Başarılı geçirgen lazer kaynağı ve birleştirme için karbon siyahı seçimi

Başarılı geçirgen lazer kaynağı ve birleştirme için karbon siyahı seçimi

Özet

Lazer kaynağı, temassız bir ısıtma yöntemi olması, kısa çevrim süreleri ve düşük maliyeti nedeniyle termoplastiklerin birleştirilmesinde geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılır. Hem yüzey ısıtmada hem de geçirgen (transmisyon) ısıtmada en sık kullanılan renklendirici karbon siyahıdır. Düşük parçacık topaklanması ve dağılımına sahip karbon siyahı türlerinin lazer ısıtmada en etkili olduğu bulunmuştur. Lazer çizgi ışın taramasıyla yapılan deneyler, lazer kafasındaki hafif bir eğimin ileri yönde hareket ederken geriye kıyasla farklı ısıtma üretebileceğini göstermiştir. Farklı polimerlerin birleştirilmesinde, yüzey dokulandırmasının yapışma birleşim alanını ve mekanik kilitlenme miktarını artırdığı ve daha üstün birleşimler sağladığı bulunmuştur.

Önemli çıkarımlar

• Yalnızca ağırlık yüzdesi değil, karbon siyahı türü de önemlidir. Literatürün çoğu bu ayrımı göz ardı eder; absorpsiyon ve ısıya dönüşüm büyük farklılık gösterir.
• Düşük parçacık topaklanması ve dağılımı, lazer ısıtmada en etkili olanı olmuştur.
• Tipik katkı oranı ağırlıkça %0,1 ile %1 arasındadır; ABS birleştirmede en etkili seviye %0,1 olmuştur.
• Karbon siyahı is değildir. İs, bir maddenin tam yanmaması sonucu oluşan üründür; ikisi çok farklı malzemelerdir.
• Lazer hareket yönü sonucu değiştirir. Lazer kafasındaki hafif bir eğim, ileri ve geri yönde farklı ısıtır.

Sıkça sorulan sorular

Lazer kaynağında karbon siyahı türü gerçekten önemli mi?

Evet, önemli ölçüde. Lazer ısıtma literatürünün çoğu yalnızca ağırlık yüzdesini ele alır; ancak farklı karbon siyahı türleri büyük farklılıklar gösterir ve lazer enerjisinin absorpsiyonunu ve ısıya dönüşümünü etkiler. Düşük parçacık topaklanması ve dağılımına sahip türlerin en etkili olduğu bulunmuştur.

Ne kadar karbon siyahı eklenmelidir?

Lazer emicisini parçalardan birine dahil etmenin etkili bir yolu, tipik olarak ağırlıkça %0,1 ile %1 arasında eklemektir. ABS'nin PTFE/PET filmlere geçirgen (transmisyon) yöntemle birleştirilmesinde ağırlıkça %0,1 en etkili seviye olmuştur; çünkü cam geçiş sıcaklığını aşan daha kalın katmanlar oluşturarak ABS'nin akmasını sağlamış ve yapışmayı iyileştirmiştir.

Karbon siyahı ile is arasındaki fark nedir?

Bunlar çok farklı maddelerdir. İs, bir polimer veya başka bir madde tam yanmadığında oluşur ve genellikle amorftur. Karbon siyahı ise yapısı kontrol edilen, üretilmiş bir malzemedir ve lazer absorpsiyon davranışını öngörülebilir kılan da bu kontroldür.

Yüzey dokulandırması lazer ile birleştirmeye yardımcı olur mu?

Evet. ABS yüzeyinin çıkıntılar veya çapraz tarama oluşturacak şekilde dokulandırılması umut verici sonuçlar vermiştir; çünkü dokulu yüzeyin alanı daha büyüktür ve arayüzde mekanik kilitlenmeyi artırır. Bu özellikle farklı polimerlerin birleştirilmesinde faydalıdır.

Lazer hareket yönü kaynak kalitesini neden etkiler?

Lazer çizgi ışın taramasıyla yapılan deneyler, lazer kafasındaki hafif bir eğimin, çekme yönünde ileri hareket ederken geriye hareket etmeye kıyasla farklı ısıtma ürettiğini göstermiştir. Kaynak kalitesi bir birleşim boyunca değişiyorsa kontrol edilmeye değer bir kurulum değişkenidir.

