اختيار أسود الكربون لنجاح اللحام والتجميع بالليزر عبر النفاذ

اختيار أسود الكربون لنجاح اللحام والتجميع بالليزر عبر النفاذ

الملخص

يُستخدم اللحام بالليزر في نطاق واسع من التطبيقات لتجميع اللدائن الحرارية لأنه طريقة تسخين دون تلامس، بأزمنة دورة قصيرة وتكلفة أقل. وفي كل من التسخين السطحي والتسخين عبر النفاذ، يُعدّ أسود الكربون الصبغة الأكثر استخدامًا. وقد تبيّن أن أنواع أسود الكربون ذات التكتل المنخفض للجسيمات وتوزيعها هي الأكثر فعالية للتسخين بالليزر. وأظهرت التجارب باستخدام مسح شعاع الليزر الخطي أن ميلًا طفيفًا في رأس الليزر قد يُنتج تسخينًا مختلفًا عند الحركة إلى الأمام مقارنةً بالحركة إلى الخلف. وفي تجميع البوليمرات المختلفة، تبيّن أن نسيج السطح (التخشين) يزيد مساحة وصلة الالتصاق ومقدار التعشيق الميكانيكي، مما ينتج وصلات أفضل.

أبرز النقاط

• نوع أسود الكربون مهم، لا نسبته الوزنية فقط. فمعظم الأبحاث تتجاهل هذا التمييز، بينما يختلف الامتصاص والتحويل الحراري اختلافًا كبيرًا.
• تبيّن أن التكتل المنخفض للجسيمات وتوزيعها هو الأكثر فعالية للتسخين بالليزر.
• نسبة التحميل المعتادة من 0.1% إلى 1% بالوزن، وفي تجميع ABS كانت نسبة 0.1% هي الأكثر فعالية.
• أسود الكربون ليس سخامًا. فالسخام ما يتكوّن عند احتراق مادة احتراقًا غير كامل، وهما مادتان مختلفتان جدًا.
• اتجاه حركة الليزر يغيّر النتيجة. فميل طفيف في رأس الليزر يعطي تسخينًا مختلفًا عند الحركة للأمام مقارنةً بالخلف.

الأسئلة الشائعة

هل يهم نوع أسود الكربون فعلًا في اللحام بالليزر؟

نعم، بدرجة كبيرة. فمعظم الأبحاث حول التسخين بالليزر تناقش النسبة الوزنية فقط، لكن أنواع أسود الكربون تختلف اختلافًا كبيرًا وتؤثر في امتصاص طاقة الليزر وفي تحويلها إلى حرارة. وقد تبيّن أن الأنواع ذات التكتل المنخفض للجسيمات وتوزيعها هي الأكثر فعالية.

ما مقدار أسود الكربون الذي ينبغي إضافته؟

عادةً من 0.1% إلى 1% بالوزن، وهي طريقة فعالة لدمج ماص الليزر في أحد الجزأين. وفي التجميع عبر النفاذ لـ ABS مع أغشية PTFE/PET، كانت نسبة 0.1% بالوزن الأكثر فعالية لأنها أنتجت طبقات أسمك تتجاوز درجة حرارة التحول الزجاجي، مما سمح لـ ABS بالانسياب وحسّن الالتصاق.

ما الفرق بين أسود الكربون والسخام؟

هما مادتان مختلفتان جدًا. فالسخام يتكوّن عندما يحترق بوليمر أو مادة أخرى احتراقًا غير كامل، وهو عمومًا غير متبلور. أما أسود الكربون فمادة مصنّعة ذات بنية مضبوطة، وهذا الضبط هو ما يجعل سلوك امتصاصه لليزر قابلًا للتنبؤ.

هل يفيد تخشين السطح في التجميع بالليزر؟

نعم. فقد أعطى تخشين سطح ABS لإنتاج نتوءات أو خطوط متقاطعة نتائج واعدة، لأن السطح المخشّن له مساحة أكبر ويزيد التعشيق الميكانيكي عند السطح البيني، وهو مفيد خصوصًا في تجميع البوليمرات المختلفة.

لماذا قد يؤثر اتجاه حركة الليزر في جودة اللحام؟

أظهرت التجارب باستخدام مسح شعاع الليزر الخطي أن ميلًا طفيفًا في رأس الليزر يعطي تسخينًا مختلفًا عند الحركة في اتجاه السحب مقارنةً بالحركة إلى الخلف. وهو متغير إعداد يستحق الفحص عندما تتباين جودة اللحام على امتداد الوصلة.

