Selección del negro de humo para una soldadura y unión láser por transmisión exitosas

Selección del negro de humo para una soldadura y unión láser por transmisión exitosas

Resumen

La soldadura láser se utiliza en una amplia gama de aplicaciones para unir termoplásticos porque es un método de calentamiento sin contacto, con tiempos de ciclo cortos y menor costo. Tanto para el calentamiento superficial como para el calentamiento por transmisión, el negro de humo es el colorante más utilizado. Se encontró que los tipos de negro de humo con baja agregación y distribución de partículas fueron los más eficaces para el calentamiento láser. Los experimentos con barrido de haz láser en línea mostraron que una ligera inclinación del cabezal láser puede producir un calentamiento distinto al avanzar hacia adelante en comparación con avanzar hacia atrás. En la unión de polímeros distintos se encontró que la texturización de la superficie aumentó el área de unión por adhesión y la cantidad de anclaje mecánico, con lo que se lograron uniones superiores.

Puntos clave

• El tipo de negro de humo importa, no solo el porcentaje en peso. La mayor parte de la literatura ignora esta distinción; la absorción y la conversión a calor varían enormemente.
• La baja agregación y distribución de partículas resultó más eficaz para el calentamiento láser.
• La carga típica es de 0.1% a 1% en peso, y en la unión de ABS el nivel más eficaz fue 0.1%.
• El negro de humo no es hollín. El hollín es lo que se forma cuando una sustancia se quema de manera incompleta; son materiales muy diferentes.
• La dirección de avance del láser cambia el resultado. Una ligera inclinación del cabezal láser calienta de forma distinta hacia adelante que hacia atrás.

Preguntas frecuentes

¿Realmente importa el tipo de negro de humo en la soldadura láser?

Sí, considerablemente. La mayor parte de la literatura sobre calentamiento láser solo menciona el porcentaje en peso, pero los distintos tipos de negro de humo varían enormemente e influyen tanto en la absorción de la energía láser como en su conversión en calor. Los tipos con baja agregación y distribución de partículas resultaron los más eficaces.

¿Cuánto negro de humo se debe agregar?

Normalmente, de 0.1% a 1% en peso es una forma eficaz de incorporar un absorbedor láser en una de las piezas. En la unión por transmisión de ABS con películas de PTFE/PET, 0.1% en peso resultó lo más eficaz porque produjo capas más gruesas que superaron la temperatura de transición vítrea, lo que permitió que el ABS fluyera y mejoró la adhesión.

¿Cuál es la diferencia entre el negro de humo y el hollín?

Son sustancias muy diferentes. El hollín se forma cuando un polímero u otra sustancia se quema de manera incompleta y, en general, es amorfo. El negro de humo es un material manufacturado con una estructura controlada, y ese control es lo que hace predecible su comportamiento de absorción láser.

¿La texturización de la superficie ayuda en la unión láser?

Sí. Texturizar la superficie del ABS para producir crestas o un cuadriculado mostró resultados prometedores, porque la superficie texturizada tiene un área mayor y aumenta el anclaje mecánico en la interfaz, lo cual es particularmente útil para unir polímeros distintos.

¿Por qué la dirección de avance del láser afectaría la calidad de la soldadura?

Los experimentos con barrido de haz láser en línea mostraron que una ligera inclinación del cabezal láser produce un calentamiento distinto al avanzar hacia adelante, en la dirección de arrastre, en comparación con avanzar hacia atrás. Es una variable de configuración que vale la pena revisar cuando la calidad de la soldadura varía a lo largo de una unión.

Introducción

La soldadura láser de termoplásticos puede lograrse con dos métodos de calentamiento distintos: calentamiento superficial y calentamiento por transmisión [1-5]. En ambos casos se agrega un colorante al polímero para la absorción del láser. El negro de humo es el colorante más utilizado, pero la mayor parte de la literatura sobre calentamiento láser de polímeros no analiza los diferentes tipos de negro de humo. Por ello, en este trabajo se revisarán los diferentes tipos de negro de humo y su desempeño de absorción del láser. Además, en un estudio experimental de unión láser de ABS también se analizarán los efectos de la texturización de la superficie y de la dirección de avance del láser sobre la unión.

Calentamiento láser

Como se mencionó, el calentamiento láser es posible tanto con calentamiento superficial como con calentamiento por transmisión [5]. Como se muestra en la Figura 1, el calentamiento superficial puede lograrse expandiendo el haz láser y calentando simultáneamente las superficies de ambas piezas mediante espejos. También es posible usar un haz láser en línea o un punto láser con un espejo de barrido para recorrer y calentar rápidamente las superficies de las piezas, como se muestra en la Figura 2. En cualquiera de los dos casos, es necesario incorporar a la pieza de plástico un absorbedor, como el negro de humo, para la absorción del láser y el calentamiento.

En el calentamiento láser por transmisión, una pieza es transparente al láser mientras que la segunda contiene un aditivo, como negro de humo, que absorbe la radiación láser y la convierte en calor (Figura 3). Existen varias formas de usar el calentamiento láser por transmisión. En el calentamiento por barrido, el haz láser recorre las líneas de unión, ya sea moviendo el láser o mediante espejos de barrido (Figura 4). En el calentamiento simultáneo, el haz láser se expande o se emplean varias fuentes láser junto con haces de fibra óptica para calentar simultáneamente toda el área de unión (Figura 5). En el calentamiento cuasi simultáneo se utiliza un espejo de barrido de alta velocidad para recorrer rápidamente el área de unión, simulando un calentamiento simultáneo con un solo haz láser de alta potencia (Figura 6). Otra opción es el calentamiento simultáneo con enmascaramiento, para calentar solo el área de unión e impedir que el haz láser llegue a otras zonas (Figura 7). Aquí también la pieza absorbente incluye un colorante, como el negro de humo, para absorber la radiación láser y convertirla en calor.