Giriş

Termoplastiklerin lazer kaynağı iki farklı ısıtma yöntemiyle yapılabilir: yüzey ısıtma ve geçirgen (transmisyon) ısıtma [1-5]. Hem yüzey ısıtmada hem de geçirgen ısıtmada lazer absorpsiyonu için polimere bir renklendirici eklenir. Karbon siyahı en sık kullanılan renklendiricidir, ancak polimerlerin lazer ısıtmasına ilişkin literatürün çoğu farklı karbon siyahı türlerini ele almaz. Bu nedenle bu çalışmada farklı karbon siyahı türleri ve lazer absorpsiyon performansları gözden geçirilecektir. Ayrıca ABS'nin lazer ile birleştirilmesine ilişkin deneysel bir çalışmada yüzey dokulandırmasının ve lazer hareket yönünün birleştirme üzerindeki etkileri de ele alınacaktır.

Lazer ısıtma

Daha önce belirtildiği gibi lazer ısıtma hem yüzey ısıtma hem de geçirgen ısıtma ile mümkündür [5]. Şekil 1'de gösterildiği gibi yüzey ısıtma, lazer ışınının genişletilmesi ve aynalar yardımıyla her iki parçanın yüzeylerinin eşzamanlı ısıtılmasıyla gerçekleştirilebilir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, parçaların yüzeylerini hızla taramak ve ısıtmak için tarama aynalı bir lazer çizgi ışını veya lazer noktası kullanmak da mümkündür. Her iki durumda da lazer absorpsiyonu ve ısıtma için plastik parçaya karbon siyahı gibi bir emici katılması gerekir.

Geçirgen lazer ısıtmada bir parça lazere karşı saydamdır, ikinci parça ise lazer ışınımını absorbe edip ısıya dönüştürmek için karbon siyahı gibi bir katkı içerir (Şekil 3). Geçirgen lazer ısıtmayı kullanmanın birden fazla yolu vardır. Tarama ile ısıtmada lazer ışını, lazerin hareket ettirilmesiyle veya tarama aynaları kullanılarak birleşim hatlarını tarar (Şekil 4). Eşzamanlı ısıtmada lazer ışını genişletilir veya tüm birleşim alanını aynı anda ısıtmak için optik fiber demetleriyle birlikte birden fazla lazer kaynağı kullanılır (Şekil 5). Yarı eşzamanlı ısıtmada, tek bir yüksek güçlü lazer ışınıyla eşzamanlı ısıtmayı taklit ederek birleşim alanını hızla taramak için yüksek hızlı bir tarama aynası kullanılır (Şekil 6). Bir başka seçenek de yalnızca birleşim alanını ısıtıp lazer ışınının diğer alanlara ulaşmasını engellemek için maskelemeli eşzamanlı ısıtmanın kullanılmasıdır (Şekil 7). Burada da absorbe eden parça, lazer ışınımını absorbe edip ısıya dönüştürmek için karbon siyahı gibi bir renklendirici içerir.

Karbon siyahı

Birçok uygulamada, plastik parçalardan birine lazer emicisini dahil etmenin etkili bir yolu küçük miktarlarda (tipik olarak ağırlıkça yüzde 0,1 ile yüzde 1 arasında) karbon siyahı eklemektir. Genellikle kullanılan karbon siyahı türü dikkate alınmaz; yalnızca ağırlık yüzdesine bakılır [6]. Ancak farklı karbon siyahı türleri büyük farklılıklar gösterir ve lazer enerjisinin absorpsiyonunu ve ısıya dönüşümünü etkileyebilir.

Öncelikle karbon siyahı ile isin çok farklı maddeler olduğunu kabul etmek önemlidir. İs, bir polimer veya başka bir madde tam yanmadığında oluşur. İs genellikle toz halinde, karbon siyahına kıyasla çok daha düşük yüzey alanına sahip amorf bir karbondur. Karbon siyahı, ağır petrol ürünlerinin eksik yanması ve ardından organik bileşiklerin ekstrakte edilmesiyle üretilir ve yüzde 97'nin üzerinde elementel karbon içerir. Tablo 1'de gösterildiği gibi karbon siyahı sıklıkla üretim prosesine göre sınıflandırılır [7]. Düşük parçacık topaklanması ve dağılımına sahip karbon siyahı türleri lazer ısıtmada en etkili olmuştur.

Karbon siyahı türü ile polimerdeki karbon siyahının ağırlık yüzdesinin birleşimi lazer absorpsiyonunu etkiler. Belirli bir karbon siyahı türü için düşük ağırlık yüzdeleri (yüzde 0,1 veya yüzde 0,15) kullanmak, parçaya kısmi geçişle sonuçlanarak yüzey altı ısıtma sağlar. Bu, yüzey bozunması olmadan daha kalın erime katmanları gerektiğinde faydalıdır. Buna karşılık yüksek ağırlık yüzdeleri (yüzde 0,5 ve üzeri) kullanıldığında absorpsiyonun büyük bölümü yüzeye yakın gerçekleşir ve bu daha ince erime katmanlarıyla sonuçlanır.

