Scelta della coppia di resine e dei coloranti per la saldatura laser

Scelta della coppia di resine e dei coloranti per la saldatura laser

Punti chiave

• Devono essere soddisfatti due requisiti: i polimeri devono essere compatibili allo stato fuso e il loro comportamento ottico alla lunghezza d'onda di lavoro deve differire in modo appropriato.
• Il colore è una specifica ottica. Un cambio di colore è un cambio di processo e una coppia abbinata è tale solo a una determinata lunghezza d'onda.
• Le cariche in fibra di vetro diffondono la luce, riducendo la trasmissione effettiva e rendendo il componente trasmittente, più spesso del previsto, l'elemento limitante.
• Qualifichi la coppia di materiali prima dell'attrezzatura, perché un problema di saldabilità scoperto dopo la lavorazione dello stampo ha pochissime soluzioni economiche.

La domanda «questi due componenti possono essere saldati con il laser?» ha due risposte indipendenti, che devono essere entrambe affermative. I polimeri devono poter formare un legame allo stato fuso l'uno con l'altro, una questione di compatibilità dei materiali comune a ogni altro metodo di saldatura. Inoltre, le loro proprietà ottiche alla lunghezza d'onda di lavoro devono differire nella direzione giusta e in misura sufficiente: un aspetto specifico della saldatura laser, in cui si concentra la maggior parte delle sorprese.

La compatibilità allo stato fuso viene prima di tutto

Una saldatura si forma quando due superfici polimeriche fuse interdiffondono e solidificano insieme. Ciò richiede finestre di lavorazione sovrapposte, con entrambi i materiali fusi alla stessa temperatura senza che nessuno dei due si degradi, e una somiglianza chimica sufficiente perché le catene si intreccino attraverso l'interfaccia.

I giunti tra polimeri identici sono il caso più semplice e coprono la maggior parte della produzione. Gradi diversi dello stesso polimero in genere si saldano, anche se le differenze di indice di fluidità, contenuto di cariche e pacchetto di additivi modificano i parametri. Polimeri diversi all'interno di una stessa famiglia talvolta si saldano in modo accettabile. Polimeri chimicamente dissimili di solito non formano un vero legame, indipendentemente da quanto siano favorevoli le proprietà ottiche, e l'eventuale adesione ottenuta è meccanica e non molecolare, e tende a deludere sotto carico o nel tempo.

Quest'ordine è importante perché le proprietà ottiche sono più facili da modificare della chimica. Se i materiali sono compatibili allo stato fuso, assorbimento e trasmissione possono essere progettati con coloranti e additivi. In caso contrario, nessun intervento ottico produce un giunto affidabile.

Il colore è una specifica ottica

La sorpresa più comune in produzione nella saldatura laser è un cambio di colore che nessuno ha segnalato come cambio di processo. Il colore viene specificato da progettisti, marketing e clienti su basi visive, e il sistema di pigmenti che ne risulta determina il comportamento alla lunghezza d'onda del laser, una relazione senza alcun legame affidabile con l'aspetto.

I pigmenti assorbono in modo selettivo. Due blu visivamente identici possono trasmettere in modo molto diverso a 1064 nm perché impiegano chimiche di pigmento differenti. Un bianco caricato con biossido di titanio diffonde fortemente. Alcuni pigmenti organici sono praticamente trasparenti nel vicino infrarosso, altri inorganici no. Un componente che trasmette adeguatamente nel colore naturale può non farlo nella versione pigmentata, e il guasto è totale anziché graduale.

La buona pratica consiste nel trattare il colore come un input di processo controllato: qualificare ogni combinazione di colori, richiedere al compoundatore la notifica di ogni riformulazione del colorante e misurare trasmissione e assorbimento alla lunghezza d'onda di lavoro nell'ambito dell'approvazione del materiale, anziché affidarsi all'abbinamento visivo.

Assorbimento nel componente inferiore

Il nerofumo resta l'assorbitore di riferimento e funziona molto bene: assorbimento intenso e a banda larga con dosaggi contenuti, ben conosciuto ed economico. Le sue caratteristiche variano tuttavia con il grado: dimensione e struttura delle particelle influenzano sia l'intensità sia la superficialità dell'assorbimento, e quindi il punto in cui si genera il calore rispetto all'interfaccia. Scegliere un nerofumo per la saldatura è una decisione vera e propria, non un'impostazione predefinita.

Dove il nero non è accettabile, coloranti e sistemi pigmentari assorbenti nel vicino infrarosso consentono componenti assorbenti colorati, naturali e otticamente trasparenti. Richiedono la stessa qualifica di qualsiasi additivo (uniformità di dispersione, stabilità termica alla temperatura di lavorazione, accettabilità normativa per l'applicazione) e il loro assorbimento è in genere più stretto in lunghezza d'onda rispetto al nerofumo, il che rende più critico l'abbinamento tra additivo e sorgente.

