プラスチックをロックダウンしてレーザー溶接

ジョナサン・マギー | 2021年4月23日

産業用レーザーは、多くの市場でエンジニアリング プラスチックの加工に使用されています。 レーザーマーキング、切断、溶接などの一般的なプロセスの例を図 1 に示します。 レーザープラスチック溶接の分野でよく知られている市場には、自動車 (図 2) や医療機器などがあります。

レーザーベースの溶接には、従来の接触方法と比較して、プラスチックにとっていくつかの重要な利点があります。 レーザー溶接は、通常、重なった部品の界面で行われる溶接点での非接触プロセスです。 その結果、溶接部がカプセル化されます。 これにより、美的に美しい溶接が得られ、無菌であり、接合される部品の表面を汚染しません。 すでに互いに接触している部品を、外面を乱すことなく上から下に溶接できるというのは、少し直感に反するように思えます。 超音波やホットスタンピングなどの従来のプラスチック溶接技術では、溶接される部品の外面との接触が避けられません。 非接触レーザープラスチック溶接は、結合されるポリマー鎖内でのレーザー光の部分的な透過、反射、散乱、吸収の原理に基づいて機能します。 プラスチックとレーザーの光学特性を慎重に選択することにより、ターゲットの位置で十分な熱が発生し、材料が溶けて融合します。

レーザー溶接プロセスの設計は、製品開発の早い段階で確立する必要があります。 元々レーザー溶接用に設計されていないプラスチック製品にレーザー溶接プロセスを後付けしようとすると、うまくいく場合があります。 ただし、プラスチック製品開発の初期段階でレーザー製造原理に合わせた設計を採用すると、後の製造性の問題が大幅に軽減されます。

プラスチック製品には、特に機械的、幾何学的、熱的、光学的特性があります (図 3)。 基本的なレベルでは、プラスチック アセンブリのレーザー溶接性は、次の要素によって大まかに決定できます。

プラスチックは金属よりもはるかに低い温度で溶けて分解します。 エンジニアリング プラスチックの一般的な溶融温度は約 250°C です。ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) など、350 ～ 400°C の範囲にある、はるかに高い溶融温度を持つプラスチックもあります。 溶融温度の適合性が高いと、溶融池の混合が促進され、再凝固時の機械的強度が向上します。 溶融温度が比較的一致しているプラ​​スチックの特定の組み合わせは、プラスチック溶接の良い候補です。 プラスチックの化学組成も要因です。 たとえば、高密度ポリエチレン (HDPE) をポリプロピレン (PP) に溶着しようとしても成功しませんが、ポリエチレンが同じファミリーに属していても、低密度ポリエチレン (LDPE) をポリプロピレン (PP) に溶着することは可能です。 。 材料の組み合わせについては慎重に検討する必要があります。

材料加工におけるレーザーは通常、1 つの波長または非常に狭い波長帯域幅の光ビームを放射します。 自然光とは異なり、レーザービームはコヒーレントであり、焦点を合わせることができます。 近赤外線および赤外線の波長は、800 nm ～ 2 μm のプラスチック溶接で最も広く使用されており、多くの場合高出力ダイオード レーザーが使用されます。 これらの波長は、可視スペクトルの緑 (532 nm) や赤 (635 nm) など、人間の目に見える波長よりも長くなります。 800 ～ 2000 nm の波長を使用すると、溶接されるプラスチックはこの範囲である程度の透過性と吸収性を示す必要があります。 プラスチックはある程度半結晶構造であり、非晶質相と結晶相があります。 プラスチック内のアモルファス相と結晶相の屈折率の違いにより、レーザー光線が当たると、必要な透過と吸収に加えて、光の散乱と反射が発生します。 これは、影響のレベルに応じて、レーザー溶接にとって有益な場合もあれば、妨げとなる場合もあります。 これらの特性を組み合わせて設計することにより、レーザー ビームが上部のプラスチック部分を透過し、下部の部分で吸収されるようになります (図 4)。 ポリマーにレーザー光を吸収させるために、マスターバッチに添加剤が含まれる場合があります。 設計段階で、添加剤が製品に許容されるかどうかを考慮する必要があります。たとえば、このプラスチックで作られた医療機器は FDA の認可を受けることができるでしょうか?

