투과형 레이저 용접 및 접합을 위한 카본블랙 선정

투과형 레이저 용접 및 접합을 위한 카본블랙 선정

요약

레이저 용접은 비접촉 가열 방식이며 사이클 타임이 짧고 비용이 낮아 열가소성 플라스틱 접합에 폭넓게 사용됩니다. 표면 가열과 투과 가열 모두에서 카본블랙이 가장 자주 사용되는 착색제입니다. 입자 응집과 분포가 낮은 카본블랙 유형이 레이저 가열에 가장 효과적인 것으로 확인되었습니다. 레이저 라인 빔 스캐닝 실험에서는 레이저 헤드를 약간 기울이면 전진 이동 시와 후진 이동 시 가열 상태가 달라질 수 있음이 나타났습니다. 이종 폴리머 접합에서는 표면 텍스처링이 접착 접합 면적과 기계적 맞물림을 늘려 더 우수한 접합부를 만드는 것으로 확인되었습니다.

핵심 요약

• 중량 비율뿐 아니라 카본블랙의 유형도 중요합니다. 대부분의 문헌은 이 차이를 무시하지만 흡수율과 열 변환 효율은 크게 다릅니다.
• 입자 응집과 분포가 낮은 카본블랙이 레이저 가열에 가장 효과적인 것으로 입증되었습니다.
• 일반적인 첨가량은 중량 기준 0.1%~1%이며, ABS 접합에서는 0.1%가 가장 효과적인 수준이었습니다.
• 카본블랙은 그을음(soot)이 아닙니다. 그을음은 물질이 불완전 연소할 때 생기는 것으로, 두 물질은 매우 다릅니다.
• 레이저 이동 방향에 따라 결과가 달라집니다. 레이저 헤드를 약간 기울이면 전진 시와 후진 시의 가열이 달라집니다.

자주 묻는 질문

레이저 용접에서 카본블랙의 유형이 정말 중요합니까?

그렇습니다, 상당히 중요합니다. 레이저 가열에 관한 대부분의 문헌은 중량 비율만 논하지만, 카본블랙 유형마다 특성이 크게 달라 레이저 에너지의 흡수와 열 변환 모두에 영향을 줍니다. 입자 응집과 분포가 낮은 유형이 가장 효과적인 것으로 확인되었습니다.

카본블랙은 얼마나 첨가해야 합니까?

일반적으로 중량 기준 0.1%~1%가 부품 한쪽에 레이저 흡수제를 넣는 효과적인 방법입니다. ABS와 PTFE/PET 필름의 투과형 접합에서는 중량 기준 0.1%가 가장 효과적이었는데, 유리 전이 온도를 초과하는 두꺼운 층이 형성되어 ABS가 흐르면서 접착력이 향상되었기 때문입니다.

카본블랙과 그을음(soot)은 어떻게 다릅니까?

두 물질은 매우 다릅니다. 그을음은 폴리머나 다른 물질이 불완전 연소할 때 생기며 일반적으로 비정질입니다. 카본블랙은 구조를 제어하여 제조한 소재이며, 이러한 제어 덕분에 레이저 흡수 거동을 예측할 수 있습니다.

표면 텍스처링은 레이저 접합에 도움이 됩니까?

그렇습니다. ABS 표면에 융기나 격자무늬를 만드는 텍스처링은 유망한 결과를 보였습니다. 텍스처가 있는 표면은 면적이 더 넓고 계면의 기계적 맞물림을 높이기 때문이며, 이종 폴리머 접합에 특히 유용합니다.

레이저 이동 방향이 용접 품질에 영향을 주는 이유는 무엇입니까?

레이저 라인 빔 스캐닝 실험에서 레이저 헤드를 약간 기울이면 전진(당김, pull) 방향으로 이동할 때와 후진 방향으로 이동할 때 가열이 다르게 나타났습니다. 접합부를 따라 용접 품질이 달라질 때 확인해 볼 만한 설정 변수입니다.

서론

열가소성 플라스틱의 레이저 용접은 표면 가열과 투과 가열이라는 두 가지 가열 방식으로 수행할 수 있습니다 [1-5]. 표면 가열과 투과 가열 모두 레이저 흡수를 위해 폴리머에 착색제를 첨가합니다. 카본블랙이 가장 자주 사용되는 착색제이지만, 폴리머의 레이저 가열에 관한 문헌 대부분은 카본블랙의 여러 유형을 다루지 않습니다. 따라서 이 연구에서는 카본블랙의 여러 유형과 그 레이저 흡수 성능을 검토합니다. 아울러 ABS의 레이저 접합 실험 연구를 통해 표면 텍스처링과 레이저 이동 방향이 접합에 미치는 영향도 논의합니다.

