Cómo elegir el par de resinas y los colorantes para soldadura láser

Cómo elegir el par de resinas y los colorantes para soldadura láser

Puntos clave

• Deben cumplirse dos requisitos: los polímeros deben ser compatibles en fusión y su comportamiento óptico en la longitud de onda debe diferir de la manera adecuada.
• El color es una especificación óptica. Un cambio de color es un cambio de proceso, y un par igualado lo está únicamente en una longitud de onda.
• La fibra de vidrio dispersa la luz, reduce la transmisión efectiva y hace que la pieza transmisora sea el componente limitante con más frecuencia de la esperada.
• Califique el par de materiales antes de fabricar el herramental, porque un problema de soldabilidad descubierto después de maquinar los moldes tiene muy pocas soluciones económicas.

La pregunta «¿se pueden soldar con láser estas dos piezas?» tiene dos respuestas independientes que deben ser afirmativas. Los polímeros deben poder formar una unión fundida entre sí, una cuestión de compatibilidad de materiales común a cualquier otro método de soldadura. Y sus propiedades ópticas en la longitud de onda de trabajo deben diferir en la dirección correcta y en la magnitud suficiente, algo específico de la soldadura láser y donde ocurren la mayoría de las sorpresas.

La compatibilidad de fusión es lo primero

Una soldadura se forma cuando dos superficies de polímero fundido se interdifunden y solidifican juntas. Para ello se requieren ventanas de proceso que se traslapen (ambos materiales fundidos a la misma temperatura sin que ninguno se degrade) y suficiente similitud química para que las cadenas se entrelacen a través de la interfaz.

Las uniones de un mismo polímero son el caso más sencillo y abarcan la mayor parte de la producción. Los distintos grados de un mismo polímero generalmente se sueldan, aunque las diferencias en índice de fluidez, contenido de carga y paquete de aditivos modifican los parámetros. Los polímeros distintos dentro de una misma familia a veces se sueldan de forma aceptable. Los polímeros químicamente disímiles normalmente no forman una unión real sin importar qué tan bien se comporte la óptica, y la adhesión que se obtiene es mecánica y no molecular, y tiende a ser deficiente bajo carga o con el tiempo.

Este orden importa porque las propiedades ópticas son más fáciles de modificar que la química. Si los materiales son compatibles en fusión, la absorción y la transmisión pueden ajustarse con colorantes y aditivos. Si no lo son, ningún trabajo óptico produce una unión sólida.

El color es una especificación óptica

La sorpresa más común en producción con soldadura láser es un cambio de color que nadie identificó como un cambio de proceso. El color lo especifican diseñadores, mercadotecnia y clientes con criterios visuales, y el sistema de pigmentos resultante determina el comportamiento en la longitud de onda del láser, una relación sin conexión confiable con la apariencia.

Los pigmentos absorben de forma selectiva. Dos azules que coinciden visualmente pueden transmitir de manera muy distinta a 1064 nm porque usan químicas de pigmento diferentes. Un blanco cargado con dióxido de titanio dispersa con fuerza. Algunos pigmentos orgánicos son prácticamente transparentes en el infrarrojo cercano; algunos inorgánicos no lo son. Una pieza que transmite adecuadamente en color natural puede no hacerlo en una versión pigmentada, y la falla es total, no gradual.

La disciplina de trabajo consiste en tratar el color como una entrada controlada del proceso: calificar cada combinación de colores, exigir que el compounder notifique cualquier reformulación de colorantes, y medir la transmisión y la absorción en la longitud de onda de trabajo como parte de la aprobación del material, en lugar de depender de la igualación visual.

Absorción en la pieza inferior

El negro de humo sigue siendo el absorbente de referencia y funciona extremadamente bien: absorción intensa y de banda ancha con una carga modesta, bien conocida y económica. Sus características sí varían según el grado: el tamaño de partícula y la estructura afectan tanto la intensidad como la profundidad de absorción, lo que a su vez determina dónde se genera el calor respecto de la interfaz. Seleccionar un negro de humo para soldadura es una decisión real y no un valor por defecto.

Donde el negro es inaceptable, los tintes y sistemas de pigmentos absorbentes en el infrarrojo cercano permiten piezas absorbentes de color, naturales y visualmente transparentes. Requieren la misma calificación que cualquier aditivo (uniformidad de dispersión, estabilidad térmica a la temperatura de proceso, aceptabilidad regulatoria para la aplicación), y su absorción suele ser más estrecha en longitud de onda que la del negro de humo, lo que hace más crítica la correspondencia entre aditivo y fuente.

Transmisión a través de la pieza superior

El componente transmisor está limitado por algo más que el color. El espesor de pared fija la longitud de trayectoria y la transmisión disminuye con él, a veces de forma abrupta. La cristalinidad de los polímeros semicristalinos dispersa la luz y, como depende de la velocidad de enfriamiento, la temperatura del molde modifica directamente el comportamiento óptico. Las cargas de vidrio y minerales dispersan con fuerza, lo que reduce la energía que llega a la unión y además la desenfoca, disminuyendo la intensidad pico donde se necesita. Los aditivos con absorción propia, en particular los estabilizadores ultravioleta, pueden traslaparse con la longitud de onda del láser. La textura superficial dispersa la luz en la cara de entrada antes de que ingrese energía a la pieza.

