การเลือกคาร์บอนแบล็กเพื่อการเชื่อมและการประกอบด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านให้ประสบความสำเร็จ

การเลือกคาร์บอนแบล็กเพื่อการเชื่อมและการประกอบด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านให้ประสบความสำเร็จ

บทคัดย่อ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ใช้ประกอบเทอร์โมพลาสติกในงานหลากหลาย เพราะเป็นวิธีให้ความร้อนแบบไม่สัมผัส มีรอบเวลาสั้นและต้นทุนต่ำกว่า ทั้งการให้ความร้อนที่พื้นผิวและการให้ความร้อนแบบส่งผ่านนิยมใช้คาร์บอนแบล็กเป็นสารให้สีมากที่สุด พบว่าคาร์บอนแบล็กชนิดที่มีการรวมตัวและการกระจายของอนุภาคต่ำให้ผลดีที่สุดสำหรับการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ การทดลองสแกนด้วยลำแสงเลเซอร์แบบเส้นแสดงว่า การเอียงหัวเลเซอร์เพียงเล็กน้อยทำให้การให้ความร้อนเมื่อเคลื่อนไปข้างหน้าต่างจากเมื่อเคลื่อนถอยหลัง สำหรับการประกอบพอลิเมอร์ต่างชนิด พบว่าการทำลวดลายบนพื้นผิวเพิ่มพื้นที่รอยต่อยึดติดและการล็อกเชิงกล ส่งผลให้รอยต่อดีเยี่ยม

ประเด็นสำคัญ

• ชนิดของคาร์บอนแบล็กมีความสำคัญ ไม่ใช่เพียงร้อยละโดยน้ำหนัก เอกสารส่วนใหญ่มองข้ามความแตกต่างนี้ ทั้งที่การดูดกลืนและการเปลี่ยนเป็นความร้อนแตกต่างกันมาก
• คาร์บอนแบล็กที่มีการรวมตัวและการกระจายของอนุภาคต่ำให้ผลดีที่สุดสำหรับการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์
• ปริมาณที่ใช้โดยทั่วไปอยู่ที่ 0.1% ถึง 1% โดยน้ำหนัก และในการประกอบ ABS ปริมาณ 0.1% ให้ผลดีที่สุด
• คาร์บอนแบล็กไม่ใช่เขม่า เขม่าเกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของสาร ทั้งสองเป็นวัสดุที่แตกต่างกันมาก
• ทิศทางการเคลื่อนของเลเซอร์เปลี่ยนผลลัพธ์ การเอียงหัวเลเซอร์เพียงเล็กน้อยทำให้การให้ความร้อนแตกต่างกันระหว่างทิศไปข้างหน้ากับทิศถอยหลัง

คำถามที่พบบ่อย

ชนิดของคาร์บอนแบล็กมีผลต่อการเชื่อมด้วยเลเซอร์จริงหรือไม่

มีผลมาก เอกสารเกี่ยวกับการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่กล่าวถึงเพียงร้อยละโดยน้ำหนัก แต่คาร์บอนแบล็กแต่ละชนิดแตกต่างกันมาก และมีอิทธิพลต่อทั้งการดูดกลืนพลังงานเลเซอร์และการเปลี่ยนพลังงานนั้นเป็นความร้อน พบว่าชนิดที่มีการรวมตัวและการกระจายของอนุภาคต่ำให้ผลดีที่สุด

ควรเติมคาร์บอนแบล็กปริมาณเท่าใด

โดยทั่วไป 0.1% ถึง 1% โดยน้ำหนักเป็นวิธีที่ได้ผลในการใส่ตัวดูดกลืนเลเซอร์ลงในชิ้นส่วนหนึ่ง ในการประกอบ ABS กับฟิล์ม PTFE/PET แบบส่งผ่าน ปริมาณ 0.1% โดยน้ำหนักให้ผลดีที่สุด เพราะทำให้เกิดชั้นที่หนากว่าซึ่งมีอุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ทำให้ ABS ไหลได้และการยึดเกาะดีขึ้น

คาร์บอนแบล็กแตกต่างจากเขม่าอย่างไร

เป็นสารที่แตกต่างกันมาก เขม่าเกิดเมื่อพอลิเมอร์หรือสารอื่นเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ และโดยทั่วไปเป็นอสัณฐาน ส่วนคาร์บอนแบล็กเป็นวัสดุที่ผลิตขึ้นโดยควบคุมโครงสร้างได้ และการควบคุมนี้เองที่ทำให้พฤติกรรมการดูดกลืนเลเซอร์คาดการณ์ได้

