การเชื่อมพลาสติกใสกับใส: การเชื่อมด้วยเลเซอร์โดยไม่ใช้คาร์บอนแบล็ก

การเชื่อมพลาสติกใสกับใส: การเชื่อมด้วยเลเซอร์โดยไม่ใช้คาร์บอนแบล็ก

ประเด็นสำคัญ

• ต้องมีบางสิ่งดูดกลืนแสง คำถามด้านการออกแบบมีเพียงว่าตัวดูดกลืนแสงจะเป็นสารเติมแต่ง ชั้นแทรก หรือตัวพอลิเมอร์เองที่ความยาวคลื่นสูงขึ้น
• ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นทำให้พอลิเมอร์ดูดกลืนแสงได้โดยตรง จึงไม่ต้องใช้สารเติมแต่งเลย และเปลี่ยนตำแหน่งที่ความร้อนถูกส่งเข้าไป
• สีย้อมดูดกลืนแสงแบบใสทำให้รอยต่อแทบมองไม่เห็น ขณะที่ยังใช้อุปกรณ์ย่านใกล้อินฟราเรดแบบเดิมได้
• ชิ้นส่วนใสมีความแปรปรวนทางแสง ความหนา ความเป็นผลึก และความเค้นที่ค้างจากการขึ้นรูปล้วนเปลี่ยนการส่งผ่านแสงมากกว่าที่คาดกัน

การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านอาศัยชิ้นส่วนหนึ่งดูดกลืนลำแสง และวิธีดั้งเดิมคือใส่คาร์บอนแบล็กในชิ้นส่วนด้านล่าง ซึ่งได้ผลดีมากแต่ยอมรับไม่ได้ในผลิตภัณฑ์กลุ่มใหญ่ที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เช่น อุปกรณ์การแพทย์ที่ต้องมองเห็นเส้นทางของของเหลว ชิ้นงานประกอบทางแสง ผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคที่มีตัวเรือนใส และอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกที่ต้องตรวจสอบช่องทางไหล การเชื่อมใสกับใสจึงเป็นคำตอบ และมีสามแนวทางที่แตกต่างกันอย่างแท้จริง

แนวทางที่หนึ่ง: ให้พอลิเมอร์ดูดกลืนแสงเอง

เทอร์โมพลาสติกไม่ได้โปร่งใสที่ทุกความยาวคลื่นอินฟราเรด ส่วนใหญ่มีลักษณะการดูดกลืนแสงในย่านราว 2 ไมโครเมตรซึ่งเกี่ยวข้องกับการสั่นของโมเลกุล และการดูดกลืนแสงเพิ่มขึ้นมากเมื่อเข้าสู่ย่านอินฟราเรดที่ไกลขึ้น แหล่งกำเนิดแสงที่ทำงานในช่วงที่พอลิเมอร์ดูดกลืนเองจะส่งพลังงานเข้าไปในเนื้อวัสดุโดยตรงโดยไม่ต้องใช้สารเติมแต่งเลย

ผลต่อการออกแบบคือค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงเป็นตัวกำหนดรูปแบบการให้ความร้อน การดูดกลืนแสงที่แรง เช่นในแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดไกล จะรวมพลังงานไว้ในชั้นผิวบางมาก เหมาะกับรูปแบบรอยต่อแบบชนและแบบมุมฉากที่ลำแสงถึงขอบรอยต่อโดยตรง แต่ไม่เหมาะกับการเชื่อมแบบซ้อนทับทั่วไปผ่านชิ้นส่วนด้านบนที่หนา การดูดกลืนแสงระดับปานกลางในย่าน 2 ไมโครเมตรทำให้พลังงานทะลุลึกได้ในระดับที่เป็นประโยชน์ ให้ความร้อนบริเวณรอยต่อและรอบๆ ซึ่งทำให้การเชื่อมแบบซ้อนทับที่ไม่ใช้ตัวดูดกลืนแสงทำได้จริง

