streuzentren mit ausgeprägter Richtungsabhängigkeit. Konsequenz: Transmissionswerte sind hier nur bei definierter Aufbaurichtung übertragbar.

Rückführbarkeit als Beschaffungskriterium. Automobil- und Medizintechnikkunden fordern zunehmend nach DIN EN ISO/IEC 17025 rückgeführte Transmissionsmesswerte statt herstellerinterner Vergleichswerte.

Streuung als dominierender Verlustmechanismus in gefüllten Thermoplasten. Untersucht wurde, wie Bauteildicke, Glasfasergehalt und Kristallinität die Lichtstreuung während des Laserdurchstrahlschweißens verändern. Die Arbeit trennt messtechnisch Absorptions- und Streuanteile und zeigt, dass die Transmissionsminderung in verstärkten Polyamiden überwiegend streuungs- und nicht absorptionsbedingt ist – ein Ergebnis, das erklärt, warum eine reine Leistungserhöhung die Nahtqualität nicht wiederherstellt. Xu, Parkinson, Bates, Zak (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131

Bestrahlungsstrategien für stark streuende Werkstoffe. Untersucht wurden angepasste Bestrahlungsstrategien für Polymere mit hoher Volumenstreuung. Die Arbeit belegt, dass sich das Prozessfenster durch Anpassung der Intensitätsverteilung erweitern lässt, wenn die Streueigenschaften des transparenten Partners vorab bekannt sind. Frick, Schkutow (2018), Procedia CIRP 74, 538–543

Systematik der Bestrahlungsvarianten. Der Übersichtsbeitrag ordnet Kontur-, Quasi-simultan-, Simultan- und Maskenschweißen sowie neuere Strategien nach ihren energetischen und thermischen Eigenschaften und arbeitet heraus, welche Werkstoff- und Geometriebedingungen welche Variante nahelegen. Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737

Werkstoff- und Prozessübersicht mit optischen Kennwerten. Die Übersichtsarbeit fasst Strahlquellen, Werkstoffe, Prozessvarianten und Qualitätsmerkmale zusammen und enthält vergleichende Angaben zu Eindringtiefen verschiedener Thermoplaste bei 940 nm, 1064 nm und 1550 nm – eine nützliche Grundlage für die Wellenlängenwahl. Gonçalves, Duarte, Martins, Paiva (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931

Modellierung von Temperaturfeld und Streuung. Der Review bewertet numerische Modelle für Temperaturfeld, Spannungsfeld, Schmelzefluss und thermische Degradation und zeigt, dass Modelle ohne Berücksichtigung der Lichtstreuung die Spitzenintensität systematisch überschätzen und die Nahtbreite unterschätzen. Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125

1. DVS 2243 (2014): Laserstrahlschweißen thermoplastischer Kunststoffe. DVS Media, Düsseldorf – Verfahrensregelwerk zu Anlagen, Verfahrenstechnik und Qualitätssicherung.
2. DVS 2243 Beiblatt 1 (2007): Bestimmung des Transmissionsgrades des laserstrahltransparenten Fügepartners beim Laserdurchstrahlschweißen von Thermoplasten. DVS Media, Düsseldorf – definiert die Messprinzipien Leistungsmessung, photometrische und spektrale Messung sowie die Größen R, T und A.
3. DIN EN ISO 13468-1/-2: Kunststoffe – Bestimmung des Gesamt-Lichttransmissionsgrades transparenter Materialien. Normative Grundlage für Transmissionsmessungen im sichtbaren Spektralbereich; für NIR-Prozesswellenlängen nur eingeschränkt übertragbar.
4. DIN EN ISO/IEC 17025:2018: Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien. Grundlage für die Rückführbarkeit von Transmissionsmesswerten und Referenznormalen.
5. Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737, sowie Xu et al. (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131 – peer-reviewte Grundlagen zu Bestrahlungsstrategien und Streuung.
6. Gonçalves et al. (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931, sowie Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125 – Übersichts- und Modellierungsarbeiten zu Werkstoffen, Wellenlängenwahl und Streuungsmodellen.

Marktangaben im Abschnitt zum Marktkontext beruhen auf kommerziellen Marktstudien zum Laser-Kunststoffschweißen mit Bezugsjahr 2025 und Prognosehorizont 2032; sie dienen als Größenordnung, nicht als exakter Wert.

