ES2230415T3 - Procedimiento y dispositivo para la union de materiales de plastico con alta velocidad de soldadura. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la union de materiales de plastico con alta velocidad de soldadura.

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ES2230415T3
ES2230415T3 ES02010925T ES02010925T ES2230415T3 ES 2230415 T3 ES2230415 T3 ES 2230415T3 ES 02010925 T ES02010925 T ES 02010925T ES 02010925 T ES02010925 T ES 02010925T ES 2230415 T3 ES2230415 T3 ES 2230415T3
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ES
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contact surface
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ES02010925T
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English (en)
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Chen Jie-Wei
Niederberger Adolf
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Leister Process Technologies
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Abstract

Procedimiento para la unión de materiales sinfín (13, 14) de plástico en los cuales mediante un rayo láser (2, 12) el material superior (13) es irradiado por el rayo láser (2, 12) y en la superficie de contacto entre el material (14) superior transparente y el inferior opaco para el rayo láser, se funden los dos materiales (13, 14) y se unen entre ellos bajo presión con un desplazando del rayo láser (2, 12) y los materiales a unir (13, 14) en relación uno con el otro, habiéndose previsto para la generación de una costura de soldadura, que discurre en dirección longitudinal en la superficie de contacto de una zona de proceso (P), en la que el material se calienta mediante rayos láser de forma continua en una zona de precalentamiento (1) a la temperatura de fusión (Tm), y al continuación se funden en una zona de fusión (II) y los materiales complementan la zona de irradiación (D) del rayo láser (2, 12), caracterizado porque los materiales se conducen por dos rodillos (17, 18) que se comprimenuno contra el otro, aplicándose el rayo láser (2, 12) por un primer rodillo (17) transparente del rayo láser en la zona de irradiación llegándose a una zona de proceso lineal (P) y el segundo rodillo (18) se deforma ligeramente por el primer rodillo (17) en el perímetro.

Description

Procedimiento y dispositivo para la unión de materiales de plástico con alta velocidad de soldadura.
La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la unión de materiales plásticos con alta velocidad de soldadura.
Es conocidos unir materiales de plástico mediante rayos láser, en los que el material superior dirigido al rayo láser es atravesado por éste, y la superficie de contacto entre el material superior, transparente para el rayo láser, y el material inferior, opaco para el rayo láser, calienta los dos materiales y los une bajo presión. El material transparente al rayo láser puede ser ópticamente negro en la gama de longitud de ondas visible. Es además conocido para ello generar un rayo láser lineal, teniendo lugar durante el proceso de soldadura un movimiento relativo entre los materiales y el rayo láser, para generar el contorno de soldadura deseado.
Condición previa para el proceso de soldadura según esta técnica de irradiación es la respuesta térmica del plástico bajo la irradiación IR. El plástico pigmentado con materias que absorben IR, bajo la irradiación absorbe la energía térmica de la fuente IR (fuente láser) y se calienta. La acumulación de la energía térmica y con ello la temperatura alcanzada en el plástico dependen de la dosificación de la energía, por ejemplo, densidad de energía y tiempos de irradiación. Además, es también importante la característica del material, por ejemplo, la conductividad térmica. El paso decisivo para el proceso de soldadura es la transición de fases entre el estado del cuerpo sólido al estado de cuerpo líquido, que a continuación se designa también como temperatura de soldadura. Para alcanzar esta temperatura de fusión se necesita un cierto tiempo de calentamiento, debido a la conductividad térmica baja del plástico. En principio, es posible con una dosis de energía correspondientemente más elevada realizar un acortamiento del tiempo de irradiación. Esta medida, sin embargo, reduce la ventana de proceso, en la que es posible, la adaptación individual de los parámetros de proceso, y empeora de esta manera claramente la calidad de soldadura.
El material continuo de hojas se pueden utilizar, por ejemplo, como parte de componentes micromecánicos, sensores, actuadores, etc. siendo el material de la hoja al mismo tiempo también medio de transporte para el componente. También se pueden utilizar material continuo de hojas para el embalaje de tales componentes transportado sobre una hoja u otros objetos a embalar. Para la fabricación de tales hojas continuas soldadas es importante realizar un proceso de soldadura lo más exacto posible, pero también rápido.