แนวทางนี้ตัดขั้นตอนการตรวจสอบคุณสมบัติสารเติมแต่งออกทั้งหมด ซึ่งเป็นจุดดึงดูดสำคัญในผลิตภัณฑ์ที่มีกฎระเบียบควบคุม แต่ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ความยาวคลื่นเหมาะสม และต้องพัฒนากระบวนการเพื่อควบคุมว่าพลังงานไปตกที่ตำแหน่งใดในเนื้อวัสดุ เพราะไม่มีขอบเขตดูดกลืนแสงที่ชัดเจนเป็นตัวกำหนดระนาบรอยเชื่อมอีกต่อไป

แนวทางที่สอง: สารเติมแต่งดูดกลืนแสงแบบใส

มีสีย้อมและระบบเม็ดสีที่ดูดกลืนแสงย่านใกล้อินฟราเรดได้แรง ขณะที่ส่งผ่านแสงได้ดีตลอดช่วงแสงที่มองเห็น ชิ้นส่วนที่มีสารเหล่านี้จึงดูใสหรือมีสีจางๆ และทำหน้าที่เป็นตัวดูดกลืนแสงแบบทั่วไปภายใต้แหล่งกำเนิดไฟเบอร์หรือไดโอดมาตรฐาน

ข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติมีมาก คืออุปกรณ์ย่านใกล้อินฟราเรดที่มีอยู่ใช้ได้โดยไม่ต้องดัดแปลง ระนาบรอยเชื่อมกำหนดได้ชัดเจนที่ผิวซึ่งมีตัวดูดกลืนแสง และพฤติกรรมของกระบวนการคล้ายการเชื่อมแบบส่งผ่านทั่วไป จึงนำแนวทางพัฒนาพารามิเตอร์ที่มีอยู่มาใช้ต่อได้

ข้อพิจารณาเป็นเช่นเดียวกับสารเติมแต่งทั่วไป ปริมาณเติมต้องเพียงพอต่อการดูดกลืนแสง และต่ำพอที่จะไม่ทำให้ชิ้นส่วนมีสีเกินกว่าที่ผลิตภัณฑ์ยอมรับได้ สารเติมแต่งต้องเข้ากันได้กับพอลิเมอร์ เสถียรที่อุณหภูมิแปรรูป และสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ สัมผัสอาหาร และเภสัชกรรม ต้องเป็นที่ยอมรับตามกรอบกฎระเบียบที่เกี่ยวข้อง ซึ่งเป็นงานตรวจสอบคุณสมบัติอีกส่วนหนึ่ง ความสม่ำเสมอของการกระจายตัวก็สำคัญ เพราะความแปรผันเฉพาะที่ของความเข้มข้นตัวดูดกลืนแสงทำให้พลังงานเชื่อมแปรผันเฉพาะที่

แนวทางที่สาม: ชั้นแทรกดูดกลืนแสง

แทนที่จะเติมสารลงในชิ้นส่วนทั้งชิ้น ตัวดูดกลืนแสงจะถูกจำกัดไว้เฉพาะที่รอยต่อ ได้แก่ ฟิล์มบาง ชั้นที่พิมพ์หรือเคลือบ หรือลวดลายที่สะสมไว้บนผิวรอยต่อด้านใดด้านหนึ่งก่อนประกอบ

วิธีนี้ทำให้ชิ้นส่วนทั้งสองปราศจากสารเติมแต่งในเนื้อวัสดุ ซึ่งสำคัญเมื่อชิ้นส่วนสัมผัสของเหลว หรือเมื่อการขออนุมัติตามกฎระเบียบสำหรับสารเติมแต่งทั้งเนื้อวัสดุเป็นภาระหนัก อีกทั้งยังให้บริเวณดูดกลืนแสงกำหนดรูปแบบรอยเชื่อมได้อย่างแม่นยำ เป็นประโยชน์กับการเชื่อมเฉพาะจุด ข้อแลกเปลี่ยนคือมีขั้นตอนกระบวนการเพิ่ม ต้องวางตำแหน่งและจัดแนวให้แม่นยำ และต้องยืนยันว่าวัสดุชั้นแทรกเข้ากันได้กับพอลิเมอร์ทั้งสองและยังคงเข้ากันได้หลังหลอม