Trasmissione attraverso il componente superiore

Il componente trasmittente non è limitato solo dal colore. Lo spessore di parete determina il percorso ottico e la trasmissione diminuisce con esso, a volte bruscamente. La cristallinità nei polimeri semicristallini diffonde la luce e, poiché dipende dalla velocità di raffreddamento, la temperatura dello stampo modifica direttamente il comportamento ottico. Cariche vetrose e minerali diffondono fortemente, riducendo l'energia che raggiunge il giunto e defocalizzandola, con una minore intensità di picco proprio dove serve. Additivi con un proprio assorbimento, in particolare gli stabilizzanti UV, possono sovrapporsi alla lunghezza d'onda del laser. La texture superficiale diffonde la luce sulla faccia d'ingresso prima che qualsiasi energia entri nel componente.

I componenti trasmittenti caricati sono il caso più spesso sottovalutato. Un componente superiore con il 30 per cento di fibra di vetro può trasmettere una piccola frazione di quanto trasmette uno non caricato e la risposta abituale, aumentare la potenza, rischia di danneggiare la superficie sulla faccia d'ingresso prima che il giunto arrivi a fusione. Quando sul lato trasmittente un materiale caricato è inevitabile, le vere opzioni sono sezioni più sottili nel percorso del fascio, una strategia che tolleri un'intensità inferiore o una lunghezza d'onda diversa.

Sistemi di additivi a doppia funzione

Gli assiemi che devono essere sia marcati sia saldati con il laser pongono un vero problema di formulazione, poiché entrambi i processi dipendono dalle stesse proprietà ottiche e ne richiedono comportamenti diversi. Sistemi di additivi formulati per entrambe le funzioni consentono a un unico materiale compoundato di svolgere entrambi i compiti, semplificando notevolmente la gestione dei materiali.

Il requisito è che i due processi siano sviluppati insieme e non in sequenza. Un dosaggio di additivo ottimizzato per il contrasto della marcatura può rendere un componente trasmittente troppo assorbente per essere saldato; uno ottimizzato per l'assorbimento in saldatura può dare uno scarso contrasto di marcatura. Definire fin dall'inizio entrambe le finestre di processo sulla stessa formulazione è ciò che fa funzionare l'approccio.

Qualificare prima dell'attrezzatura

La saldabilità è una proprietà della combinazione (coppia di polimeri, coloranti, cariche, additivi, lunghezza d'onda) ed è poco costoso stabilirla prima di impegnarsi, mentre scoprirla dopo è molto dannoso.

Una qualifica pratica pre-attrezzatura misura la trasmissione del materiale trasmittente previsto allo spessore e al colore previsti, misura l'assorbimento del materiale assorbente previsto e salda piastrine stampate o componenti prototipo nell'effettiva combinazione di materiali, per confermare che esista una finestra di processo utilizzabile con un adeguato margine. Questa attività richiede pochi giorni e risponde a una domanda che altrimenti trova risposta durante le prove di produzione, quando gli stampi esistono già e la scelta del materiale è di fatto bloccata.

Letture correlate

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• Additivi laser a doppia funzione
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• Saldatura laser per trasmissione: spiegazione
• Un unico masterbatch per marcatura e saldatura

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Domande frequenti

È possibile saldare con il laser due polimeri diversi?

Solo se sono compatibili allo stato fuso: i loro intervalli di temperatura di lavorazione devono sovrapporsi, in modo che entrambi siano fusi senza che nessuno si degradi, e devono essere chimicamente abbastanza compatibili da formare un legame e non un semplice incastro meccanico. Polimeri simili della stessa famiglia in genere funzionano; famiglie dissimili di norma no, quali che siano le proprietà ottiche.

Perché un cambio di colore richiede una nuova qualifica?

Perché i coloranti determinano quanta parte della lunghezza d'onda del laser viene trasmessa e assorbita. Due componenti che all'occhio appaiono simili possono comportarsi in modo completamente diverso a 1064 nm, poiché i pigmenti assorbono in modo selettivo e l'aspetto visibile fornisce poche informazioni sul comportamento nel vicino infrarosso. Un cambio di colore altera l'energia che raggiunge il giunto e quindi il processo.

La fibra di vetro influisce sulla saldatura laser?

In modo significativo. Le fibre di vetro diffondono il fascio all'interno del componente trasmittente, riducendo l'energia che raggiunge l'interfaccia e distribuendola su un'area maggiore, il che abbassa l'intensità di picco sul giunto. Livelli di carica più elevati aggravano l'effetto e il vetro sulla superficie del giunto riduce anche il polimero disponibile per formare la saldatura.

Che cos'è un additivo a doppia funzione?

Un sistema di additivi formulato per servire sia la marcatura laser sia la saldatura laser, che consente di marcare e saldare un unico materiale compoundato con la stessa lunghezza d'onda. Semplifica la gestione dei materiali per gli assiemi che richiedono entrambe le operazioni e impone di sviluppare insieme i due processi, poiché si contendono le stesse proprietà ottiche.

Quando va stabilita la saldabilità del materiale?

Prima di lavorare lo stampo. La saldabilità è una proprietà della coppia di materiali, dei coloranti e della lunghezza d'onda e, se la combinazione scelta non si salda, i rimedi sono un cambio di materiale, un cambio di colorante o un additivo: tutti interventi semplici in fase di progettazione e dannosi in seguito.

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