En el documento DD 84 474 A se describe un procedimiento para la soldadura continua de hojas termoplásticas, en el que un vidrio de cuarzo transparente rotativo sobre el qué las hojas a unir se sueldan solapadas y mediante el disco se transporta al mismo tiempo, son atravesadas desde el lado contrario por rayos de luz focalizados, de tal manera que en la mancha del foco del haz de rayos se encuentra un radiador de luz en la zona de soldadura de la hoja a soldar. De este modo, se calientan las hojas a la temperatura de soldadura y a la presión necesaria para la soldadura se genera mediante un rodillo de apriete montado elásticamente, que marcha con ellas o con el disco rotativo de acuerdo con las relaciones de diámetro de forma sincronizada. Con este dispositivo tiene lugar el calentamiento de forma puntual.
El documento DE 125 16 726 A1 da conocer un procedimiento para la conformación de la soldadura de una caja plegable con dos rodillos que marchan en sentido contrario, colocándose a lo largo del formato la caja de las zonas a soldar una capa de plástico termoplástico, que después del proceso o durante el mismo se sueldan por la radiación de la irradiación infrarroja y de una aplicación de presión subsiguiente.
La presente invención tiene por ello el objeto de proponer una posibilidad con la que se pueden unir hojas con una velocidad de soldadura alta.
Este objetivo se consigue, según la invención, gracias a las características de la reivindicación del procedimiento y la del dispositivo. Otras configuraciones ventajosas se tomarán de las correspondiente subreivindicaciones.
Según el procedimiento, se ha previsto para la generación de una soldadura que transcurre en dirección longitudinal una zona de proceso, en la que el material se calienta funde de forma continua mediante rayos láser en una zona de precalentamiento se calienta la temperatura de fusión y a continuación se funde en una zona de fusión. La tercera fase de la zona del proceso, concretamente, la fase de refrigeración, no se cubre por el rayo láser. Según la presente invención, se consigue la velocidad de soldadura más alta deseada mediante una adaptación de las dimensiones de las zonas a puentear por el rayo láser. Se ha previsto para ello una zona prolongada de proceso a lo largo de la dirección de desplazamiento, que prolonga automáticamente e tiempo de irradiación, y con ello permite una alta velocidad de soldadura a pesar de una calidad de soldadura razonable. Para ello es necesario que se realice una forma de radiación especial del rayo láser, que permita tanto el proceso de soldadura como también el proceso de precalentamiento en un transcurso de proceso compacto. Un proceso de precalentamiento (zona) integrado en el rayo láser para el plástico es una característica esencial para la posible velocidad de soldadura alta realizable.
Para ello se ha previsto una zona de proceso lineal. Ésta se genera preferentemente, por lo menos en parte, mediante un rayo láser colimado, que en su anchura se puede ajustar mediante la óptica correspondiente. En dirección vertical, es independiente la forma de la línea láser de la separación de la superficie de contacto a la óptica láser.
En el procedimiento, es importante que el rayo láser lineal dirigido en el sentido del movimiento incida en toda la zona de proceso sobre la superficie de contacto. La base de apoyo debe prever para ello, por lo menos, una zona que corresponde a esta longitud.
Para disponer de energía adicional para el proceso de soldadura después de alcanzar la temperatura de soldadura es posible, según otra configuración del procedimiento, prever a continuación de la zona de irradiación lineal otro rayo láser puntual con elevada densidad de energía.
Para la medición de temperatura se puede prever en este punto también un pirómetro para la medición IR de la temperatura, pudiéndose emplear, tanto para la preparación del rayo láser puntual como también para la medición IR, la misma óptica para el guiado del rayo. Mediante esta medición se pueden observar la zona de fusión y regular adecuadamente la potencia del láser.
Los materiales se guían mediante dos rodillos que se comprimen, opuestos uno contra el otro, aplicándose el rayo láser a través de un primer rodillo transparente para rayo láser en la zona de irradiación. De este modo se puede garantizar el correspondiente avance de las hojas. Es importante para ello que, como se ha dicho anteriormente, se capte la superficie contacto por el rayo láser lineal. Esto significa que el primer rodillo presenta un diámetro correspondientemente grande. Al mismo tiempo, el segundo rodillo se configura de tal manera que éste se deforma ligeramente en la periferia exterior y como consecuencia de ello representa una zona de contacto de proceso deseada, debido a que la zona de contacto entre los dos rodillos no se limita sólo a una línea de avance, que se encuentra en dirección de transporte como es usual.
