Plásticos bloqueados y soldados con láser

Jonathan Magee | 23 de abril de 2021

Los láseres industriales se utilizan para procesar plásticos de ingeniería en muchos mercados. En la Figura 1 se muestran algunos ejemplos de los procesos comunes, incluidos el marcado, el corte y la soldadura con láser. Los mercados bien reconocidos en el campo de la soldadura de plásticos con láser incluyen la automoción (Figura 2) y los dispositivos médicos.

La soldadura basada en láser tiene varias ventajas importantes para los plásticos en comparación con los métodos de contacto convencionales. La soldadura láser es un proceso sin contacto en el punto de soldadura que generalmente tiene lugar en la interfaz de las partes superpuestas. En consecuencia, la zona de soldadura está encapsulada. Esto da como resultado una soldadura estéticamente agradable, que es estéril y no contamina la superficie de las piezas que se unen. Parece un poco contradictorio que las partes que ya están en contacto entre sí puedan soldarse, de arriba hacia abajo, sin perturbar sus superficies exteriores. Con las técnicas convencionales de soldadura de plástico, como el estampado ultrasónico o en caliente, el contacto con las superficies exteriores de las piezas que se van a soldar es inevitable. La soldadura de plástico con láser sin contacto funciona según el principio de transmisión, reflexión, dispersión y absorción parciales de la luz láser dentro de las cadenas de polímero que se unen. Mediante una cuidadosa selección de los plásticos y las propiedades ópticas del láser, se genera suficiente calor en las ubicaciones seleccionadas para derretir y fusionar los materiales.

El diseño de un proceso de soldadura por láser debe establecerse en las primeras etapas del desarrollo del producto. Intentar adaptar un proceso de soldadura por láser a productos de plástico que no se diseñaron originalmente para la soldadura por láser puede funcionar a veces. Sin embargo, la adopción de principios de diseño para la fabricación con láser en una etapa temprana del desarrollo de productos de plástico reducirá en gran medida los problemas de fabricación posteriores.

Los productos plásticos tienen propiedades mecánicas, geométricas, térmicas y ópticas, entre otras (Figura 3). En un nivel fundamental, la soldabilidad por láser de los ensamblajes de plástico se puede determinar en términos generales por lo siguiente:

Los plásticos se derriten y se descomponen a temperaturas mucho más bajas que los metales. Las temperaturas de fusión típicas de los plásticos de ingeniería son de alrededor de 250 °C. Hay algunos plásticos con temperaturas de fusión mucho más altas, como la polieteretercetona (PEEK), que se encuentra en el rango de 350 °C a 400 °C. La estrecha compatibilidad de las temperaturas de fusión ayudará a mezclar el baño de soldadura y mejorará la resistencia mecánica en la resolidificación. Ciertas combinaciones de plásticos que tienen temperaturas de fusión relativamente parecidas son buenas candidatas para la soldadura de plásticos. La composición química del plástico también es un factor. Por ejemplo, intentar soldar polietileno de alta densidad (HDPE) a polipropileno (PP) no tendrá éxito, pero es posible soldar polietileno de baja densidad (LDPE) a polipropileno (PP), aunque los polietilenos sean de la misma familia. . Se debe prestar especial atención a las combinaciones de materiales.

Los láseres en el procesamiento de materiales generalmente emiten un haz de luz en una longitud de onda o en un ancho de banda de longitud de onda muy estrecho. A diferencia de la luz natural, el rayo láser es coherente y enfocable. Las longitudes de onda del infrarrojo cercano y del infrarrojo son las más utilizadas en la soldadura de plásticos desde 800 nm hasta 2 µm, a menudo con láseres de diodo de alta potencia. Estas longitudes de onda son más largas que las longitudes de onda visibles para el ojo humano, como el verde, que tiene 532 nm en el espectro visible, y el rojo, que tiene 635 nm. Usando las longitudes de onda de 800 a 2000 nm, los plásticos a soldar deben mostrar algún grado de transmisión y absorción en este rango. Los plásticos son hasta cierto punto estructuras semicristalinas y tienen fases amorfas y cristalinas. Las diferencias en el índice de refracción entre las fases amorfa y cristalina dentro de un plástico provocan la dispersión y reflexión de la luz cuando incide sobre ellas un rayo láser, además de la necesaria transmisión y absorción. Esto puede ser beneficioso o un obstáculo para la soldadura por láser, según el nivel de estos efectos. Las combinaciones de diseño de estas propiedades ayudan a lograr la transmisión del rayo láser a través de la parte superior de plástico y la absorción en la parte inferior (Figura 4). A veces se incluyen aditivos en el masterbatch para hacer que los polímeros absorban la luz láser. Se debe considerar en la etapa de diseño si los aditivos son aceptables en el producto; por ejemplo, ¿el dispositivo médico fabricado con este plástico recibiría la aprobación de la FDA?

