Viac ako 16 rokov riešime projekty priemyslového značenia.

Zváranie plastov laserom

Laserové zváranie plastov sa v poslednom desaťročí stalo pokrokovou a dôležitou priemyselne používanou technológiou.

Pokračujúci rozvoj nových laserov s vlnovou dlážkou v spektre viditeľnej infračervenej oblasti (zelený laser) a spektre blízkej infračervenej oblasti v koordinácii s vývojom súvisiacich absorbérov pridaných do plastových materiálov poskytujú možnosť spojovať transparentné a nepriehľadné absorpčné plastové materiály. Automobilový priemysel, zdravotnícky priemysel, elektronický priemysel, to sú len niektoré z oblastí, kde je široko realizovaná technológia laserového zvárania plastov.

laser 21 1

V súčasnej dobe rastie záujem priemyslu o rozšírenie zvárania rozdielnych plastových materiálov. K prekonaniu problémov spojených so zváraním plastových materiálov je veľmi dôležité pochopenie mechanizmov spojovania, morfológie a molekulárne chovanie konštrukcie plastov. Tiež pochopenie výsledných mechanických a tepelných vlastností, hustoty difúzie, migrácie, deformácie, atď.
Už na počiatku 70. rokov sa vykonávali úplne prvé pokusy laserového zvárania termoplastických polymérov. Bol použitý CO2 laser na 100 mikrónový polyetylénový film a zváral sa v preplátovanom stroji. Viacmennej k prelomu pre laserové zváranie polymérov došlo až v polovici 90. rokov minulého storočia, kedy boli vyvinuté stabilné diódové lasery v rozmedzí vlnových dĺžok 800-110 nanometrov na výkonových úrovniach do 200 wattov. Dnes sa najčastejšie používa vlnová dĺžka laserov pre zváranie 980 nm alebo 1064 nm. Typický rozsah výkonu laseru pre zváranie plastov je 10 až 50 W. Diódový alebo vláknový laser Solaris je obvykle integrovaný so zrkadlami, vychyľovanou skenovacou hlavou laserového lúča alebo umiestnením laseru priamo na robot, pre zvýšenie rýchlosť zvárania sa teraz uplatňuje kombinácia robota a laseru so skenovacou hlavou. K vedeniu výkonu laserového lúča od laserového zdroja sa používa optické vlákno, kedy vlákno je u diódových laserov pasívne (nezvyšuje výkon laseru, len ho prenáša) alebo aktívne optické vlákno zvyšujúce výkon laserového zdroja (princíp vláknového laseru). Vláknový laser Solaris má veľmi stabilný výkon a parametre laserového zdroja ako v kontinuálnom móde (CW), tak aj v pulznom móde laseru. Stabilita laserového výkonu je veľmi dôležitá pre zváranie plastov, kedy je potrebné dosiahnuť konštantnú teplotu plastu.

laser 21 2
Základný princíp laserového zvárania polymérov je znázornený na obrázku. Prekrytý spoj dvoch plastov je základnou konfiguráciou pre zváranie polymérnych materiálov. „Horná“ časť plastu je transmisná pre vlnovú dĺžku laseru (laser prechádza cez materiál) na „spodný“ polymér, ktorý naopak absorbuje laserový lúč a teda aj mení jeho energiu na tepelnú (zahrieva sa). Schopnosť absorbovať laserové svetlo je dôsledkom chemických farbív alebo pigmentov, tiež nazývaných „absorbers“, ktoré sa pridávajú k polyméru pred lisovaním. Najpoužívanejší absorbér sú sadze, ale používa sa mnoho ďalších farbív alebo pigmentov. Zaujímavý je iný typ zvárania, kedy sa pridáva infračervený kvapalný absorbér ako aktívum medzi povrchy len pred zváraním. Táto absorpčná kvapalina sa predáva pod obchodným označením „Clear Wald“ a behom zvárania absorbuje energiu laserového lúča na rozhranie medzi povrchmi materiálov. Dochádza tak k roztaveniu povrchov a ich zváraniu len v úzkej oblasti okolo spoja. Jedným z veľkých problémov súvisiacich s laserový zváraním termoplastických polymérov je riadenie absorpcie energie lúča v ploche materiálu na spoločnom rozhraní. Väčšina polymérov je obvykle priehľadná alebo priesvitná vo viditeľnej a blízkej infračervenej oblasti, iba s pigmentmi alebo chemickými prísadami je dosiahnutá vhodná absorpcia k vlnovej dĺžke laseru. Pri zváraní laserom je absorbér pridaný iba do „spodnej“ absorbujúcej časti, zatiaľ čo „horná“ časť musí byť k vlnovej dĺžke transparentná.

