08. září 2015 00:24

Laserové robotické stanice

Laserové svařování plastů se stalo pokrokovou a důležitou průmyslově používanou technologií v posledním desetiletí. Pokračující rozvoj nových laserů s vlnovou délkou ve viditelné (zelený laser) a blízké infračervené oblasti spektra v koordinaci s vývojem souvisejících absorbérů přidaných do plastových materiálů poskytují možnost spojování transparentních a neprůhledných – absorpčních plastových materiálů. Automobilový průmysl, zdravotnický průmysl, elektronický průmysl jsou jen některé z oblastí, kde je technologie laserového svařování plastů široce realizována.

V současné době je rostoucí zájem průmyslu o rozšíření svařování na rozdílné plastové materiály. K překonání problémů spojených se svařováním plastových materiálů je velmi důležité pochopení mechanismů spojování, morfologie a molekulární chování konstrukce plastu. Také pochopení výsledných mechanických a tepelných vlastností, hustoty difúze, migrace, deformace atd.

Už na počátku 70. let se prováděly úplně první pokusy laserového svařování termoplastických polymerů. Byl použitý CO2 laser na 100 mikronový polyethylenový film a svařoval se v přeplátovaném spoji. Nicméně k průlomu pro laserové svařování polymerů došlo až v polovině 90. let minulého století, kdy byly vyvinuty stabilní diodové lasery v rozmezí vlnových délek 800–1100 nanometrů na výkonových úrovních do 200 wattů. Dnes se nejčastěji používá vlnová délka laseru pro svařování 980 nm nebo 1064 nm. Typický rozsah výkonu laseru pro svařování plastů je 10 W až 50 W. Diodový nebo vláknový laser Solaris je obvykle integrován se zrcadly vychylovanou skenovací hlavou laserového paprsku nebo se umístí laser na robotu. Pro zvýšení rychlosti svařování uplatňuje se nyní kombinace robotu a laseru se skenovací hlavou. K vedení výkonu laserového paprsku od laserového zdroje se používá optického vlákna, kdy vlákno je u diodových laserů pasivní (nezvyšuje výkon laseru, pouze jej přenáší) nebo aktivní optické vlákno zvyšující výkon laserového zdroje (princip vláknového laseru). Vláknový laser Solaris má velmi stabilní výkon a parametry laserového zdroje jak v kontinuálním módu (CW), tak i v pulsním módu laseru. Stabilita laserového výkonu je velmi důležitá pro svařování plastů, kdy je potřebné dosáhnout konstantní teploty plastu.

Základní princip laserového svařování polymerů je znázorněn na obrázku. Překrytý spoj dvou plastů je základní konfigurace pro svařování polymerních materiálů. „Horní“ část plastu je transmisní pro vlnovou délku laseru (laser prochází přes materiál) na „spodní“ polymer, který naopak velmi absorbuje laserový paprsek a tedy i mění jeho energii na tepelnou (zahřívá se). Schopnost absorbovat laserové světlo je v důsledku chemických barviv nebo pigmentů také nazývaných „absorbers“, které se přidávají k polymeru před lisováním. Nejpoužívanější absorbér jsou saze, ale používá se mnoho dalších barviv nebo pigmentů. Zjímavý je jiný typ svařování, kdy se přidává infračervený kapalný absorbér jako aditivum mezi povrchy jen před svařováním. Tato absorbční kapalina se prodává pod obchodním označením „Clear Weld“ a během svařování absorbuje energii laserového paprsku na rozhraní mezi povrchy materiálů. Začíná tak roztavení povrchu a jejich svaření dohromady jen v úzké oblasti kolem spoje. Jedním z velkých problémů souvisejících s laserovým svařováním termoplastických polymerů je řízení absorpce energie paprsku v ploše materiálu na společném rozhraní. Většina polymerů je obvykle průhledná nebo průsvitná ve viditelné a blízké infračervené oblasti, pouze s pigmenty nebo chemickými přísadami je dosaženo vhodné absorpce k vlnové délce laseru. Při svařování laserem je absorbér přidán pouze do „spodní“ absorbující části, zatímco „horní“ část musí být transparentní k vlnové délce.

V důsledku uvedených vlastností principu svařování leží svár „uvnitř“ dvou materiálů, podobným způsobem, jak je známo z odporového svařování kovů. Některé výhody spojené s laserovým svařováním polymerů jsou tedy neviditelný spoj prováděný vysokou rychlostí s velmi nízkým tepelným příkonem a minimálním ovlivněním okolí sváru.

Optimální kvalita sváru, co se týká pevnosti, se obvykle dosahuje při určitém vedení energie (tj. energie dodaná na jednotku délky), což znamená, že je určitý poměr mezi výkonem a rychlostí svařování. Příliš nízké vedení energie může mít za následek mírné adhezní přilnutí, zatímco příliš vysoká energie laseru může mít za následek rozklad materiálu (shoří, zuhelnatí). Ke sledování teploty svařování slouží řada metod. Nejběžněji se používají pyrometry, které nabízejí možnost sledovat proces svařování online. Měření teploty je bezkontaktní a může být propojené s online řízením výkonu laseru. Pro správnou kvalitu sváru je nutné mít dostatečný přítlak svařovaných ploch. Svařitelné materiály běžné na trhu se skládají z různých kombinací obou amorfních polymerů (jako je ABS, PC, PU, PMMA, PVC) a semikrystalických polymerů (jako jsou PP, PE a POM), např. následující kombinace; ABS-PC / PU-PC / PP-PE / PMMA-PVC / PC-POM / PMMA-POM.

Leonardo Technology s. r. o.
Ulička 37, 691 43 Hlohovec
tel: 777 585 463
www.lt.cz