Además, es importante para el procedimiento, como se ha indicado al principio, que los materiales estén unidos bajo presión. Los materiales se comprimen ya en la zona de irradiación.
Mediante la deformación del segundo rodillo se comprimen, los dos materiales a unir directamente en la fusión con la correspondiente presión. La deformación del segundo rodillo origina también forzosamente una curvatura de los dos materiales a unir correspondiente al rayo del primer rodillo transparente. Como consecuencia de ello es necesario que los materiales a unir se enrollen en este sentido de la curvatura que se presenta en la soldadura. Un enrollado en sentido contrario origina daños a la unión por soldadura o a los materiales a unir el uno con el otro. Con un primer rodillo con un radio se minimiza el efecto de curvatura.
El rodillo transparente puede ser, por ejemplo, de vidrio, plástico transparente, por ejemplo, PMMA, u otros materiales adecuados. Para prever un rayo láser con anchura deseada en la superficie de contacto, se puede generar mediante la óptica correspondiente un rayo en la anchura deseada, o mediante un escaneado hacia un lado y otro con suficiente velocidad en una zona de la irradiación, que sea más ancha que la línea láser. Para llevar el rayo láser a través de este primer rodillo, el material puede disponer una fuente láser correspondiente en el rodillo. Sin embargo, preferentemente se dispone fuera del rodillo y se eleva a la zona correspondiente con los dispositivos de desvío en el rodillo del rayo láser a la zona deseada.
Según otra configuración del procedimiento, se limpia el primer rodillo transparente antes del contactado del material en la superficie exterior y a continuación se quitan las partículas de suciedad adheridas que proceden del material, para que la transmisión de energía necesaria para el proceso de soldadura no se perjudique por el rodillo. Esto se puede realizar, por ejemplo, mecánicamente mediante cepillos adecuados y/o mediante aire comprimido, vacío, eléctricamente (recubrimiento antiestático) o de cualquier otra manera.
Otro parámetro que es importante para una unión óptima es la aplicación de presión necesaria. Para controlar ésta se puede determinar la presión de apriete mediante sensores de presión planos dispuestos en la superficie del segundo rodillo, que son en general conocidos y usuales el comercio. Los valores proporcionados por los sensores de presión se evalúan en una unidad de mando y de regulación correspondiente, unidos con ellos, y se gradúan correspondientemente uno de los rodillos, preferentemente el rodillo deformable.
Para generar un contorno de soldadura, que difiera de una forma lineal normal, es posible disponer sobre el rodillo transparente una máscara. Según sea la calidad del rayo, puede disponerse está máscara en el interior o en el exterior. Un ejemplo típico para la exposición de una máscara de esta clase, que con la rotación del rodillo cubre una determinada zona del material a soldar, es la fabricación de una costura de soldadura interrumpida continúa en la dirección de transporte.
El dispositivo para la unión de materiales comprende dos rodillos opuestos que marchan en sentido contrario, estando configurado el primer rodillo de un material permeable al láser y tubular, y el segundo contrarrodillo de un material ligeramente deformable en la superficie. Además, en el primer rodillo se han dispuesto dispositivos para la generación de por lo menos un rayo láser en la superficie de contacto. En estos dispositivos se puede tratar tanto de los dispositivos que generan el rayo láser como también dispositivos generadores, que llevan a la posición deseada el rayo láser generado fuera del rodillo. El rodillo ligeramente deformable tiene la periferia exterior por lo menos la zona exterior, de un material de goma elástico producido con la blandura correspondiente.
Según una configuración preferente se ha dispuesto en el primer rodillo un dispositivo para la medición IR de la temperatura, que preferentemente está configurado móvil con relación al punto de medición. Esto permite las comprobaciones de las fases de proceso deseadas y la correspondiente evaluación en un dispositivo de mando y de regulación.
Los dispositivos para la generación de por lo menos un rayo láser generan una zona de contacto en el sentido de desplazamiento de los materiales. Preferentemente se puede prever, además, un dispositivo de desplazamiento que se conecta después del rayo láser lineal colocado después del rayo láser lineal.
