Plásticos travados e soldados a laser

Jonathan Magee | 23 de abril de 2021

Lasers industriais são usados ​​para processar plásticos de engenharia em muitos mercados. Alguns exemplos de processos comuns são mostrados na Figura 1, incluindo marcação a laser, corte e soldagem. Mercados bem reconhecidos na área de soldagem de plásticos a laser incluem dispositivos automotivos (Figura 2) e médicos.

A soldagem a laser tem várias vantagens importantes para plásticos em comparação com os métodos de contato convencionais. A soldagem a laser é um processo sem contato no ponto de soldagem que geralmente ocorre na interface de peças sobrepostas. Consequentemente, a zona de solda é encapsulada. Isso resulta em uma solda esteticamente agradável, estéril e que não contamina a superfície das peças a serem unidas. Parece um pouco contra-intuitivo que as partes que já estão em contato umas com as outras possam ser soldadas juntas, de cima para baixo, sem perturbar suas superfícies externas. Com técnicas convencionais de soldagem de plástico, como ultrassom ou estampagem a quente, o contato com as superfícies externas das peças a serem soldadas é inevitável. A soldagem de plástico a laser sem contato funciona com base no princípio da transmissão parcial, reflexão, dispersão e absorção da luz do laser dentro das cadeias de polímeros que estão sendo unidas. Pela seleção cuidadosa dos plásticos e das propriedades ópticas do laser, calor suficiente é gerado em locais específicos para derreter e fundir os materiais.

O projeto de um processo de soldagem a laser deve ser estabelecido no início do desenvolvimento do produto. Tentar adaptar um processo de soldagem a laser em produtos plásticos não projetados originalmente para soldagem a laser pode funcionar às vezes. No entanto, a adoção de princípios de design para fabricação a laser em um estágio inicial do desenvolvimento de produtos plásticos reduzirá bastante os problemas de fabricação posteriormente.

Os produtos plásticos possuem propriedades mecânicas, geométricas, térmicas e ópticas, entre outras (Figura 3). Em um nível fundamental, a soldabilidade a laser de conjuntos de plástico pode ser amplamente determinada pelo seguinte:

Os plásticos derretem e se decompõem a temperaturas muito mais baixas do que os metais. As temperaturas típicas de fusão dos plásticos de engenharia estão em torno de 250° C. Existem alguns plásticos com temperaturas de fusão muito mais altas, como o polieteretercetona (PEEK), que está na faixa de 350° a 400° C. A estreita compatibilidade das temperaturas de fusão ajudará na mistura da poça de fusão e melhorará a resistência mecânica na ressolidificação. Certas combinações de plásticos com temperaturas de fusão relativamente próximas são boas candidatas para a soldagem de plásticos. A composição química do plástico também é um fator. Por exemplo, tentar soldar polietileno de alta densidade (HDPE) a polipropileno (PP) não terá sucesso, mas é possível soldar polietileno de baixa densidade (LDPE) a polipropileno (PP), embora os polietilenos sejam da mesma família . Uma consideração cuidadosa deve ser dada às combinações de materiais.

Os lasers no processamento de materiais geralmente emitem um feixe de luz em um comprimento de onda ou em uma largura de banda de comprimento de onda muito estreita. Ao contrário da luz natural, o feixe de laser é coerente e focalizável. Os comprimentos de onda infravermelho próximo e infravermelho são mais amplamente usados ​​na soldagem de plásticos de 800 nm a 2 µm, geralmente com lasers de diodo de alta potência. Esses comprimentos de onda são mais longos do que os comprimentos de onda visíveis ao olho humano, como o verde, que é de 532 nm no espectro visível, e o vermelho, que é de 635 nm. Usando os comprimentos de onda de 800 a 2000 nm, os plásticos a serem soldados devem exibir algum grau de transmissão e absorção nessa faixa. Os plásticos são, até certo ponto, estruturas semicristalinas e têm fases amorfas e cristalinas. As diferenças no índice de refração entre as fases amorfa e cristalina dentro de um plástico causam dispersão e reflexão da luz quando um feixe de laser incide sobre elas, além da transmissão e absorção necessárias. Isso pode ser benéfico ou um obstáculo para a soldagem a laser, dependendo do nível desses efeitos. As combinações de design dessas propriedades ajudam a obter a transmissão do feixe de laser através da parte plástica superior e a absorção na parte inferior (Figura 4). Às vezes, os aditivos são incluídos no masterbatch para fazer com que os polímeros absorvam a luz do laser. Deve-se considerar na fase de projeto se os aditivos são aceitáveis ​​no produto – o dispositivo médico feito com este plástico receberia autorização da FDA, por exemplo?