Plastiques verrouillés et soudés au laser

Jonathan Magee | 23 avril 2021

Les lasers industriels sont utilisés pour traiter les plastiques techniques sur de nombreux marchés. Quelques exemples de processus courants sont illustrés à la figure 1, notamment le marquage au laser, la découpe et le soudage. Les marchés bien connus dans le domaine du soudage des plastiques au laser comprennent l'automobile (Figure 2) et les dispositifs médicaux.

Le soudage au laser présente plusieurs avantages importants pour les plastiques par rapport aux méthodes de contact conventionnelles. Le soudage au laser est un processus sans contact au point de soudage qui a généralement lieu à l'interface des pièces qui se chevauchent. Par conséquent, la zone de soudure est encapsulée. Il en résulte une soudure esthétique, stérile et qui ne contamine pas la surface des pièces à assembler. Il semble un peu contre-intuitif que des pièces déjà en contact les unes avec les autres puissent être soudées ensemble, de haut en bas, sans perturber leurs surfaces extérieures. Avec les techniques de soudage plastique classiques, telles que les ultrasons ou l'estampage à chaud, le contact avec les surfaces extérieures des pièces à souder ensemble est inévitable. Le soudage plastique au laser sans contact fonctionne sur le principe de la transmission, de la réflexion, de la diffusion et de l'absorption partielles de la lumière laser dans les chaînes polymères à assembler. Grâce à une sélection rigoureuse des plastiques et des propriétés optiques du laser, une chaleur suffisante est générée aux endroits ciblés pour faire fondre et fusionner les matériaux.

La conception d'un processus de soudage au laser doit être établie au début du développement du produit. Tenter de moderniser un processus de soudage au laser sur des produits en plastique non conçus à l'origine pour le soudage au laser peut parfois fonctionner. Cependant, l'adoption des principes de conception pour la fabrication au laser à un stade précoce du développement de produits en plastique réduira considérablement les problèmes de fabricabilité ultérieurs.

Les produits en plastique ont des propriétés mécaniques, géométriques, thermiques et optiques, entre autres (Figure 3). À un niveau fondamental, la soudabilité au laser des assemblages en plastique peut être largement déterminée par les éléments suivants :

Les plastiques fondent et se décomposent à des températures beaucoup plus basses que les métaux. Les températures de fusion typiques des plastiques techniques sont d'environ 250°C. Certains plastiques ont des températures de fusion beaucoup plus élevées, comme le polyétheréthercétone (PEEK), qui se situe entre 350° et 400°C. Une compatibilité étroite des températures de fusion facilitera le mélange du bain de fusion et améliorera la résistance mécanique lors de la resolidification. Certaines combinaisons de plastiques dont les températures de fusion sont relativement proches sont de bons candidats pour le soudage des plastiques. La composition chimique du plastique est également un facteur. Par exemple, tenter de souder du polyéthylène haute densité (HDPE) au polypropylène (PP) ne réussira pas, mais il est possible de souder du polyéthylène basse densité (LDPE) au polypropylène (PP), même si les polyéthylènes appartiennent à la même famille. Une attention particulière doit être accordée aux combinaisons de matériaux.

Les lasers dans le traitement des matériaux émettent généralement un faisceau lumineux à une longueur d'onde ou à une largeur de bande de longueur d'onde très étroite. Contrairement à la lumière naturelle, le faisceau laser est cohérent et focalisable. Les longueurs d'onde proche infrarouge et infrarouge sont les plus largement utilisées dans le soudage des plastiques de 800 nm à 2 µm, souvent avec des lasers à diodes haute puissance. Ces longueurs d'onde sont plus longues que les longueurs d'onde visibles à l'œil humain, comme le vert, qui est de 532 nm dans le spectre visible, et le rouge, qui est de 635 nm. En utilisant les longueurs d'onde de 800 à 2000 nm, les plastiques à souder doivent présenter un certain degré de transmission et d'absorption dans cette plage. Les plastiques sont dans une certaine mesure des structures semi-cristallines et ont des phases amorphes et cristallines. Les différences d'indice de réfraction entre les phases amorphe et cristalline dans un plastique provoquent une diffusion et une réflexion de la lumière lorsqu'un faisceau laser les frappe, en plus de la transmission et de l'absorption nécessaires. Cela peut être bénéfique ou un obstacle pour le soudage au laser, selon le niveau de ces effets. Les combinaisons de conception de ces propriétés aident à obtenir la transmission du faisceau laser à travers la partie supérieure en plastique et l'absorption dans la partie inférieure (Figure 4). Parfois, des additifs sont inclus dans le mélange maître pour que les polymères absorbent la lumière laser. Il convient d'examiner au stade de la conception si les additifs sont acceptables dans le produit - le dispositif médical fabriqué avec ce plastique recevrait-il l'autorisation de la FDA, par exemple ?

