Laserové svařování plastů - Inovativní proces v novém světle

Laserové svařování plastů - Inovativní proces v novém světle

Otázky a odpovědi z oblasti laserového svařování plastů. Autor článku John Paul Kurpiewski působí jako ředitel pro globální produktový management ve společnosti Branson Ultrasonics Corporation, Danbury Connecticut, součásti společnosti Emerson.

OTÁZKA: Čo je to laser?

V prírode svetlo existuje v celom spektre vlnových dĺžok, od veľmi krátkych (röntgenové lúče a žiarenie gama) až po veľmi dlhé (rádiové vlny). Človek dokáže vnímať iba viditeľné alebo „biele“ svetlo s vlnovými dĺžkami v rozsahu 430 - 690 nanometrov (nm).1 Laserový lúč predstavuje zosilnenú koncentráciu svetelnej energie špecifickej vlnovej dĺžky. Ide o koherentné svetlo, čo umožňuje jeho sústredenie úzkeho lúča na malý bod na dlhé vzdialenosti. Slovo LASER je skratka, ktorá znamená Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, teda zosilňovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia.

OTÁZKA: Čo je to laserové zváranie plastov?
Keď sa svetlo dostane do kontaktu s materiálom, ten ho môže prepustiť, odraziť alebo absorbovať. Niektoré materiály, ako napríklad sklo alebo voda, biele svetlo prepúšťajú. Zrkadlá a hladké povrchy svetlo odrážajú. Niektoré pevné látky, napríklad povrch vozovky alebo čierne sedadlá áut, absorbujú jeho energiu a premenia ju na teplo.

Všeobecne platí, že 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 vibračné, teplo pochádza z trenia spôsobeného nárazmi alebo šúchaním dielov o seba. Laserové zváranie však dokáže vytvárať teplo bez kontaktu alebo použitia hrubej sily, vďaka čomu vznikajú presnejšie a esteticky čistejšie zvary.

 


Na laserové zváranie sú potrebné dva diely: jeden musí laser prepúšťať a druhý ho pohlcuje. Táto grafika znázorňuje, ako možno laserový lúč nasmerovať cez priesvitný diel na miesto, kde narazí na absorpčný materiál a premení sa na teplo. Tento proces sa nazýva zváranie simultánym prenosom infračerveného žiarenia (Simultaneous Through Transmission Infrared – STTIR). Dané dva diely musia byť v dobrom vzájomnom kontakte, pričom musia držať pokope určitou silou. Vytvorené teplo následne prejde spojením týchto dvoch materiálov a oba ich roztaví. Keď 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, že rôzne plasty majú odlišné absorpčné charakteristiky. Množstvo absorbovanej energie lasera môže závisieť od zloženia materiálu, jeho hrúbky, molekulárnej štruktúry, chemických prímesí a použitej vlnovej dĺžky.

Pri laserovom zváraní sú potrebné priepustné a absorbujúce časti. Možno to dosiahnuť pomocou dvoch rôznych plastov, ako je ABS a PMMA. Požadovaný výsledok možno docieliť aj s dvoma materiálmi pridaním absorpčných farbív na jeden z dielov. Amorfné plasty zvyčajne bývajú priepustnejšie ako semi-kryštalické plasty. V semi-kryštalických plastoch spôsobujú kryštalické väzby vnútorné odrazy a výraznejšie pohlcovanie energie.

Vlnové dĺžky okolo 1000 nm, ktoré sa označujú ako „blízka infračervená oblasť“ sa vyznačujú optimálnou priepustnosťou a absorpciou v širokej škále materiálov. V prípade vlnových dĺžok dosahujúcich 2000 nm väčšina plastov energiu absorbuje, pričom oba kontaktné diely sa môžu zahriať rovnomerne, čo využitie tejto technológie obmedzuje na tenšie diely.

Treba podotknúť, že hoci niektoré diely môžu byť priehľadné alebo nepriehľadné pre biele svetlo, v blízkej infračervenej oblasti spektra sa môžu správať inak. Daný diel sa môže ľudskému oku, ktoré vníma svetlo s vlnovou dĺžkou v rozsahu 430 - 690 nm, javiť ako nepriehľadný. Tento diel však nemusí absorbovať laserovú energiu v blízkej infračervenej oblasti spektra s vlnovou dĺžkou okolo 1000 nm, vďaka čomu môže pôsobiť ako výborná priepustná vrstva.

Je zaujímavé, že pomocou laserovej technológie možno dokonca zvárať termoplasty a termosety. Termosetové plasty sa pri opätovnom nahrievaní nezvyknú taviť, preto je ich zváranie veľmi náročné. Spoločnosť Branson prostredníctvom pokusov zistila, že laser možno úspešne používať aj v prípadoch, kde ostatné technológie zvárania zlyhávajú.

Existuje nespočetné množstvo plastov a ich kombinácií, ktoré sú kompatibilné s laserovým zváraním. Oblasť vedy o materiáloch sa neustále posúva vpred. Pravidelne sa objavujú nové kombinácie plastov a prímesí. Možností je veľa a ich počet neustále narastá.

