Scelta del nerofumo per una saldatura laser per trasmissione e un giunto riusciti

Scelta del nerofumo per una saldatura laser per trasmissione e un giunto riusciti

Sintesi

La saldatura laser è utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni per unire i termoplastici, perché è un metodo di riscaldamento senza contatto con tempi ciclo brevi e costi contenuti. Sia per il riscaldamento superficiale sia per il riscaldamento per trasmissione, il nerofumo è il colorante più usato. Si è riscontrato che i tipi di nerofumo con bassa aggregazione e distribuzione delle particelle sono i più efficaci per il riscaldamento laser. Gli esperimenti con scansione a fascio laser lineare hanno mostrato che una lieve inclinazione della testa laser può produrre un riscaldamento diverso nel movimento in avanti rispetto a quello all'indietro. Nell'unione di polimeri dissimili si è riscontrato che la texturizzazione superficiale aumentava l'area del giunto adesivo e l'entità dell'ancoraggio meccanico, con giunti di qualità superiore.

Punti chiave

• Conta il tipo di nerofumo, non solo la percentuale in peso. Gran parte della letteratura ignora questa distinzione; assorbimento e conversione in calore variano notevolmente.
• Bassa aggregazione e distribuzione delle particelle si sono dimostrate le più efficaci per il riscaldamento laser.
• Il dosaggio tipico è dallo 0,1% all'1% in peso e, nell'unione dell'ABS, lo 0,1% è risultato il livello più efficace.
• Il nerofumo non è fuliggine. La fuliggine si forma quando una sostanza brucia in modo incompleto; sono materiali molto diversi.
• La direzione di avanzamento del laser modifica il risultato. Una lieve inclinazione della testa laser riscalda in modo diverso in avanti e all'indietro.

Domande frequenti

Il tipo di nerofumo è davvero importante per la saldatura laser?

Sì, in modo considerevole. Gran parte della letteratura sul riscaldamento laser considera solo la percentuale in peso, ma i diversi tipi di nerofumo variano notevolmente e influenzano sia l'assorbimento dell'energia laser sia la sua conversione in calore. I tipi con bassa aggregazione e distribuzione delle particelle sono risultati i più efficaci.

Quanto nerofumo si deve aggiungere?

In genere dallo 0,1% all'1% in peso è un modo efficace per incorporare un assorbitore laser in uno dei componenti. Nell'unione per trasmissione di ABS a film in PTFE/PET, lo 0,1% in peso si è dimostrato il più efficace perché produceva strati più spessi che superavano la temperatura di transizione vetrosa, consentendo all'ABS di fluire e migliorando l'adesione.

Qual è la differenza tra nerofumo e fuliggine?

Sono sostanze molto diverse. La fuliggine si forma quando un polimero o un'altra sostanza brucia in modo incompleto ed è generalmente amorfa. Il nerofumo è un materiale prodotto industrialmente con struttura controllata, ed è questo controllo a rendere prevedibile il suo comportamento di assorbimento laser.

La texturizzazione superficiale favorisce l'unione laser?

Sì. La texturizzazione della superficie dell'ABS per produrre nervature o un reticolo incrociato ha dato risultati promettenti, perché la superficie texturizzata ha un'area maggiore e aumenta l'ancoraggio meccanico all'interfaccia, in particolare per l'unione di polimeri dissimili.

Perché la direzione di avanzamento del laser dovrebbe influire sulla qualità della saldatura?

Gli esperimenti con scansione a fascio laser lineare hanno mostrato che una lieve inclinazione della testa laser produce un riscaldamento diverso nel movimento in avanti, in direzione di trazione, rispetto a quello all'indietro. È una variabile di impostazione da verificare quando la qualità della saldatura varia lungo il giunto.

