การเลือกคู่เรซินและสารให้สีสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเลือกคู่เรซินและสารให้สีสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์

ประเด็นสำคัญ

• ต้องเป็นไปตามสองข้อกำหนดพร้อมกัน ได้แก่ พอลิเมอร์ต้องเข้ากันได้ในสถานะหลอมเหลว และพฤติกรรมทางแสงที่ความยาวคลื่นใช้งานต้องแตกต่างกันอย่างเหมาะสม
• สีเป็นข้อกำหนดทางแสง การเปลี่ยนสีจึงเท่ากับการเปลี่ยนกระบวนการ และคู่วัสดุที่เข้ากันได้จะเข้ากันที่ความยาวคลื่นเดียวเท่านั้น
• ใยแก้วทำให้แสงกระเจิง ลดการส่งผ่านแสงที่แท้จริง และทำให้ชิ้นส่วนด้านส่งผ่านแสงเป็นตัวจำกัดบ่อยกว่าที่คาดกัน
• ควรตรวจสอบคุณสมบัติของคู่วัสดุก่อนสร้างแม่พิมพ์ เพราะปัญหาการเชื่อมที่พบหลังกัดแม่พิมพ์แล้วแทบไม่มีทางแก้ที่ประหยัด

คำถามที่ว่า "ชิ้นส่วนสองชิ้นนี้เชื่อมด้วยเลเซอร์ได้หรือไม่" มีคำตอบอิสระสองข้อ และทั้งสองข้อต้องเป็น "ได้" ข้อแรกคือพอลิเมอร์ต้องสร้างพันธะหลอมเหลวระหว่างกันได้ ซึ่งเป็นประเด็นความเข้ากันได้ของวัสดุเช่นเดียวกับวิธีเชื่อมอื่นทุกวิธี ข้อที่สองคือคุณสมบัติทางแสงที่ความยาวคลื่นใช้งานต้องต่างกันในทิศทางที่ถูกต้องและมากพอ ซึ่งเป็นประเด็นเฉพาะของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ และเป็นจุดที่พบเหตุไม่คาดคิดมากที่สุด

ความเข้ากันได้ในสถานะหลอมเหลวต้องมาก่อน

รอยเชื่อมเกิดขึ้นเมื่อผิวพอลิเมอร์หลอมเหลวสองผิวแพร่เข้าหากันและแข็งตัวร่วมกัน ซึ่งต้องอาศัยช่วงการแปรรูปที่ซ้อนทับกัน คือวัสดุทั้งสองหลอมที่อุณหภูมิเดียวกันโดยไม่เสื่อมสภาพ รวมถึงความคล้ายคลึงทางเคมีมากพอให้สายโซ่โมเลกุลพันกันข้ามรอยต่อ

รอยต่อระหว่างพอลิเมอร์ชนิดเดียวกันเป็นกรณีที่ตรงไปตรงมาและครอบคลุมงานผลิตส่วนใหญ่ เกรดต่างกันของพอลิเมอร์ชนิดเดียวกันโดยทั่วไปเชื่อมได้ แม้ความแตกต่างของอัตราการไหลของเนื้อพอลิเมอร์ ปริมาณสารตัวเติม และชุดสารเติมแต่งจะทำให้พารามิเตอร์เปลี่ยนไป พอลิเมอร์ต่างชนิดภายในตระกูลเดียวกันบางครั้งเชื่อมได้ในระดับที่ยอมรับได้ ส่วนพอลิเมอร์ที่แตกต่างกันทางเคมีมักไม่เกิดพันธะที่แท้จริงไม่ว่าคุณสมบัติทางแสงจะเหมาะสมเพียงใด และการยึดติดที่เกิดขึ้นเป็นเพียงการยึดเชิงกล ไม่ใช่ระดับโมเลกุล จึงมักไม่น่าพอใจเมื่อรับแรงหรือใช้งานเป็นเวลานาน

ลำดับนี้มีความสำคัญ เพราะคุณสมบัติทางแสงปรับเปลี่ยนได้ง่ายกว่าองค์ประกอบทางเคมี หากวัสดุเข้ากันได้ในสถานะหลอมเหลว การดูดกลืนและการส่งผ่านแสงสามารถออกแบบได้ด้วยสารให้สีและสารเติมแต่ง แต่หากไม่เข้ากัน ต่อให้ปรับคุณสมบัติทางแสงมากเพียงใดก็ไม่ได้รอยต่อที่แข็งแรง