ABS'nin geçirgen lazer ile birleştirilmesi

ABS'nin PTFE/PET filmlere lazer ile birleştirilmesini değerlendiren deneyler, lazer çizgi ışın taramaları kullanılarak yapılmıştır. ABS plakalar farklı türlerde ve seviyelerde karbon siyahı ile kalıplanmıştır. Ağırlıkça yüzde 0,1 karbon siyahı kullanımının bu uygulama için en etkili olduğu bulunmuştur; çünkü cam geçiş sıcaklığını (Tg) aşan daha kalın katmanlar oluşturmuştur. Bu, ABS'nin daha kolay akmasını sağlamış ve PTFE/PET filme yapışmayı iyileştirmiştir.

ABS yüzeyinin çıkıntılar veya çapraz tarama oluşturacak şekilde dokulandırılması umut verici sonuçlar göstermiştir (Şekil 8). Dokulu yüzey daha büyük bir alana sahipti ve arayüzde mekanik kilitlenmeyi artırdı. Elle yapılan soyulma mukavemeti genel olarak yüksek hissedildi, özellikle çıkıntılara dik yönde soyulurken. Bu birleşimlerin görsel incelemesi çok umut vericiydi; PTFE/PET filmde yaygın kohezyon hatası görüldü (Şekil 9).

ABS'nin ısıtılması, bir Fanuc robotuna monte edilmiş Leister 800 lazer çizgi ışın kafasıyla yapılmıştır. Lazer kafası bir yönde hafifçe eğilmiş; böylece Şekil 10'da gösterildiği gibi itme ve çekme yönleri olarak adlandırılan bir yönde ve karşı yönde hareket ederken yoğunluk biraz farklı olmaktadır. Eğimin etkisini değerlendirmek için itme-çekme ısıtması sırasındaki sıcaklık geçmişini ölçmek üzere bir Pico Technology USB TC-08 termokupl veri kaydedici kullanılmıştır.

Şekil 11'de gösterildiği gibi itme yönündeki sıcaklık, çekme yönündekinden belirgin biçimde daha düşüktür. Benzer şekilde sıcaklık, itme-itme (Şekil 12) ve çekme-çekme (Şekil 13) için de ölçülmüştür. Her iki durumda da geçişler arasındaki sıcaklık değişimi daha küçüktü ve çekme-çekme biraz daha yüksek yüzey sıcaklıklarıyla sonuçlandı. Genel olarak ölçülen sıcaklıklar beklenenden düşüktü; bunun muhtemel nedeni termokuplların büyük olması ve yüzeyin üzerine yerleştirilmiş olmasıdır. Daha ince termokupl telleri kullanmak ve ucu ısıtılmış bir aletle ABS yüzeyine bastırmak ölçüm doğruluğunu artıracaktır.

Sonuç

Termoplastiklerin kaynağı ve birleştirilmesi için lazer ısıtma; karbon siyahı türünün ve içerik seviyesinin, yüzey dokulandırmasının ve lazer hareket yönünün birleşim kalitesi üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla incelenmiştir. Hem yüzey ısıtmada hem de geçirgen ısıtmada en sık kullanılan renklendirici karbon siyahıdır. Düşük parçacık topaklanması ve dağılımına sahip karbon siyahı türlerinin lazer ısıtmada en etkili olduğu bulunmuştur. ABS ile yapılan lazer çizgi ışın taraması deneyleri, lazer kafasındaki hafif bir eğimin ileri (veya çekme yönü) hareket ederken geri (veya itme yönü) harekete kıyasla farklı ısıtma üretebileceğini göstermiştir. ABS'nin PTFE/PET filme farklı polimer birleştirilmesinde, yüzey dokulandırmasının yapışma birleşim alanını ve mekanik kilitlenme miktarını artırdığı ve daha üstün birleşimlerle sonuçlandığı bulunmuştur.

Kaynaklar ve teşekkürler

• 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.

Lazer ışın tarayıcısının kullanımı için Leister Corp.'a, robotun kullanımı için Fanuc America'ya ve otomasyon hücresi için Kimastle Corp.'a teşekkür ederiz.

Avraham (Avi) Benatar, kaynak mühendisliği doçenti ve Plastik ve Kompozit Birleştirme Laboratuvarı direktörüdür. Aynı zamanda Welding Engineering Distance Education Master of Science programının koordinatörü ve College of Engineering Master of Global Engineering Leadership programının fakülte direktörüdür. Massachusetts Institute of Technology'den Makine Mühendisliği alanında S.B., S.M. ve Ph.D. derecelerini almıştır.

Scott R. Sabreen, plastik ikincil işleme süreçlerinde (lazer markalama, yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği) uzmanlaşmış bir mühendislik şirketi olan The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve üretim sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan veya www.sabreen.com ya da www.plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret ederek ulaşılabilir.

---