ชิ้นส่วนใสมีความไม่สม่ำเสมอทางแสง

สิ่งที่พบซ้ำๆ อย่างไม่คาดคิดในการพัฒนาการเชื่อมใสกับใสคือ การส่งผ่านแสงของชิ้นส่วนที่ควรเหมือนกันแปรผันมากเพียงใด มีหลายปัจจัยที่เกี่ยวข้อง และไม่มีปัจจัยใดเป็นเรื่องสี

ความหนาผนังกำหนดระยะทางที่แสงเดินทาง ชิ้นส่วนที่มีความหนาไม่เท่ากันจึงส่งผ่านแสงต่างกันตลอดรอยต่อ ความเป็นผลึกในวัสดุกึ่งผลึกทำให้แสงกระเจิงแรง และความเป็นผลึกขึ้นกับอัตราการเย็นตัว อุณหภูมิแม่พิมพ์และความหนาส่วนจึงเปลี่ยนพฤติกรรมทางแสงโดยตรง ความเค้นที่ค้างจากการขึ้นรูปทำให้เกิดการหักเหแสงสองแนว พื้นผิวที่มีลวดลายทำให้แสงกระเจิงที่ผิวด้านเข้าก่อนพลังงานจะถึงรอยต่อ สารเติมแต่งที่ไม่เกี่ยวกับการเชื่อม เช่น สารเสถียรต่อรังสีอัลตราไวโอเลต สารเพิ่มความใส และสารต้านอนุมูลอิสระ ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นของตนเอง ซึ่งอาจทับซ้อนกับแหล่งกำเนิดแสง

ข้อสรุปในทางปฏิบัติคือควรวัดการส่งผ่านแสงบนชิ้นส่วนผลิตจริงตลอดช่วงความแปรผันที่คาดไว้ ไม่ใช่สมมติจากเอกสารข้อมูลจำเพาะ ช่วงกระบวนการที่พัฒนาจากชิ้นส่วนล็อตเดียว ความหนาเดียว และอุณหภูมิแม่พิมพ์เดียว อาจใช้ไม่ได้กับล็อตที่สอง

การพัฒนากระบวนการ

การเชื่อมใสกับใสโดยทั่วไปมีช่วงพารามิเตอร์แคบกว่าการเชื่อมด้วยคาร์บอนแบล็ก เพราะการดูดกลืนแสงอ่อนกว่าหรือจำกัดตำแหน่งได้ไม่ชัดเท่า และโซนหลอมจึงกำหนดได้ไม่ชัดตามไปด้วย มีสองแนวปฏิบัติที่ช่วยชดเชย

ประการแรก ให้วิเคราะห์คุณสมบัติทางแสงก่อนพัฒนากระบวนการ โดยวัดการส่งผ่านแสงของชิ้นส่วนด้านบนและการดูดกลืนแสงของชิ้นส่วนด้านล่างที่ความยาวคลื่นเลเซอร์จริง บนชิ้นส่วนผลิตจริง ครอบคลุมทั้งล็อตและช่วงความหนา ชุดการวัดเดียวนี้อธิบายความแปรผันส่วนใหญ่ที่พบภายหลัง และเปลี่ยนการพัฒนาพารามิเตอร์จากการลองผิดลองถูกให้เป็นงานที่มีขอบเขต