مقدمة

يمكن تحقيق اللحام بالليزر للدائن الحرارية بطريقتين مختلفتين للتسخين: التسخين السطحي والتسخين عبر النفاذ [1-5]. وفي كليهما تُضاف صبغة إلى البوليمر لامتصاص الليزر. وأسود الكربون هو الصبغة الأكثر استخدامًا، لكن معظم الأبحاث حول التسخين بالليزر للبوليمرات لا تتناول الأنواع المختلفة من أسود الكربون. لذلك سنستعرض في هذا العمل أنواع أسود الكربون المختلفة وأداءها في امتصاص الليزر. كما سنناقش تأثيرات نسيج السطح واتجاه حركة الليزر في التجميع ضمن دراسة تجريبية للتجميع بالليزر لـ ABS.

التسخين بالليزر

كما ذُكر سابقًا، يمكن التسخين بالليزر في كل من التسخين السطحي والتسخين عبر النفاذ [5]. وكما يظهر في الشكل 1، يمكن تحقيق التسخين السطحي بتوسيع شعاع الليزر وتسخين سطحي الجزأين في وقت واحد باستخدام المرايا. ومن الممكن أيضًا استخدام شعاع ليزر خطي أو نقطة ليزر مع مرآة مسح لمسح أسطح الجزأين وتسخينها بسرعة، كما في الشكل 2. وفي الحالتين يجب دمج ماصّ، مثل أسود الكربون، في الجزء البلاستيكي لامتصاص الليزر والتسخين.

وفي التسخين بالليزر عبر النفاذ، يكون أحد الجزأين شفافًا لليزر بينما يحتوي الثاني على إضافة، مثل أسود الكربون، لامتصاص إشعاع الليزر وتحويله إلى حرارة (الشكل 3). وتوجد طرق متعددة لاستخدام التسخين بالليزر عبر النفاذ. ففي التسخين بالمسح يمسح شعاع الليزر خطوط الوصلة إما بتحريك الليزر أو باستخدام مرايا المسح (الشكل 4). وفي التسخين المتزامن يُوسَّع شعاع الليزر أو تُستخدم مصادر ليزر متعددة مع حزم الألياف الضوئية لتسخين منطقة الوصلة كلها في وقت واحد (الشكل 5). وفي التسخين شبه المتزامن تُستخدم مرآة مسح عالية السرعة لمسح منطقة الوصلة بسرعة، محاكيةً التسخين المتزامن بشعاع ليزر واحد عالي القدرة (الشكل 6). وثمة خيار آخر هو استخدام التسخين المتزامن مع التقنيع لتسخين منطقة الوصلة فقط مع منع الشعاع من الوصول إلى المناطق الأخرى (الشكل 7). وهنا أيضًا يحتوي الجزء الماص على صبغة، مثل أسود الكربون، لامتصاص إشعاع الليزر وتحويله إلى حرارة.

أسود الكربون

في كثير من التطبيقات، تُعدّ إضافة كميات صغيرة من أسود الكربون (تتراوح عادةً من 0.1 بالمئة إلى 1 بالمئة بالوزن) طريقة فعالة لدمج ماص الليزر في أحد الأجزاء البلاستيكية. وعادةً لا يُنظر إلى نوع أسود الكربون المستخدم، بل إلى النسبة الوزنية فقط [6]. غير أن أنواع أسود الكربون تختلف اختلافًا كبيرًا، ويمكن أن تؤثر في امتصاص طاقة الليزر وتحويلها إلى حرارة.

أولًا، من المهم إدراك أن أسود الكربون والسخام مادتان مختلفتان جدًا. فالسخام يتكوّن عندما لا يحترق بوليمر أو مادة أخرى احتراقًا كاملًا. والسخام عمومًا كربون غير متبلور على شكل مسحوق بمساحة سطح أقل بكثير من أسود الكربون. ويُنتج أسود الكربون من الاحتراق غير الكامل لمنتجات نفطية ثقيلة يليه استخلاص المركبات العضوية، مما ينتج أكثر من 97 بالمئة من الكربون العنصري. وكما يظهر في الجدول 1، يُصنَّف أسود الكربون غالبًا بحسب عملية التصنيع [7]. وكانت أنواع أسود الكربون ذات التكتل المنخفض للجسيمات وتوزيعها هي الأكثر فعالية للتسخين بالليزر.

يؤثر الجمع بين نوع أسود الكربون ونسبته الوزنية في البوليمر في امتصاص الليزر. فلنوع معين من أسود الكربون، يؤدي استخدام نسب وزنية أقل (0.1 بالمئة أو 0.15 بالمئة) إلى نفاذ جزئي إلى داخل الجزء، مما ينتج تسخينًا تحت سطحي. وهذا مفيد عند الحاجة إلى طبقات انصهار أسمك دون تدهور السطح. وعلى العكس، عند استخدام نسب وزنية عالية (0.5 بالمئة فأكثر)، يحدث معظم الامتصاص قرب السطح، مما ينتج طبقات انصهار أرق.

