Saldatura laser per trasmissione delle materie plastiche: a contorno, quasi simultanea, radiale e a maschera

Saldatura laser per trasmissione delle materie plastiche: a contorno, quasi simultanea, radiale e a maschera

Punti chiave

• L'energia viene depositata all'interfaccia, non in superficie: un componente trasmette, l'altro assorbe e il fuso si forma tra i due.
• La strategia del fascio determina il comportamento al collasso. La saldatura quasi simultanea fonde l'intero giunto in una volta e può compensare le tolleranze; quella a contorno no.
• Il bloccaggio fa parte del processo, non è un semplice fissaggio. Il contatto intimo lungo il giunto è una precondizione per tutti questi metodi.
• Nella fase di selezione le proprietà ottiche contano più di quelle meccaniche e i coloranti le modificano in modo drastico.

La saldatura laser dei termoplastici è un metodo di giunzione con una proprietà insolita: il calore viene generato all'interno del giunto anziché applicato dall'esterno. Questa singola caratteristica spiega la maggior parte dei suoi vantaggi (nessun particolato, nessuna vibrazione, nessun segno sulle superfici visibili, controllo preciso della zona termicamente alterata) e dei vincoli che determinano se un dato assieme possa utilizzarla.

Il meccanismo di base

Nella saldatura per trasmissione due componenti sono tenuti a contatto. Quello superiore trasmette la lunghezza d'onda del laser con un assorbimento relativamente ridotto; quello inferiore assorbe fortemente, in genere sulla superficie o subito al di sotto. L'energia che attraversa il primo componente si converte in calore nel secondo e tale calore si propaga per conduzione attraverso l'interfaccia. Entrambe le superfici raggiungono la temperatura di fusione, la pressione applicata chiude il gioco e miscela gli strati fusi, e il giunto solidifica mentre il fascio avanza.

Le conseguenze ne derivano direttamente. Viene riscaldato solo un sottile strato all'interfaccia, per cui la massa di entrambi i componenti resta dimensionalmente stabile e i componenti interni non sono esposti a temperature elevate. Non è richiesto alcun moto relativo, quindi non si genera particolato, ed è per questo che il metodo è largamente impiegato nei dispositivi medicali e nella microfluidica. E poiché il fascio può essere sagomato e orientato con precisione, la geometria della saldatura può essere complessa senza modifiche all'attrezzatura.

Saldatura a contorno

Il fascio, o il componente, si muove in modo che il punto focale percorra una sola volta la linea del giunto. Ogni regione viene riscaldata, fusa e lasciata solidificare mentre il fascio prosegue.

La saldatura a contorno è adatta a componenti grandi, percorsi di saldatura lunghi e geometrie che uno scanner non riesce a coprire in un solo campo. Le apparecchiature sono relativamente semplici: una testa fissa con movimento del componente, oppure una testa montata su robot. Il suo limite principale è che la linea di saldatura non è mai fusa nel suo insieme, quindi il giunto non può collassare in modo uniforme. Qualsiasi gioco presente quando il fascio arriva in un punto è un gioco che quella regione deve saldare a ponte, il che rende la saldatura a contorno la meno tollerante, tra le quattro strategie, rispetto a accoppiamento e planarità dei componenti.

Saldatura quasi simultanea

Scanner galvanometrici percorrono l'intero giunto a velocità così elevate che l'intera linea di saldatura resta fusa contemporaneamente, in genere con numerosi passaggi rapidi. Il giunto si comporta allora come un'unica zona fusa sotto la forza di bloccaggio.

Ciò consente un collasso controllato: i componenti si avvicinano di una distanza definita mentre il fuso viene spostato, il che compensa i giochi, assorbe le variazioni dimensionali e produce una saldatura costante anche dove l'accoppiamento è imperfetto. La distanza di collasso è direttamente misurabile e costituisce un eccellente monitor di processo: una saldatura che non è collassata della quantità prevista non si è formata correttamente e la macchina lo sa in tempo reale.

Il vincolo è il campo di scansione. La dimensione del giunto è limitata dal campo ottico che lo scanner può coprire senza un angolo di incidenza inaccettabile agli estremi, il che limita la dimensione dei componenti o impone di unire più campi.

Saldatura radiale e simultanea

Per assiemi cilindrici, come connettori, alloggiamenti di filtri e componenti per cateteri, la saldatura radiale porta il fascio lungo la circonferenza contemporaneamente o facendo ruotare il componente. La saldatura simultanea, più in generale, usa un'erogazione del fascio disposta in modo da irradiare l'intero giunto in una volta, tramite fasci di fibre, generatori di linea od ottiche sagomate.

I tempi di ciclo sono estremamente brevi perché l'intero giunto viene saldato in un'unica esposizione e il collasso è uniforme. Il costo è un'attrezzatura ottica dedicata per ogni geometria del componente, il che rende questi approcci adatti a prodotti stabili ad alto volume, non a lavorazioni varie o di piccola serie.

Saldatura a maschera

Una maschera definisce il disegno da saldare mentre un fascio ampio la percorre, irradiando solo le regioni esposte. Ciò offre una definizione geometrica estremamente fine, con larghezze di saldatura molto inferiori a quelle che un punto di scansione focalizzato ottiene comodamente, ed è l'approccio standard per dispositivi microfluidici e assiemi a film sottile in cui i canali devono essere sigillati senza invaderli.

Richiede una maschera per ogni disegno e la produttività diminuisce con l'aumentare dell'area del componente, quindi occupa una nicchia specializzata anziché competere con le strategie di uso generale.

