Według ostatniego raportu stowarzyszenia PlasticsEurope w 2017 r. w Europie wyprodukowano 64,4 mln ton tworzyw sztucznych – o 4,4 mln ton więcej niż rok wcześniej. W tym samym czasie światowa produkcja polimerów sięgnęła 348 mln ton i wzrosła o prawie 4% r/r. Dobrą koniunkturę na rynku stymulował głównie popyt generowany przez trzy segmenty: branżę opakowaniową (39,7%), budownictwo (19,8%) i sektor motoryzacyjny (10,1%), który – choć nie jest największym odbiorcą polimerów – odgrywa coraz istotniejszą rolę w rozwoju nowych technologii przetwórstwa i łączenia tworzyw sztucznych.

Dążąc do redukcji całkowitej masy pojazdów, ich producenci masowo zastępują stale i aluminium lżejszymi i bardziej wszechstronnymi w zastosowaniu tworzywami – zarówno z grupy duroplastów, jak i termoplastów. Rozróżnienie to jest istotne, ponieważ bezpośrednio wpływa na możliwości wtórnej obróbki, w tym łączenia polimerów. Podczas gdy duroplasty – ze względu na gęsto usieciowioną, krystaliczną strukturę – po formowaniu nie mogą być ponownie poddawane obróbce termicznej, łańcuchy termoplastów mogą być wielokrotnie dzielone i łączone ze sobą, zachowując większość swoich pierwotnych cech. Dlatego w procesach łączenia duroplastów stosuje się wyłącznie klejenie i metody mechaniczne (nitowanie, skręcanie), tj. techniki łączenia „na zimno” bez dostarczania ciepła.

Zgrzewanie a spawanie

Inaczej jest w przypadku termoplastów – tu proces doprowadzania ciepła prowadzi do dyfuzji cząsteczek obu materiałów i powstawania połączeń (wiązań międzycząsteczkowych) o nowej charakterystyce wytrzymałościowej. Liczne badania dowiodły, że spoiny takie cechują się znacznie większą wytrzymałością niż połączenia mechaniczne, głównie za sprawą równomiernego rozkładu naprężeń na całej ich powierzchni. Ma to niebagatelny wpływ na popularyzację różnych technik łączenia „na ciepło”, co z kolei stymuluje stały postęp w zakresie ich szybkości i efektywności.

Można śmiało stwierdzić, że metod zgrzewania i spawania tworzyw jest równie wiele jak samych termoplastów. Do najpopularniejszych z nich należą: zgrzewanie ultradźwiękowe i tarciowe, a także spawanie laserowe i promieniowaniem podczerwonym. Skąd ta różnica w nazewnictwie? Generalnie przyjmuje się, że zgrzewanie polega na miejscowym podgrzaniu materiału z jednoczesnym oddziaływaniem siły docisku, która bierze aktywy udział w łączeniu obu elementów. Natomiast w przypadku spawania doprowadzona energia generuje ciepło o temperaturze przekraczającej temperaturę topnienia materiału, co powoduje jego miejscowe roztopienie i połączenie. W procesie tym elementy mocujące pełnią wyłącznie funkcję pozycjonującą, a tym samym nie biorą aktywnego udziału w procesie łączenia.

Już choćby nazwy wymienionych metod wskazują, że różnią się one przede wszystkim sposobem generowania ciepła. Tym, co je łączy, jest natomiast ogólny przebieg procesu spajania, na który składają się dwie fazy: podgrzewanie i chłodzenie. Najważniejszą rolę odgrywa w nim oczywiście podgrzewanie, które prowadzi do nadtopienia lub całkowitego roztopienia materiału bazowego, umożliwiając mieszanie cząsteczek i wytworzenie spoiny o odmiennej strukturze makrocząsteczkowej. Generalnie im więcej doprowadzonego ciepła do materiału, tym pełniejsza dyfuzja i trwalsze połączenie.

To jednak niejedyne podobieństwo między wymienionymi metodami. Wszystkie one bardzo dynamicznie się rozwijają, a głównym celem rozwoju jest zaspokojenie wzrastających wymagań rynku w zakresie szybkości i jakości procesu łączenia.