laser 21 3
V dôsledku uvedených vlastností princípu zvárania leží zvar vo vnútri dvoch materiálov, podobným spôsobom, ako je známe z odporového zvárania kovov. Jednou z výhod spojených s laserovým zváraním polymérov je teda neviditeľný spoj vykonávaný vysokou rýchlosťou s veľmi nízkym tepelným príkonom a minimálnym ovplyvnením okolia zvaru. Optimálna kvalita zvaru, čo sa týka pevnosti, sa obvykle dosahuje pri určitom vedení energie (tj. energia dodaná na jednotku dĺžky), čo znamená, že je určitý pomer medzi výkonom a rýchlosťou zvárania. Príliš nízke vedenie energie môže mať za následok mierne adhézne priľnutie, zatiaľ čo príliš vysoká energia laseru môže mať za následok rozklad materiálu (zhorí, zuhoľnatie). K sledovaniu teploty zvárania slúži rada metód. Najbežnejšie sa používajú pyrometre, ktoré ponúkajú možnosť sledovať proces zvárania on-line. Meranie teploty je bezkontaktné a môže byť prepojené s on-line režimom výkonu laseru. Pre správnu kvalitu zvaru je nutné mať dostatočný prítlak privarovaných plôch. Bežne zvárateľne materiály sa skladaj z rôznych kombinácii oboch amorfných polymérov (ako je ABS, PC, PU, PMMA, PVC) a semikryštalických polymérov (ako sú PP, PE a POM), napr. nasledujúce kombinácie: ABS - PC / PU -PC / PP - PE / PMMA - PVC / PC - POM / PMMA - POM.
Zváranie laserom je veľmi rýchle, lúč sa dá nasmerovať presne na definované miesto a preto opakovanie procesu je veľmi presné. Presnosť pôsobenia lúča tiež neovplyvňuje okolie zvaru. Veľká flexibilita v zmene tvaru produktu, kedy je laser pripravený v rade sekúnd zvárať iný produkt na iné miesto, to sú výhody laseru. Laserové zváranie od Leonarda je budúcnosť pre automobilový priemysel.

laser 21 4
Zváranie plastov je možné vykonávať vibračne (zahrejú sa dve styčné plochy a spoja sa), ultrazvukom, tepelným nahriatím, IR svetlom a tiež laserom. Vláknový laser je na vlnovej dĺžke IR svetla, a teda dochádza k spojeniu laserového a IR zvárania. Ide o zváranie plastu za pôsobenia radiácie, ktorá v spojení s ovládaním laserového lúča je veľmi presná a smerovanie lúča je riadené skenovacou hlavou. Stopa lúča môže byť pritom od 0,01 mm až napríklad do 2 mm. Medzera medzi dvomi materiálmi musí byť maximálne 0,1 mm, inak ku spojeniu nedôjde. Z toho dôvodu je vyžadovaná vysoká kvalita plastových dielov z formy a tiež vytvorenie prítlaku dvoch materiálov, ktoré sa priblížia na minimálnu možnú vzdialenosť. Spojenie dvoch materiálov za pomoci laseru je možné, pokiaľ jeden z materiálov je absorpčný a laserový lúč sa v ňom zachytí a druhý materiál je transparentný pre laserový lúč. Vďaka týmto vlastnostiam lúč prenikne, penetruje s malým útlmom cez transparentný materiál A ( v našom prípade šošovka) a ide ďalej na vrstvu materiálu B, ktorý je absorpčný pre laserový lúč. Pôsobením laseru dochádza k zahriatiu materiálu a teplo sa prenáša na optiku (transparentný materiál) a pôsobením tlaku na oba materiály sa eliminuje medzera medzi materiálmi a dochádza k spojeniu materiálu. Podmienkou zvárania je použitie dvoch materiálov s odlišnou absorpciou pre laserový lúč-inak sa zvárania nedá vykonať. Vďaka malému, lokálnemu pôsobeniu laserového lúča na materiál, nie je namáhaný celý plastový diel. Laserový lúč sa dá veľmi presne nastaviť, čo do výkonu a frekvencie, a máme tak veľkú kontrolu nad procesom zvárania. V spojení s tepelnou kontrolou v dobe zvárania nedôjde k prehriatiu materiálu a k jeho spáleniu, karbonizácii a degradácii zvareného spoja. Spoj je tiež veľmi nenápadný a vďaka precíznosti zvárania na malej ploche je veľmi pevný. Celý proces je nekontaktný a neobsahuje opotrebované nástroje, ktoré by vyžadovali servis a kontrolu. Systém má veľmi vysokú životnosť a tým pádom aj náklady na prevádzku sú nižšie.

Aby sme vám zaistili lepšie užívateľské prostredie, používa tento web súbory cookie. Používaním webu s ich užívaním súhlasíte. Akceptovať