Tecnología de soldadura láser en el procesamiento de plásticos
El equipo de soldadura no requiere contacto con las piezas de plástico unidas.
Pronto.
El equipo tiene un alto grado de automatización y es fácil de procesar piezas plásticas complejas.
No habrá flash.
Soldado firmemente.
Se pueden obtener piezas soldadas de alta precisión.
Tecnología sin vibraciones.
Puede producir estructuras estancas al aire o al vacío.
Minimiza el daño térmico y la deformación térmica.
Se pueden unir entre sí resinas de diferentes composiciones o colores. Las ventajas de la soldadura láser en la soldadura de piezas de plástico incluyen: soldadura precisa y firme, hermética al aire y al agua, menos degradación de la resina durante la soldadura, menos generación de desechos y la superficie del producto se puede conectar firmemente alrededor de la soldadura. La soldadura láser tiene la ventaja de no dejar residuos, lo que la hace más adecuada para productos médicos y sensores electrónicos controlados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU.
Fácil de controlar, puede soldar piezas de trabajo con estructura de tamaño pequeño o forma compleja. Debido a que el láser se controla fácilmente mediante un software de computadora, la salida del láser de fibra puede alcanzar de manera flexible todas las partes finas de la pieza. Por lo tanto, la soldadura por láser se puede utilizar para soldar áreas que son difíciles de alcanzar con otros métodos de soldadura y puede soldar productos. con formas complejas o incluso geometrías tridimensionales.
En comparación con otros métodos de soldadura, la soldadura láser reduce en gran medida la tensión por vibración y la tensión térmica del producto. Esto significa que los componentes internos del producto o dispositivo envejecerán más lentamente y se pueden aplicar a productos que se dañan fácilmente. Se pueden soldar una variedad de materiales diferentes. Por ejemplo, el policarbonato y el tereftalato de polibutileno negro reforzado con fibra de vidrio se pueden unir mediante transmisión láser de infrarrojo cercano. Sin embargo, es imposible polimerizar las dos estructuras, puntos de reblandecimiento y materiales de refuerzo con estructuras tan diferentes mediante otros métodos de soldadura. conectados entre sí. La forma más común de soldadura láser se llama soldadura por transmisión láser. El proceso de esta tecnología es el siguiente: primero se unen dos piezas de plástico a soldar y luego se dirige un rayo láser en la región infrarroja de onda corta hacia las piezas a unir. El rayo láser atraviesa el material transparente de arriba y es absorbido por el material de abajo. La absorción de energía láser hace que la temperatura del material subyacente aumente, derritiendo los plásticos tanto en la capa superior como en la inferior. El material superior puede ser transparente o coloreado, pero debe poder garantizar un paso suficiente del láser.
Figura 1: Diagrama esquemático de soldadura por transmisión láser.
En el pasado, dos capas de plástico transparente no se podían soldar mediante tecnología de transferencia porque no podían absorber suficiente energía láser. Asimismo, las dos capas negras de material no pueden soldarse entre sí mediante tecnología de transmisión porque el haz no tiene suficiente penetración para calentar la superficie de contacto de soldadura. Sin embargo, los recientes avances tecnológicos han hecho posible soldar los dos materiales. La tecnología de soldadura por transmisión láser utiliza principalmente dos tipos de equipos láser: uno es cristal Nd3+:YAG y el otro es diodo semiconductor. La longitud de onda del láser Nd3+:YAG es de 1064 nanómetros (nm), que es fácilmente absorbida por plásticos que contienen rellenos o pigmentos especiales. El láser se puede transmitir fácilmente al cabezal láser a través de fibra óptica, especialmente en la tecnología de soldadura que utiliza equipos automatizados.
El rango de longitud de onda generado por el láser de diodo está entre 800-1000 nm, que es la región de energía más efectiva para soldar. Es compacto y fácil de instalar en equipos de automatización. Las características de absorción de los láseres de diodo son similares a las del Nd3+:YAG.
La soldadura de plástico utiliza en ocasiones un láser de dióxido de carbono (CO2). Puede producir ondas de luz de 10600 nm, que el plástico absorbe más fácilmente que el Nd3+:YAG y el láser de diodo. Sin embargo, el rendimiento de penetración del láser de dióxido de carbono no es tan bueno como el de los otros dos láseres. Por lo tanto, el láser de dióxido de carbono se utiliza principalmente para soldar materiales de película delgada.