A continuación se explicará con mayor detalle la invención mediante los dibujos adjuntos, que representan:
la figura 1, la representación esquemática del perfil de temperatura mediante un rayo láser lineal tipo cortina sobre una superficie;
la figura 2, la representación esquemática de una disposición con un rayo láser lineal y un rayo láser puntual o pirómetro que de sigue en el sentido del movimiento para la medición de la temperatura;
la figura 3, la representación esquemática de un dispositivo para unir dos bandas de material plástico; y
la figura 4, una representación esquemática ampliada del rodillo transparente y del contrarrodillo con un espejo de desvío.
La figura 1 muestra una fuente láser 1 con un rayo láser 2 colimado, en forma de cortina, que genera sobre el material de plástico 3 una zona de irradiación 5 lineal. La zona de irradiación 5 tiene una anchura d, influenciable por la correspondiente óptica y una longitud D. El material de plástico 3 se desplaza en el sentido de la flecha con la velocidad v. En la figura se ha representado, además, el perfil de temperatura 4 con la temperatura T a través del recorrido x. Como se ve por la figura y la línea 4, la temperatura en el material aumenta en las zonas de precalentamiento I de manera continua y alcanza al final la temperatura de fusión Tm. A partir de allí, empieza la temperatura de fusión II hasta el final de la zona de radiación 5, cuya longitud se designan con D. A continuación cae la temperatura en la zona de refrigeración III. La duración total del proceso de soldadura se designan con P.
En la figura 2 se ha representado para una explicación de principio, a título de ejemplo, una disposición que muestra el rayo láser 2 como cortina según la figura 1, que incide en un material que se desplaza en el sentido de la flecha, por ejemplo, una hoja. El rayo láser generado por la fuente láser 1 se desvía mediante un dispositivo de desvío 6, que permite un desplazamiento correspondiente también transversalmente a la medición del desplazamiento del material 3. Además de la fuente láser 1, se puede disponer otra fuente láser 7, y/o un pirómetro para la medición IR. Este dispositivo presenta un cabezal giratorio 8, que permite un desplazamiento libre definido a lo largo del material, de tal manera que en este caso, según sea la aplicación, es posible un calentamiento adicional puntual o medición de temperatura correspondiente, sin que el elemento óptico 9 se tenga que cambiar. Con el pirómetro correspondiente se puede realizar la medición de temperatura en cualquier punto a lo largo de la lineal de soldadura. La aplicación del láser puntual y del pirómetro se puede integrar también mediante la construcción junto a la fuente lineal, concretamente en el láser puntual mediante la óptica en el material y colectar la irradiación térmica a través del mismo recorrido óptico de introducirlo en el pirómetro.
La figura 3 muestra una disposición esquemática de los diversos elementos en un dispositivo. En la figura se ha representado esquemáticamente una fuente láser 11 en un rodillo transparente 17. Esto se realiza sólo a título de ejemplo, ya que en este caso, y en la práctica, se puede realizar mejor por un espejo de desvío 6, como se indica en la figura 4. La fuente láser 11 genera un rayo láser 12 en forma de cortina, que genera en la zona 16, entre el rodillo transparente 17, por ejemplo, de cristal del cuarzo o PMMA, y el rodillo ligeramente deformable 18, por ejemplo, de material elástico de goma, una zona de irradiación lineal. El avance del material tiene lugar mediante los rodillos de accionamiento 25 y 26. El contrarrodillo fácilmente deformable 18 como se representa mediante la flecha 13 se puede regular cuanto a la presión de apriete. Las hojas 13, 14 unidas entre sí se doblan ligeramente entre los rodillos 17, 18 de acuerdo con la curvatura del rodillo 17. Como consecuencia de ello, las hojas 24 unidas entre sí con la soldadura 15 se conducen al continuar la marcha alrededor de rodillos 17 y se enrollan con la misma curvatura alrededor del rodillo de enrollado 20. Como se ve desde la figura, se consigue mediante la deformación del contrarrodillo 18, que representa una superficie de apriete larga correspondiente, que es más larga que la zona de irradiación 16.
En el ejemplo de realización, se unen dos materiales entre sí. En principio, es también posible unir entre sí tres materiales, transmitiéndose el calor originado en la superficie de contacto a la tercera lámina, si el material central es suficientemente delgado.