Negro de humo

En muchas aplicaciones, agregar pequeñas cantidades de negro de humo (normalmente de 0.1 por ciento a 1 por ciento en peso) es una forma eficaz de incorporar un absorbedor láser en una de las piezas de plástico. Por lo general no se considera el tipo de negro de humo que se utiliza, sino solo el porcentaje en peso [6]. Sin embargo, los distintos tipos de negro de humo varían enormemente y pueden influir en la absorción y conversión de la energía láser en calor.

Primero, es importante reconocer que el negro de humo y el hollín son sustancias muy diferentes. El hollín se forma cuando un polímero u otra sustancia no se quema por completo. El hollín es, en general, carbono amorfo en polvo con un área superficial mucho menor que la del negro de humo. El negro de humo se produce por la combustión incompleta de productos pesados del petróleo, seguida de la extracción de compuestos orgánicos, lo que da como resultado más de 97 por ciento de carbono elemental. Como se muestra en la Tabla 1, el negro de humo se clasifica con frecuencia según el proceso de manufactura [7]. Los tipos de negro de humo con baja agregación y distribución de partículas fueron los más eficaces para el calentamiento láser.

La combinación del tipo de negro de humo con su porcentaje en peso en el polímero influirá en la absorción del láser. Para un tipo de negro de humo determinado, el uso de porcentajes en peso bajos (0.1 por ciento o 0.15 por ciento) da como resultado una transmisión parcial hacia el interior de la pieza, con calentamiento subsuperficial. Esto es benéfico cuando se requieren capas fundidas más gruesas sin degradación de la superficie. En cambio, con porcentajes en peso altos (0.5 por ciento y superiores), la mayor parte de la absorción ocurre cerca de la superficie, lo que produce capas fundidas más delgadas.

Unión láser por transmisión de ABS

Se realizaron experimentos para evaluar la unión láser de ABS con películas de PTFE/PET mediante barridos de haz láser en línea. Se moldearon placas de ABS con diferentes tipos y niveles de negro de humo. Se encontró que el uso de 0.1 por ciento en peso de negro de humo fue lo más eficaz para esta aplicación porque produjo capas más gruesas que superaron la temperatura de transición vítrea (Tg). Esto permitió que el ABS fluyera con mayor facilidad y mejoró la adhesión a la película de PTFE/PET.

Texturizar la superficie del ABS para producir crestas o un cuadriculado mostró resultados prometedores (Figura 8). La superficie texturizada tenía un área mayor y aumentó el anclaje mecánico en la interfaz. La resistencia al pelado manual se sintió en general alta, especialmente al pelar de forma perpendicular a las crestas. La inspección visual de estas uniones fue muy prometedora, con abundantes fallas cohesivas en la película de PTFE/PET (Figura 9).

El calentamiento del ABS se realizó con un cabezal de haz láser en línea Leister 800 montado en un robot Fanuc. El cabezal láser se inclinó ligeramente en una dirección, de modo que la intensidad es ligeramente distinta al avanzar en una dirección que en la opuesta, denominadas dirección de empuje y de arrastre, como se muestra en la Figura 10. Para evaluar el efecto de la inclinación, se utilizó un registrador de datos de termopares USB TC-08 de Pico Technology para medir el historial de temperatura durante el calentamiento de empuje-arrastre.

Como se muestra en la Figura 11, la temperatura en la dirección de empuje es significativamente menor que en la dirección de arrastre. De manera similar, también se midió la temperatura para empuje-empuje (Figura 12) y arrastre-arrastre (Figura 13). En ambos casos, la variación de temperatura entre pasadas fue menor, y el arrastre-arrastre produjo temperaturas superficiales ligeramente más altas. En general, las temperaturas medidas fueron menores a lo esperado, probablemente porque los termopares eran grandes y solo se colocaron sobre la superficie. Usar alambres de termopar más pequeños y presionar la punta contra la superficie del ABS con una herramienta caliente mejoraría la exactitud de la medición.

Conclusión

Se estudió el calentamiento láser para la soldadura y unión de termoplásticos con el fin de determinar los efectos del tipo y nivel de contenido de negro de humo, la texturización de la superficie y la dirección de avance del láser sobre la calidad de la unión. Tanto para el calentamiento superficial como para el calentamiento por transmisión, el negro de humo es el colorante más utilizado. Se encontró que los tipos de negro de humo con baja agregación y distribución de partículas fueron los más eficaces para el calentamiento láser. Los experimentos con barrido de haz láser en línea en ABS mostraron que una ligera inclinación del cabezal láser puede producir un calentamiento distinto al avanzar hacia adelante (o dirección de arrastre) en comparación con avanzar hacia atrás (o dirección de empuje). En la unión de polímeros distintos, ABS con película de PTFE/PET, se encontró que la texturización de la superficie aumentó el área de unión por adhesión y la cantidad de anclaje mecánico, con lo que se lograron uniones superiores.

Referencias y agradecimientos

• 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.

Agradecemos a Leister Corp. por el uso del escáner de haz láser, a Fanuc America por el uso del robot y a Kimastle Corp. por su celda de automatización.

Avraham (Avi) Benatar es profesor asociado de ingeniería de soldadura y director del Laboratorio de Unión de Plásticos y Compuestos. También es coordinador del programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería de Soldadura a distancia y director académico de la Maestría en Liderazgo Global en Ingeniería de la Facultad de Ingeniería. Obtuvo los títulos S.B., S.M. y Ph.D. en Ingeniería Mecánica en el Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamientos de superficie, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen ha desarrollado tecnologías pioneras y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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