สีเป็นข้อกำหนดทางแสง

เหตุไม่คาดคิดที่พบบ่อยที่สุดในการผลิตด้วยการเชื่อมด้วยเลเซอร์ คือการเปลี่ยนสีโดยไม่มีใครระบุว่าเป็นการเปลี่ยนกระบวนการ นักออกแบบ ฝ่ายการตลาด และลูกค้ากำหนดสีตามเกณฑ์การมองเห็น แต่ระบบเม็ดสีที่ได้เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ ซึ่งไม่มีความสัมพันธ์ที่เชื่อถือได้กับลักษณะที่ตามองเห็น

เม็ดสีดูดกลืนแสงแบบเลือกความยาวคลื่น สีน้ำเงินสองสีที่ดูเหมือนกันอาจส่งผ่านแสงที่ 1064 nm ต่างกันมาก เพราะใช้เคมีของเม็ดสีต่างกัน สีขาวที่เติมไทเทเนียมไดออกไซด์ทำให้แสงกระเจิงอย่างรุนแรง เม็ดสีอินทรีย์บางชนิดโปร่งแสงในย่านใกล้อินฟราเรดอย่างแท้จริง ขณะที่เม็ดสีอนินทรีย์บางชนิดไม่เป็นเช่นนั้น ชิ้นส่วนที่ส่งผ่านแสงได้เพียงพอในสีธรรมชาติอาจส่งผ่านไม่ได้เมื่อเติมเม็ดสี และความล้มเหลวเป็นแบบสิ้นเชิงไม่ใช่ค่อยเป็นค่อยไป

แนวปฏิบัติคือถือว่าสีเป็นปัจจัยนำเข้าของกระบวนการที่ต้องควบคุม โดยตรวจสอบคุณสมบัติของทุกชุดสี กำหนดให้ผู้ผสมสูตรแจ้งเมื่อมีการปรับสูตรสารให้สี และวัดการส่งผ่านและการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นใช้งานเป็นส่วนหนึ่งของการอนุมัติวัสดุ แทนการอาศัยการเทียบสีด้วยสายตา

การดูดกลืนแสงในชิ้นส่วนด้านล่าง

คาร์บอนแบล็กยังคงเป็นตัวดูดกลืนแสงมาตรฐานและทำงานได้ดีมาก ให้การดูดกลืนแสงแรงในช่วงกว้างที่ปริมาณเติมน้อย เป็นที่เข้าใจดี และราคาไม่แพง อย่างไรก็ตามคุณลักษณะของคาร์บอนแบล็กแตกต่างกันตามเกรด ขนาดอนุภาคและโครงสร้างส่งผลทั้งต่อความแรงและความตื้นลึกของการดูดกลืนแสง ซึ่งส่งผลต่อตำแหน่งที่เกิดความร้อนเมื่อเทียบกับรอยต่อ การเลือกคาร์บอนแบล็กสำหรับงานเชื่อมจึงเป็นการตัดสินใจที่แท้จริง ไม่ใช่ค่าเริ่มต้น

ในกรณีที่ยอมรับสีดำไม่ได้ สีย้อมและระบบเม็ดสีที่ดูดกลืนแสงย่านใกล้อินฟราเรดช่วยให้ทำชิ้นส่วนดูดกลืนแสงที่มีสี สีธรรมชาติ และใสตามองเห็นได้ วัสดุเหล่านี้ต้องผ่านการตรวจสอบคุณสมบัติเช่นเดียวกับสารเติมแต่งทั่วไป ทั้งความสม่ำเสมอของการกระจายตัว เสถียรภาพทางความร้อนที่อุณหภูมิแปรรูป และการยอมรับตามข้อกำหนดกฎระเบียบของการใช้งาน และการดูดกลืนแสงมักแคบกว่าคาร์บอนแบล็กในแง่ความยาวคลื่น ทำให้การจับคู่ระหว่างสารเติมแต่งกับแหล่งกำเนิดแสงมีความสำคัญมากขึ้น