ประการที่สอง ใช้ระยะยุบตัวเป็นตัวติดตามกระบวนการทุกครั้งที่กลยุทธ์อนุญาต ในการเชื่อมแบบกึ่งพร้อมกัน ชิ้นส่วนจะเคลื่อนเข้าหากันเป็นระยะที่วัดได้เมื่อเนื้อพอลิเมอร์หลอม และการเคลื่อนที่นั้นเป็นตัวบ่งชี้โดยตรงว่ารอยต่อหลอมตลอดความยาว สำหรับชิ้นงานประกอบใสที่ตรวจรอยเชื่อมด้วยสายตาได้ไม่มั่นใจเท่ารอยต่อสีเข้ม สัญญาณระหว่างกระบวนการแบบนี้มีค่ามากกว่าการตรวจสอบปลายสายการผลิตอย่างมาก

การตรวจสอบรอยเชื่อมที่มองทะลุได้

ชิ้นงานประกอบใสสร้างความย้อนแย้งในการตรวจสอบ คือรอยต่อมองเห็นได้ แต่สิ่งที่เห็นให้ข้อมูลน้อยกว่าที่ดูเหมือน ชิ้นส่วนคู่ที่เป็นสีเข้มดูดกลืนแสงให้รอยเชื่อมที่ความแตกต่างระหว่างบริเวณหลอมรวมกับไม่หลอมรวมเห็นได้ชัด แต่ในรอยต่อใสกับใส วัสดุทั้งสองโปร่งใสทั้งก่อนและหลังเชื่อม และบริเวณที่ไม่เคยหลอมอาจดูคล้ายกับบริเวณที่หลอมแล้วมาก

มีหลายวิธีที่ช่วยดึงข้อมูลกลับมา การดูรอยต่อผ่านฟิลเตอร์โพลาไรซ์ไขว้เผยให้เห็นสนามความเค้นรอบรอยเชื่อมจริง ซึ่งบริเวณที่ไม่หลอมรวมไม่มี ความแตกต่างของการแทรกสอดและการสะท้อนที่ผิวรอยต่อซึ่งไม่ยึดติดอาจมองเห็นได้ภายใต้แสงเฉียง ขณะที่รอยเชื่อมจริงไม่แสดงลักษณะนี้ หากชิ้นงานประกอบต้องรับความดัน การทดสอบการรั่วหรือการแตกแบบสุ่มตัวอย่างให้หลักฐานเชิงหน้าที่ และการตัดผ่าแบบทำลายระหว่างการตรวจสอบคุณสมบัติกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณระหว่างกระบวนการกับความลึกของการหลอมจริง

ข้อสรุปเชิงปฏิบัติเหมือนกับรอยต่อทุกชนิดที่ตรวจสอบอย่างเชื่อถือได้ยาก คือให้สร้างหลักฐานไว้ในกระบวนการ ไม่ใช่อาศัยการมองผลลัพธ์ การเชื่อมใสกับใสให้ผลตอบแทนจากการติดตามระหว่างกระบวนการมากกว่ารูปแบบอื่นแทบทั้งหมด

บทความที่เกี่ยวข้อง

• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านอธิบายอย่างละเอียด
• การเชื่อมพลาสติกด้วยเลเซอร์
• การเลือกคู่เรซินและสารให้สี
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับอุปกรณ์การแพทย์
• การมาร์กพลาสติกใสและโปร่งแสงด้วยเลเซอร์

ต้องการความช่วยเหลือในเรื่องนี้?

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระในการพัฒนาการเชื่อมใสกับใส การเลือกตัวดูดกลืนแสง และการตรวจสอบคุณสมบัติกระบวนการ ทีมบริการด้านวิศวกรรมทำงานร่วมกับผู้ผลิตในการพัฒนากระบวนการ การตรวจสอบคุณสมบัติวัสดุ และการแก้ไขปัญหาในการผลิต ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