การทำลวดลายบนพื้นผิวช่วยการประกอบด้วยเลเซอร์หรือไม่

ช่วย การทำลวดลายบนผิว ABS ให้เป็นสันหรือลายตาข่ายให้ผลที่น่าพอใจ เพราะพื้นผิวที่มีลวดลายมีพื้นที่มากกว่าและเพิ่มการล็อกเชิงกลที่รอยต่อ โดยเฉพาะมีประโยชน์ในการประกอบพอลิเมอร์ต่างชนิด

เหตุใดทิศทางการเคลื่อนของเลเซอร์จึงส่งผลต่อคุณภาพรอยเชื่อม

การทดลองสแกนด้วยลำแสงเลเซอร์แบบเส้นแสดงว่า การเอียงหัวเลเซอร์เพียงเล็กน้อยทำให้การให้ความร้อนเมื่อเคลื่อนไปข้างหน้า (ทิศดึง) ต่างจากเมื่อเคลื่อนถอยหลัง นี่เป็นตัวแปรในการตั้งค่าที่ควรตรวจสอบเมื่อคุณภาพรอยเชื่อมไม่สม่ำเสมอตลอดแนวรอยต่อ

บทนำ

การเชื่อมเทอร์โมพลาสติกด้วยเลเซอร์ทำได้ด้วยวิธีให้ความร้อนสองแบบ คือ การให้ความร้อนที่พื้นผิวและการให้ความร้อนแบบส่งผ่าน [1-5] ทั้งสองแบบต้องเติมสารให้สีลงในพอลิเมอร์เพื่อดูดกลืนเลเซอร์ คาร์บอนแบล็กเป็นสารให้สีที่ใช้มากที่สุด แต่เอกสารส่วนใหญ่เกี่ยวกับการให้ความร้อนพอลิเมอร์ด้วยเลเซอร์ไม่ได้กล่าวถึงคาร์บอนแบล็กชนิดต่าง ๆ ดังนั้นงานนี้จึงทบทวนคาร์บอนแบล็กชนิดต่าง ๆ และสมรรถนะในการดูดกลืนเลเซอร์ นอกจากนี้ ยังอภิปรายผลของการทำลวดลายบนพื้นผิวและทิศทางการเคลื่อนของเลเซอร์ต่อการประกอบ ในการศึกษาเชิงทดลองการประกอบ ABS ด้วยเลเซอร์

การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ทำได้ทั้งแบบให้ความร้อนที่พื้นผิวและแบบส่งผ่าน [5] ดังแสดงในรูปที่ 1 การให้ความร้อนที่พื้นผิวทำได้โดยขยายลำแสงเลเซอร์และให้ความร้อนกับพื้นผิวของทั้งสองชิ้นส่วนพร้อมกันด้วยกระจก นอกจากนี้ยังใช้ลำแสงเลเซอร์แบบเส้นหรือจุดเลเซอร์ร่วมกับกระจกสแกนเพื่อสแกนและให้ความร้อนพื้นผิวของชิ้นส่วนอย่างรวดเร็วได้ ดังแสดงในรูปที่ 2 ไม่ว่ากรณีใด ต้องใส่ตัวดูดกลืน เช่น คาร์บอนแบล็ก ลงในชิ้นส่วนพลาสติกเพื่อการดูดกลืนเลเซอร์และการให้ความร้อน

สำหรับการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่าน ชิ้นส่วนหนึ่งโปร่งแสงต่อเลเซอร์ ส่วนอีกชิ้นมีสารเติมแต่ง เช่น คาร์บอนแบล็ก เพื่อดูดกลืนรังสีเลเซอร์และเปลี่ยนเป็นความร้อน (รูปที่ 3) การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านมีหลายวิธี ในการให้ความร้อนแบบสแกน ลำแสงเลเซอร์สแกนตามแนวรอยต่อโดยเคลื่อนเลเซอร์หรือใช้กระจกสแกน (รูปที่ 4) ในการให้ความร้อนพร้อมกัน ลำแสงเลเซอร์ถูกขยาย หรือใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์หลายตัวร่วมกับกลุ่มเส้นใยแก้วนำแสงเพื่อให้ความร้อนทั่วพื้นที่รอยต่อพร้อมกัน (รูปที่ 5) ในการให้ความร้อนแบบกึ่งพร้อมกัน ใช้กระจกสแกนความเร็วสูงสแกนพื้นที่รอยต่ออย่างรวดเร็ว เลียนแบบการให้ความร้อนพร้อมกันโดยใช้ลำแสงเลเซอร์กำลังสูงเพียงลำเดียว (รูปที่ 6) อีกทางเลือกหนึ่งคือการให้ความร้อนพร้อมกันโดยใช้หน้ากากบังเพื่อให้ความร้อนเฉพาะพื้นที่รอยต่อ พร้อมกั้นลำแสงเลเซอร์ไม่ให้ถึงพื้นที่อื่น (รูปที่ 7) ในกรณีนี้เช่นกัน ชิ้นส่วนที่ดูดกลืนแสงมีสารให้สี เช่น คาร์บอนแบล็ก เพื่อดูดกลืนและเปลี่ยนรังสีเลเซอร์เป็นความร้อน