การส่งผ่านแสงผ่านชิ้นส่วนด้านบน

ชิ้นส่วนด้านส่งผ่านแสงถูกจำกัดด้วยปัจจัยมากกว่าสี ความหนาผนังกำหนดระยะทางที่แสงเดินทางและการส่งผ่านแสงลดลงตามความหนา บางครั้งลดลงอย่างรวดเร็ว ความเป็นผลึกในพอลิเมอร์กึ่งผลึกทำให้แสงกระเจิง และเนื่องจากความเป็นผลึกขึ้นกับอัตราการเย็นตัว อุณหภูมิแม่พิมพ์จึงเปลี่ยนพฤติกรรมทางแสงโดยตรง สารตัวเติมประเภทแก้วและแร่ทำให้แสงกระเจิงแรง ซึ่งทั้งลดพลังงานที่ไปถึงรอยต่อและทำให้ลำแสงเสียโฟกัส ลดความเข้มสูงสุดในตำแหน่งที่ต้องการ สารเติมแต่งที่ดูดกลืนแสงเอง โดยเฉพาะสารเสถียรต่อรังสีอัลตราไวโอเลต อาจดูดกลืนทับซ้อนกับความยาวคลื่นเลเซอร์ ส่วนพื้นผิวที่มีลวดลายทำให้แสงกระเจิงที่ด้านเข้าก่อนพลังงานจะเข้าสู่ชิ้นส่วน

ชิ้นส่วนด้านส่งผ่านแสงที่มีสารตัวเติมเป็นกรณีที่ถูกประเมินต่ำเกินไปบ่อยที่สุด ชิ้นส่วนด้านบนที่เติมใยแก้ว 30 เปอร์เซ็นต์อาจส่งผ่านแสงได้เพียงเศษเสี้ยวของชิ้นส่วนที่ไม่เติม และการแก้ปัญหาตามปกติคือเพิ่มกำลังเลเซอร์ ซึ่งเสี่ยงต่อความเสียหายที่ผิวด้านเข้าก่อนรอยต่อจะหลอม หากหลีกเลี่ยงวัสดุที่มีสารตัวเติมด้านส่งผ่านแสงไม่ได้ ทางเลือกที่แท้จริงคือใช้ความหนาส่วนที่น้อยลงในเส้นทางลำแสง ใช้กลยุทธ์ที่ทนต่อความเข้มต่ำกว่าได้ หรือเปลี่ยนความยาวคลื่น

ระบบสารเติมแต่งแบบใช้งานคู่

ชิ้นงานประกอบที่ต้องทั้งมาร์กและเชื่อมด้วยเลเซอร์ก่อให้เกิดปัญหาด้านสูตรผสมที่แท้จริง เพราะทั้งสองกระบวนการอาศัยคุณสมบัติทางแสงเดียวกันแต่ต้องการผลต่างกัน ระบบสารเติมแต่งที่ออกแบบมาเพื่อทั้งสองวัตถุประสงค์ช่วยให้วัสดุผสมสูตรชนิดเดียวทำได้ทั้งสองอย่าง ซึ่งทำให้การจัดการวัสดุง่ายขึ้นมาก

เงื่อนไขคือต้องพัฒนาทั้งสองกระบวนการไปพร้อมกัน ไม่ใช่ทีละขั้น ปริมาณสารเติมแต่งที่ปรับให้เหมาะกับความคมชัดของรอยมาร์กอาจทำให้ชิ้นส่วนด้านส่งผ่านแสงดูดกลืนแสงมากเกินกว่าจะเชื่อมได้ ส่วนปริมาณที่ปรับให้เหมาะกับการดูดกลืนแสงเพื่อเชื่อมอาจให้ความคมชัดของรอยมาร์กต่ำ การกำหนดช่วงกระบวนการของทั้งสองอย่างกับสูตรผสมเดียวกันตั้งแต่เนิ่นๆ คือสิ่งที่ทำให้แนวทางนี้ได้ผล

ตรวจสอบคุณสมบัติก่อนสร้างแม่พิมพ์

ความสามารถในการเชื่อมเป็นคุณสมบัติของชุดผสม ได้แก่ คู่พอลิเมอร์ สารให้สี สารตัวเติม สารเติมแต่ง และความยาวคลื่น ซึ่งกำหนดได้ในราคาไม่แพงก่อนตัดสินใจลงทุน แต่หากมาพบภายหลังจะสร้างความวุ่นวายอย่างมาก

การตรวจสอบคุณสมบัติก่อนสร้างแม่พิมพ์ในทางปฏิบัติ ประกอบด้วยการวัดการส่งผ่านแสงของวัสดุด้านส่งผ่านแสงที่ตั้งใจใช้ในความหนาและสีที่กำหนด การวัดการดูดกลืนแสงของวัสดุด้านดูดกลืนแสง และการเชื่อมแผ่นทดสอบที่ขึ้นรูปหรือชิ้นส่วนต้นแบบในชุดวัสดุจริง เพื่อยืนยันว่ามีช่วงกระบวนการที่ใช้งานได้พร้อมส่วนเผื่อ การทดสอบนี้ใช้เวลาเพียงไม่กี่วัน และตอบคำถามที่มิฉะนั้นจะไปถูกตอบระหว่างการทดลองผลิต ซึ่งเป็นช่วงที่แม่พิมพ์เสร็จแล้วและการเลือกวัสดุแทบเปลี่ยนไม่ได้

บทความที่เกี่ยวข้อง

• การเลือกคาร์บอนแบล็กสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่าน
• สารเติมแต่งเลเซอร์แบบใช้งานคู่
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบใสกับใส
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านอธิบายอย่างละเอียด
• มาสเตอร์แบตช์เดียวสำหรับทั้งการมาร์กและการเชื่อม

ต้องการความช่วยเหลือในเรื่องนี้?