Le niveau de fibres de verre dans certains plastiques tels que le polyamide (PA-66), communément appelé nylon, peut affecter la transmission de la lumière à travers eux, en particulier à des niveaux plus élevés de concentration de fibres de verre où la transmission est plus faible. Une question fréquente concernant les plastiques est de savoir quelles couleurs peuvent être soudées ensemble ? Il n'y a pas de réponse simple : de nombreuses combinaisons sont possibles, même des matériaux de même couleur tels que transparent à transparent, blanc à blanc et noir à noir peuvent être combinés avec une conception soignée de la composition. Même si la lumière visible ne se transmet pas à travers les plastiques colorés, cela peut être complètement opposé pour une seule longueur d'onde laser.

Les concepteurs doivent toujours veiller à ce que les pièces soient moulées dans des géométries qui se prêtent au soudage plastique au laser grâce à un bon ajustement des composants d'assemblage et à un joint accessible. Le soudage au laser n'est pas bon pour transmettre la chaleur à travers les entrefers et il est important que les composants d'un joint soient en contact. Les configurations de soudure par recouvrement permettent d'atteindre cet objectif. Les soudures bout à bout sont possibles dans certains cas et dépendent fortement de la manière dont le faisceau laser est appliqué sur le cordon de soudure et des tolérances des pièces sortant de la machine de moulage produisant les pièces en plastique. Le soudage de couvercles sur des conteneurs est un exemple de bon ajustement de pièce.

La force vers le bas pendant le processus de soudage est essentielle pour certaines pièces complexes, en particulier les grandes où il est difficile d'obtenir un bon ajustement naturel tout autour de leurs limites. La force de serrage peut être générée par des servocommandes ou par l'utilisation d'un serrage pneumatique. Il existe une force d'effondrement pour le soudage du plastique, qui détermine la force que le plastique chaud et en fusion peut supporter avant qu'il ne commence à se déformer de manière significative, et la force nécessaire pour assembler les pièces lorsqu'elles sont fondues. Souvent, des capteurs de force-déplacement sont intégrés dans l'outillage de soudage plastique au laser pour surveiller et contrôler la force appliquée aux composants pendant le cycle de soudage.

Il existe plusieurs méthodes d'acheminement du faisceau laser vers la pièce en soudage au laser. L'utilisation de systèmes d'axes cartésiens, où il y a un mouvement relatif entre une tête de soudage plastique laser fixe et un système de mouvement de table XYZR, en est un exemple. Ces dispositifs peuvent ne pas entraîner un chauffage uniforme de grandes pièces en raison de l'accélération requise aux points de départ et d'arrêt et autour des changements de direction. Cependant, cette méthode est flexible car le chemin laser peut être généré à l'aide de données CAO. L'utilisation de têtes de balayage galvo à grande vitesse permet un mouvement extrêmement rapide du faisceau laser, jusqu'à 10 m/s. Le balayage autour d'un cordon de soudure à très grande vitesse avec une puissance suffisante permet un chauffage quasi instantané de l'ensemble du cordon de soudure d'un bout à l'autre. Cela réduit les effets de chauffage et de refroidissement simultanés créés par les systèmes d'axes cartésiens.

Une autre méthode moins flexible consiste à éclairer les pièces au laser à travers un masque. Dans ce cas, l'ouverture du masque prend la forme du cordon de soudure souhaité mais doit être fabriquée à chaque changement de conception. Parfois, des lentilles laser spécialisées sont utilisées, qui produisent une mise au point linéaire qui fournit une soudure par points sur une longueur définie. Le contrôle de la puissance optique peut être nécessaire pendant le processus, ce qui peut également être réalisé avec des pyromètres mesurant la température de la pièce pendant le soudage et renvoyant cette information à une boucle de contrôle de puissance dans le contrôleur laser.

Il existe de nombreuses interdépendances dans le soudage plastique au laser et une ingénierie importante dans la conception d'une solution pour les pièces complexes et les matériaux exotiques. L'adoption du soudage plastique au laser dans l'industrie est impressionnante, avec divers produits à volume élevé allant des assemblages d'éclairage automatique aux cartouches d'imprimante à jet d'encre couramment soudés au plastique au laser.

Cet article vise à expliquer certaines des considérations de base qui doivent être prises en compte lors du soudage au laser des plastiques. Plus important encore, le produit lui-même doit être conçu en pensant au soudage laser - c'est pourquoi les équipes de conception de produits et de développement de processus doivent adopter une approche collaborative dès les phases de conception et de développement de produits avec leurs clients, en reconnaissant les points susmentionnés. Les outils de moulage pour la production de produits en plastique complexes sont très coûteux à fabriquer et les concepteurs d'outils doivent être conscients des problèmes de conception pour la fabrication liés au soudage au laser avant de finaliser la conception d'un outil de moulage. Cela garantira que les géométries des pièces sortant des outils de moulage pourront être ultérieurement soudées au laser.

A propos de l'auteur

Jonathan Magee est directeur général, ACSYS Lasertechnik UK Ltd., Coventry, Royaume-Uni.

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