Пластики зафиксированы и сварены лазером

Джонатан Маги | 23 апреля 2021 г.

Промышленные лазеры используются для обработки инженерных пластмасс на многих рынках. Некоторые примеры распространенных процессов показаны на рисунке 1, включая лазерную маркировку, резку и сварку. Хорошо известные рынки в области лазерной сварки пластмасс включают автомобилестроение (рис. 2) и медицинское оборудование.

Лазерная сварка пластмасс имеет несколько важных преимуществ по сравнению с традиционными контактными методами. Лазерная сварка — это бесконтактный процесс в точке сварки, который обычно происходит на стыке наложенных друг на друга деталей. Следовательно, зона сварного шва герметизируется. В результате получается эстетичный сварной шов, стерильный и не загрязняющий поверхность соединяемых деталей. Кажется немного нелогичным, что детали, уже соприкасающиеся друг с другом, можно сваривать сверху вниз, не повреждая их внешние поверхности. При использовании традиционных методов сварки пластмасс, таких как ультразвуковая или горячая штамповка, контакт с внешними поверхностями свариваемых деталей неизбежен. Бесконтактная лазерная сварка пластмасс работает по принципу частичного пропускания, отражения, рассеяния и поглощения лазерного света внутри соединяемых полимерных цепей. Благодаря тщательному выбору пластика и оптических свойств лазера в определенных местах генерируется достаточно тепла, чтобы плавить и сплавлять материалы.

Проект процесса лазерной сварки должен быть разработан на ранних стадиях разработки продукта. Попытка модернизировать процесс лазерной сварки пластиковых изделий, изначально не предназначенных для лазерной сварки, иногда может сработать. Однако принятие принципов лазерного производства на ранней стадии разработки пластиковых изделий значительно уменьшит проблемы с технологичностью в дальнейшем.

Пластиковые изделия обладают, среди прочего, механическими, геометрическими, термическими и оптическими свойствами (рис. 3). На фундаментальном уровне пригодность пластиковых сборок к лазерной сварке в общих чертах можно определить по следующим параметрам:

Пластмассы плавятся и разлагаются при гораздо более низких температурах, чем металлы. Типичная температура плавления конструкционных пластиков составляет около 250° C. Существуют некоторые пластмассы с гораздо более высокими температурами плавления, например, полиэфирэфиркетон (PEEK), который находится в диапазоне от 350° до 400° C. Тесная совместимость температур плавления будет способствовать перемешиванию сварочной ванны и повышению механической прочности при повторном затвердевании. Определенные комбинации пластмасс, которые относительно близки по температуре плавления, являются хорошими кандидатами для сварки пластмасс. Химический состав пластика также имеет значение. Например, попытка сварить полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) с полипропиленом (ПП) не увенчается успехом, но можно сварить полиэтилен низкой плотности (ПЭВД) с полипропиленом (ПП), даже если полиэтилены относятся к одному семейству. . Особое внимание следует уделить сочетанию материалов.

Лазеры при обработке материалов обычно излучают световой луч на одной длине волны или в очень узком диапазоне длин волн. В отличие от естественного света, лазерный луч является когерентным и фокусируемым. При сварке пластмасс наиболее широко используются длины волн ближнего инфракрасного и инфракрасного диапазона от 800 нм до 2 мкм, часто с использованием мощных диодных лазеров. Эти длины волн длиннее, чем длины волн, видимые человеческим глазом, например, зеленый цвет, составляющий 532 нм в видимом спектре, и красный цвет, составляющий 635 нм. При использовании длин волн от 800 до 2000 нм свариваемые пластмассы должны иметь некоторую степень пропускания и поглощения в этом диапазоне. Пластмассы представляют собой в некоторой степени полукристаллические структуры и имеют аморфную и кристаллическую фазы. Различия в показателе преломления между аморфной и кристаллической фазами внутри пластика вызывают рассеяние и отражение света, когда на них падает лазерный луч, в дополнение к необходимому пропусканию и поглощению. Это может быть полезно или помехой для лазерной сварки, в зависимости от уровня этих эффектов. Конструктивное сочетание этих свойств позволяет добиться пропускания лазерного луча через верхнюю пластиковую часть и поглощения в нижней части (рис. 4). Иногда в маточную смесь добавляются добавки, чтобы полимеры поглощали лазерное излучение. На этапе проектирования следует учитывать, допустимы ли добавки в продукте — например, получит ли медицинское устройство, изготовленное из этого пластика, разрешение FDA?