Zgrzewanie ultradźwiękami

Łączenie polimerów z wykorzystaniem drgań o wysokiej częstotliwości jest od wielu dekad jedną z najpopularniejszych metod tworzenia połączeń „na ciepło”. W procesie tym źródłem ciepła jest energia mechaniczna powstająca na skutek przekształcenia prądu elektrycznego w drgania. Dostarczona na powierzchnię tworzyw energia pod wpływem tarcia zamienia się w ciepło, które topi materiał, umożliwiając powstanie wiązań międzycząsteczkowych pomiędzy polimerami.

W zgrzewaniu ultradźwiękowym wykorzystuje się zgrzewarki wyposażone w generator, transformator, sonotrodę i kowadełko podtrzymujące detale. Najważniejszym elementem ich konstrukcji jest sonotroda generująca drgania o wysokiej częstotliwości, które umożliwiają tworzenie szczelnych, stabilnych połączeń bez konieczności stosowania dodatkowych materiałów, takich jak klej, śruby czy drut. Co ważne, połączenia te nie muszą być chłodzone, a sam proces jest czysty i energooszczędny, tj. przyjazny dla środowiska. Dlatego chętnie korzysta z niego m.in. sektor energetyczny, IT, motoryzacja, lotnictwo, a także przemysł medyczny i opakowaniowy. Techniką tą wytwarzane są m.in. zabawki, obuwie sportowe, wyświetlacze, a w motoryzacji – tylne reflektory, deski rozdzielcze i zderzaki.

Budowa zgrzewarki ultradźwiękowej na przykładzie urządzenia marki Branson Ultrasonics Corporation

Nie oznacza to jednak, że można ją stosować bez ograniczeń. W praktyce zgrzewanie ultradźwiękowe może być wykorzystywane jedynie do łączenia termoplastów o podobnej strukturze (amorficznej) oraz temperaturze topnienia (do 6ºC różnicy). Wyklucza to np. możliwość łączenia w ten sposób polietylenu i polipropylenu oraz innych polimerów o strukturze semikrystalicznej. Absorbuje ona bowiem większość generowanych w tym procesie wibracji, zanim zostaną one przekształcone w energię cieplną. Po drugiej stronie skali plasują się takie tworzywa jak ABS, pleksi, poliwęglany i PVC, których zgrzewanie z użyciem ultradźwięków przynosi bardzo dobre rezultaty.

Obserwowany obecnie intensywny rozwój tej metody łączenia polimerów nie doprowadzi raczej do przezwyciężenia tej trudności. Znacznie upraszczany jest natomiast i przyspieszany sam proces zgrzewania – obecnie możliwe jest już w pełni automatyczne sterowanie całością zadań realizowanych przez zgrzewarkę. Współczesne maszyny są w stanie łączyć materiał w czasie 0,1–2 s, a ich zaawansowane procesory o częstotliwości taktowania rzędu 1 ms – w połączeniu z nowoczesnym oprogramowaniem komputerowym i zestawem czujników – umożliwiają śledzenie i sterowanie procesem w czasie rzeczywistym oraz gromadzenie ogromnych ilości danych wykorzystywanych w procesach generowania trendów i automatycznej korekty programów obróbczych.

Zgrzewanie tarciowe

Ograniczeniom materiałowym w mniejszym stopniu podlega zgrzewanie tarciowe. Oczywiście także i ta metoda umożliwia jedynie łączenie tworzyw termoplastycznych, ale ich zestaw obejmuje zarówno struktury amorficzne, jak i semikrystaliczne, takie jak HDPE, PA, PP czy TPO. Co więcej, może być ona także stosowana do łączenia materiałów wzbogacanych dodatkami (do 45% składu mieszanki), a także powierzchni lekko zabrudzonych. Oba te czynniki wywierają jednak wpływ na wytrzymałość połączenia.