التجميع بالليزر عبر النفاذ لـ ABS

أُجريت تجارب لتقييم التجميع بالليزر بين ABS وأغشية PTFE/PET باستخدام مسح شعاع الليزر الخطي. وقُولبت ألواح ABS بأنواع ونسب مختلفة من أسود الكربون. وتبيّن أن استخدام أسود الكربون بنسبة 0.1 بالمئة بالوزن كان الأكثر فعالية لهذا التطبيق لأنه أنتج طبقات أسمك تجاوزت درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg). وسمح ذلك بانسياب ABS بسهولة أكبر وحسّن الالتصاق بغشاء PTFE/PET.

وأعطى تخشين سطح ABS لإنتاج نتوءات أو خطوط متقاطعة نتائج واعدة (الشكل 8). فقد كان للسطح المخشّن مساحة أكبر، وزاد التعشيق الميكانيكي عند السطح البيني. وبدت قوة التقشير اليدوية عالية عمومًا، خاصةً عند التقشير عموديًا على النتوءات. وكان الفحص البصري لهذه الوصلات واعدًا جدًا، إذ أظهر قدرًا كبيرًا من فشل التماسك في غشاء PTFE/PET (الشكل 9).

جرى تسخين ABS باستخدام رأس ليزر خطي Leister 800 مثبّت على روبوت Fanuc. وقد أُميل رأس الليزر قليلًا في اتجاه واحد بحيث تختلف الشدة قليلًا عند الحركة في اتجاه مقارنةً بالاتجاه المعاكس، ويُشار إليهما باتجاهي الدفع والسحب، كما في الشكل 10. ولتقييم تأثير الميل استُخدم مسجّل بيانات المزدوجات الحرارية Pico Technology USB TC-08 لقياس التاريخ الحراري أثناء التسخين بالدفع والسحب.

وكما يظهر في الشكل 11، فإن درجة الحرارة في اتجاه الدفع أقل بكثير منها في اتجاه السحب. وبالمثل قيست درجة الحرارة للدفع-دفع (الشكل 12) والسحب-سحب (الشكل 13). وفي الحالتين كان تباين درجة الحرارة بين المرات أصغر، وأدى السحب-سحب إلى درجات حرارة سطحية أعلى قليلًا. وعمومًا كانت درجات الحرارة المقاسة أقل من المتوقع، على الأرجح لأن المزدوجات الحرارية كبيرة وموضوعة فقط فوق السطح. ومن شأن استخدام أسلاك مزدوجات حرارية أصغر وضغط الطرف في سطح ABS بأداة مسخنة أن يحسّن دقة القياس.

الخلاصة

دُرس التسخين بالليزر لأغراض لحام اللدائن الحرارية وتجميعها لتحديد تأثيرات نوع أسود الكربون ومستوى محتواه ونسيج السطح واتجاه حركة الليزر في جودة الوصلة. وفي كل من التسخين السطحي والتسخين عبر النفاذ، يُعدّ أسود الكربون الصبغة الأكثر استخدامًا. وتبيّن أن أنواع أسود الكربون ذات التكتل المنخفض للجسيمات وتوزيعها هي الأكثر فعالية للتسخين بالليزر. وأظهرت تجارب مسح شعاع الليزر الخطي على ABS أن ميلًا طفيفًا في رأس الليزر قد ينتج تسخينًا مختلفًا عند الحركة للأمام (أو اتجاه السحب) مقارنةً بالحركة للخلف (أو اتجاه الدفع). وفي تجميع البوليمرات المختلفة، ABS مع غشاء PTFE/PET، تبيّن أن نسيج السطح يزيد مساحة وصلة الالتصاق ومقدار التعشيق الميكانيكي، مما ينتج وصلات أفضل.

المراجع والشكر

• 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.

نتقدم بالشكر إلى Leister Corp. على استخدام ماسح شعاع الليزر، وإلى Fanuc America على استخدام الروبوت، وإلى Kimastle Corp. على خلية الأتمتة.

Avraham (Avi) Benatar أستاذ مشارك في هندسة اللحام ومدير مختبر تجميع البلاستيك والمواد المركبة. وهو أيضًا منسق برنامج ماجستير العلوم في هندسة اللحام بالتعليم عن بُعد والمدير الأكاديمي لبرنامج ماجستير القيادة الهندسية العالمية في كلية الهندسة. وقد حصل على درجات S.B. وS.M. والدكتوراه في الهندسة الميكانيكية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك، ومنها الوسم بالليزر والمعالجات الأولية للسطح واللصق والتزيين والتشطيب وأمن المنتج. وهو يطوّر تقنيات رائدة ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. يمكنكم التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

---