Che cosa determina la scelta

In pratica la decisione segue una breve sequenza. Dimensione del componente e lunghezza del giunto rispetto al campo di scansione disponibile decidono tra contorno e quasi simultanea. La compensazione di tolleranza richiesta stabilisce se serva la capacità di collasso. Il volume di produzione decide se l'attrezzatura simultanea dedicata sia giustificata. La scala dei dettagli decide se sia necessaria la saldatura a maschera. E l'accessibilità, ossia se il fascio possa raggiungere l'intero giunto attraverso il componente trasmittente senza ostacoli, è un vincolo rigido che talvolta esclude del tutto la saldatura laser.

Che cosa deve essere vero prima che qualsiasi metodo funzioni

Valgono tre precondizioni, indipendentemente dalla strategia. I materiali devono essere saldabili tra loro, il che significa intervalli di temperatura di lavorazione sovrapposti e un'adeguata compatibilità chimica, lo stesso requisito di qualsiasi metodo di giunzione basato sulla fusione. Le proprietà ottiche devono essere corrette: trasmissione adeguata attraverso il componente superiore alla lunghezza d'onda di lavoro e assorbimento adeguato in quello inferiore, entrambi fortemente dipendenti da coloranti, cariche e additivi e non dal solo polimero base. E il giunto deve essere portato a contatto intimo tramite il bloccaggio, perché un gioco che il fuso non riesce a colmare è un gioco che non si salda.

I guasti in produzione risalgono quasi sempre a una di queste tre cause e non ai parametri del laser. Una saldatura che non si forma in modo costante è di solito un problema di materiali o di accoppiamento affrontato con le impostazioni di potenza e, in tale situazione, aumentare la potenza degrada i componenti prima di risolvere il giunto.

Dove è competitiva e dove no

Rispetto alle alternative, la saldatura laser scambia produttività e tolleranza con pulizia e precisione. La saldatura a ultrasuoni è più veloce e più economica per componente e genera particolato a causa del moto relativo sul giunto. Le saldature a vibrazione e a rotazione gestiscono bene componenti grandi e tolleranze ampie, a costo di bave, segni visibili ed eccitazione meccanica. La saldatura a piastra calda tollera un cattivo accoppiamento meglio di qualsiasi altro metodo e impone un ciclo lungo e un utensile riscaldato che entra in contatto con il polimero.

La saldatura laser prevale dove il particolato è inaccettabile, dove l'assieme contiene qualcosa che non può essere sottoposto a vibrazioni o riscaldato, dove il giunto è piccolo o geometricamente complesso, o dove le superfici visibili devono restare senza segni. Perde dove l'accoppiamento è scarso e non migliorabile, dove il giunto è otticamente inaccessibile o dove domina il costo per componente e nessuno dei suoi vantaggi è richiesto.

Impostata così, la scelta si risolve di solito con uno o due requisiti rigidi anziché con un confronto generale, ed è per questo che la decisione va presa in fase di progettazione, quando tali requisiti sono ancora in corso di definizione e il giunto può essere modellato intorno al metodo vincente.

Letture correlate

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• Terminologia della saldatura laser delle materie plastiche
• Progettazione del giunto per la saldatura laser
• Selezione della coppia di resine e dei coloranti
• Selezione del nerofumo per la saldatura per trasmissione

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Domande frequenti

Come funziona in concreto la saldatura laser per trasmissione?

Il componente superiore trasmette la lunghezza d'onda del laser con poco assorbimento; quello inferiore la assorbe sulla superficie o in prossimità di essa e converte l'energia in calore. Il calore si propaga per conduzione nel componente trasmittente attraverso l'interfaccia, entrambe le superfici fondono e la pressione applicata riunisce gli strati fusi formando la saldatura. Il calore viene generato dove si trova il giunto, non sulla superficie esterna.

Qual è la differenza tra saldatura a contorno e quasi simultanea?

La saldatura a contorno percorre il giunto una sola volta con un fascio o un componente in movimento, fondendo ogni regione in sequenza, per cui il materiale solidifica dietro il fascio e il giunto non può collassare nel suo insieme. La saldatura quasi simultanea scansiona ripetutamente l'intero giunto ad alta velocità in modo che l'intera linea di saldatura sia fusa contemporaneamente, consentendo un collasso controllato che compensa tolleranze e giochi.

Quando si usa la saldatura a maschera?

Per geometrie di saldatura molto fini o complesse, in particolare nella microfluidica e nei film sottili, dove una maschera definisce il disegno irradiato e un fascio ampio la percorre. Offre un'eccellente precisione geometrica su piccola scala, a costo di un'attrezzatura per ogni disegno e di una produttività inferiore per componenti grandi.

Il componente assorbente richiede sempre nerofumo?

No. Il nerofumo è l'assorbitore tradizionale e resta diffuso, ma coloranti assorbenti per laser e sistemi di additivi consentono componenti assorbenti naturali, colorati e persino otticamente trasparenti. Anche lunghezze d'onda maggiori, assorbite dal polimero stesso, consentono la saldatura senza alcun assorbitore aggiunto, ed è la base della maggior parte degli approcci clear-to-clear.

Quale pressione di bloccaggio è necessaria?

Quanto basta per portare le superfici del giunto a contatto intimo lungo l'intera linea di saldatura e per assorbire il collasso del fuso. Il valore esatto dipende da materiali, geometria del giunto e rigidità del componente e non segue un valore universale; sia una pressione insufficiente sia una eccessiva causano difetti caratteristici.

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