Wie wird der Transmissionsgrad beim Laserdurchstrahlschweißen gemessen?
Gemessen wird das Verhältnis der durch das Bauteil hindurchtretenden zur einfallenden Strahlungsleistung bei der Prozesswellenlänge. Üblich sind Leistungsmessung, photometrische Messung mit Einzelwellenlänge und spektrale Messung. Der Messwert gilt nur für die jeweilige Bauteildicke, Messgeometrie und Detektorapertur und ist ohne diese Angaben nicht vergleichbar.

Welche Wellenlänge eignet sich für die Transmissionsprüfung?
Maßgeblich ist die spätere Prozesswellenlänge. Für Diodenlaserprozesse hat sich 980 nm als Referenz etabliert, weil sie im industriell dominierenden Bereich von 800 bis 1100 nm liegt. Für absorberfreie Prozesse mit 1500 bis 2000 nm ist eine Messung bei 980 nm nicht aussagekräftig, da dort andere Absorptionsmechanismen wirken.

Welcher Transmissionsgrad ist erforderlich?
Einen allgemeingültigen Grenzwert gibt es nicht, da die erforderliche Transmission von Laserleistung, Vorschub, Spotgröße und Absorbereigenschaften abhängt. In der Praxis werden häufig Werte oberhalb von 20 bis 30 % angestrebt. Sinnvoll ist die Ableitung aus der benötigten Streckenenergie in der Fügeebene statt aus einem pauschalen Zahlenwert.

Warum schweißt der Laser trotz ausreichender Leistung nicht?
Meist erreicht ein zu geringer Anteil der Strahlung die Fügeebene. Ursachen sind Streuung durch Kristallite, Glasfasern oder Pigmente, eine zu große durchstrahlte Wandstärke, Fresnel-Reflexionen an den Grenzflächen oder ein Fügespalt, der die Wärmeleitung in den transparenten Partner unterbricht. Die eingestellte Ausgangsleistung sagt darüber nichts aus.

Was ist der Unterschied zwischen gerichteter und diffuser Transmission?
Die gerichtete Transmission erfasst nur den nahezu unabgelenkten Anteil, die Gesamttransmission zusätzlich die gestreuten Anteile, gemessen mit einer Ulbrichtkugel. Für streuende Werkstoffe liegen beide Werte deutlich auseinander. Die Gesamttransmission beschreibt die Energiebilanz, die aperturbegrenzte Messung die im Nahtquerschnitt wirksame Intensität.

Wie beeinflussen Glasfasern die Lasertransparenz?
Glasfasern senken die Transmission überwiegend durch Streuung. In kurzglasfaserverstärktem PA6 sinkt die übertragene Laserenergie mit steigendem Fasergehalt bis 63 Gew.-% von etwa 70 % auf rund 20 %. Zusätzlich wirkt die lokale Faserorientierung, weshalb Transmissionsunterschiede innerhalb eines einzelnen Spritzgussteils auftreten.

Warum ist ein Datenblattwert kein Ersatz für eine Bauteilmessung?
Datenblätter nennen Werte für Normplatten definierter Dicke. Im Bauteil verändern Anschnittlage, Fließweg, Bindenähte, Werkzeugtemperatur und Wandstärkenverlauf Kristallinität und Faserverteilung. Daraus resultieren Transmissionsunterschiede innerhalb eines Teils, die nur eine ortsaufgelöste Messung entlang der Schweißkontur sichtbar macht.

Wann ist eine spektrale Transmissionsmessung notwendig?
Bei Werkstoff- oder Rezepturwechseln, Farbmittelumstellungen, Reklamationsanalysen und bei absorberfreien Prozessen. Nur ein Spektrum zeigt, ob eine Transmissionsänderung aus zusätzlicher Absorption oder aus veränderter Streuung resultiert. Absorption lässt sich durch Wellenlängenwahl umgehen, Streuung dagegen nur über Rezeptur, Verarbeitung oder Bauteildicke.

Unklar, wie viel Laserleistung tatsächlich im Fügespalt ankommt – und nicht in Streuung und Reflexion verloren geht?

Die Transmission des lasertransparenten Fügepartners lässt sich bei der jeweiligen Prozesswellenlänge, in der realen Bauteilgeometrie und entlang der geplanten Schweißkontur messen. Für die Auslegung einer geeigneten Messkette – von der Wellenlängenwahl über die Messgeometrie bis zur rückgeführten Kalibrierung – steht das Anwendungslabor zur Verfügung. Kontakt aufnehmen.