Zgrzewanie tarciowe obejmuje dwie pokrewne metody: zgrzewanie wibracyjne i obrotowe. W obu jako element ruchomy wykorzystywany jest jeden z łączonych detali, przy czym w przypadku zgrzewania wibracyjnego porusza się on ruchem liniowym, a w procesie zgrzewania obrotowego – rotacyjnym. Pierwsza z metod może być stosowana także do łączenia materiałów wielkogabarytowych, co powoduje, że cieszy się ona szczególną popularnością w przemyśle motoryzacyjnym. Jest tu wykorzystywana m.in. do łączenia paneli drzwiowych, kolektorów wlotu powietrza, desek rozdzielczych, tylnych reflektorów, zbiorników płynów oraz zderzaków. W sektorze lotniczym zaś łączone są w ten sposób m.in. kanały wentylacyjne, zawory zwrotne, elementy oświetlenia kabiny i przegrody bagażowe.

Porównanie spoiny wytworzonej w procesie zgrzewania tarciowego (po prawej) i w technologii Clear Vibration Technology (po lewej)

Zgrzewanie tarciowe ma jednak zasadniczą wadę: generowane spoiny cechują się na ogół nieestetycznym, poszarpanym kształtem, przez co wymagają obróbki wykańczającej. Upowszechnieniu tej metody nie sprzyja zresztą także trend do tworzenia coraz bardziej złożonych formulacji polimerów o niskiej lepkości i wysokich temperaturach topnienia. Dlatego w ostatnim czasie na znaczeniu zyskują technologie hybrydowe, w tym zwłaszcza tzw. Clean Vibration Technology (CVT) stanowiąca połączenie zgrzewania wibracyjnego ze spawaniem podczerwienią. W procesie tym powierzchnia detali jest najpierw plastyfikowana z wykorzystaniem emitera podczerwieni zintegrowanego z mocowaniem, a następnie zgrzewana tradycyjnie metodą wibracyjną. W rezultacie nie dochodzi do zanieczyszczenia spoiny fragmentami tworzywa, a samo połączenie cechuje się regularnym, estetycznym kształtem, co eliminuje konieczność obróbki wykończeniowej.

Spawanie laserowe

Spawanie laserowe jest, podobnie jak spawanie podczerwienią, metodą bezkontaktową, w której energia dostarczana na powierzchnię detali przekształcana jest w ciepło roztapiające miejscowo tworzywo1. Rezultaty tego procesu w największym stopniu determinuje absorpcyjność tworzywa.

Przebieg procesu spawania penetracyjnego z użyciem lasera

O ile w teorii wszystkie termoplasty są spawalne laserowo, o tyle w praktyce zdolność ich łączenia tą metodą zależy od tego, w jakim stopniu dane tworzywo absorbuje wiązkę laserową. Jeśli poziom absorpcji jest niski, wiązka przechodzi przez polimer, nie zatrzymując się na jego powierzchni. Umożliwia to realizację procesu spawania penetracyjnego, w którym wiązka zatrzymuje się na dolnej warstwie tworzywa absorbującej promieniowanie laserowe, doprowadzając do jej roztopienia. Ciepło oddawane przez dolną warstwę roztapia także warstwę górną, umożliwiając wytworzenie trwałego, a co najważniejsze – niewidocznego dla oka połączenia. Problem pojawia się, jeśli chcemy spawać tą metodą dwa materiały o niskiej absorpcyjności. Rozwiązaniem może być zastosowanie specjalnych dodatków poprawiających absorpcyjność tworzyw, a także powłok pochłaniających promieniowanie laserowe.

Niezwykle ważnym aspektem rozwoju technologii laserowych, który w dużej mierze niweluje trudności związane ze spawaniem tworzyw, jest upowszechnienie się systemów śledzenia wiązki laserowej, które umożliwiają jej bieżące repozycjonowanie na podstawie danych o jej przebiegu rejestrowanych w czasie rzeczywistym. Umożliwia to redukcję liczby braków powstających na skutek odchyłek wiązki od zadanej trajektorii, np. w efekcie jej odbicia od powierzchni detalu.