A hőre lágyuló műanyagokat ugyan a kilencvenes évek vége óta hegesztik lézerrel, de a folyamat még mindig rendkívül innovatívnak tekinthető. A gyakorlatban leginkább a lézeres penetrációs (áthatolásos) hegesztést használják. Itt a lézer által használt fény hullámhosszán a kötésben részt vevő két munkadarab közül az egyik általában átlátszó, míg a másik elnyeli a lézer energiáját, például korom hozzákeverésével.

Az energiát elnyelő alkatrészben hő keletkezik, ami a két komponens kíméletes összenyomásával átjut a felső komponensbe. Az alkatrészek a peremnél összeolvadnak és a két komponenst megbízhatóan összekötő hegesztési varratot alkotnak. A folyamatban többnyire hatékony diódalézereket használnak. Ezek viszonylag gyenge teljesítménye és sugárminősége teljes mértékben megfelel műanyagok egyesítéséhez.

Eltér a fémek hegesztésétől

– A lézeres műanyaghegesztés folyamata jelentősen különbözik a fémes anyagok hegesztésének eljárásától, mert a lézersugár először a felső, a lézer számára átlátszó anyagba hatol be, és energiája csak az alsó, a lézert elnyelő komponensben szabadul fel. Az eredmény egy különösen hatékony folyamatban kialakuló tiszta, biztonságos és különleges hegesztési varrat – magyarázza Frank Brunnecker lézerhegesztésért felelős elnökhelyettes az erlangeni LPKF Laser & Electronics AG vállalattól.

Peter Bruns, a dortmundi Limo Lissotschenko Mikrooptik GmbH alkalmazási és műszaki szervizvezetője hozzáteszi: a lézeres penetrációs hegesztés olyan felhasználásokat tesz lehetővé, amelyek hagyományos kötési technológiák alkalmazásával nem lehetségesek, vagy csak nagy nehézségek árán valósíthatók meg. A legtöbb kötési eljáráshoz képest a döntő előny a lézerfény érintkezés nélküli, mégis közvetlen kölcsönhatása a műanyaggal. Például a konkurens ultrahangos hegesztés függ a szonotródák és a műanyag közötti jó mechanikai érintkezéstől.

A szakember rámutat egy másik előnyre is: a lézeres penetrációs hegesztés lehetővé teszi a kötési folyamat vizuális online figyelemmel kísérésének integrálását, például a diódalézer teljesítményének ellenőrzésével, valamint a folyamat hőmérsékletének megfigyelését vagy ellenőrzését, ami a mechanikai hegesztési eljárásoknál nem lehetséges.

Megoldások szakértőktől

A Limo gyakorlatilag minden ismert technológiát felhasznál, így a kontúr, kváziszimultán, szimultán vagy maszkos hegesztést. A Lasys 2012 kiállításon a vállalat bemutatta refraktív mikrooptikáit, amelyekkel egyedi sugárnyalábformákat, például vonaleloszlást, területeket és köröket/gyűrűket lehet hatékony módon megvalósítani. A teljes hegesztési kontúr egyidejű vagy párhuzamos hegesztése egyetlen hegesztési lépésben optimális folyamatbiztonságot tesz lehetővé kitűnő homogenitás és élmeredekség mellett a lézersugárnak az anyag tulajdonságaihoz igazított intenzitásprofiljával.

Erre példa az úgynevezett M-shaper a szálcsatolt diódalézer-rendszerekkel végzett kontúrhegesztéshez. Ekkor kör eloszlású lézerintenzitás-profilt alakítanak ki, amely meghatározott belső minimális értékkel optimális a hegesztési folyamathoz. Az eljárás különlegesen homogén, nem porózus hegesztési varratok létrejöttét teszi lehetővé foltok és sérülésnyomok nélkül, ahogy arra például a műanyag fóliák hegesztésénél szükség van igen szűk folyamatablak mellett.

– A lézer, mint értékes eszköz, az anyagmegmunkálás szerves részévé vált, elsősorban az autóiparban – állítja Thilo von Olnhausen, a kornwestheimi Acsys Lasertechnik GmbH marketingvezetője. Barracuda lézeres megmunkálórendszerüket speciálisan a tachométerpanelek hegesztéséhez módosították, ahol a házat lézerrel hegesztik az átlátszó ablakhoz.

E módszer előnye, hogy semmilyen csavarra vagy rögzítésre (ragasztóra, kapcsokra) sincs szükség, és a változtatható működési irányú forgóasztal révén párhuzamos betöltés is lehetséges. A lézer áthatol az átlátszó tachométerablakon és a sugarat elnyeli az alatta lévő átlátszatlan tachométerház. A műanyag olvadáspontjáig felhevül és a másodperc tört része alatt folyékonnyá válik. A sötét műanyag koncentrált hője hozzáolvasztja a tachométer átlátszó műanyag ablakát, így a két különböző műanyag lehűlése után kész a hegesztett kötés.

Hasonló általános trendek

Ahogy a fémfeldolgozásnál is, a jövő trendjei között a műanyagok esetében is a következőket lehet felfedezni: a fejlesztés a még hatékonyabb és kompaktabb multifunkciós megoldások felé tart. Amennyire lehet, egy rendszernek képesnek kell lennie arra, hogy sok feladatot ésszerűen és gyorsan végezzen el egyetlen munkafolyamatban, ugyanakkor csúcsminőségű eredményeket produkáljon. Az Acsys a növekvő igényekre a Lasys szakvásáron is bemutatott Barracuda Multi lézeres megmunkálórendszerrel válaszol.

Ez a rendszer műanyagok címkézését, gravírozását, vágását és hegesztését teszi lehetővé. Opcionálisan többfejes rendszerrel szerelhető fel, így például komponenseket több oldalról is megmunkálhat. Az úgynevezett live adjust system (LAS, működés közbeni beállítórendszer) még tovább egyszerűsíti a munkát: a munkadarabot kamera használatával pontosan lehet pozicionálni, és lényegesen csökken a beállításhoz szükséges idő és erőkifejtés.

Az átlátszó sem akadály

A nagyobb hullámhosszt használó diódalézereken alapuló fejlesztések időközben hozzájárultak az átlátszó műanyagok kötésének kialakításához is. Rendelkezésre állnak 1470 és 1550 nm közötti hullámhosszúságú, elegendő kimenő teljesítményű lézerek, amelyek kellőképpen magas szintű belső abszorpciót tesznek lehetővé rövidebb hullámhosszon átlátszó műanyagokban, így ezeket is össze lehet kötni. Ebben a színképtartományban a legtöbb műanyag lézerabszorber hozzáadása nélkül is el tudja nyelni a lézersugarat.

Valamennyi lézerhegesztési folyamat előtt ott áll a feladat, hogy össze kell hangolni a komponensek kialakítását és anyagát, az alkalmas lézeres hegesztési eljárást, valamint a megfelelő rendszertechnológiát. Egyre fontosabbak az ilyen, a legmagasabb vizuális követelményeknek eleget tevő átlátszó kötések különösen a gyógyászatban, ahol követelmény a különlegesen biztonságos és higiénikus kidolgozás.

A lézeres folyamat nem okoz kopást és nincs hozzá szükség kiegészítő anyagokra, mint például ragasztókra. Ezen kívül a lézeres hegesztés több lehetőséget is kínál a minőségbiztosításra a folyamat során. A példák közé tartozik a hegesztési nyomvonal figyelemmel kísérése, a hegesztési varrat hevítésének pirométeres ellenőrzése vagy a szabadalmaztatott reflexiódiagnosztika, amely megbízható módon ismeri fel a sikeres hegesztést.