Dwufunkcyjne dodatki laserowe umożliwiają znakowanie i spawanie polimerów

Dwufunkcyjne dodatki laserowe umożliwiają znakowanie i spawanie polimerów

Dwufunkcyjne dodatki laserowe wprowadzane do polimerów podczas przetwórstwa pierwotnego umożliwiają znakowanie i spawanie transmisyjne polimerów przezroczystych i nieprzezroczystych. Nowatorskie dodatki chemiczne, w tym zgodne z wymaganiami FDA i wymaganiami dla wyrobów medycznych, zapewniają wysokowytrzymałe, hermetyczne połączenia spawane oraz trwały, nieprzezroczysty kontrast znakowania. Procesy znakowania laserowego i spawania laserowego są bezdotykowe, łatwe do kontroli i przyjazne środowisku. Znakowanie i spawanie polimerów, zaprojektowane z myślą o przystępnych cenowo, szybkich laserach i urządzeniach, spełnia wymagania dzisiejszych złożonych zastosowań.

Najważniejsze wnioski

• Jeden związek, dwa procesy. Dwufunkcyjne dodatki umożliwiają znakowanie i spawanie metodą transmisyjną w tym samym materiale.
• Spawanie transmisyjne (TTLW) przebiega w trzech etapach — nagrzewania, zbliżania i spawania — a typowe czasy spawania wynoszą od jednej do ośmiu sekund.
• Obie części muszą mieć przeciwne właściwości optyczne: górna musi przepuszczać daną długość fali, a dolna pochłaniać ją w cienkiej warstwie.
• Absorpcja w średnim zakresie jest przypadkiem najgorszym: nagrzewa całą grubość materiału, przez co część nie nadaje się ani jako górna, ani jako dolna część złącza.
• Spawanie laserowe zapewnia hermetyczne połączenia bez wypływek i cząstek stałych, z minimalną strefą wpływu ciepła i bez uszkodzenia powierzchni części.

Najczęściej zadawane pytania

Co oznacza „metoda transmisyjna” w spawaniu laserowym?

Wiązka lasera przechodzi przez przepuszczającą ją górną część i jest pochłaniana na powierzchni pochłaniającej ją dolnej części. Części są wstępnie złożone i zaciśnięte tak, aby powierzchnie łączone ściśle się stykały, a spoina powstaje na tej granicy.

Jakie są etapy spawania laserowego metodą transmisyjną?

Trzy. W etapie nagrzewania laser nagrzewa pochłaniający polimer na granicy części, który rozszerza się i zwiększa docisk spoiny. W etapie zbliżania dalsze rozszerzanie zwiększa docisk i zachodzi niewielki stopień spawania. W etapie spawania wystarczająca ilość stopionego materiału zapada się, tworząc właściwą spoinę, zwykle rzędu 0,13 mm.

Czy materiały wypełnione włóknem szklanym można spawać laserowo?

Spawano materiały wypełnione do 50% włókna szklanego, ale nie w przypadku połączeń hermetycznych. Napełniacze, dodatki i pigmenty zmieniają sposób reakcji polimeru na wiązkę lasera, dlatego przydatność materiału jest przy spawaniu laserowym bardziej wrażliwa niż w jakimkolwiek innym procesie łączenia.

Dlaczego wybrać spawanie laserowe zamiast ultradźwiękowego lub zgrzewania płytą grzejną?

Proces jest bezdotykowy, z lekkim zaciskiem pod gładką płytą szklaną, więc nic nie uszkadza części i nie przenoszą się drgania. Spoina jest podpowierzchniowa i prawie niewidoczna, strefa wpływu ciepła jest bardzo mała, dzięki czemu wcześniej umieszczone delikatne elementy nie ulegają uszkodzeniu, nie ma wypływek do usuwania, a można uzyskać hermetyczne, gazoszczelne połączenia.

Czy różne tworzywa sztuczne można ze sobą spawać laserowo?

Tak, pod warunkiem że spełniają niezbędne kryteria optyczne i termiczne. Każdy polimer w inny sposób przepuszcza trzy główne długości fal stosowane w spawaniu, dlatego oba materiały należy oceniać łącznie, a nie osobno.

Zastosowania produktowe

Przezroczyste, półprzezroczyste i nieprzezroczyste barwione polimery, w tym nylony, politereftalan etylenu (PET), poliwęglany, poliolefiny, polichlorek winylu (PVC), styrenowe, elastomery termoplastyczne (TPU) i termoplastyczne poliuretany (TPE), są specjalnie formułowane z użyciem dodatków niezawierających metali ciężkich, zatwierdzonych przez FDA i Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA), aby uzyskać wysokokontrastowe znakowanie, także w wyrobach spawanych laserowo (rysunek 1). Przejrzystość polimeru, transmisja widmowa i podstawowe właściwości fizyczne pozostają niezmienione. Bezdotykowe cyfrowe znakowanie laserowe zastępuje kosztowne etykiety samoprzylepne i procesy druku z użyciem farb chemicznych. Efektem są niskie koszty, przyjazność środowisku i lepszy wygląd estetyczny.