คาร์บอนแบล็ก

ในหลายการใช้งาน การเติมคาร์บอนแบล็กในปริมาณเล็กน้อย (โดยทั่วไป 0.1 ถึง 1 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก) เป็นวิธีที่ได้ผลในการใส่ตัวดูดกลืนเลเซอร์ลงในชิ้นส่วนพลาสติกชิ้นหนึ่ง โดยปกติมักไม่คำนึงถึงชนิดของคาร์บอนแบล็กที่ใช้ พิจารณาเพียงร้อยละโดยน้ำหนัก [6] อย่างไรก็ตาม คาร์บอนแบล็กแต่ละชนิดแตกต่างกันมาก และมีอิทธิพลต่อการดูดกลืนและการเปลี่ยนพลังงานเลเซอร์เป็นความร้อน

ประการแรก ต้องตระหนักว่าคาร์บอนแบล็กและเขม่าเป็นสารที่แตกต่างกันมาก เขม่าเกิดเมื่อพอลิเมอร์หรือสารอื่นเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ เขม่าโดยทั่วไปเป็นคาร์บอนอสัณฐานในรูปผงที่มีพื้นที่ผิวต่ำกว่าคาร์บอนแบล็กมาก คาร์บอนแบล็กผลิตจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมหนัก แล้วสกัดสารประกอบอินทรีย์ออก ได้คาร์บอนธาตุมากกว่า 97 เปอร์เซ็นต์ ดังแสดงในตารางที่ 1 คาร์บอนแบล็กมักจำแนกตามกระบวนการผลิต [7] คาร์บอนแบล็กชนิดที่มีการรวมตัวและการกระจายของอนุภาคต่ำให้ผลดีที่สุดสำหรับการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์

การผสมผสานระหว่างชนิดของคาร์บอนแบล็กกับร้อยละโดยน้ำหนักของคาร์บอนแบล็กในพอลิเมอร์ส่งผลต่อการดูดกลืนเลเซอร์ สำหรับคาร์บอนแบล็กชนิดหนึ่ง การใช้ร้อยละโดยน้ำหนักที่ต่ำ (0.1 เปอร์เซ็นต์หรือ 0.15 เปอร์เซ็นต์) ทำให้เลเซอร์ส่งผ่านเข้าไปในชิ้นส่วนบางส่วน ให้ความร้อนใต้ผิว ซึ่งเป็นประโยชน์เมื่อต้องการชั้นหลอมที่หนาโดยไม่ทำให้พื้นผิวเสื่อมสภาพ ในทางกลับกัน เมื่อใช้ร้อยละโดยน้ำหนักสูง (0.5 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไป) การดูดกลืนส่วนใหญ่เกิดใกล้ผิว ทำให้ชั้นหลอมบางกว่า

การประกอบ ABS ด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่าน

ทำการทดลองประเมินการประกอบ ABS กับฟิล์ม PTFE/PET ด้วยเลเซอร์ โดยใช้การสแกนด้วยลำแสงเลเซอร์แบบเส้น แผ่น ABS ขึ้นรูปด้วยคาร์บอนแบล็กหลายชนิดและหลายระดับปริมาณ พบว่าการใช้คาร์บอนแบล็ก 0.1 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักให้ผลดีที่สุดสำหรับการใช้งานนี้ เพราะทำให้เกิดชั้นที่หนากว่าซึ่งมีอุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) ทำให้ ABS ไหลได้ง่ายขึ้นและยึดเกาะกับฟิล์ม PTFE/PET ได้ดีขึ้น

การทำลวดลายบนผิว ABS ให้เป็นสันหรือลายตาข่ายให้ผลที่น่าพอใจ (รูปที่ 8) พื้นผิวที่มีลวดลายมีพื้นที่มากกว่า และเพิ่มการล็อกเชิงกลที่รอยต่อ ความแข็งแรงในการลอกด้วยมือรู้สึกได้ว่าสูงโดยทั่วไป โดยเฉพาะเมื่อลอกในแนวตั้งฉากกับสัน การตรวจสอบรอยต่อเหล่านี้ด้วยสายตาให้ผลที่น่าพอใจมาก พบความล้มเหลวภายในเนื้อวัสดุอย่างกว้างขวางในฟิล์ม PTFE/PET (รูปที่ 9)

