Zastosowanie laserów w obróbce materiałów rośnie gwałtownie. Prędkość, dokładność i elastyczność są tylko kilkoma z długiej listy korzyści, jakie przynosi ta zaawansowana technika wytwarzania. Niektóre rodzaje materiałów, w szczególności tworzywa sztuczne, posiadają nieodłączne właściwości, które ograniczają stosowanie laserów w technologiach łączenia. Niemniej zaawansowane, naukowe podejście pozwoliło te ograniczenia ominąć.
Jest wiele istniejących metod łączenia termoplastów, z których każda posiada swoje zalety i niedogodności. W spawaniu laserowym energia elektromagnetyczna jest absorbowana i przekształcana w energię cieplną.Tworzywa sztuczne w swoim naturalnym stanie nie absorbują promieniowania bliskiego podczerwieni (NIR – near infrared). Dlatego promieniowanie laserów NIR o wysokiej energii jest przez nie bezpośrednio transmitowane, innymi słowy – tworzywa są dla tego typu laserów przezroczyste.
Aby z sukcesem stosować lasery w procesie łączenia polimerów, ich (laserów) energia promieniowania musi zostać związana i przekształcona w ciepło. Światło lasera musi zostać zaabsorbowane i musi wygenerować wystarczającą ilość ciepła, aby utworzyć spaw. Do tej pory najpopularniejszym sposobem osiągnięcia tego celu było stosowanie substratów wypełnionych sadzą. Niestety to rozwiązanie nakłada ograniczenia związane z kolorystyką i estetyką.
Clearweld jest innowacyjnym procesem laserowego spawania termoplastów, który nie powoduje niepożądanej zmiany ich kolorów.
Metoda Clearweld została wynaleziona przez TWI, brytyjskie centrum rozwoju technik łączenia i spawania. Koncepcja została opracowana i rozwinięta, a następnie przekazana do wyłącznej dystrybucji korporacji GENTEX. Oferowana jest jako elastyczne rozwiązanie do łączenia przezroczystych, barwionych oraz mlecznych termoplastów.
Jak działa metoda Clearweld?
Przez lata prowadzenia prac badawczych Gentex, prywatna korporacja działająca w obszarze zaawansowanych technologii, doświadczona zarówno na rynku komercyjnym jak i militarnym, wdrożyła serię środków absorbujących promieniowanie w obszarze NIR, które pozostają całkowicie przezroczyste. Absorbenty te stworzyły i rozszerzyły możliwości działania w dwóch obszarach:
Powłoki
Pierwszym obszarem zastosowania jest nakładanie powłok. Powłoka jest roztworem absorbentu w rozpuszczalniku. Powłoki są wprowadzane w obszar spawu tylko tam, gdzie spaw jest pożądany.
W chwili gdy wprowadzamy energię lasera jest ona absorbowana przez powłokę i przetworzona na energię cieplną. To ciepło stapia substraty i wytwarza spaw.
Efektywność nakładania powłoki jest uzależniona od jej kompatybilności z parametrami procesu. Powłoki są opracowane tak, by uwzględnić rodzaj łączonego materiału, design wyrobu i parametry procesu.
Krytycznym, dla osiągnięcia sukcesu, czynnikiem jest równomierność i powtarzalność nałożenia powłoki w miejscu łączenia. Powłoki Clearweld są testowane i certyfikowane do zastosowania razem z dedykowanymi sposobami nakładania.
Żywice Clearweld
Drugim obszarem zastosowania technologii Clearweld są spawalne laserowo żywice. Takie żywice powstają przez dyspersję lub rozpuszczenie dodatków absorbujących bezpośrednio w żywicy bazowej. Żywica jest następnie używana do formowania absorbujących substratów lub części. Spawanie komponentów wykonanych z żywicy przebiega tak samo jak w przypadku powłok. Formuły żywic są tworzone zgodnie z wymaganiami procesu, w zależności od materiału i jego koloru. Partie wzorcowe są dostępne dla zainteresowanych. Istnieje również możliwość przeprowadzenia badań w laboratorium.
Czynniki techniczne
Zrozumienie dalej opisanych czynników technicznych jest nieodzowne do skutecznego wdrożenia metody Clearweld w poszczególnych zastosowaniach.