Mechanizmy reakcji powierzchni przy znakowaniu laserowym

Postępy w formułowaniu dodatków chemicznych do laserów bliskiej podczerwieni (NIR) (długość fali 1060–1080 nm) obejmują ich zgodność z laserami światłowodowymi na iterb, wanadanowymi i Nd:YAG. Większość polimerów bez dodatków chemicznych nie wykazuje absorpcji w zakresie NIR. Polimery, które można znakować laserem, to te, które pochłaniają światło lasera i zamieniają energię świetlną w cieplną. Dodatki, napełniacze, pigmenty i barwniki stosuje się w celu zwiększenia absorpcji energii lasera i uzyskania miejscowych zmian koloru. Zależnie od wymaganego kontrastu i funkcjonalności znakowania konfiguruje się zupełnie różne chemie receptur oraz parametry optyki i ustawień lasera.

Dwa typowe mechanizmy reakcji powierzchni pokazano na rysunku 1. Po pierwsze, może zachodzić termochemiczna „karbonizacja” lub „zwęglanie”, gdy energia pochłonięta w podłożu podnosi temperaturę materiału wokół miejsca absorpcji na tyle, że powoduje degradację termiczną polimeru. Ciemność lub jasność znaku zależy od pochłoniętej energii oraz od właściwej danemu materiałowi ścieżki degradacji termicznej. Dzięki optymalizacji ustawień lasera pozostałość po karbonizacji powierzchni jest minimalna.

Drugą reakcją powierzchni jest „spienianie” — zmiana chemiczna wywołana zastosowaniem dodatków, które podczas degradacji uwalniają parę wodną, co powoduje spienienie polimeru. W procesie spieniania energia lasera jest pochłaniana przez dodatek znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie środka spieniającego. Ciepło z absorbera powoduje degradację środka spieniającego i uwolnienie pary. Przy ścisłej kontroli parametrów pracy lasera na ciemnych podłożach można uzyskać wysokiej jakości, trwałe jasne, „białe” znaki.

Trzecia reakcja, niepokazana na rysunku, polega na wykorzystaniu energii lasera do nagrzania lub degradacji jednego barwnika w mieszaninie barwników, co powoduje zmianę koloru. Przykładem jest mieszanina sadzy i stabilnego barwnika nieorganicznego. Po nagrzaniu sadza zostaje usunięta, a barwnik nieorganiczny pozostaje. Takie układy mieszanych barwników zależą od stabilności poszczególnych barwników i nie wszystkie zmiany koloru są możliwe. Receptury z sadzą mają zasadnicze znaczenie w spawaniu laserowym.

Chemia dodatków laserowych do znakowania i spawania

Dodatki laserowe do bliskiej podczerwieni zwiększają stopień kontrastu, który można dodatkowo wzmocnić zmianą parametrów ustawień lasera. Polimery mają właściwości wrodzone, które dają „ciemny” lub „jasny” kontrast znakowania. Niektóre związki barwiące zawierające niewielkie ilości dwutlenku tytanu (TiO2) i sadzy również pochłaniają światło lasera i mogą poprawiać kontrast znakowania. Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny, może dawać inne wyniki. Receptury dodatków nie mogą być toksyczne ani niekorzystnie wpływać na wygląd, właściwości fizyczne lub funkcjonalne produktów.

W porównaniu z procesami druku farbami (tampondruk/sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe pozwalają obniżyć koszty, a prędkość znakowania może być o 20 procent i więcej wyższa niż w przypadku materiałów nieoptymalizowanych. Dodatki laserowe dostarcza się w postaci granulatu i proszku. Produkty w postaci granulatu można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza się na masterbatch. Większość z nich łatwo dysperguje się w polimerach. Zależnie od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowej części) mieści się w zakresie od 0,01 do 4,0 procent.

Zarówno granulat, jak i proszek można mieszać z wstępnie skomponowanym materiałem barwionym lub koncentratem barwnika. Wybór dodatku zależy od składu polimeru, koloru podłoża, wymaganego koloru kontrastu znakowania oraz wymagań certyfikacji dla zastosowania końcowego. W operacjach wytłaczania, wtrysku i termoformowania materiały wstępnie barwione w procesie komponowania zapewniają lepszą jednorodność niż koncentrat barwnika. Należy unikać mieszania ręcznego. Ważnymi czynnikami są przepływ w formie oraz rodzaj i położenie wlewu. Jednorodny rozkład i dyspersja dodatków laserowych w każdej części mają kluczowe znaczenie dla optymalnych wyników znakowania.

Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i trójtlenku antymonu, które mogą nadawać „szarawy” odcień naturalnej (niebarwionej) nieprzezroczystości podłoża. Inne dodatki mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali i związki zastrzeżone. Korekty koloru przeprowadza się za pomocą pigmentów i barwników, aby uzyskać ostateczny wygląd dopasowany do wzorca. W postaci dostarczanej handlowo niektóre dodatki (stosowane także do spawania laserowego) uzyskały zatwierdzenie FDA do kontaktu z żywnością i pakowania żywności na warunkach A–H według 21 CFR 178.3297 — Barwniki do polimerów. W Unii Europejskiej obowiązują podobne oświadczenia o zgodności. Warunki certyfikacji są specyficzne dla rodzaju polimeru, progowego poziomu dozowania oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego. Dalsza kwalifikacja dodatków zatwierdzonych przez FDA, wmieszanych do „gotowej części”, może zapewnić biozgodność wyrobów medycznych.

Podczas dozowania dodatku laserowego i dopasowywania koloru nierzadko zdarza się, że gotowy produkt zawiera mniej dodatku laserowego niż wynika z obliczeń. Problem ten prawie zawsze wiąże się z nierównomiernym rozkładem podczas wytłaczania lub formowania. Proste regulacje wtryskarki, takie jak zwiększenie przeciwciśnienia i prędkości obrotowej ślimaka, rozwiązują większość problemów. Jednorodny rozkład i dyspersja dodatków laserowych w każdej części mają kluczowe znaczenie dla optymalnych wyników znakowania. W operacjach wytłaczania, wtrysku i termoformowania materiały wstępnie barwione w procesie komponowania zapewniają lepszą jednorodność niż koncentrat barwnika. Należy unikać mieszania ręcznego. Ważnymi czynnikami są przepływ w formie oraz rodzaj i położenie wlewu.

Zasady spawania laserowego metodą transmisyjną

Określenie „metoda transmisyjna” wynika z tego, że wiązka lasera przechodzi przez przepuszczającą ją górną część do powierzchni pochłaniającej ją dolnej części, jak przedstawiono na rysunku 2. Spawanie tworzyw sztucznych laserem metodą transmisyjną (TTLW) obejmuje trzy etapy. W TTLW części są wstępnie złożone i zaciśnięte, aby zapewnić ścisły kontakt powierzchni łączonych. W tym artykule wykorzystuje się lasery diodowe dużej mocy (λ = 800–1000 nm) oraz lasery na ciele stałym (laser światłowodowy na iterb i Nd:YAG, λ = 1060–1080 nm).

W etapie nagrzewania energia lasera nagrzewa pochłaniający polimer na granicy części, co powoduje rozszerzanie się części i zwiększenie docisku spoiny. W ognisku wiązki moc lasera jest największa i w tym miejscu część zaczyna się topić, tworząc strefę stopienia. To początek drugiego etapu, etapu zbliżania. Następuje dalsze rozszerzanie części, z odpowiednim wzrostem docisku. W tym momencie zachodzi niewielki stopień spawania.

Etap spawania jest etapem końcowym. Powstaje wystarczająca ilość stopionego materiału, aby utworzyć właściwą spoinę. Następuje zapadnięcie się stopionego materiału, podobnie jak w zgrzewaniu płytą grzejną lub spawaniu przez stapianie. W większości zastosowań jest to rzędu 0,13 mm (0,005 cala). Typowe czasy spawania w większości zastosowań wynoszą od jednej do ośmiu sekund, choć większe części mogą wymagać więcej czasu. Istnieją cztery główne procesy spawania laserowego TTLW: spawanie konturowe, maskowe, jednoczesne i quasi-jednoczesne.

Dwie spawane części muszą mieć różne właściwości absorpcji optycznej przy danej długości fali spawania. Górna część, przepuszczająca wiązkę, musi przepuszczać jak największą część tej długości fali, a dolna część, pochłaniająca, musi pochłaniać jak największą jej część w cienkiej warstwie. Daje to najbardziej energooszczędne połączenie, ponieważ duża ilość energii jest pochłaniana na granicy części, a w przeciwnym razie mogłaby zdegradować górną część, zanim dolna zmięknie na tyle, by ją zespawać. Nadmierna odbijalność zwiększa również ilość energii potrzebnej do spawania.

