בחירת פחם שחור (carbon black) לריתוך וחיבור מוצלחים בלייזר בהעברה דרך החומר

בחירת פחם שחור (carbon black) לריתוך וחיבור מוצלחים בלייזר בהעברה דרך החומר

תקציר

ריתוך בלייזר משמש במגוון רחב של יישומים לחיבור תרמופלסטים, משום שהוא שיטת חימום ללא מגע, עם זמני מחזור קצרים ועלות נמוכה יותר. הן בחימום פני השטח והן בחימום בהעברה דרך החומר, פחם שחור הוא חומר הצביעה הנפוץ ביותר. נמצא כי סוגי פחם שחור בעלי הצטברות וחלוקה נמוכות של חלקיקים היו היעילים ביותר לחימום בלייזר. ניסויים בסריקה בקרן לייזר קווית הראו כי הטיה קלה של ראש הלייזר יכולה לייצר חימום שונה בתנועה קדימה לעומת תנועה אחורה. בחיבור פולימרים שונים נמצא כי מרקום פני השטח הגדיל את שטח חיבור ההידבקות ואת מידת הנעילה המכנית, וכך הניב חיבורים עדיפים.

עיקרי הדברים

• סוג הפחם השחור חשוב, לא רק אחוז המשקל. רוב הספרות מתעלמת מההבחנה; הבליעה והמרת החום משתנות מאוד.
• הצטברות וחלוקה נמוכות של חלקיקים הוכחו כיעילות ביותר לחימום בלייזר.
• העמסה אופיינית היא 0.1% עד 1% במשקל, ובחיבור ABS רמה של 0.1% הייתה היעילה ביותר.
• פחם שחור אינו פיח. פיח נוצר כאשר חומר נשרף באופן חלקי; אלה חומרים שונים מאוד.
• כיוון תנועת הלייזר משנה את התוצאה. הטיה קלה של ראש הלייזר מחממת אחרת בתנועה קדימה לעומת אחורה.

שאלות נפוצות

האם סוג הפחם השחור באמת חשוב בריתוך בלייזר?

כן, במידה ניכרת. רוב הספרות על חימום בלייזר דנה רק באחוז המשקל, אך סוגי פחם שחור שונים נבדלים מאוד זה מזה ומשפיעים הן על בליעת אנרגיית הלייזר והן על המרתה לחום. סוגים בעלי הצטברות וחלוקה נמוכות של חלקיקים נמצאו היעילים ביותר.

כמה פחם שחור יש להוסיף?

בדרך כלל 0.1% עד 1% במשקל הם דרך יעילה להטמיע בולע לייזר באחד החלקים. בחיבור בהעברה דרך החומר של ABS לסרטי PTFE/PET, 0.1% במשקל היה היעיל ביותר משום שיצר שכבות עבות יותר החורגות מטמפרטורת המעבר הזגוגי, מה שאיפשר ל-ABS לזרום ושיפר את ההידבקות.

מה ההבדל בין פחם שחור לפיח?

אלה חומרים שונים מאוד. פיח נוצר כאשר פולימר או חומר אחר נשרף באופן חלקי, והוא בדרך כלל אמורפי. פחם שחור הוא חומר מיוצר בעל מבנה מבוקר, ובקרה זו היא שהופכת את התנהגות בליעת הלייזר שלו לצפויה.

האם מרקום פני השטח מסייע בחיבור בלייזר?

כן. מרקום פני השטח של ה-ABS ליצירת רכסים או קווים מצטלבים הראה תוצאות מבטיחות, משום שלמשטח הממורקם יש שטח גדול יותר והוא מגביר את הנעילה המכנית בממשק – דבר שימושי במיוחד בחיבור פולימרים שונים.

מדוע כיוון תנועת הלייזר משפיע על איכות הריתוך?

ניסויים בסריקה בקרן לייזר קווית הראו כי הטיה קלה של ראש הלייזר יוצרת חימום שונה בתנועה קדימה, בכיוון המשיכה, לעומת תנועה אחורה. זהו משתנה התקנה ששווה לבדוק כאשר איכות הריתוך משתנה לאורך המחבר.

מבוא

ריתוך תרמופלסטים בלייזר יכול להתבצע בשתי שיטות חימום שונות: חימום פני השטח וחימום בהעברה דרך החומר [1-5]. הן בחימום פני השטח והן בחימום בהעברה דרך החומר מוסיפים לפולימר חומר צביעה לצורך בליעת הלייזר. פחם שחור הוא חומר הצביעה הנפוץ ביותר, אך רוב הספרות על חימום פולימרים בלייזר אינה דנה בסוגים השונים של פחם שחור. לכן, בעבודה זו נסקור את סוגי הפחם השחור השונים ואת ביצועי בליעת הלייזר שלהם. בנוסף, ההשפעות של מרקום פני השטח וכיוון תנועת הלייזר על החיבור יידונו אף הן במחקר ניסויי של חיבור ABS בלייזר.