ชิ้นส่วนใสสองชิ้นเชื่อมกันได้โดยไม่ใช้สารเติมแต่งหรือไม่

ได้ โดยใช้ความยาวคลื่นที่พอลิเมอร์ดูดกลืนได้เอง เทอร์โมพลาสติกส่วนใหญ่มีแถบการดูดกลืนแสงในย่านราว 2 ไมโครเมตร และดูดกลืนแรงขึ้นในย่านอินฟราเรดที่ไกลกว่า แหล่งกำเนิดแสงที่ความยาวคลื่นเหล่านี้จึงส่งพลังงานเข้าเนื้อวัสดุโดยตรงโดยไม่ต้องเติมตัวดูดกลืนแสง รูปแบบการดูดกลืนแสงเป็นตัวกำหนดว่าความร้อนจะจำกัดอยู่ที่ผิวหรือกระจายทั่วความหนา

สีย้อมดูดกลืนแสงแบบใสคืออะไร และแตกต่างจากคาร์บอนแบล็กอย่างไร

คือสารเติมแต่งที่ดูดกลืนแสงได้แรงที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ ขณะที่ส่งผ่านแสงได้ตลอดช่วงแสงที่มองเห็นเป็นส่วนใหญ่ ชิ้นส่วนจึงดูใสหรือมีสีจางๆ ไม่ใช่สีดำ ช่วยให้ใช้อุปกรณ์ย่านใกล้อินฟราเรดแบบเดิมกับชิ้นงานประกอบที่ต้องดูโปร่งใสได้ โดยแลกกับการมีสารเติมแต่งที่ต้องตรวจสอบคุณสมบัติสำหรับการใช้งาน

ชั้นแทรกดูดกลืนแสงทำงานอย่างไร

วางฟิล์มดูดกลืนแสงบาง ชั้นเคลือบ หรือชั้นที่พิมพ์ไว้ที่ผิวรอยต่อระหว่างชิ้นส่วนใสสองชิ้น เลเซอร์ผ่านชิ้นส่วนด้านบน ถูกชั้นแทรกดูดกลืน และความร้อนที่เกิดขึ้นทำให้ผิวที่อยู่ติดกันทั้งสองหลอม วิธีนี้จำกัดตัวดูดกลืนแสงไว้ที่รอยต่อ ไม่ได้กระจายทั่วทั้งชิ้นส่วน เป็นประโยชน์เมื่อยอมรับการเติมสารเติมแต่งทั้งเนื้อวัสดุไม่ได้

เหตุใดการส่งผ่านแสงของชิ้นส่วนใสจึงแปรผันมาก

เพราะขึ้นกับมากกว่าสี ความหนาผนังเปลี่ยนระยะทางที่แสงเดินทาง ความเป็นผลึกทำให้แสงกระเจิงในวัสดุกึ่งผลึก ความเค้นที่ค้างจากการขึ้นรูปทำให้เกิดการหักเหแสงสองแนว พื้นผิวที่มีลวดลายทำให้แสงกระเจิงที่ผิวด้านเข้า และสารเติมแต่งเช่นสารเสถียร UV ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นซึ่งอาจทับซ้อนกับเลเซอร์ ชิ้นส่วนใสสองชิ้นจากต่างล็อตอาจส่งผ่านแสงต่างกันในระดับที่วัดได้

การเชื่อมใสกับใสแข็งแรงเท่าการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบทั่วไปหรือไม่

แข็งแรงเท่าได้ หากพัฒนากระบวนการอย่างเหมาะสม เพราะรอยเชื่อมยังเป็นรอยต่อแบบหลอมรวมระหว่างพอลิเมอร์ที่เข้ากันได้เช่นเดิม สิ่งที่ต่างคือความยืดหยุ่นของกระบวนการ วิธีที่ไม่ใช้ตัวดูดกลืนแสงจำกัดรูปแบบการให้ความร้อนได้น้อยกว่า ช่วงพารามิเตอร์และข้อกำหนดของอุปกรณ์จับยึดจึงมักต้องพัฒนาอย่างระมัดระวังกว่า

---