El nivel de fibras de vidrio en ciertos plásticos como la poliamida (PA-66), comúnmente conocida como nailon, puede afectar la transmisión de luz a través de ellos, especialmente a niveles más altos de concentración de fibra de vidrio donde la transmisión es menor. Una pregunta frecuente con respecto a los plásticos es, ¿qué colores se pueden soldar entre sí? No hay una respuesta simple: muchas combinaciones son posibles, incluso los materiales del mismo color, como transparente con transparente, blanco con blanco y negro con negro, se pueden unir con un diseño cuidadoso de la composición. Aunque la luz visible no se transmite a través de plásticos coloreados, esto puede ser completamente opuesto para una sola longitud de onda láser.

Los diseñadores siempre deben asegurarse de que las piezas se moldeen en geometrías que se presten a la soldadura de plástico con láser mediante un buen ajuste de los componentes del ensamblaje y una junta accesible. La soldadura láser no es buena para transmitir calor a través de los espacios de aire y es importante que las partes componentes de una junta estén en contacto. Las configuraciones de soldadura traslapada logran esto. Las soldaduras a tope son posibles en algunos casos y dependen en gran medida de cómo se aplica el rayo láser a la costura de soldadura y de las tolerancias de la pieza que sale de la máquina de moldeo que produce las piezas de plástico. La soldadura de tapas a contenedores es un ejemplo de buen ajuste de piezas.

La fuerza hacia abajo durante el proceso de soldadura es esencial para ciertas piezas complejas, especialmente las grandes en las que es difícil lograr un buen ajuste natural alrededor de sus límites. La fuerza de sujeción se puede generar mediante servoaccionamientos o mediante el uso de sujeción neumática. Hay una fuerza de colapso para la soldadura de plástico, que determina cuánta fuerza puede soportar el plástico caliente y derretido antes de que comience a deformarse significativamente, y cuánta fuerza es necesaria para unir las piezas cuando se derrite. A menudo, los sensores de desplazamiento de fuerza se integran en las herramientas de soldadura de plástico por láser para monitorear y controlar la fuerza aplicada a los componentes durante el ciclo de soldadura.

Hay varios métodos para la entrega del rayo láser a la pieza de trabajo en la soldadura por láser. El uso de sistemas de ejes cartesianos, en los que existe un movimiento relativo entre un cabezal de soldadura láser de plástico fijo y un sistema de movimiento de mesa XYZR, es un ejemplo. Es posible que estos dispositivos no produzcan un calentamiento uniforme de piezas grandes debido a la aceleración requerida en los puntos de inicio y parada, y alrededor de los cambios de dirección. Sin embargo, este método es flexible ya que la trayectoria del láser se puede generar a través de datos CAD. El uso de cabezales de escaneo galvo de alta velocidad permite un movimiento extremadamente rápido del rayo láser, de hasta 10 m/s. La exploración alrededor de un cordón de soldadura a muy alta velocidad con suficiente potencia permite un calentamiento casi instantáneo de todo el cordón de soldadura de un extremo al otro. Esto reduce los efectos del calentamiento y enfriamiento simultáneos que crean los sistemas de ejes cartesianos.

Otro método menos flexible es iluminar con láser las piezas a través de una máscara. En este caso, la abertura de la máscara toma la forma del cordón de soldadura requerido, pero debe fabricarse cada vez que hay un cambio de diseño. Ocasionalmente, se emplean lentes láser especializados, que producen un foco de línea que proporciona una soldadura por puntos a lo largo de una longitud definida. Es posible que se requiera controlar la potencia óptica durante el proceso, lo que también se puede lograr con pirómetros que miden la temperatura de la pieza de trabajo durante la soldadura y envían esta información a un bucle de control de potencia en el controlador láser.

Hay muchas interdependencias en la soldadura de plástico por láser y una ingeniería significativa en el diseño de una solución para piezas complejas y materiales exóticos. La aceptación de la soldadura de plástico con láser en la industria es impresionante, con diversos productos de gran volumen, desde ensamblajes de luces para automóviles hasta cartuchos de impresoras de inyección de tinta que se sueldan plástico con láser de forma rutinaria.

Este artículo se propuso explicar algunas de las consideraciones básicas que se deben tener en cuenta al soldar plásticos con láser. Lo que es más importante, el producto en sí debe diseñarse teniendo en cuenta la soldadura por láser; es por eso que los equipos de diseño de productos y desarrollo de procesos deben adoptar un enfoque de colaboración al principio de las fases de diseño y desarrollo de productos con sus clientes, reconociendo los puntos mencionados anteriormente. Las herramientas de molde para producir productos plásticos complejos son muy caras de fabricar, y los diseñadores de herramientas deben ser conscientes de los problemas de diseño para la fabricación relacionados con la soldadura por láser antes de finalizar el diseño de una herramienta de molde. Esto garantizará que las geometrías de las piezas que salen de las herramientas del molde puedan soldarse posteriormente con láser.

Sobre el Autor

Jonathan Magee es Director General, ACSYS Lasertechnik UK Ltd., Coventry, Reino Unido.

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