Substrat/Materiał
Aby skutecznie wykonać złącze spawane laserem, górny substrat (element, część) musi być przepuszczalny dla światła laserowego przy jego długości fali. Z kolei dolny substrat musi absorbować energię lasera bądź to w swojej masie bądź tylko na powierzchni. Oba substraty muszą pozostawać w kontakcie i docisku w czasie podgrzewania, by powstało złącze spawane.
Absorber promieniowania lasera
Żeby skutecznie zaabsorbować energię lasera i uczynić tworzywo spawalnym laserowo, potrzebny jest jakiś absorbent promieniowania. Może on być dodany do tworzywa dolnego substratu w jego masie lub na jego powierzchni. W tym celu są stosowane złożone dodatki organiczne, absorbujące tylko w docelowym zakresie długości fali tak, by spawać efektywnie przy jednoczesnej redukcji widzialnych śladów połączenia. Mogą być nakładane na substrat jako powłoka, lub dodane bezpośrednio do żywicy, by uformować substrat.
Mocowanie/Docisk
Aby zapewnić wystarczający przepływ energii i osiągnąć przetop, konieczny jest bezpośredni kontakt i docisk podgrzewanych materiałów. Wielkość docisku zależy od łączonych materiałów i jakości ich powierzchni w miejscu powstawania złącza. Docisk jest realizowany typowo za pomocą urządzeń ściskających i mechanicznych uchwytów. W niektórych wypadkach udaje się zrezygnować z zewnętrznych docisków. Dzieje się tak, gdy można zaprojektować złącze jako samodociskowe.
Design złącza/części spawanej
Aby wytworzyć dobre złącze spawane ważne jest, by zapewnić stosowną jakość i płaskość łączonych powierzchni. Najlepiej spisują się powierzchnie czyste, równoległe i płaskie.
Aby złącze w technologii Clearweld uformowało się właściwie, musi spełniać kilka wymagań. Złącze musi pozwalać na realizację docisku zewnętrznego lub wynikającego z jego designu. Musi również pozwalać energii laserowej dotrzeć do spawanej powierzchni. Złącze musi być więc ustawione prostopadle lub pod możliwie dużym kątem do wiązki światła laserowego.
Technologia lasera
Lasery o dużej mocy dostarczają wystarczającą ilość energii, by wytworzyć ciepło. W zależności od specyficznych wymagań aplikacji, można rozważać rozmaitość różnych poziomów mocy oraz konfiguracji trybów pracy lasera. Krytycznym parametrem jest jednak konieczność dopasowania długości światła laserowego do materiału absorbującego.
Dobór parametrów
Parametrami dla spawania laserowego są gęstość energii, ciśnienie docisku i koncentracja absorbentu. Dobór właściwych parametrów spawania pomaga spełnić wymagania aplikacji.
Obszary zastosowania
Spawanie laserowe metodą Clearweld otwiera nowe możliwości konstrukcyjne. Pierwszym obszarem zastosowania były elementy militarne, zwłaszcza wielowarstwowe przyłbice hełmów pilotów wojskowych. Innym obszarem zastosowania jest rynek elementów medycznych. Przezroczyste, mocne, szczelne i estetyczne połączenia są tu bardzo pożądane. Wykonuje się przede wszystkim złączki do aplikacji leków, elementy opakowań leków, ale najbardziej wyrafinowanym wyrobem są testery do krwi i moczu. Istotnym jest, że jedna kropla może się spotkać z kilkoma odczynnikami, oddzielonymi w osobnych mikroskopijnych przegródkach. Inną technologią nie można wykonać tak filigranowych i precyzyjnych zbiorniczków.
Nowo odkrytym rynkiem jest spawanie… tkanin. Powstały już zarówno spawane polary jak i spawane na materacach etykiety (szycie było zbyt mało wydajnym procesem). Poza rynkami specjalistycznymi istnieje cała gama zastosowań „popularnych”. Powstały już spawane laserowo breloki, etykiety adresowe, zbiorniki na chemikalia… Następne rynki czekają!
[Marek Bernaciak]
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (22/23) lipiec/sierpień 2009
