Bearbeitung von Kapton® mit Digitaler Laser-Materialbearbeitungstechnologie(DLMP®)
Kapton® ist der Markenname von DuPont™-Polyimid-Folien. Polyimid-Folien sind normalerweise duroplastische Polymere, die durch Polymerisieren eines aromatischen Dianhydrids und eines aromatischen Diamins synthetisiert werden. Kapton-Folien weisen eine gute Chemikalienbeständigkeit, eine hohe Durchschlagsfestigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Diese wünschenswerten Eigenschaften bleiben über seinen sehr breiten Temperaturbereich hinweg erhalten. Diese Folien können aufgetragen, aufgedampft und mit Kleber beschichtet werden, wodurch der Einsatzbereich in weiteren Anwendungen und Branchen vergrößert wird. Unbehandelte Polyimid-Folien sind normalerweise bernsteinfarben.
Verwandte Bezeichnungen
Polyimid-Folie
Kapton® HN– Voll-Polyimid-Folie mit einem wünschenswerten Gleichgewicht an physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich, insbesondere sehr hohen Temperaturen, hinweg
Kapton® FN– eine heiß-siegelbare Güteklasse, erzielt durch Kombinierung von Kapton® HN mit DuPont™ Teflon® FEP Fluorkohlenstoffharz
Kapton® HPP-ST– dasselbe Polyimid wie HN, mit exzellenter Dimensionstabilität und überlegenen Hafteigenschaften in einem breiten Temperaturbereich
Chemische Bezeichnungen
poly-oxydiphenylen-pyromellitimid
Hersteller
DuPont™
Kapton® und DLMP®-Technologie
Aufgrund der Duroplast-Chemie und der hohen Temperaturbeständigkeit ist Kapton® äußerst geeignet für DLMP®-Technologie. Der Einfluss jeder dieser einzelnen Eigenschaften von Kapton auf die Ergebnisse von DLMP, wird detailliert in den folgenden Abschnitten erläutert.
Die nützlichsten Auswirkungen der Laserenergie auf Kapton bestehen im Materialabtrag und in der Materialveränderung. Jedes dieser Verfahren wird nachstehend in dessen jeweiligem Abschnitt beschrieben.
Materialabtrag ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Material entfernt wird. Material wird entweder vollständig von der oberen zur unteren Fläche oder teilweise von der Oberseite des Materials bis hinunter zu einer bestimmten Tiefe abgetragen.
Polyimide sind ein hervorragender Absorber von CO2-Laserenergie (Wellenlänge = 10,6 μm). Wenn das Polymer Laserenergie absorbiert, wandelt es rasch Lichtenergie in Molekülschwingungen (Wärme) um. Ausreichend Wärme führt zu raschem chemischem Abbau und zu Verkohlung. Material, das sich direkt Laserstrahlpfad befindet, wird in Dampf und in feinen Partikeln abgetragen. Das Material, das sich leicht außerhalb des Laserbrennpunkts oder des Laserstrahlpfades befindet, leitet etwas Wärme, jedoch nicht ausreichend für eine vollständige und gründliche Verbrennung und Abtragung. Dieser Bereich der thermischen Beeinflussung wird häufig als Wärmeeinflusszone oder WEZ bezeichnet. In der WEZ sind die Polyimid-Folien schwarz und verkohlt. Sie können außerdem leichte Rückstände aufweisen. Am einfachsten lassen sich diese schwarze Verkohlung und die Rückstände entfernen, indem die Folie in einem Ultraschallbad mit einem gewöhnlichen Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol, getaucht wird. Alternativ kann das Material mit einem mit Lösungsmittel getränkten Tuch abgewischt werden.
Laserschneiden
Laserschneiden ist die vollständige Abtragung und Abtrennung von Material von der Ober- bis zur Unterseite entlang eines bestimmten Pfads.
Polyimid-Folien, wie beispielsweise Kapton, lassen sich mittels DLMP-Technologie sehr einfach schneiden. Die beim Laserschneiden erzeugten Kanten weisen einen sehr schmalen Streifen verkohltes Material und Rückstände an der Schnittkante auf. Im Allgemeinen verhalten sich Verkohlung und die Rückstände proportional zur Materialstärke und umgekehrt proportional zur Wattleistung des Lasers. An der Schnittkante können die meisten, wenn nicht alle, Rückstände mit einer Kombination von Lösungsmittel und Ultraschallbad oder Scheuerlappen entfernt werden.
Das Laserschneiden von Kapton-Polyimid-Folie wird im Beispiel anhand eines geschlitzten Quadrats und Rundlöchern illustriert. Das dargestellte Verfahren lässt sich für beinahe jede Form einsetzen, sogar für komplexe Schnitte und solche mit sehr engen Toleranzen.
Laserschnitt von Kapton, verwendet für SMT-Prototypschablonen
Veränderung von Material
Wenn DLMP-Technologie zum Schneiden von Material eingesetzt wird, wird ausreichend Energie aufgewendet, um sämtliches, sich direkt im Laserstrahlpfad befindliches Material zu verdampfen. Dies hinterlässt dunkle Rückstände und wird, wie bereits erwähnt, durch chemische Zersetzung verursacht. Durch Verringerung der Laserleistung kann die Polyimid-Folie dunkler gestaltet werden, ohne Material in wesentlichem Umfang abzutragen. Dies ist eine Art von Materialveränderung und ist für das Lasermarkieren von Kapton-Produkten nützlich.
Lasermarkieren
Wenn Laserenergie zum Erstellen einer visuell und/oder maschinenlesbaren Identifikation oder Information auf einem Material genutzt wird, beispielsweise für einen Barcode, ein Datum, eine Chargen-, Serien- oder Teilenummer, wird das Bearbeitungsverfahren als Lasermarkieren angesehen. Das Lasermarkieren von Polyimid-Folie bringt eine graue Markierung hervor, sobald die überschüssige Verkohlung entfernt wird.
Eine auf Kapton-Polyimid-Folie markierte Teilenummer
Kombiniertes Bearbeitungsverfahren
Mit Holz können verschiedene Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden, ohne das Material bewegen oder neu befestigen zu müssen. Das Beispiel demonstriert, wie Bearbeitungsverfahren miteinander kombiniert werden können, um mit der DLMP-Technologie in einem Herstellungsschritt in Kirschholz quadratische und runde Formen zu schneiden, Zeichen und Texturen zu gravieren und feine Details zu markieren.
Ein kombiniertes Laserbearbeitungsverfahren, das Oberflächenmarkierung und Schneiden mit 0,127 mm Kapton-Folie zeigt.
Erwägungen zu Umwelt, Gesundheit und Sicherheit
Interaktionen von Laser mit Materialien erzeugen fast immer Gase und/oder Partikel. Die Bearbeitung von Kapton aus Voll-Polyimid (Cirlex®, Typ H) mit einem CO2-Laser erzeugt Dämpfe, die hauptsächlich Kohlenmonoxid mit Spuren von Carbonyl-, Nitril- und Alkingruppen enthalten. Die festen schwarzen Rückstände, die sich während des Schneidens und Markierens ablagern, werden wahrscheinlich durch die vollständige Verkohlung des Polymers verursacht. Die Ableitungen bzw. Gase, die bei der Bearbeitung von Kapton-Polyimid-Folie entstehen, sollten nach draußen abgeleitet werden. Alternativ können sie zuerst in einem Filtersystem behandelt und dann nach draußen abgeleitet werden. Polyimide verbrennen nicht ohne weiteres. Die Laserbearbeitung sollte jedoch stets unter Aufsicht erfolgen.