การให้ความร้อนแก่ ABS ใช้หัวลำแสงเลเซอร์แบบเส้น Leister 800 ติดตั้งบนหุ่นยนต์ Fanuc หัวเลเซอร์ถูกเอียงเล็กน้อยไปทางหนึ่ง ทำให้ความเข้มแตกต่างเล็กน้อยเมื่อเคลื่อนไปทางหนึ่งเทียบกับทิศตรงข้าม เรียกว่าทิศผลักและทิศดึง ดังแสดงในรูปที่ 10 เพื่อประเมินผลของการเอียง ใช้เครื่องบันทึกข้อมูลเทอร์โมคัปเปิล Pico Technology USB TC-08 วัดประวัติอุณหภูมิระหว่างการให้ความร้อนแบบผลัก-ดึง

ดังแสดงในรูปที่ 11 อุณหภูมิในทิศผลักต่ำกว่าในทิศดึงอย่างมีนัยสำคัญ ในทำนองเดียวกัน ยังวัดอุณหภูมิแบบผลัก-ผลัก (รูปที่ 12) และดึง-ดึง (รูปที่ 13) ทั้งสองกรณีความแปรผันของอุณหภูมิระหว่างรอบมีค่าน้อยลง และแบบดึง-ดึงให้อุณหภูมิพื้นผิวสูงกว่าเล็กน้อย โดยทั่วไป อุณหภูมิที่วัดได้ต่ำกว่าที่คาดไว้ อาจเพราะเทอร์โมคัปเปิลมีขนาดใหญ่และเพียงวางบนพื้นผิว การใช้ลวดเทอร์โมคัปเปิลที่เล็กกว่าและกดปลายลงบนผิว ABS ด้วยเครื่องมือให้ความร้อนจะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัด

บทสรุป

การศึกษาการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์สำหรับการเชื่อมและการประกอบเทอร์โมพลาสติก เพื่อหาผลของชนิดและระดับปริมาณคาร์บอนแบล็ก การทำลวดลายบนพื้นผิว และทิศทางการเคลื่อนของเลเซอร์ต่อคุณภาพรอยต่อ ทั้งการให้ความร้อนที่พื้นผิวและแบบส่งผ่านนิยมใช้คาร์บอนแบล็กเป็นสารให้สีมากที่สุด พบว่าคาร์บอนแบล็กชนิดที่มีการรวมตัวและการกระจายของอนุภาคต่ำให้ผลดีที่สุดสำหรับการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ การทดลองสแกนด้วยลำแสงเลเซอร์แบบเส้นกับ ABS แสดงว่าการเอียงหัวเลเซอร์เล็กน้อยทำให้การให้ความร้อนเมื่อเคลื่อนไปข้างหน้า (หรือทิศดึง) ต่างจากเมื่อเคลื่อนถอยหลัง (หรือทิศผลัก) สำหรับการประกอบพอลิเมอร์ต่างชนิดระหว่าง ABS กับฟิล์ม PTFE/PET พบว่าการทำลวดลายบนพื้นผิวเพิ่มพื้นที่รอยต่อยึดติดและการล็อกเชิงกล ส่งผลให้รอยต่อดีเยี่ยม

เอกสารอ้างอิงและกิตติกรรมประกาศ

• 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.

ขอขอบคุณ Leister Corp. สำหรับการใช้เครื่องสแกนลำแสงเลเซอร์ Fanuc America สำหรับการใช้หุ่นยนต์ และ Kimastle Corp. สำหรับเซลล์ระบบอัตโนมัติ

Avraham (Avi) Benatar เป็นรองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมการเชื่อมและผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการการประกอบพลาสติกและวัสดุผสม (Plastics and Composites Joining Laboratory) นอกจากนี้ยังเป็นผู้ประสานงานหลักสูตรปริญญาโทวิทยาศาสตรมหาบัณฑิตด้านวิศวกรรมการเชื่อมแบบการศึกษาทางไกล และผู้อำนวยการฝ่ายคณาจารย์ของหลักสูตร Master of Global Engineering Leadership ของคณะวิศวกรรมศาสตร์ เขาสำเร็จปริญญา S.B., S.M. และ Ph.D. สาขาวิศวกรรมเครื่องกลจาก Massachusetts Institute of Technology

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. ซึ่งเป็นบริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การมาร์กด้วยเลเซอร์ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ เขาพัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาการผลิตมานานกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

---