레이저 가열

앞서 언급했듯이 레이저 가열은 표면 가열과 투과 가열 모두에서 가능합니다 [5]. 그림 1과 같이 표면 가열은 레이저 빔을 확장하고 거울을 사용해 두 부품의 표면을 동시에 가열하는 방식으로 수행할 수 있습니다. 그림 2와 같이 레이저 라인 빔이나 레이저 스팟을 스캐닝 미러와 함께 사용하여 부품 표면을 빠르게 스캔하며 가열할 수도 있습니다. 어느 경우든 레이저 흡수와 가열을 위해 카본블랙과 같은 흡수제를 플라스틱 부품에 첨가해야 합니다.

투과형 레이저 가열에서는 한쪽 부품은 레이저를 투과시키고, 다른 쪽 부품에는 카본블랙과 같은 첨가제를 넣어 레이저 복사를 흡수하고 열로 변환하게 합니다(그림 3). 투과형 레이저 가열에는 여러 가지 방법이 있습니다. 스캔 가열에서는 레이저를 이동시키거나 스캐닝 미러를 사용하여 레이저 빔이 접합선을 따라 스캔합니다(그림 4). 동시 가열에서는 레이저 빔을 확장하거나 여러 레이저 광원을 광섬유 번들과 함께 사용하여 접합 영역 전체를 동시에 가열합니다(그림 5). 준동시 가열에서는 고속 스캐닝 미러로 접합 영역을 빠르게 스캔하여, 단일 고출력 레이저 빔으로 동시 가열을 모사합니다(그림 6). 또 다른 방법은 마스킹을 적용한 동시 가열로, 접합 영역만 가열하고 다른 영역에는 레이저 빔이 닿지 않도록 차단합니다(그림 7). 이 경우에도 흡수 측 부품에는 카본블랙과 같은 착색제가 들어 있어 레이저 복사를 흡수하여 열로 변환합니다.

카본블랙

많은 용도에서 소량의 카본블랙(일반적으로 중량 기준 0.1%~1%)을 첨가하는 것이 플라스틱 부품 한쪽에 레이저 흡수제를 넣는 효과적인 방법입니다. 보통 사용하는 카본블랙의 유형은 고려하지 않고 중량 비율만 따집니다 [6]. 그러나 카본블랙 유형마다 특성이 크게 다르며, 레이저 에너지의 흡수와 열 변환에 영향을 줄 수 있습니다.

우선 카본블랙과 그을음(soot)이 매우 다른 물질임을 인식하는 것이 중요합니다. 그을음은 폴리머나 다른 물질이 완전히 연소하지 않을 때 생깁니다. 그을음은 일반적으로 카본블랙보다 비표면적이 훨씬 작은 분말 형태의 비정질 탄소입니다. 카본블랙은 중질 석유 제품의 불완전 연소 후 유기 화합물을 추출하여 만들며, 원소 탄소 함량이 97%를 넘습니다. 표 1에 나타난 것처럼 카본블랙은 제조 공정에 따라 분류되는 경우가 많습니다 [7]. 입자 응집과 분포가 낮은 카본블랙 유형이 레이저 가열에 가장 효과적이었습니다.

카본블랙의 유형과 폴리머 내 카본블랙의 중량 비율의 조합이 레이저 흡수에 영향을 줍니다. 특정 카본블랙 유형에서 낮은 중량 비율(0.1% 또는 0.15%)을 사용하면 레이저가 부품 내부로 일부 투과되어 표면 아래 가열이 일어납니다. 이는 표면 열화 없이 더 두꺼운 용융층이 필요할 때 유리합니다. 반대로 높은 중량 비율(0.5% 이상)을 사용하면 흡수의 대부분이 표면 근처에서 일어나 용융층이 얇아집니다.

ABS의 투과형 레이저 접합

ABS와 PTFE/PET 필름의 레이저 접합을 평가하는 실험을 레이저 라인 빔 스캔으로 수행했습니다. 카본블랙의 유형과 함량을 달리하여 ABS 플라크를 성형했습니다. 이 용도에서는 중량 기준 0.1%의 카본블랙이 가장 효과적인 것으로 나타났는데, 유리 전이 온도(Tg)를 초과하는 더 두꺼운 층이 형성되었기 때문입니다. 이로써 ABS가 더 쉽게 흐르고 PTFE/PET 필름과의 접착력이 향상되었습니다.