Tipo de láser CO2 Nd3+:Diodo YAG
Longitud de onda (micras) 10,6 1,06 0,8-1,0
Energía máxima (W) 60.000 6.000 6.000
Eficiencia 10% 3% 30%
Se utiliza para transmitir haces de luz con fibra de reflexión especular, fibra de espejo y espejo
Tamaño mínimo del punto (mm) 0,2-0,7 (Diámetro) 0,1-0,5 (Diámetro) 0,5x0,5
Tabla 1: Comparación de tecnologías de procesamiento láser de plástico comunes en el mercado
Utilizando tecnología de soldadura por transmisión láser de diodo o Nd:YAG, el Plástico Las piezas con un espesor superior a 1 mm se sueldan entre sí a una velocidad lineal superior a 20 m/min. La velocidad de soldadura con láser de dióxido de carbono puede alcanzar los 750 metros/minuto. Casi todos los termoplásticos y elastómeros termoplásticos se pueden soldar mediante tecnología de soldadura láser. Los materiales de soldadura más utilizados incluyen PP, PS, PC, ABS, poliamida, PMMA, poliformaldehído, PET y PBT. Sin embargo, algunos otros plásticos de ingeniería, como el PPS y los polímeros de cristal líquido, no son adecuados para la tecnología de soldadura láser debido a su baja transmitancia láser. Por lo tanto, a menudo se agrega negro de humo al material base para que pueda absorber suficiente energía para cumplir con los requisitos de la soldadura por transmisión láser.
Figura 2: Polímeros para soldadura láser
Para la soldadura láser se pueden utilizar materiales poliméricos sin carga o reforzados con fibra de vidrio. Sin embargo, si el contenido de fibra de vidrio es demasiado alto, el láser infrarrojo se dispersará y se reducirá la penetrabilidad del haz a través del polímero.
Los plásticos coloreados también se pueden utilizar para la soldadura láser, pero a medida que aumenta el contenido de pigmento o colorante, disminuye la capacidad del rayo láser para penetrar el plástico. Existen varios métodos de soldadura diferentes para la soldadura láser de plástico.
Soldadura de contorno: el láser se mueve a lo largo de la línea de contorno de la capa de soldadura de plástico y la funde, de modo que las capas de plástico se unen gradualmente o la capa intermedia se mueve a lo largo del rayo láser fijo para lograr el propósito; de soldadura.
Soldadura simultánea: los rayos láser de múltiples diodos se dirigen a lo largo de la capa de soldadura hasta el contorno y funden el plástico, haciendo que todo el contorno se funda y se una al mismo tiempo.
Soldadura cuasi simultánea: Esta tecnología combina las dos tecnologías de soldadura anteriores. El rayo láser de alta velocidad (al menos 10 m/s) es generado por un reflector y se mueve a lo largo de la pieza a soldar, provocando que toda la pieza a soldar se caliente gradualmente y se fusione.
Soldadura con máscara: el rayo láser se posiciona a través de la plantilla, funde y une el plástico, exponiendo solo una pequeña y precisa porción soldada de la capa de plástico subyacente. Con esta tecnología, se puede lograr una soldadura de alta precisión de hasta 10 micras.
Figura 3: Tecnología de soldadura circunferencial secuencial, soldadura síncrona y soldadura casi síncrona (de izquierda a derecha)
GLOBO Welding se suelda a lo largo del contorno del producto y es un producto de la empresa suiza Empresa Leister Tecnología patentada. El rayo láser se enfoca punto por punto en la interfaz de soldadura a través de una bola de vidrio con colchón de aire que puede rodar libremente sin fricción. Las esferas de vidrio no sólo enfocan, sino que también actúan como pinzas mecánicas. A medida que la bola rueda por la superficie, proporciona una presión constante sobre la superficie de la articulación. Esto asegura que haya sujeción por presión mientras el láser calienta el material. Las bolas de vidrio reemplazan las abrazaderas mecánicas, ampliando el alcance de las aplicaciones de soldadura láser en soldadura tridimensional continua. En la industria automotriz, la tecnología de soldadura de plástico por láser se puede utilizar para fabricar muchas piezas de automóviles, como inyectores de combustible, cremalleras de cambio, sensores de motor, parrillas de cabina, tanques hidráulicos, parrillas de filtros, faros y luces traseras, etc. Otras aplicaciones automotrices incluyen la fabricación de colectores de admisión y bombas de agua auxiliares.
Figura 4: Faros de coche procesados mediante tecnología de soldadura láser, utilizando una esfera de vidrio que puede enfocar el láser y servir como herramienta de sujeción.
En el ámbito médico, la tecnología de soldadura láser se puede utilizar para fabricar tanques de almacenamiento de líquidos, equipos de filtración de líquidos, conectores de mangueras, bolsas de ostomía, audífonos, implantes, dispositivos microfluídicos para análisis, etc.
Figura 5: Dispositivo microfluídico fabricado mediante tecnología de soldadura láser, que aprovecha la alta precisión de esta tecnología.
La soldadura láser es una tecnología libre de vibraciones y, por lo tanto, es especialmente adecuada para el procesamiento de componentes electrónicos de precisión. Entre los dispositivos fabricados con tecnología láser se encuentran ratones, teléfonos móviles, dispositivos conectados, etc. Los dispositivos electrónicos automotrices fabricados con tecnología láser incluyen cerraduras automáticas de puertas, dispositivos de entrada y salida sin llave y sensores.
El láser también puede soldar películas de plástico y la película se mueve a lo largo del borde de la película para formar una estructura sellada del paquete mediante la unión. El proceso de operación se puede completar rápidamente. Según información de TWI, se utiliza un láser de CO2 de 100 W para soldar películas de polietileno de 100 micras a una velocidad de 100 m/min.
Figura 6: Imagen microscópica de dos películas de polietileno soldadas mediante láser.