Laserem w materiały termoplastyczne
TrumpfRosnąca popularność technologii laserowych do różnych zastosowań przemysłowych wraz z wykorzystaniem tworzyw sztucznych na szeroką skalę musiała zaowocować tym, że lasery coraz częściej wykorzystuje się również do obróbki materiałów termoplastycznych. Przy użyciu tej technologii można m.in. ciąć, spawać i zgrzewać oraz znakować tworzywa sztuczne.
Liczne zalety technologii laserowych sprawiają, że lasery wykorzystuje się do różnorodnej obróbki materiałów. To technologia szybka, niezwykle precyzyjna – nawet przy obróbce bardziej skomplikowanych elementów – wysoce powtarzalna, a przy tym generuje mniejszą ilość odpadów. Po lasery sięgają więc dziś firmy z różnych branż i do bardzo różnorodnych zastosowań.
Cięcie tworzyw sztucznych
Tradycyjne metody cięcia tworzyw sztucznych wciąż można spotkać w zastosowaniach przemysłowych, jednak pełnią one najczęściej funkcję wspomagającą. Wykorzystuje się je głównie do produkcji jednostkowej bądź małoseryjnej.
Szybkość cięcia, wysoka precyzja i powtarzalność to najważniejsze cechy technologii cięcia laserem, które sprawiają, że jest ona coraz częściej wykorzystywana także do cięcia tworzyw sztucznych. Wycinarki laserowe mogą być stosowane do rozdzielania wielu różnorodnych tworzyw, w tym należących do kategorii tzw. twardych tworzyw sztucznych czy też materiałów kompozytowych.
Wycinarki laserowe, zwłaszcza sterowane numerycznie, pozwalają znacząco skrócić czas cięcia, a tym samym obniżyć koszt całego zlecenia. Już samo przygotowanie materiału do procesu jest dużo szybsze, nie ma też konieczności mocowania tworzywa, a do tego dochodzą duże prędkości cięcia i (w większości przypadków) brak obróbki wykańczającej.
Ponadto laser zapewnia stałą, wysoką jakość powtarzalnych cięć (zarówno jeśli chodzi o kształt, jak i wymiary elementu). Jego precyzja pozwala na wycinanie drobnych detali w trudno dostępnych miejscach i praktycznie w dowolnym kształcie.
Laser praktycznie się nie zużywa – głowica nie dotyka bowiem obrabianego materiału. W dłuższej perspektywie metoda ta zaczyna być więc opłacalna również pod względem finansowym.
W przypadku większości tworzyw sztucznych obróbka laserem nie wpływa destrukcyjnie na strukturę i właściwości ciętego materiału. Nie jest to jednak regułą, dlatego najlepiej sprawdzić w praktyce, jak zachowuje się dane tworzywo.
Trzeba jednak dodać, że wydajność tej technologii cięcia zaczyna spadać przy materiałach o większej grubości. Przyjęło się, że dla materiałów o grubości od 7–8 mm technologię cięcia laserem lepiej zastąpić inną, wydajniejszą – np. strumieniem wodnym.
Spawanie tworzyw sztucznych
Przy użyciu wiązki lasera można również spawać elementy z tworzyw sztucznych. W tej technice łączenia cieplnego wcześniej wykorzystywano lasery diodowe lub neodymowe. W ostatnim czasie na popularności zyskują jednak lasery światłowodowe (fiber). W spawaniu laserowym nie ma kontaktu głowicy lasera z powierzchnią obrabianych tworzyw sztucznych, więc mniejsze jest ryzyko uszkodzenia materiału.
W spawaniu laserowym skupiona wiązka lasera o dużej gęstości energii nadtapia tylko obszar styku łączonych detali. W efekcie mniejsza jest strefa wpływu ciepła i niższe oddziaływanie cieplne na pozostałą część detalu.
Ponadto ciepło jest szybko odprowadzane, co wpływa na szybkie stygnięcie jeziorka ciekłego tworzywa. Z tego też względu spawanie laserowe zaleca się do łączenia małych i delikatnych części. Tak jak w przypadku innych procesów obróbczych z użyciem lasera również spawanie laserowe tworzyw sztucznych jest szybkie i precyzyjne.
Znakowanie tworzyw sztucznych
Technologia laserowa sprawdza się również przy znakowaniu tworzyw sztucznych. Jak zauważa Piotr Bagiński, odpowiedzialny za doradztwo i wdrożenia projektów technologii laserowej 3D w firmie TRUMPF Polska, najszersze zastosowanie laserów jest właśnie w szeroko rozumianym znakowaniu laserowym. Obostrzenia regulacji środowiskowych pomagają producentom w podjęciu decyzji o zmianie technologii znakowania swoich produktów.
