透過型レーザー溶着

透過型レーザー溶着

要点

• 一方の部品はレーザーを透過し、他方は吸収します。ビームは上側の部品を通り抜け、界面でエネルギーを放出します。
• 熱が必要な箇所だけで発生するため、振動も粒子も発生しません。
• 吸収が十分であれば、溶着品質を決めるのは部品同士の嵌合（フィットアップ）です。隙間は出力を上げても埋められません。
• カーボンブラックが従来からの吸収剤であり、レーザー溶着された組立品に黒いものが多いのはこのためです。

透過型レーザー溶着

透過型レーザー溶着は、近赤外線のビームが透過性のある上側の部品を通り抜け、下側の部品の表面で吸収されることで、接合界面のまさにその位置に熱を発生させ、クランプ圧力のもとで両面を溶融・融合させる接合プロセスです。熱可塑性樹脂に対するレーザー溶着の主流の構成であり、表面加熱では損傷しかねない材料でもこの技術が成り立つ理由となっています。

この構成の利点は、エネルギーがアセンブリの外側ではなく内部に投入されることです。目に見える表面はほとんど加熱されないため外観面は損なわれず、アセンブリに機械的なエネルギーが一切加わりません。このため、超音波溶着や振動溶着では影響が出る、電子部品、センサ、流体流路を内蔵した筐体に適しています。

接合部の各側が果たすべき役割

両方の部品は通常、同じポリマー、または適合性が実証されたポリマーとします。融点や粘度が異なる異種材料は、光学的な構成にかかわらず、健全な溶着が得られることはまれです。

接合部の設計とフィットアップ

吸収が十分になれば、溶着品質は機械的な問題になります。ここが、実際に多くのプログラムの成否を分ける部分です。

• 密着は必須です。溶融樹脂が界面を橋渡しする必要があり、隙間があると橋渡しする相手がありません。隙間にエネルギーを加えても、溶着ではなく材料が焼けるだけです。
• 隙間の許容差は、超音波溶着や振動溶着より厳しくなります。部品の反りと成形公差は、部品全体の寸法だけでなく、接合部に対して個別に管理する必要があります。
• 位置決め機能を持つ接合形状を設計してください。段差、実継ぎ（タング＆グルーブ）、せん断接合は、部品を位置決めし、必要な場所に溶融樹脂を集中させるため、平らな面が完全に合うことに頼らずに済みます。
• クランプは溶着経路全体で均一でなければなりません。圧力が不均一だと、強い箇所と溶着されていない箇所が混在する溶着になります。
• クランプ治具はビームの経路上にあります。ガラス製やアクリル製の加圧プレートは、状態が投入エネルギーに直接影響するため、清浄で傷のない状態に保つ必要があります。
• 溶着経路は、透過側の部品のゲートや成形ウェルドラインから離してください。これらはビームを局所的に散乱させ、再現性のある弱点を生じさせます。

溶着方式

溶着不具合の診断

関連用語と参考情報

• プラスチックのレーザー溶着
• 二重機能レーザー添加剤
• プラスチックのレーザー溶着
• 透過型溶着のためのカーボンブラックの選定

実運用での活用

The Sabreen Groupは、透過型溶着の開発、材料の組み合わせ、接合部の適格性確認について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性確認、生産上の問題のトラブルシューティングなど、当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途について、ぜひお問い合わせください。

よくある質問

一方の部品が透過し、他方が吸収する必要があるのはなぜですか？

熱をアセンブリの外側ではなく、接合界面で発生させるためです。ビームは上側の部品にほとんどエネルギーを与えずに通り抜け、下側の部品の表面で吸収され、生じた熱がクランプ圧力のもとで両面を一緒に溶融します。このため、数ミリ離れた場所で溶着が行われていても、外観面と内部部品は損なわれません。

透明な部品は必ずビームをよく透過しますか？

いいえ。この思い込みは多くの無駄な開発を招きます。目に見える透明度と近赤外線の透過率は別の特性で、水のように透明に見える部品でも1064 nmで減衰することがあり、半結晶性ポリマーは見た目にかかわらず、結晶領域でビームを散乱させます。目視で判断せず、使用する波長で透過率を測定してください。

吸収剤の添加量が適切なのに溶着が弱いのはなぜですか？

通常はフィットアップが原因です。溶融樹脂が界面を橋渡しする必要があるため、両面がクランプ圧力のもとで密着していなければなりません。隙間があると、追加のエネルギーは隙間を埋めるのではなく材料を焼いてしまいます。レーザー溶着は超音波溶着や振動溶着に比べて隙間への許容度が低いため、接合部の公差と部品の反りは、溶着部で個別に管理する必要があります。

レーザー溶着したアセンブリは黒でなければなりませんか？

今はそうではありません。カーボンブラックは従来からの吸収剤で、今も最も安価であるため、レーザー溶着された組立品に黒いものが多くなっていますが、二重機能添加剤や近赤外線吸収添加剤により、見た目が黒くなくても吸収が得られるようになりました。これにより、添加剤コストは上がるものの、明るい色や有色、方式によってはほぼ透明の溶着組立品も可能です。

どの溶着方式を選ぶべきですか？

輪郭溶着（コンター溶着）は、大きな経路や複雑な経路に適し、治具コストも控えめです。準同時（クアジシマルテニアス）走査は、接合部全体を一緒に溶融するため、接合部の沈み込みが可能で、わずかな隙間にも比較的許容度があり、気密シールでは通常の選択肢です。同時溶着は、大量生産で形状が固定されている場合にサイクルが最短となりますが、治具コストは最も高くなります。通常は、隙間の許容度と生産量が選定を決めます。

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