Przydatność materiału jest przy spawaniu laserowym bardziej wrażliwa niż w jakimkolwiek innym procesie łączenia. Teoretycznie spawaniem laserowym można łączyć wszystkie tworzywa termoplastyczne przezroczyste dla wiązki lasera. Jednak zdolność każdego polimeru do przepuszczania światła laserów o trzech głównych długościach fal stosowanych w spawaniu laserowym jest inna. Ponadto reakcja danego polimeru na wiązki lasera zmienia się w obecności napełniaczy, dodatków i pigmentów.

Materiały o wysokiej absorpcji są idealne na dolną część w spawaniu TTLW, ponieważ pochłaniają większość energii na granicy spawania i tworzą cienką, nagrzaną warstwę powierzchniową, idealną do spawania laserowego. Materiały o absorpcji w średnim zakresie mogą stanowić problem, ponieważ pochłaniają energię lasera na całej grubości materiału, co powoduje nagrzanie całej jego grubości. Materiały te przepuszczają bardzo mało energii, dlatego są złymi kandydatami na materiał górny w spawaniu TTLW. Co więcej, nie pochłaniają zbyt wiele energii przy górnej krawędzi, więc również źle nadają się na materiał dolny. Spawano materiały wypełnione do 50 procent włókna szklanego, ale nie w przypadku połączeń hermetycznych.

Główne zalety TTLW obejmują:

• Spawanie bezdotykowe. W spawaniu laserowym do przytrzymania spawanych części stosuje się gładką płytę szklaną z lekką siłą zacisku 100 funtów lub mniejszą, bez kontaktu z narzędziem spawalniczym. W konsekwencji nic nie uszkadza powierzchni spawanych części, a proces nie wymaga docisku spawalniczego, który mógłby uszkodzić delikatne części.
• Spawanie podpowierzchniowe. Spoina powstaje na granicy dwóch części. Jest prawie niewidoczna w częściach przezroczystych i całkowicie niewidoczna w nieprzezroczystych. Może znajdować się tuż pod powierzchnią lub głęboko w częściach.
• Spawanie precyzyjne. Wielkość i położenie spoiny laserowej mogą być bardzo precyzyjne, a do spawanej części nie przenoszą się drgania. W wersjach procesu wymagających ruchu względnego między laserem a spawanymi elementami porusza się laser. W konsekwencji spawanie laserowe jest najbardziej precyzyjnym z procesów spawania.
• Minimalna strefa wpływu ciepła. Punkt spawania jest bardzo mały, a strefa wpływu ciepła dość ograniczona. W rezultacie można spawać bardzo blisko innych elementów bez ich uszkodzenia, co pozwala spawać podzespoły z wcześniej umieszczonymi wrażliwymi i delikatnymi częściami. Ponadto odkształcenia i degradacja pod wpływem ciepła są niezwykle ograniczone, a naprężenia szczątkowe zmniejszone.
• Możliwość spawania różnych tworzyw sztucznych. Różne tworzywa spełniające niezbędne kryteria można ze sobą spawać.
• Brak wypływek. W spawaniu laserowym spoina jest całkowicie zamknięta i nie powstają wypływki, które trzeba usuwać. Nie ma luźnych cząstek stałych.
• Połączenia hermetyczne. Spawanie laserowe umożliwia wykonanie hermetycznie szczelnej, gazoszczelnej spoiny.
• Efektywność energetyczna. W porównaniu z innymi procesami spawania spawanie laserowe jest bardzo energooszczędne. Oznacza to również, że nie powstaje nadmiar ciepła, który trzeba by odprowadzać ze stanowiska pracy.

Podsumowanie

Dwufunkcyjne dodatki laserowe wprowadzane do polimerów zapewniają lepszy kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i prędkość. Dodatki te optymalizują spawanie laserowe podobnych i różnych tworzyw termoplastycznych. Kluczową rolę odegrał postęp w przystępnej cenowo technologii laserów światłowodowych. Korzyści te szybko rekompensują dodatkowy koszt materiału dodatku. Zoptymalizowana chemia materiałowa do znakowania i spawania laserowego wymaga wiedzy o polimerach, barwnikach, pigmentach i barwnikach rozpuszczalnych w zakresie rozpuszczalności, wielkości cząstek, progowych limitów stężenia, dopasowania koloru i certyfikacji regulacyjnych (GRAS, FDA — kontakt bezpośredni/pośredni z żywnością). Znakowanie laserowe i spawanie polimerów metodą TTLW spełniają wymagania dzisiejszych zastosowań.

Źródła

• Scott R. Sabreen, „FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking”, Plastics Decorating Magazine, kwiecień/maj 2015
• Jordan Rotheiser, konsultant specjalista The Sabreen Group Inc. Fragmenty dotyczące spawania pochodzą z: Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, wyd. trzecie, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Monachium, 2009

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych — znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com.

---