Laser plastic welding - an innovative process in a new light

OTÁZKA: �o je to laser?

V prírode svetlo existuje v celom spektre vlnových d�ok, od ve�mi krátkych (röntgenové lú�e a �iarenie gama) a� po ve�mi dlhé (rádiové vlny). �lovek doká�e vníma� iba vidite�né alebo „biele“ svetlo s vlnovými d�kami v rozsahu 430 - 690 nanometrov (nm).1 Laserový lú� predstavuje zosilnenú koncentráciu svetelnej energie špecifickej vlnovej d�ky. Ide o koherentné svetlo, �o umo��uje jeho sústredenie úzkeho lú�a na malý bod na dlhé vzdialenosti. Slovo LASER je skratka, ktorá znamená Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, teda zosil�ovanie svetla stimulovanou emisiou �iarenia.

OTÁZKA: �o je to laserové zváranie plastov?
Ke� sa svetlo dostane do kontaktu s materiálom, ten ho mô�e prepusti�, odrazi� alebo absorbova�. Niektoré materiály, ako napríklad sklo alebo voda, biele svetlo prepúš�ajú. Zrkadlá a hladké povrchy svetlo odrá�ajú. Niektoré pevné látky, napríklad povrch vozovky alebo �ierne sedadlá áut, absorbujú jeho energiu a premenia ju na teplo.

Všeobecne platí, �e zváranie plastov je proces, pri ktorom sa pomocou tepla tavia plasty a pri opätovnom stuhnutí vytvárajú chemické väzby. Pri iných procesoch zvárania, ako je napríklad ultrazvukové alebo vibra�né, teplo pochádza z trenia spôsobeného nárazmi alebo šúchaním dielov o seba. Laserové zváranie však doká�e vytvára� teplo bez kontaktu alebo pou�itia hrubej sily, v�aka �omu vznikajú presnejšie a esteticky �istejšie zvary.

Na laserové zváranie sú potrebné dva diely: jeden musí laser prepúš�a� a druhý ho pohlcuje. Táto grafika znázor�uje, ako mo�no laserový lú� nasmerova� cez priesvitný diel na miesto, kde narazí na absorp�ný materiál a premení sa na teplo. Tento proces sa nazýva zváranie simultánym prenosom infra�erveného �iarenia (Simultaneous Through Transmission Infrared – STTIR). Dané dva diely musia by� v dobrom vzájomnom kontakte, pri�om musia dr�a� pokope ur�itou silou. Vytvorené teplo následne prejde spojením týchto dvoch materiálov a oba ich roztaví. Ke� sa laser vypne, diely sa ochladzujú a v mieste tuhnúceho zvaru sa spájajú.

OTÁZKA: Aké materiály sa laserom zvárajú najlepšie?
Roky výskumu v odvetví materiálov a zvárania preukázali, �e rôzne plasty majú odlišné absorp�né charakteristiky. Mno�stvo absorbovanej energie lasera mô�e závisie� od zlo�enia materiálu, jeho hrúbky, molekulárnej štruktúry, chemických prímesí a pou�itej vlnovej d�ky.

Pri laserovom zváraní sú potrebné priepustné a absorbujúce �asti. Mo�no to dosiahnu� pomocou dvoch rôznych plastov, ako je ABS a PMMA. Po�adovaný výsledok mo�no docieli� aj s dvoma materiálmi pridaním absorp�ných farbív na jeden z dielov. Amorfné plasty zvy�ajne bývajú priepustnejšie ako semi-kryštalické plasty. V semi-kryštalických plastoch spôsobujú kryštalické väzby vnútorné odrazy a výraznejšie pohlcovanie energie.

Vlnové d�ky okolo 1000 nm, ktoré sa ozna�ujú ako „blízka infra�ervená oblas�“ sa vyzna�ujú optimálnou priepustnos�ou a absorpciou v širokej škále materiálov. V prípade vlnových d�ok dosahujúcich 2000 nm vä�šina plastov energiu absorbuje, pri�om oba kontaktné diely sa mô�u zahria� rovnomerne, �o vyu�itie tejto technológie obmedzuje na tenšie diely.

Treba podotknú�, �e hoci niektoré diely mô�u by� prieh�adné alebo neprieh�adné pre biele svetlo, v blízkej infra�ervenej oblasti spektra sa mô�u správa� inak. Daný diel sa mô�e �udskému oku, ktoré vníma svetlo s vlnovou d�kou v rozsahu 430 - 690 nm, javi� ako neprieh�adný. Tento diel však nemusí absorbova� laserovú energiu v blízkej infra�ervenej oblasti spektra s vlnovou d�kou okolo 1000 nm, v�aka �omu mô�e pôsobi� ako výborná priepustná vrstva.

Je zaujímavé, �e pomocou laserovej technológie mo�no dokonca zvára� termoplasty a termosety. Termosetové plasty sa pri opätovnom nahrievaní nezvyknú tavi�, preto je ich zváranie ve�mi náro�né. Spolo�nos� Branson prostredníctvom pokusov zistila, �e laser mo�no úspešne pou�íva� aj v prípadoch, kde ostatné technológie zvárania zlyhávajú.

Existuje nespo�etné mno�stvo plastov a ich kombinácií, ktoré sú kompatibilné s laserovým zváraním. Oblas� vedy o materiáloch sa neustále posúva vpred. Pravidelne sa objavujú nové kombinácie plastov a prímesí. Mo�ností je ve�a a ich po�et neustále narastá.