– Znakowanie laserowe jest przede wszystkim trwałe, odporne na mechaniczne uszkodzenia powierzchni czy czynniki atmosferyczne, dzięki czemu pozostaje czytelne przez długi czas – podkreśla Bagiński. – Oprócz logotypów, nazw handlowych i numerów seryjnych firmy produkcyjne chcą mieć kod DMC dla procesów zarządzania produkcją lub QR z rozszerzonymi informacjami dla użytkownika. Co ciekawe, urządzenia TruMark6030 dają możliwość znakowania swobodnych powierzchni kształtowych 3D, kątowych czy na różnych poziomach jednocześnie.
Warto też mieć na uwadze, że nawet niewielka zmiana w składzie mieszanki tworzywa może znacząco zmienić jego właściwości, wpływając na jakość i trwałość znakowania laserowego. Przed każdym procesem znakowania detal powinno się więc poddać wstępnym testom w konkretnych warunkach w celu sprawdzenia efektu końcowego. W ten sposób można sprawdzić reakcję konkretnego materiału na kontakt z wiązką laserową.
W pierwszej kolejności dobierana jest odpowiednia długość fali laserowej. Następnie brana jest pod uwagę średnica plamki laserowej, która bezpośrednio wpływa na uzyskaną gęstość mocy. Im mniejsza plamka, tym lepsze odwzorowanie, ale i mniejsza wydajność.
Na tę ostatnią bezpośrednio wpływa częstotliwość powtarzania impulsów – wraz z jej wzrostem rośnie też wydajność procesu. Powyższe parametry powinny być skorelowane z mocą impulsu i prędkością przesuwu wiązki laserowej.
W zależności od tworzywa oraz parametrów znakowania laserowego proces ten może przybierać różne formy. Można wyróżnić:
- Spienianie – szczególnie często wykorzystywane do znakowania kolorowych, ciemnych tworzyw sztucznych, które intensywnie absorbują promieniowanie laserowe. Krótkotrwały impuls laserowy silnie uplastycznia tworzywo, powodując pojawienie się małych pęcherzyków gazowych, które natychmiast zostają uwięzione w krzepnącym tworzywie. Uwięzione pęcherzyki powodują powstanie wybrzuszenia i rozproszenie padającego na obszar znakowania światła.
- Ablację – proces miejscowego odparowania tworzywa, najczęściej stosowany do znakowania wielowarstwowych tworzyw sztucznych. Usunięcie cienkiej warstwy wierzchniej pozwala na odkrycie kolejnej warstwy tworzywa, co przy odpowiednim kontraście pozwala uzyskać czytelne oznaczenia (np. efekt pozytyw–negatyw).
- Odbarwianie – proces, w którym wiązka laserowa jest absorbowana przez odpowiednio dobrany pigment. W wyniku zachodzących reakcji molekuły zmieniają kolor zarówno w pigmencie, jak i materiale. W tego typu procesach stosuje się najczęściej lasery zielone (532 nm) lub UV (355 nm). Materiały po tym procesie charakteryzują się idealnie gładką powierzchnią.
Jak tłumaczy Piotr Bagiński, najbardziej rozpowszechnione jest znakowanie powierzchniowe laserami IR (InfraRed – długość fali ok. 1 µm i barwie podczerwonej). To najbardziej powszechny i uniwersalny rodzaj lasera, niestety o niskim współczynniku absorbcji dla tworzyw sztucznych.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Możliwe jest znakowanie poprzez temperaturowe spienianie tworzywa w miejscu działania wiązki lub zastosowanie w tworzywie dodatków fotoabsorpcyjnych dla reakcji temperaturowej z promieniem lasera. Najbardziej efektowne wizualnie jest natomiast ablacyjne usuwanie warstwy wierzchniej farby lub tworzywa, które daje duży kontrast znakowania, szczególnie atrakcyjny w elementach podświetlanych i marketingowych.
– Znacznie wyższy współczynnik absorbcji dla tworzyw sztucznych mają lasery UV (UltraViolet) – długość fali ok. 0,3 µm i barwie ultrafioletowej – dodaje Bagiński. – Zastosowanie tego typu laserów (jak np. TruMark3033) zapewnia wyższą efektywność procesu, wyższą jakość znakowania i rozszerza gamę materiałów tworzyw sztucznych możliwych do znakowania laserowego.
Zgrzewanie tworzyw sztucznych
Według Piotra Bagińskiego z TRUMPF Polska ciekawa jest także technologia laserowego zgrzewania tworzyw sztucznych, która gwarantuje trwałe połączenie dwóch elementów plastikowych. Zgrzewanie laserowe stosuje się tam, gdzie nie sprawdzają się tradycyjne metody łączenia.