ABS 표면에 융기나 격자무늬를 만드는 텍스처링은 유망한 결과를 보였습니다(그림 8). 텍스처가 있는 표면은 면적이 더 넓었고 계면의 기계적 맞물림도 높아졌습니다. 수동 박리 강도는 전반적으로 높게 느껴졌으며, 특히 융기에 수직으로 박리할 때 그러했습니다. 이러한 접합부의 육안 검사 결과도 매우 유망하여 PTFE/PET 필름에서 광범위한 응집 파괴가 나타났습니다(그림 9).

ABS의 가열에는 Fanuc 로봇에 장착한 Leister 800 레이저 라인 빔 헤드를 사용했습니다. 그림 10과 같이 레이저 헤드를 한 방향으로 약간 기울여 한 방향으로 이동할 때와 반대 방향으로 이동할 때의 강도가 약간 다르도록 했으며, 이를 푸시(push) 방향과 풀(pull) 방향이라고 합니다. 기울기의 영향을 평가하기 위해 Pico Technology USB TC-08 열전대 데이터 로거로 푸시-풀 가열 중의 온도 이력을 측정했습니다.

그림 11에 나타난 것처럼 푸시 방향의 온도는 풀 방향보다 크게 낮았습니다. 마찬가지로 푸시-푸시(그림 12)와 풀-풀(그림 13)에 대해서도 온도를 측정했습니다. 두 경우 모두 패스 간 온도 편차가 더 작았으며, 풀-풀에서 표면 온도가 약간 더 높았습니다. 전반적으로 측정된 온도는 예상보다 낮았는데, 열전대가 크고 표면 위에 그냥 놓았기 때문으로 보입니다. 더 가는 열전대 선을 사용하고 가열한 공구로 끝단을 ABS 표면에 눌러 붙이면 측정 정확도가 향상될 것입니다.

결론

열가소성 플라스틱의 용접 및 접합을 위한 레이저 가열에서 카본블랙의 유형과 함량, 표면 텍스처링, 레이저 이동 방향이 접합 품질에 미치는 영향을 조사했습니다. 표면 가열과 투과 가열 모두에서 카본블랙이 가장 자주 사용되는 착색제입니다. 입자 응집과 분포가 낮은 카본블랙 유형이 레이저 가열에 가장 효과적인 것으로 확인되었습니다. ABS를 이용한 레이저 라인 빔 스캐닝 실험에서는 레이저 헤드를 약간 기울이면 전진(풀 방향) 이동 시와 후진(푸시 방향) 이동 시 가열이 달라질 수 있음이 나타났습니다. ABS와 PTFE/PET 필름의 이종 폴리머 접합에서는 표면 텍스처링이 접착 접합 면적과 기계적 맞물림을 늘려 더 우수한 접합부를 만드는 것으로 확인되었습니다.

참고 문헌 및 감사의 말

• J. Schulz and E. Haberstroh, “Welding of Polymers Using a Diode Laser,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• H. Ponte, J. Korte, “Laser Butt Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics,” SPE ANTEC Proceedings, 1996.
• V.A. Kagan and G.P. Pinho, “Laser Transmission Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics Part II: Analysis of Mechanical Performance of Welded Nylon,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• M. Rhew, A. Mokhtarzadeh and A. Benatar, “Through Transmission Laser Welding of Polycarbonate and HighDensity Polyethylene,” SPE ANTEC Proceedings, 2003.
• D. Grewell, A. Benatar and J. Park, Editors, Plastics and Composites Welding Handbook, Hanser, 2003.
• B. Acherjee, A.S. Kuar, S. Mitra and D. Misra, “Effect of carbon black on temperature field and weld profile during laser transmission welding of polymers: A FEM study,” Optics & Laser Technology 44 (2012) 514–521.
• Orion Engineered Carbon LLC company literature.

레이저 빔 스캐너를 사용하게 해 준 Leister Corp., 로봇을 사용하게 해 준 Fanuc America, 자동화 셀을 제공해 준 Kimastle Corp.에 감사드립니다.

Avraham (Avi) Benatar는 용접 공학 부교수이자 플라스틱 및 복합재 접합 연구소 소장입니다. 또한 용접 공학 원격 교육 이학 석사 과정의 코디네이터이며 공과대학 글로벌 엔지니어링 리더십 석사 과정의 학과장을 맡고 있습니다. 그는 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 기계공학 학사, 석사, 박사 학위를 취득했습니다.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 공정(레이저 마킹, 표면 전처리, 접착, 장식 및 마감, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 회사 The Sabreen Group, Inc.의 창립자이자 사장입니다. 그는 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 문의하실 수 있습니다.

---