플라스틱 고정 및 레이저 용접

조나단 매기 | 2021년 4월 23일

산업용 레이저는 다양한 시장에서 엔지니어링 플라스틱을 가공하는 데 사용됩니다. 레이저 마킹, 절단, 용접 등 일반적인 프로세스의 몇 가지 예가 그림 1에 나와 있습니다. 레이저 플라스틱 용접 분야에서 잘 알려진 시장에는 자동차(그림 2)와 의료 기기가 포함됩니다.

레이저 기반 용접은 기존 접촉 방법에 비해 플라스틱에 대한 몇 가지 중요한 이점이 있습니다. 레이저 용접은 일반적으로 겹쳐진 부품의 경계면에서 발생하는 용접 지점의 비접촉 공정입니다. 결과적으로 용접 영역이 캡슐화됩니다. 그 결과 미학적으로 만족스러운 용접이 이루어지며, 이는 무균이고 접합되는 부품의 표면을 오염시키지 않습니다. 이미 서로 접촉하고 있는 부품을 외부 표면에 방해 없이 위에서 아래로 함께 용접할 수 있다는 것은 다소 직관에 어긋나는 것 같습니다. 초음파 또는 핫 스탬핑과 같은 기존의 플라스틱 용접 기술을 사용하면 함께 용접할 부품의 외부 표면과의 접촉이 불가피합니다. 비접촉 레이저 플라스틱 용접은 결합되는 폴리머 사슬 내에서 레이저 광의 부분 투과, 반사, 산란 및 흡수 원리에 따라 작동합니다. 플라스틱과 레이저의 광학적 특성을 신중하게 선택하면 대상 위치에 충분한 열이 발생하여 재료를 녹이고 융합할 수 있습니다.

레이저 용접 공정의 설계는 제품 개발 초기에 수립되어야 합니다. 원래 레이저 용접용으로 설계되지 않은 플라스틱 제품에 레이저 용접 공정을 개조하려는 시도가 때로는 효과가 있을 수 있습니다. 그러나 플라스틱 제품 개발 초기 단계에서 레이저 제조 원리에 대한 설계를 채택하면 나중에 제조 가능성 문제를 크게 줄일 수 있습니다.

플라스틱 제품은 무엇보다도 기계적, 기하학적, 열적, 광학적 특성을 갖고 있습니다(그림 3). 기본적으로 플라스틱 어셈블리의 레이저 용접성은 다음 사항에 따라 광범위하게 결정될 수 있습니다.

플라스틱은 금속보다 훨씬 낮은 온도에서 녹고 분해됩니다. 엔지니어링 플라스틱의 일반적인 용융 온도는 약 250°C입니다. 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같이 용융 온도가 훨씬 더 높은 일부 플라스틱은 350°~400°C 범위에 있습니다. 용융 온도의 긴밀한 호환성은 용접 풀의 혼합을 돕고 재응고 시 기계적 강도를 향상시킵니다. 용융 온도가 상대적으로 밀접하게 일치하는 특정 플라스틱 조합은 플라스틱 용접에 적합한 후보입니다. 플라스틱의 화학적 구성도 중요한 요소입니다. 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 폴리프로필렌(PP)에 용접하려는 시도는 성공하지 못하지만, 폴리에틸렌이 같은 계열에 속하더라도 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 폴리프로필렌(PP)에 용접하는 것은 가능합니다. . 재료 조합을 신중하게 고려해야 합니다.

재료 가공의 레이저는 일반적으로 하나의 파장 또는 매우 좁은 파장 대역폭의 광선을 방출합니다. 자연광과 달리 레이저 빔은 일관성이 있고 초점을 맞출 수 있습니다. 근적외선 및 적외선 파장은 800 nm ~ 2 µm의 플라스틱 용접에 가장 널리 사용되며, 종종 고출력 다이오드 레이저와 함께 사용됩니다. 이들 파장은 가시광선 스펙트럼에서 녹색(532nm), 빨간색(635nm) 등 사람의 눈에 보이는 파장보다 길다. 800~2000nm 파장을 사용하는 경우 용접할 플라스틱은 이 범위에서 어느 정도의 투과 및 흡수를 나타내야 합니다. 플라스틱은 어느 정도 반결정질 구조를 갖고 있으며 비정질 및 결정질 상을 갖고 있습니다. 플라스틱 내의 비정질 상과 결정상 사이의 굴절률 차이로 인해 레이저 빔이 이들에 충돌할 때 필요한 투과 및 흡수 외에도 광 산란 및 반사가 발생합니다. 이는 효과의 수준에 따라 레이저 용접에 도움이 될 수도 있고 방해가 될 수도 있습니다. 이러한 특성의 설계 조합은 상단 플라스틱 부분을 통한 레이저 빔의 투과와 하단 부분의 흡수를 달성하는 데 도움이 됩니다(그림 4). 때로는 폴리머가 레이저 광을 흡수하도록 하기 위해 마스터배치에 첨가제가 포함되기도 합니다. 제품에 첨가제가 허용되는지 여부는 설계 단계에서 고려해야 합니다. 예를 들어 이 플라스틱으로 만든 의료 기기가 FDA 승인을 받을 수 있습니까?