Technologia ta umożliwia łączenie dwóch elementów wiązką laserową w miejscu styku ich płaszczyzn. Podobnie jak w przypadku spawania laserowego energia emitowana przez laser powoduje upłynnienie tworzywa sztucznego tylko lokalnie – w miejscu łączenia.
Ponieważ podgrzewana i topiona jest tylko cienka warstwa tworzywa, nie ma potrzeby oddziaływania na nie wiązką o dużej energii. Nie wpływa więc ona destrukcyjnie na pozostałe powierzchnie łączonych elementów.
Jeśli chodzi o stabilność połączenia w procesie zgrzewania laserowego, jest ona wysoka w przypadku łączenia elementów, które są wykonane z identycznego tworzywa. Problemy mogą się jednak pojawić np. w przypadku zgrzewania tworzyw o dużym dodatku włókna szklanego. Im wyższy jest udział tego dodatku, tym uzyskane połączenie będzie bardziej łamliwe.
– Jeśli połączenie zgrzewane laserowo ma być wytrzymałe i szczelne, wymagane jest zastosowanie systemu pomiaru temperatury. Działa on z laserem w pętli zwrotnej, tak aby utrzymać równy rozkład temperatury na całej długości połączenia zgrzewania laserowego. Tym samym można uniknąć wystąpienia niepożądanych zjawisk, takich jak lokalne przepalenia, karbonizacja, nierównomierny rozkład naprężeń spowodowanych skurczem itp. – wyjaśnia Piotr Bagiński. – Do tych aplikacji proponujemy lasery diodowe serii TruDiode o równomiernym rozkładzie energii emitowanej wiązki wraz z optyką skanującą o dużej dynamice skanowania PFO20-2 i systemem kontroli temperatury. Odnośnie do ograniczeń warto pamiętać, że najlepiej łączą się ze sobą te same pary materiałowe, ze względu na podobną reakcję na temperaturę.
Mikroteksturowanie
Wśród różnych procesów obróbczych tworzyw sztucznych, w których biorą udział lasery, warto wspomnieć jeszcze o mikroteksturowaniu. To mikroobróbka laserowa, podczas której lasery o bardzo krótkiej wiązce światła usuwają cienkie warstwy obrabianego materiału, tworząc odpowiednie mikro- i nanostruktury.
Termin „mikroobróbka laserowa” obejmuje wiele zastosowań, które są analogiczne do tradycyjnej obróbki elementów o typowych rozmiarach. Technologia ta może być wykorzystywana do wykonywania takich procesów, jak mikrocięcie, mikrofrezowanie, mikrodrążenie, mikrospawanie czy wreszcie mikroteksturowanie (czyli nadawanie określonych cech powierzchniom obrabianych detali).
Dodatkowo mikroobróbka laserowa pozwala na selektywne usuwanie cienkich warstw materiału, dzięki czemu możliwe jest usunięcie górnej cienkiej powłoki bez uszkadzania warstw poniżej. Ten rodzaj obróbki umożliwia również efektywną strukturyzację powierzchni – a tym samym tworzenie powierzchni funkcjonalnych (np. hydrofobowych, hydrofilowych) – a nawet zmianę tribologicznych czy optycznych parametrów obrabianych powierzchni.
Czy wszystkie tworzywa sztuczne nadają się do obróbki laserowej?
Zależnie od procesu technologicznego i różnych innych czynników mogą występować różnorodne ograniczenia co do możliwości stosowania konkretnych tworzyw sztucznych.
Według Piotra Bagińskiego niektóre tworzywa nadają się lepiej niż inne. Stwierdza więc: – Zawsze proponujemy bezpłatny test znakowania w celu dobrania odpowiedniego zestawu laserowego do danej aplikacji.
W przypadku wspomnianego znakowania lasery mogą znakować wszystko, co jest wykonane z tworzyw sztucznych i wymaga trwałego, trudno usuwalnego oznaczenia. Laserem można znakować takie rodzaje tworzyw, jak np. poliwęglan (PC), polietylen (PE), polipropylen (PP), poliformaldehyd (POM), poliamid (PI), polistyren (PS), poliester (PES) czy silikon.
Istnieje jednak także wiele tworzyw, które powinny być obrabiane przy użyciu innych metod (np. mechanicznej grawerki). W procesie znakowania dochodzi bowiem do interakcji promieniowania laserowego z elementami składowymi tworzywa, która może spowodować wydzielanie się gazów szkodliwych dla zdrowia człowieka.
Do obróbki laserowej nie nadają się m.in. polichlorek winylu (PCW), poli-dwubromostyren (PDBS) i teflon (PTFE). Warto też mieć na uwadze, że również inne dodatki, które wchodzą w skład tworzyw (np. pigmenty, uszlachetniacze czy środki ograniczające palność danego elementu), mogą różnie reagować na kontakt z wiązką lasera.
O Autorze