Introduzione

La saldatura laser dei termoplastici può essere realizzata con due diversi metodi di riscaldamento: il riscaldamento superficiale e il riscaldamento per trasmissione [1-5]. In entrambi i casi si aggiunge al polimero un colorante per l'assorbimento del laser. Il nerofumo è il colorante più usato, ma gran parte della letteratura sul riscaldamento laser dei polimeri non tratta i diversi tipi di nerofumo. Pertanto, in questo lavoro esamineremo i diversi tipi di nerofumo e le loro prestazioni di assorbimento del laser. Inoltre, gli effetti della texturizzazione superficiale e della direzione di avanzamento del laser sull'unione saranno discussi in uno studio sperimentale sull'unione laser dell'ABS.

Riscaldamento laser

Come detto, il riscaldamento laser è possibile sia con il riscaldamento superficiale sia con quello per trasmissione [5]. Come mostrato nella Figura 1, il riscaldamento superficiale può essere ottenuto espandendo il fascio laser e riscaldando contemporaneamente, tramite specchi, le superfici di entrambi i componenti. È anche possibile utilizzare un fascio laser lineare o uno spot laser con uno specchio di scansione per scandire e riscaldare rapidamente le superfici dei componenti, come mostrato nella Figura 2. In entrambi i casi è necessario incorporare nel componente in plastica un assorbitore, come il nerofumo, per l'assorbimento del laser e il riscaldamento.

Nel riscaldamento laser per trasmissione, un componente è trasparente al laser mentre il secondo contiene un additivo, come il nerofumo, che assorbe la radiazione laser e la converte in calore (Figura 3). Esistono diversi modi di applicare il riscaldamento laser per trasmissione. Nel riscaldamento a scansione, il fascio laser scandisce le linee di giunzione spostando il laser oppure con specchi di scansione (Figura 4). Nel riscaldamento simultaneo, il fascio laser viene espanso oppure si impiegano più sorgenti laser insieme a fasci di fibre ottiche per riscaldare contemporaneamente l'intera area del giunto (Figura 5). Nel riscaldamento quasi simultaneo, uno specchio di scansione ad alta velocità scandisce rapidamente l'area del giunto, simulando il riscaldamento simultaneo con un unico fascio laser ad alta potenza (Figura 6). Un'altra opzione è il riscaldamento simultaneo con mascheratura, per riscaldare solo l'area del giunto impedendo al fascio laser di raggiungere le altre aree (Figura 7). Anche in questo caso il componente assorbente contiene un colorante, come il nerofumo, per assorbire la radiazione laser e convertirla in calore.

Nerofumo

In molte applicazioni, l'aggiunta di piccole quantità di nerofumo (in genere dallo 0,1 all'1 percento in peso) è un modo efficace per incorporare un assorbitore laser in uno dei componenti in plastica. Di solito il tipo di nerofumo utilizzato non viene considerato, ma solo la percentuale in peso [6]. Tuttavia, i diversi tipi di nerofumo variano notevolmente e possono influenzare l'assorbimento e la conversione dell'energia laser in calore.

Innanzitutto, è importante riconoscere che nerofumo e fuliggine sono sostanze molto diverse. La fuliggine si forma quando un polimero o un'altra sostanza non brucia completamente. La fuliggine è generalmente carbonio amorfo in polvere con un'area superficiale molto inferiore a quella del nerofumo. Il nerofumo si ottiene dalla combustione incompleta di prodotti petroliferi pesanti, seguita dall'estrazione dei composti organici, con un contenuto di carbonio elementare superiore al 97 percento. Come mostrato nella Tabella 1, il nerofumo viene spesso classificato in base al processo di produzione [7]. I tipi di nerofumo con bassa aggregazione e distribuzione delle particelle sono risultati i più efficaci per il riscaldamento laser.

La combinazione del tipo di nerofumo con la sua percentuale in peso nel polimero influenza l'assorbimento del laser. Per un dato tipo di nerofumo, l'uso di percentuali in peso più basse (0,1 o 0,15 percento) determina una trasmissione parziale nel componente, con un riscaldamento sub-superficiale. Ciò è vantaggioso quando servono strati fusi più spessi senza degradazione della superficie. Al contrario, con percentuali in peso elevate (0,5 percento e oltre), la maggior parte dell'assorbimento avviene in prossimità della superficie, con strati fusi più sottili.