ポリアミド (PA-66) (一般にナイロンと呼ばれる) などの特定のプラスチックに含まれるガラス繊維のレベルは、特にガラス繊維の濃度が高くなると透過率が低下するため、光の透過率に影響を与える可能性があります。 プラスチックに関してよくある質問は、どの色を溶接できるのですか?というものです。 単純な答えはありません。多くの組み合わせが可能です。透明と透明、白と白、黒と黒など、同じ色の材料であっても、構成を注意深く設計することで結合できます。 可視光は色付きプラスチックを透過しませんが、単一のレーザー波長ではこれが完全に逆になる可能性があります。

設計者は、アセンブリコンポーネントの適切な適合とアクセス可能な接合により、レーザープラスチック溶接に適した形状で部品が成形されるように常に努める必要があります。 レーザー溶接は空隙を越えて熱を伝えるのが苦手であり、接合部の構成部品が接触していることが重要です。 重ね溶接構成はこれを実現します。 場合によっては突合せ溶接が可能ですが、これはレーザー ビームが溶接シームにどのように適用されるか、およびプラスチック部品を製造する成形機からの部品公差に大きく依存します。 蓋を容器に溶接することは、適切な部品の取り付けの一例です。

溶接プロセス中の下向きの力は、特定の複雑な部品、特に境界の周囲全体で自然に良好な嵌合を達成することが難しい大型部品にとって不可欠です。 クランプ力は、サーボドライブまたは空気圧クランプの使用によって生成できます。 プラスチックの溶接には崩壊力があり、これは、熱く溶けたプラスチックが大きく変形し始める前にどのくらいの力に耐えられるか、また、溶けたときに部品を一緒に押すのにどのくらいの力が必要かを決定します。 多くの場合、力変位センサーはレーザー プラスチック溶接ツールに統合され、溶接サイクル中にコンポーネントに加えられる力を監視および制御します。

レーザー溶接においてワークピースにレーザービームを照射するにはいくつかの方法があります。 固定レーザープラスチック溶接ヘッドと XYZR テーブル運動システムの間で相対移動が行われるデカルト軸システムの使用は、その一例です。 これらのデバイスでは、開始点と停止点、および方向転換付近で加速が必要となるため、大きな部品を均一に加熱できない場合があります。 ただし、この方法は CAD データを通じてレーザー パスを生成できるため、柔軟性があります。 高速ガルバノ スキャニング ヘッドの使用により、最大 10 m/s の非常に高速なレーザー ビームの移動が可能になります。 十分な出力を備えた非常に高速で溶接シームの周囲をスキャンすると、溶接シーム全体を一方の端からもう一方の端までほぼ瞬時に加熱できます。 これにより、デカルト軸システムが生み出す同時加熱と冷却の影響が軽減されます。

柔軟性に劣るもう 1 つの方法は、マスクを通してパーツをレーザーで照射することです。 この場合、マスク開口部は必要な溶接継ぎ目の形状をとりますが、設計が変更されるたびに製造する必要があります。 場合によっては、特殊なレーザー レンズが使用され、規定の長さに沿ってステッチ溶接を行う線焦点が得られます。 プロセス中に光パワーの制御が必要になる場合がありますが、これは溶接中にワークピースの温度を測定し、この情報をレーザーコントローラーのパワー制御ループにフィードバックするパイロメーターでも実現できます。

レーザープラスチック溶接には多くの相互依存関係があり、複雑な部品や特殊な材料のソリューションを設計するには重要なエンジニアリングが必要です。 産業界におけるレーザープラスチック溶接の導入は目覚ましく、オートライトアセンブリからインクジェットプリンターカートリッジに至るまで、さまざまな大量生産製品が日常的にレーザープラスチック溶接されています。

この記事では、プラスチックをレーザー溶接するときに考慮する必要がある基本的な考慮事項のいくつかを説明することを目的としています。 最も重要なことは、製品自体がレーザー溶接を念頭に置いて設計されている必要があることです。そのため、製品設計およびプロセス開発チームは、前述の点を認識し、製品設計および開発段階の早い段階で顧客と協力的なアプローチを採用する必要があります。 複雑なプラスチック製品を製造するための金型ツールは製造コストが非常に高いため、ツール設計者は金型ツールの設計を最終決定する前に、レーザー溶接に関する製造上の設計上の問題を認識しておく必要があります。 これにより、金型ツールから取り出された部品の形状を後でレーザー溶接できるようになります。

著者について

Jonathan Magee は、英国コベントリーにある ACSYS Lasertechnik UK Ltd. のマネージング ディレクターです。

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