Las piezas transmisoras con carga son el caso que más se subestima. Un componente superior con 30 por ciento de fibra de vidrio puede transmitir una pequeña fracción de lo que transmite uno sin carga, y la respuesta habitual (aumentar la potencia) arriesga dañar la superficie en la cara de entrada antes de que la unión alcance la fusión. Cuando un material con carga es inevitable en el lado transmisor, las opciones reales son secciones más delgadas en la trayectoria del haz, una estrategia que tolere menor intensidad o una longitud de onda distinta.

Sistemas de aditivos de doble propósito

Los ensambles que deben marcarse y soldarse con láser plantean un verdadero problema de formulación, ya que ambos procesos dependen de las mismas propiedades ópticas y esperan cosas distintas de ellas. Los sistemas de aditivos formulados para ambos fines permiten que un solo material compuesto haga las dos cosas, lo que simplifica considerablemente el manejo de materiales.

El requisito es que los dos procesos se desarrollen en conjunto y no de forma secuencial. Una carga de aditivo optimizada para el contraste de marcado puede volver demasiado absorbente una pieza transmisora para soldarla; una optimizada para la absorción de la soldadura puede producir un contraste de marcado deficiente. Establecer ambas ventanas de proceso con la misma formulación, desde el inicio, es lo que hace funcionar este enfoque.

Califique antes del herramental

La soldabilidad es una propiedad de la combinación (par de polímeros, colorantes, cargas, aditivos, longitud de onda), y es económico establecerla antes de comprometerse y costoso descubrirla después.

Una calificación práctica previa al herramental mide la transmisión del material transmisor previsto con el espesor y color previstos, mide la absorción del material absorbente previsto y suelda placas moldeadas o piezas prototipo con la combinación real de materiales para confirmar que existe una ventana de proceso viable con margen. Ese ejercicio toma días y responde la pregunta que de otro modo se responde durante las pruebas de producción, cuando los moldes ya existen y la elección de material está prácticamente fija.

Lecturas relacionadas

• Selección de negro de humo para soldadura por transmisión
• Aditivos láser de doble propósito
• Soldadura láser transparente a transparente
• Soldadura láser por transmisión explicada
• Un solo masterbatch para marcado y soldadura

¿Necesita ayuda con esto?

The Sabreen Group ofrece soporte de ingeniería independiente para la selección de materiales, la igualación de color y la calificación de aditivos para soldadura láser. Nuestro equipo de servicios de ingeniería trabaja con fabricantes en desarrollo de procesos, calificación de materiales y resolución de problemas de producción. Contáctenos para analizar su aplicación.

Preguntas frecuentes

¿Se pueden soldar con láser dos polímeros distintos entre sí?

Solo si son compatibles en fusión: sus intervalos de temperatura de proceso deben traslaparse para que ambos estén fundidos sin que ninguno se degrade, y deben ser lo bastante compatibles químicamente para formar una unión y no un simple entrelazado mecánico. Los polímeros similares de una misma familia generalmente funcionan; las familias disímiles normalmente no, sean cuales sean las propiedades ópticas.

¿Por qué un cambio de color exige una nueva calificación?

Porque los colorantes determinan cuánto de la longitud de onda del láser se transmite y se absorbe. Dos piezas que a simple vista parecen similares pueden comportarse de forma completamente distinta a 1064 nm, ya que los pigmentos absorben de forma selectiva y la apariencia visible aporta poca información sobre el comportamiento en el infrarrojo cercano. Un cambio de color altera la energía que llega a la unión y, por lo tanto, el proceso.

¿La fibra de vidrio afecta la soldadura láser?

De manera significativa. Las fibras de vidrio dispersan el haz dentro de la pieza transmisora, reducen la energía que llega a la interfaz y la dispersan, lo que disminuye la intensidad pico en la unión. Los niveles de carga más altos agravan el efecto, y el vidrio en la superficie de la unión también reduce el polímero disponible para formar la soldadura.

¿Qué es un aditivo de doble propósito?

Un sistema de aditivos formulado para servir tanto al marcado láser como a la soldadura láser, que permite marcar y soldar un mismo material compuesto con la misma longitud de onda. Simplifica el manejo de materiales en ensambles que requieren ambas operaciones y exige desarrollar los dos procesos en conjunto, ya que compiten por las mismas propiedades ópticas.

¿Cuándo debe establecerse la soldabilidad del material?

Antes de fabricar el herramental. La soldabilidad es una propiedad del par de materiales, los colorantes y la longitud de onda; si la combinación elegida no suelda, los remedios son un cambio de material, un cambio de colorante o un aditivo, todos sencillos en la etapa de diseño y costosos después.

---