Unione laser per trasmissione dell'ABS

Sono stati condotti esperimenti per valutare l'unione laser dell'ABS a film in PTFE/PET mediante scansioni a fascio laser lineare. Sono state stampate piastre in ABS con diversi tipi e livelli di nerofumo. Si è riscontrato che lo 0,1 percento in peso di nerofumo era il più efficace per questa applicazione, perché produceva strati più spessi che superavano la temperatura di transizione vetrosa (Tg). Ciò consentiva all'ABS di fluire più facilmente e migliorava l'adesione al film in PTFE/PET.

La texturizzazione della superficie dell'ABS per produrre nervature o un reticolo incrociato ha dato risultati promettenti (Figura 8). La superficie texturizzata aveva un'area maggiore e aumentava l'ancoraggio meccanico all'interfaccia. La resistenza alla pelatura manuale è risultata generalmente elevata, in particolare pelando perpendicolarmente alle nervature. L'ispezione visiva di questi giunti è stata molto promettente e ha mostrato ampie zone di cedimento coesivo nel film in PTFE/PET (Figura 9).

Il riscaldamento dell'ABS è stato eseguito con una testa a fascio laser lineare Leister 800 montata su un robot Fanuc. La testa laser era leggermente inclinata in una direzione, in modo che l'intensità fosse leggermente diversa nel movimento in una direzione rispetto a quella opposta, denominate direzione di spinta e di trazione, come mostrato nella Figura 10. Per valutare l'effetto dell'inclinazione, è stato utilizzato un registratore di dati per termocoppie USB TC-08 di Pico Technology per misurare l'andamento della temperatura durante il riscaldamento in spinta-trazione.

Come mostrato nella Figura 11, la temperatura nella direzione di spinta è significativamente inferiore a quella nella direzione di trazione. Analogamente, la temperatura è stata misurata anche per spinta-spinta (Figura 12) e trazione-trazione (Figura 13). In entrambi i casi la variazione di temperatura tra le passate è risultata minore, e la trazione-trazione ha prodotto temperature superficiali leggermente più elevate. In generale, le temperature misurate sono risultate inferiori al previsto, probabilmente perché le termocoppie erano di grandi dimensioni e sono state semplicemente appoggiate sulla superficie. L'uso di fili di termocoppia più piccoli e la pressione della punta sulla superficie dell'ABS con un utensile riscaldato migliorerebbero la precisione della misura.

Conclusione

Il riscaldamento laser per la saldatura e l'unione dei termoplastici è stato studiato per determinare gli effetti del tipo e del livello di contenuto di nerofumo, della texturizzazione superficiale e della direzione di avanzamento del laser sulla qualità del giunto. Sia per il riscaldamento superficiale sia per quello per trasmissione, il nerofumo è il colorante più usato. Si è riscontrato che i tipi di nerofumo con bassa aggregazione e distribuzione delle particelle sono i più efficaci per il riscaldamento laser. Gli esperimenti con scansione a fascio laser lineare sull'ABS hanno mostrato che una lieve inclinazione della testa laser può produrre un riscaldamento diverso nel movimento in avanti (o direzione di trazione) rispetto a quello all'indietro (o direzione di spinta). Nell'unione di polimeri dissimili, ABS e film in PTFE/PET, si è riscontrato che la texturizzazione superficiale aumentava l'area del giunto adesivo e l'entità dell'ancoraggio meccanico, con giunti di qualità superiore.

Riferimenti e ringraziamenti

• 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.

Desideriamo ringraziare Leister Corp. per l'uso dello scanner a fascio laser, Fanuc America per l'uso del robot e Kimastle Corp. per la cella di automazione.

Avraham (Avi) Benatar è professore associato di ingegneria della saldatura e direttore del Plastics and Composites Joining Laboratory. È inoltre coordinatore del programma di laurea magistrale a distanza in Welding Engineering e direttore accademico del Master of Global Engineering Leadership del College of Engineering. Ha conseguito le lauree S.B., S.M. e il Ph.D. in ingegneria meccanica presso il Massachusetts Institute of Technology.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

---