Plastica bloccata e saldata al laser

Jonathan Magee | 23 aprile 2021

I laser industriali vengono utilizzati per la lavorazione dei materiali plastici tecnici in molti mercati. Alcuni esempi dei processi comuni sono mostrati nella Figura 1, tra cui marcatura laser, taglio e saldatura. I mercati più riconosciuti nel campo della saldatura laser della plastica includono quello automobilistico (Figura 2) e quello dei dispositivi medici.

La saldatura laser presenta numerosi vantaggi importanti per la plastica rispetto ai metodi di contatto convenzionali. La saldatura laser è un processo senza contatto nel punto di saldatura che generalmente avviene nell'interfaccia delle parti sovrapposte. Di conseguenza, la zona di saldatura è incapsulata. Ciò si traduce in una saldatura esteticamente gradevole, che è sterile e non contamina la superficie delle parti da unire. Sembra un po' controintuitivo che le parti già in contatto tra loro possano essere saldate insieme, dall'alto verso il basso, senza disturbare le loro superfici esterne. Con le tradizionali tecniche di saldatura della plastica, come gli ultrasuoni o lo stampaggio a caldo, il contatto con le superfici esterne delle parti da saldare tra loro è inevitabile. La saldatura laser di plastica senza contatto funziona secondo il principio della trasmissione parziale, riflessione, diffusione e assorbimento della luce laser all'interno delle catene polimeriche da unire. Attraverso un'attenta selezione della plastica e delle proprietà ottiche del laser, nei punti mirati viene generato calore sufficiente per sciogliere e fondere insieme i materiali.

La progettazione di un processo di saldatura laser dovrebbe essere stabilita nelle prime fasi dello sviluppo del prodotto. Tentare di adattare un processo di saldatura laser su prodotti in plastica non originariamente progettati per la saldatura laser a volte può funzionare. Tuttavia, l’adozione dei principi di progettazione per la produzione laser in una fase iniziale dello sviluppo del prodotto in plastica ridurrà notevolmente i problemi di producibilità in un secondo momento.

I prodotti in plastica hanno, tra le altre, proprietà meccaniche, geometriche, termiche e ottiche (Figura 3). A livello fondamentale, la saldabilità laser degli assemblaggi in plastica può essere determinata sostanzialmente da quanto segue:

La plastica si scioglie e si decompone a temperature molto più basse rispetto ai metalli. Le temperature di fusione tipiche dei tecnopolimeri sono intorno ai 250° C. Esistono alcune plastiche con temperature di fusione molto più elevate, come il polietereterchetone (PEEK), che è compresa tra 350° e 400° C. La stretta compatibilità delle temperature di fusione aiuterà la miscelazione del bagno di saldatura e migliorerà la resistenza meccanica alla risolidificazione. Alcune combinazioni di plastiche con temperature di fusione relativamente simili sono buoni candidati per la saldatura della plastica. Anche la composizione chimica della plastica è un fattore determinante. Ad esempio, il tentativo di saldare polietilene ad alta densità (HDPE) con polipropilene (PP) non avrà successo, ma è possibile saldare polietilene a bassa densità (LDPE) con polipropilene (PP), anche se i polietileni appartengono alla stessa famiglia . È necessario prestare particolare attenzione alle combinazioni dei materiali.

I laser utilizzati nella lavorazione dei materiali generalmente emettono un raggio luminoso a una lunghezza d'onda o a una larghezza di banda di lunghezza d'onda molto stretta. A differenza della luce naturale, il raggio laser è coerente e focalizzabile. Le lunghezze d'onda del vicino infrarosso e dell'infrarosso sono ampiamente utilizzate nella saldatura di materie plastiche da 800 nm a 2 µm, spesso con laser a diodi ad alta potenza. Queste lunghezze d'onda sono più lunghe delle lunghezze d'onda visibili all'occhio umano, come il verde, che è 532 nm nello spettro visibile, e il rosso, che è 635 nm. Utilizzando lunghezze d'onda comprese tra 800 e 2000 nm, la plastica da saldare deve presentare un certo grado di trasmissione e assorbimento in questo intervallo. Le materie plastiche sono in una certa misura strutture semicristalline e hanno fasi amorfe e cristalline. Le differenze nell'indice di rifrazione tra le fasi amorfa e cristallina all'interno di una plastica causano la diffusione e la riflessione della luce quando un raggio laser le colpisce, oltre alla necessaria trasmissione e assorbimento. Ciò può essere vantaggioso o ostacolare la saldatura laser, a seconda del livello di questi effetti. Le combinazioni progettuali di queste proprietà aiutano a ottenere la trasmissione del raggio laser attraverso la parte superiore in plastica e l'assorbimento nella parte inferiore (Figura 4). A volte nel masterbatch vengono inclusi additivi per fare in modo che i polimeri assorbano la luce laser. In fase di progettazione si dovrebbe considerare se gli additivi sono accettabili nel prodotto: il dispositivo medico realizzato con questa plastica riceverebbe, ad esempio, l’approvazione della FDA?