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระในการเลือกวัสดุ การจับคู่สี และการตรวจสอบคุณสมบัติสารเติมแต่งสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ทีมบริการด้านวิศวกรรมทำงานร่วมกับผู้ผลิตในการพัฒนากระบวนการ การตรวจสอบคุณสมบัติวัสดุ และการแก้ไขปัญหาในการผลิต ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

พอลิเมอร์ต่างชนิดกันสองชนิดเชื่อมด้วยเลเซอร์เข้าด้วยกันได้หรือไม่

ได้เฉพาะกรณีที่เข้ากันได้ในสถานะหลอมเหลว กล่าวคือช่วงอุณหภูมิแปรรูปต้องซ้อนทับกันเพื่อให้หลอมทั้งคู่โดยไม่เสื่อมสภาพ และต้องเข้ากันได้ทางเคมีมากพอที่จะเกิดพันธะ ไม่ใช่เพียงการยึดเกี่ยวเชิงกล พอลิเมอร์คล้ายกันในตระกูลเดียวกันโดยทั่วไปใช้ได้ แต่ต่างตระกูลมักใช้ไม่ได้ ไม่ว่าคุณสมบัติทางแสงจะเป็นอย่างไร

เหตุใดการเปลี่ยนสีจึงต้องตรวจสอบคุณสมบัติซ้ำ

เพราะสารให้สีเป็นตัวกำหนดว่าความยาวคลื่นเลเซอร์ถูกส่งผ่านและดูดกลืนมากเพียงใด ชิ้นส่วนสองชิ้นที่ดูคล้ายกันด้วยตาอาจมีพฤติกรรมต่างกันโดยสิ้นเชิงที่ 1064 nm เนื่องจากเม็ดสีดูดกลืนแสงแบบเลือกความยาวคลื่น และลักษณะที่มองเห็นให้ข้อมูลน้อยมากเกี่ยวกับพฤติกรรมในย่านใกล้อินฟราเรด การเปลี่ยนสีจึงเปลี่ยนพลังงานที่ไปถึงรอยต่อ และส่งผลต่อกระบวนการ

ปริมาณใยแก้วมีผลต่อการเชื่อมด้วยเลเซอร์หรือไม่

มีผลอย่างมาก ใยแก้วทำให้ลำแสงกระเจิงภายในชิ้นส่วนด้านส่งผ่านแสง ลดพลังงานที่ไปถึงผิวรอยต่อและทำให้กระจายตัว ซึ่งลดความเข้มสูงสุดที่รอยต่อ ปริมาณเติมที่สูงขึ้นยิ่งซ้ำเติมปัญหานี้ และแก้วที่ผิวรอยต่อยังลดปริมาณพอลิเมอร์ที่ใช้สร้างรอยเชื่อมด้วย

สารเติมแต่งแบบใช้งานคู่คืออะไร

ระบบสารเติมแต่งที่ออกแบบมาเพื่อทั้งการมาร์กและการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ทำให้วัสดุผสมสูตรชนิดเดียวสามารถมาร์กและเชื่อมได้ด้วยความยาวคลื่นเดียวกัน ช่วยให้การจัดการวัสดุสำหรับชิ้นงานประกอบที่ต้องการทั้งสองกระบวนการง่ายขึ้น และต้องพัฒนาทั้งสองกระบวนการไปพร้อมกัน เนื่องจากแย่งใช้คุณสมบัติทางแสงเดียวกัน

ควรกำหนดความสามารถในการเชื่อมของวัสดุเมื่อใด

ก่อนตัดแม่พิมพ์ ความสามารถในการเชื่อมเป็นคุณสมบัติของคู่วัสดุ สารให้สี และความยาวคลื่น หากชุดที่เลือกไม่สามารถเชื่อมได้ ทางแก้คือเปลี่ยนวัสดุ เปลี่ยนสารให้สี หรือใช้สารเติมแต่ง ซึ่งทำได้ง่ายในขั้นออกแบบแต่สร้างความวุ่นวายอย่างมากในภายหลัง

---