חימום בלייזר

כאמור, חימום בלייזר אפשרי הן בחימום פני השטח והן בחימום בהעברה דרך החומר [5]. כפי שמוצג באיור 1, ניתן לבצע חימום פני השטח על ידי הרחבת קרן הלייזר וחימום בו-זמני של פני שני החלקים באמצעות מראות. ניתן גם להשתמש בקרן לייזר קווית או בנקודת לייזר עם מראת סריקה כדי לסרוק ולחמם במהירות את פני החלקים, כפי שמוצג באיור 2. בשני המקרים יש להטמיע בחלק הפלסטי בולע, כגון פחם שחור, לצורך בליעת הלייזר והחימום.

בחימום בלייזר בהעברה דרך החומר, חלק אחד שקוף ללייזר ואילו החלק השני מכיל תוסף, כגון פחם שחור, הבולע את קרינת הלייזר וממיר אותה לחום (איור 3). קיימות דרכים רבות להשתמש בחימום בלייזר בהעברה דרך החומר. בחימום בסריקה, קרן הלייזר סורקת את קווי החיבור על ידי הזזת הלייזר או שימוש במראות סריקה (איור 4). בחימום בו-זמני, קרן הלייזר מורחבת או שנעשה שימוש במספר מקורות לייזר יחד עם צרורות סיבים אופטיים כדי לחמם בו-זמנית את כל אזור החיבור (איור 5). בחימום כמעט בו-זמני, נעשה שימוש במראת סריקה מהירה לסריקת אזור החיבור במהירות, המדמה חימום בו-זמני באמצעות קרן לייזר יחידה בעלת הספק גבוה (איור 6). אפשרות נוספת היא חימום בו-זמני עם מיסוך, כדי לחמם רק את אזור החיבור ולחסום את קרן הלייזר מלהגיע לאזורים אחרים (איור 7). גם כאן, החלק הבולע כולל חומר צביעה, כגון פחם שחור, לבליעת קרינת הלייזר והמרתה לחום.

פחם שחור (Carbon Black)

ביישומים רבים, הוספת כמויות קטנות של פחם שחור (בדרך כלל בין 0.1 אחוז ל-1 אחוז במשקל) היא דרך יעילה להטמיע בולע לייזר באחד החלקים הפלסטיים. בדרך כלל אין מתחשבים בסוג הפחם השחור שבו משתמשים – רק באחוז המשקל [6]. עם זאת, סוגי הפחם השחור השונים נבדלים מאוד זה מזה, והם יכולים להשפיע על הבליעה ועל המרת אנרגיית הלייזר לחום.

ראשית, חשוב להכיר בכך שפחם שחור ופיח הם חומרים שונים מאוד. פיח נוצר כאשר פולימר או חומר אחר אינו נשרף במלואו. פיח הוא בדרך כלל פחמן אמורפי בצורת אבקה, עם שטח פנים נמוך בהרבה משל פחם שחור. פחם שחור מיוצר מבעירה חלקית של מוצרי נפט כבדים ואחריה מיצוי של תרכובות אורגניות, וכתוצאה מכך מכיל למעלה מ-97 אחוז פחמן יסודי. כפי שמוצג בטבלה 1, פחם שחור מסווג לעיתים קרובות לפי תהליך הייצור [7]. סוגי פחם שחור בעלי הצטברות וחלוקה נמוכות של חלקיקים היו היעילים ביותר לחימום בלייזר.

השילוב בין סוג הפחם השחור לבין אחוז המשקל שלו בפולימר ישפיע על בליעת הלייזר. עבור סוג פחם שחור נתון, שימוש באחוזי משקל נמוכים (0.1 אחוז או 0.15 אחוז) מביא להעברה חלקית אל תוך החלק ולחימום תת-שטחי. הדבר מועיל כאשר נדרשות שכבות התכה עבות יותר ללא פגיעה במשטח. לחלופין, בשימוש באחוזי משקל גבוהים (0.5 אחוז ומעלה), רוב הבליעה מתרחשת סמוך לפני השטח, מה שיוצר שכבות התכה דקות יותר.