En la figura se indica esquemáticamente con 19 un dispositivo de limpieza en forma de cepillo. Además, se puede prever una o varias máscaras en el rodillo 17, no representadas en la figura, pero que es fácilmente comprensible para el experto en la materia, para proporcionar a la costura de soldadura 15 un determinado contorno. Además, se pueden prever, en el contorno exterior del segundo rodillo 18, sensores de presión planos no representados, a través de lo cual se puede controlar la presión de apriete. Es también posible dotar el rodillo 18 de un revestimiento plástico de goma y colocar los sensores debajo del revestimiento.
Con un dispositivo de esta clase, se puede conseguir con una potencia láser de 70 W con una línea de soldadura de 15 mm de longitud una velocidad de soldadura de 400 mm por segundo. Con una soldadura puntual o con un rayo láser transversal en dirección del desplazamiento con la misma anchura
(1 mm) transcurre el procesos 15 veces más lento.
La figura 4 muestra el rodillo transparente 17 ampliado una vez y el rodillo ligeramente deformable 18, habiéndose dispuesto en el rodillo 17 un espejo de desvío 6 que desvía el rayo láser, que procede de la fuente de luz sobre la línea 16.

Claims (12)

1. Procedimiento para la unión de materiales sinfín (13, 14) de plástico en los cuales mediante un rayo láser (2, 12) el material superior (13) es irradiado por el rayo láser (2, 12) y en la superficie de contacto entre el material (14) superior transparente y el inferior opaco para el rayo láser, se funden los dos materiales (13, 14) y se unen entre ellos bajo presión con un desplazando del rayo láser (2, 12) y los materiales a unir (13, 14) en relación uno con el otro, habiéndose previsto para la generación de una costura de soldadura, que discurre en dirección longitudinal en la superficie de contacto de una zona de proceso (P), en la que el material se calienta mediante rayos láser de forma continua en una zona de precalentamiento (1) a la temperatura de fusión (Tm), y al continuación se funden en una zona de fusión (II) y los materiales complementan la zona de irradiación (D) del rayo láser (2, 12), caracterizado porque los materiales se conducen por dos rodillos (17, 18) que se comprimen uno contra el otro, aplicándose el rayo láser (2, 12) por un primer rodillo (17) transparente del rayo láser en la zona de irradiación llegándose a una zona de proceso lineal (P) y el segundo rodillo (18) se deforma ligeramente por el primer rodillo (17) en el perímetro.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona lineal de proceso (P) se genera por lo menos parcialmente mediante un chorro láser (2, 12) colimado tipo cortina.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque en la zona de fusión (II) se ha previsto adicionalmente un rayo láser puntual.
4. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque los materiales unidos a continuación se enrollan el sentido de curvatura del primer rodillo (17)
5. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el primer rodillo (17) se limpia antes del contactado de los materiales sobre la superficie exterior.
6. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque mediante una máscara en el primer rodillo se influyen la estructura de soldadura.
7. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la presión de apriete se determina mediante sensores de presión dispuestos en la zona de la superficie segundo rodillo (18).
8. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque después de la zona de proceso (P) la temperatura se mide mediante un pirómetro.
9. Dispositivo para la unión de materiales de plástico mediante un rayo láser (12) que atraviesa el material superior (13) debido a su transparencia y en la superficie de contacto con el material inferior que absorbe el rayo láser (14) calienta los materiales y los funde, y un dispositivo para la comprensión de los materiales, caracterizado porque para la unión de los materiales sinfín de estos se conducen a través de dos rodillos (17,18) que marchan en sentido contrario, estando configurado el primer rodillo (17) de un material permeable al rayo láser y de forma tubular, y el segundo rodillo (18) de un material ligeramente deformable, y en el primer rodillo (17) se han dispuestos dispositivos (11) para la generación de un rayo láser (12) lineal en dirección del desplazamiento de material en la zona de contacto.
10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque el primer rodillo (17) es un dispositivo (7) para la medición IR de la temperatura, que preferentemente es móvil respecto al punto de medición.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque los dispositivos (11) generan un rayo láser puntual en dirección del desplazamiento según un rayo láser lineal en la zona de contacto.
12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9-11, caracterizado por una dirección de limpiado (3) en el perímetro exterior del primer rodillo (17).
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