La padronanza dei 4 pilastri della saldatura laser dei polimeri con un laser da 1 micron fornirà una base eccellente per la progettazione della tecnologia.
Pilastro #1 - Strato superiore trasparente IR (infrarosso)
Il primo strato di materiale che il raggio laser incontra (lo strato trasparente IR) deve consentire il passaggio di una certa porzione di energia laser. È ampiamente raccomandato che almeno il 5% circa di questa energia passi attraverso il materiale per poter riscaldare efficacemente lo strato assorbente inferiore prima che si verifichi la degradazione o la combustione dello strato trasparente IR. Ho visto personalmente alcune applicazioni in cui passa meno dell'1% dell'energia, ma è necessario utilizzare parametri di saldatura speciali per creare un processo stabile ed evitare la degradazione o la bruciatura della superficie. Naturalmente esistono diverse idee sbagliate sul termine "trasmissivo e/o trasparente" quando si parla di saldatura laser della plastica. La prima è che il materiale non deve essere chiaro o trasparente all'occhio umano, ma deve solo passare la rispettiva lunghezza d'onda del laser. Nelle applicazioni più comuni di saldatura laser dei polimeri, la lunghezza d'onda utilizzata è di circa 980 nm (1 micron), fornita da una sorgente laser a diodi semiconduttori a stato solido.
Pilastro n. 2 - Strato inferiore che assorbe i raggi IR
Lo strato assorbente di plastica è il più importante dei due. Infatti, l'inizio del processo di saldatura avviene in questo strato. Quando il laser entra in contatto con questo strato, la plastica si riscalda fino al punto in cui il calore viene trasferito allo strato superiore ed entrambe le plastiche si fondono e si mescolano finché c'è uno stretto contatto meccanico tra le due. Ciò è dovuto in parte all'espansione termica di entrambe le plastiche che si riscaldano e si espandono l'una nell'altra, garantendo una buona miscelazione dei materiali all'interfaccia del giunto. Affinché il processo funzioni, lo strato assorbente deve essere drogato con un composto che assorbe l'energia laser IR. Il più comune è il nerofumo, drogato allo 0,2% - 0,5% in volume. È economico e facile da reperire, ma nella maggior parte dei casi la plastica risultante è grigia o nera. Il biossido di titanio viene utilizzato anche in combinazione con il nero di carbonio quando si desiderano colori diversi dal nero o dal grigio. Alcuni pigmenti possono essere aggiunti alla giusta miscela di TIO2 e/o nerofumo per ottenere praticamente qualsiasi colore desiderato. Se è necessario uno strato assorbente traslucido, ci sono un paio di fornitori diversi di un composto che può essere drogato nella plastica e che assorbe l'energia IR, pur consentendo alla plastica di essere in qualche modo traslucida. BASF ha un prodotto chiamato Lumogen e Crystalyn ha un prodotto chiamato Clearweld, entrambi con una tonalità verdastra. Esiste anche un nuovo prodotto che è praticamente trasparente quando viene drogato nella resina di base, prodotto da un fornitore chiamato Brilliance Laser Inks.
Pilastro n. 3 - Stretto contatto meccanico tra entrambi gli strati
Un contatto meccanico stretto tra le parti da saldare è probabilmente il fattore più critico quando si tratta di ottenere un processo buono e stabile. Non potrò mai sottolineare abbastanza quanto sia importante. È inoltre importante selezionare lo stile di serraggio corretto per il design del pezzo, che si tratti di una piastra di vetro, di maschere di serraggio metalliche interne o esterne, ecc. Il pezzo stesso deve essere in grado di gestire le forze risultanti applicate durante il serraggio, per evitare problemi di deformazione che potrebbero causare sporadiche aree non saldate lungo il cordone di saldatura. In alcuni casi, un sottile foglio di gomma siliconica trasparente da interporre tra il pezzo e l'attrezzatura di serraggio può attenuare i problemi legati alle superfici non piane e consentire un contatto completo tra i due pezzi. Anche il dispositivo di fissaggio o il nido di pezzi è un elemento chiave del pacchetto, in quanto il dispositivo deve garantire la rigidità sotto il pezzo per consentire un contatto meccanico adeguato. Il dispositivo deve essere a contatto con la parte inferiore del pezzo in tutte le aree in cui è presente un cordone di saldatura, senza alcuna domanda. (In un prossimo articolo fornirò un'analisi dettagliata della tecnologia di serraggio).
Pilastro n. 4 - Compatibilità dei materiali
In generale, i materiali termoplastici si saldano molto bene e in questo caso non dovrebbero esserci problemi di saldabilità. La maggior parte delle applicazioni di saldatura laser della plastica sono in grado di utilizzare questi materiali. Tuttavia, in alcuni casi è necessario saldare insieme due materiali diversi. Per ragioni meccaniche, di biocompatibilità, strutturali, ecc.
Quando si saldano tra loro materiali dissimili, occorre considerare due fattori:
- Il primo fattore è che le due plastiche devono avere una compatibilità chimica simile. Ad esempio, non sarebbe possibile saldare il silicone al policarbonato perché la loro compatibilità chimica è troppo diversa. Non sono uno scienziato dei materiali, quindi lascio la parola agli esperti del settore; tuttavia, ci sono alcune informazioni utili in un libro intitolato: Saldatura laser delle materie plastiche del Dr. Rolf Klein che illustra questo aspetto.
- Il secondo fattore è la cosiddetta "finestra di processo" della plastica. La finestra di processo deve avere una sovrapposizione di almeno 50 °C con la finestra di processo dell'altra plastica che si intende saldare. Per chiarire, una volta iniziato il riscaldamento, c'è un punto in cui la plastica inizia ad ammorbidirsi, chiamato temperatura di transizione vetrosa, e poi, man mano che il riscaldamento procede, un punto in cui la plastica si degrada o si decompone e si trasforma in carbonio. La maggior parte dei fornitori di resine fornisce la temperatura di transizione vetrosa nella scheda tecnica, ma non sempre viene indicata la temperatura di degradazione o decomposizione. Tenendo conto di ciò, l'obiettivo è che, durante la selezione dei materiali, le due plastiche abbiano una sovrapposizione della finestra di processo di almeno 50 °C, per sostenere un processo buono e stabile. Maggiore è la sovrapposizione della finestra di processo, più stabile sarà il processo.
In sintesi
La saldatura laser dei polimeri può sembrare un'arte nera, ma in realtà ha senso se la si analizza in base ai 4 pilastri di cui sopra. È possibile che si verifichino anomalie che non rientrano nelle tecniche sopra elencate, ma queste possono essere prese in considerazione caso per caso con l'aiuto di un esperto.
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