חיבור ABS בלייזר בהעברה דרך החומר

ניסויים להערכת חיבור ABS לסרטי PTFE/PET בלייזר בוצעו באמצעות סריקות בקרן לייזר קווית. לוחות ABS נוצקו עם סוגים ורמות שונות של פחם שחור. נמצא כי שימוש ב-0.1 אחוז פחם שחור במשקל היה היעיל ביותר ליישום זה משום שיצר שכבות עבות יותר שחרגו מטמפרטורת המעבר הזגוגי (Tg). הדבר איפשר ל-ABS לזרום ביתר קלות ושיפר את ההידבקות לסרט ה-PTFE/PET.

מרקום פני ה-ABS ליצירת רכסים או קווים מצטלבים הראה תוצאות מבטיחות (איור 8). למשטח הממורקם היה שטח גדול יותר, והוא הגביר את הנעילה המכנית בממשק. חוזק הקילוף הידני הורגש גבוה בדרך כלל, במיוחד בקילוף בניצב לרכסים. בדיקה חזותית של חיבורים אלה הייתה מבטיחה מאוד, והראתה כמויות נרחבות של כשל קוהזיה בסרט ה-PTFE/PET (איור 9).

חימום ה-ABS בוצע באמצעות ראש קרן לייזר קווית Leister 800 שהותקן על רובוט Fanuc. ראש הלייזר הוטה מעט בכיוון אחד, כך שהעוצמה שונה במקצת בתנועה בכיוון אחד לעומת הכיוון ההפוך, המכונים כיוון דחיפה וכיוון משיכה, כפי שמוצג באיור 10. להערכת השפעת ההטיה נעשה שימוש במתעד נתוני צמדים תרמיים Pico Technology USB TC-08 למדידת היסטוריית הטמפרטורה במהלך חימום בדחיפה-משיכה.

כפי שמוצג באיור 11, הטמפרטורה בכיוון הדחיפה נמוכה משמעותית מזו בכיוון המשיכה. באופן דומה נמדדה הטמפרטורה גם בדחיפה-דחיפה (איור 12) ובמשיכה-משיכה (איור 13). בשני המקרים השונות בטמפרטורה בין המעברים הייתה קטנה יותר, ומשיכה-משיכה הניבה טמפרטורות פני שטח גבוהות מעט יותר. באופן כללי, הטמפרטורות שנמדדו היו נמוכות מהצפוי, כנראה משום שהצמדים התרמיים היו גדולים והונחו רק על פני המשטח. שימוש בחוטי צמד תרמי דקים יותר ולחיצת הקצה אל משטח ה-ABS בכלי מחומם ישפרו את דיוק המדידה.

סיכום

חימום בלייזר לריתוך וחיבור של תרמופלסטים נחקר כדי לקבוע את השפעות סוג הפחם השחור ורמת התכולה שלו, מרקום פני השטח וכיוון תנועת הלייזר על איכות החיבור. הן בחימום פני השטח והן בחימום בהעברה דרך החומר, פחם שחור הוא חומר הצביעה הנפוץ ביותר. נמצא כי סוגי פחם שחור בעלי הצטברות וחלוקה נמוכות של חלקיקים היו היעילים ביותר לחימום בלייזר. ניסויים בסריקה בקרן לייזר קווית עם ABS הראו כי הטיה קלה של ראש הלייזר יכולה לייצר חימום שונה בתנועה קדימה (או כיוון משיכה) לעומת תנועה אחורה (או כיוון דחיפה). בחיבור פולימרים שונים, ABS לסרט PTFE/PET, נמצא כי מרקום פני השטח הגדיל את שטח חיבור ההידבקות ואת מידת הנעילה המכנית, וכך הניב חיבורים עדיפים.

מקורות והודאות

• 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.

אנו מבקשים להודות ל-Leister Corp. על השימוש בסורק קרן הלייזר, ל-Fanuc America על השימוש ברובוט ול-Kimastle Corp. על תא האוטומציה שלה.

Avraham (Avi) Benatar הוא פרופסור חבר להנדסת ריתוך ומנהל המעבדה לחיבור פלסטיק וחומרים מרוכבים. הוא גם מרכז תוכנית התואר השני בהנדסת ריתוך בלמידה מרחוק והמנהל האקדמי של התוכנית לתואר שני בהנהגה הנדסית גלובלית בפקולטה להנדסה. הוא קיבל תארים S.B., S.M ו-Ph.D. בהנדסת מכונות מ-Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק – סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור מעל 30 שנה. ניתן ליצור קשר בטלפון 972.820.6777 או באמצעות www.sabreen.com או www.plasticslasermarking.com.

---