OTÁZKA: Aké sú výhody laserového zvárania?
Po prvé, kvalita zvaru je výnimo�ná. Laserové zváranie je presný proces, pri ktorom obvyklá h�bka zvaru predstavuje pribli�ne 0,2 mm, �o je podstatne menej v porovnaní s h�bkou 1,5 mm pri vibra�nom zváraní. Spolo�nos� Branson dosiahla pri našich produktoch h�bku zvaru iba 0,05 mm. V externom výskumnom inštitúte sa podarilo dosiahnu� šírku zvaru 0,001 - 0,005 mm. 2

Vzh�ad výsledného zvaru prekonáva všetky ostatné technológie. Produkuje sa menej nadbyto�ného materiálu. V rámci tohto �istého zváracieho procesu sa nevytvárajú �iadne tuhé �asti ani odpad. Táto skuto�nos� má osobitný význam najmä pre aplikácie v oblasti zdravotníctva a filtra�ných zariadení.
Pevnos� zvaru závisí od kombinácie materiálov, geometrie spojov a aplikácie. Spolu s našimi dodávate�mi materiálov a zákazníkmi spolo�nos� Branson zaznamenala dôkazy o vyššej pevnosti niektorých laserom zváraných dielov v porovnaní s tradi�nými technikami zvárania. Laserovým zváraním je mo�né vytvára� hermetické tesnenia.

Trojrozmerné geometrie dielov mo�no zvára� laserovými lú�mi umiestnenými na viacerých osiach. Vibra�né zváranie naproti tomu vy�aduje rovinu zvaru a umo��uje iba obmedzený uhol odchýlky. V prípade laserového zvárania majú konštruktéri a návrhári ove�a vä�šiu slobodu pri tvarovaní produktu.

Laserové zváranie umo��uje spracovávanie citlivých dielov. Ke�e nedochádza k vzniku vibrácií, trenia ani hrubých prie�nych síl, zvára� mo�no aj krehké plasty alebo zostavy obsahujúce elektroniku.
Proces simultánneho laserového zvárania poskytuje vynikajúcu rýchlos� výroby a krátke intervaly cyklov. Patentovaný proces zvárania spolo�nosti Branson prezentuje doby zvárania v trvaní pribli�ne 0,5 - 5,0 sekúnd. Pre zákazníkov s ve�kým objemom výroby je to mimoriadne dôle�ité.

Proces simultánneho laserového zvárania je zárove� kompatibilný s rovnakými toleranciami dielov ako v prípade alternatívnych technológií, v�aka �omu ostávajú náklady na výrobu zváracieho nástroja nízke. Pomocou metódy spolo�nosti Branson mo�no dosiahnu� kontrolovaný a presný kolaps taveniny.

OTÁZKA: Existujú problematické oblasti alebo situácie, v ktorých by laserové zváranie nebolo najlepším riešením?
Proces laserového zvárania vy�aduje dva diely s rozdielnymi absorp�nými charakteristikami. Nie všetky polyméry sú prieh�adné. Dané diely musia by� zárove� pevne pritla�ené k sebe, aby sa v rámci tohto spojenia mohlo šíri� teplo. Takisto treba bra� do úvahy aj geometriu spoja, ke�e musí by� vystavený energii lasera.

OTÁZKA: Aké sú populárne aplikácie laserového zvárania pou�ívané na dnešnom trhu?
Miera vyu�ívania laserového zvárania narastá vo viacerých dôle�itých segmentoch trhu. Vzh�adom na významné výhody laserového zvárania spolo�nos� Branson zaznamenáva vyššiu mieru vyu�ívania v oblasti zdravotníctva, automobilového priemyslu, spotrebnej elektroniky a domácich potrieb. V rámci zdravotníctva ide o nosite�né systémy na podávanie liekov, filtráciu mikrofluidiku. V automobilovom priemysle sú to puzdrá sníma�ov, filtra�né zostavy, zoskupenia nástrojov, koncové svetlá, postrekovacie systémy a nádr�e na kvapaliny. V oblasti spotrebnej elektroniky ide hlavne o atramentové kazety do tla�iarní a zvukové reproduktory. V segmente domácich potrieb sú to naj�astejšie dávkova�e potravín a mnohé �alšie výrobky.

OTÁZKA: V �om vidíte budúcnos� tejto technológie?
Neustále sa rozvíjajúci a meniaci sa priemysel výroby a spracovania plastov aj na�alej zvyšuje štandardy estetiky a ú�innosti zváraných spojov v plastoch. Mno�stvo výhod bezkontaktnej metódy produkujúcej �isté zvary vysokej kvality bez odpadu, bez vibrácií robia z laserovej technológie ideálne riešenia pre dnešné aplikácie a výzvy budúcnosti.

O autorovi
John Paul „J. P.“ Kurpiewski pôsobí ako riadite� pre globálny produktový mana�ment v spolo�nosti Branson Ultrasonics Corporation, Danbury Connecticut, sú�asti spolo�nosti Emerson, od roku 2014. Pred nástupom do spolo�nosti Branson J. P. pracoval v rámci globálneho trhu z toho 5 rokov v spolo�nosti Emerson Industrial Automation. Okrem svojich skúseností a dvoch titulov, Masters of Business Administration, (MBA) z fakulty MIT Sloan School of Management a Master of Science (MS) z MIT, School of Engineering, J. P. prináša preh�ad a rozsiahle znalosti o výzvach a nárokoch sú�asného rýchlo sa rozvíjajúceho odvetvia výroby a spracovania plastov. Mô�ete sa na neho obráti� na adrese jp.kurpiewski@emerson.com, na �ísle 203.796.0400 alebo navštívte stránku www.BransonUltrasonics.com.

Branson, divízia EMERSON a.s. »