OTÁZKA: Aké sú výhody laserového zvárania?
Po prvé, kvalita zvaru je výnimočná. Laserové zváranie je presný proces, pri ktorom obvyklá hĺbka zvaru predstavuje približne 0,2 mm, čo je podstatne menej v porovnaní s hĺbkou 1,5 mm pri vibračnom zváraní. Spoločnosť Branson dosiahla pri našich produktoch hĺbku zvaru iba 0,05 mm. V externom výskumnom inštitúte sa podarilo dosiahnuť šírku zvaru 0,001 - 0,005 mm. 2

Vzhľad výsledného zvaru prekonáva všetky ostatné technológie. Produkuje sa menej nadbytočného materiálu. V rámci tohto čistého zváracieho procesu sa nevytvárajú žiadne tuhé časti ani odpad. Táto skutočnosť má osobitný význam najmä pre aplikácie v oblasti zdravotníctva a filtračných zariadení.
Pevnosť zvaru závisí od kombinácie materiálov, geometrie spojov a aplikácie. Spolu s našimi dodávateľmi materiálov a zákazníkmi spoločnosť Branson zaznamenala dôkazy o vyššej pevnosti niektorých laserom zváraných dielov v porovnaní s tradičnými technikami zvárania. Laserovým zváraním je možné vytvárať hermetické tesnenia.

Trojrozmerné geometrie dielov možno zvárať laserovými lúčmi umiestnenými na viacerých osiach. Vibračné zváranie naproti tomu vyžaduje rovinu zvaru a umožňuje iba obmedzený uhol odchýlky. V prípade laserového zvárania majú konštruktéri a návrhári oveľa väčšiu slobodu pri tvarovaní produktu.

Laserové zváranie umožňuje spracovávanie citlivých dielov. Keďže nedochádza k vzniku vibrácií, trenia ani hrubých priečnych síl, zvárať možno aj krehké plasty alebo zostavy obsahujúce elektroniku.
Proces simultánneho laserového zvárania poskytuje vynikajúcu rýchlosť výroby a krátke intervaly cyklov. Patentovaný proces zvárania spoločnosti Branson prezentuje doby zvárania v trvaní približne 0,5 - 5,0 sekúnd. Pre zákazníkov s veľkým objemom výroby je to mimoriadne dôležité.

Proces simultánneho laserového zvárania je zároveň kompatibilný s rovnakými toleranciami dielov ako v prípade alternatívnych technológií, vďaka čomu ostávajú náklady na výrobu zváracieho nástroja nízke. Pomocou metódy spoločnosti Branson možno dosiahnuť kontrolovaný a presný kolaps taveniny.

OTÁZKA: Existujú problematické oblasti alebo situácie, v ktorých by laserové zváranie nebolo najlepším riešením?
Proces laserového zvárania vyžaduje dva diely s rozdielnymi absorpčnými charakteristikami. Nie všetky polyméry sú priehľadné. Dané diely musia byť zároveň pevne pritlačené k sebe, aby sa v rámci tohto spojenia mohlo šíriť teplo. Takisto treba brať do úvahy aj geometriu spoja, keďže musí byť vystavený energii lasera.

OTÁZKA: Aké sú populárne aplikácie laserového zvárania používané na dnešnom trhu?
Miera využívania laserového zvárania narastá vo viacerých dôležitých segmentoch trhu. Vzhľadom na významné výhody laserového zvárania spoločnosť Branson zaznamenáva vyššiu mieru využívania v oblasti zdravotníctva, automobilového priemyslu, spotrebnej elektroniky a domácich potrieb. V rámci zdravotníctva ide o nositeľné systémy na podávanie liekov, filtráciu mikrofluidiku. V automobilovom priemysle sú to puzdrá snímačov, filtračné zostavy, zoskupenia nástrojov, koncové svetlá, postrekovacie systémy a nádrže na kvapaliny. V oblasti spotrebnej elektroniky ide hlavne o atramentové kazety do tlačiarní a zvukové reproduktory. V segmente domácich potrieb sú to najčastejšie dávkovače potravín a mnohé ďalšie výrobky.

 


OTÁZKA: V čom vidíte budúcnosť tejto technológie?

Neustále sa rozvíjajúci a meniaci sa priemysel výroby a spracovania plastov aj naďalej zvyšuje štandardy estetiky a účinnosti zváraných spojov v plastoch. Množstvo výhod bezkontaktnej metódy produkujúcej čisté 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 riaditeľ pre globálny produktový manažment v spoločnosti Branson Ultrasonics Corporation, Danbury Connecticut, súčasti spoločnosti Emerson, od roku 2014. Pred nástupom do spoločnosti Branson J. P. pracoval v rámci globálneho trhu z toho 5 rokov v spoločnosti 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 prehľad a rozsiahle znalosti o výzvach a nárokoch súčasného rýchlo sa rozvíjajúceho odvetvia výroby a spracovania plastov. Môžete sa na neho obrátiť na adrese jp.kurpiewski@emerson.com, na čísle 203.796.0400 alebo navštívte stránku www.BransonUltrasonics.com.

Branson, divízia EMERSON a.s. »

  • autor:
  • John Paul „J. P.“ Kurpiewski
  • Branson Ultrasonics, a.s.

    Branson Ultrasonics, a.s.

    Spojování plastů, ultrazvukové svářečky plastů, laserové svařování, navařování, gravírování, třecí a vibrační svařování, svařování laserem.



Mohlo by vás také zajímat