ES2249527T3

ES2249527T3 - Procedimiento y dispositivo para unir piezas de plastico de forma tridimensional por medio de un rayo laser.

Info

Publication number: ES2249527T3
Application number: ES02022073T
Authority: ES
Inventors: Jie-Wei Chen; Adolf Niederberger
Original assignee: Leister Process Technologies
Current assignee: Leister Process Technologies
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2006-04-01
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP3929958B2; DE50204407D1; US20060060304A1; ATE305381T1; EP1405713B1; US7211166B2; JP2004136675A; EP1405713A1; CN100450755C; US20040154737A1; CN1496817A

Abstract

Procedimiento y un dispositivo para unir piezas de plástico, en que la pieza superior (6) vuelta a un rayo láser consiste en un material transparente para el rayo láser (14) y la pieza inferior (7) consiste en un material absorbente para el rayo láser (14), de modo que, por efecto del rayo láser (14), las superficies de contacto limítrofes de ambas piezas (6, 7) se funden y unen entre sí en el consiguiente enfriamiento bajo presión, caracterizado por el hecho de que la compresión mecánica de las piezas (6, 7) se lleva a cabo o bien exactamente puntual en el lugar en que se aplica el rayo láser (14), o bien en una zona alrededor del punto de aplicación (12) del rayo láser (14), llevándose a cabo simultáneamente el desvío del rayo láser (14) sobre los lugares a unir y el apriete mecánico de las piezas (6, 7) mediante un cabezal de mecanización (15) que puede moverse sobre la superficie de la pieza (6) vuelta hacia la fuente de láser, y la dosificación de la fuerza de apriete se realiza mediante el cabezal de mecanización (15).

Description

Procedimiento y dispositivo para unir piezas de plástico de forma tridimensional por medio de un rayo láser.

El presente invento hace referencia a un procedimiento y a un dispositivo para unir piezas de plástico, en que la pieza superior vuelta hacia un rayo láser consiste en un material transparente para el rayo láser y la pieza inferior consiste en un material absorbente para el rayo láser, de modo que las superficies de contacto limítrofes de ambas piezas se funden y unen entre sí en el consiguiente enfriamiento bajo presión.

Este método de soldar plástico con rayo láser es generalmente conocido y también se denomina soldadura por penetración de radiación. Para este método de soldadura de plástico es importante que durante el proceso de soldadura se aprieten las piezas entre sí, puesto que una condición imprescindible para una buena unión soldada del plástico con rayos láser no solo es la dosificación de la energía sino también el limpio contacto mecánico entre ambas superficies a unir una con otra. A tal objeto se conocen varios procedimientos y dispositivos que, de modo especial con piezas planas, permiten una suficiente fuerza

\hbox{de
apriete.}

Para contornos a soldar de dos dimensiones resulta relativamente fácil conseguir unas buenas condiciones de apriete. No obstante, tan pronto deba realizarse un contorno de soldadura de forma tridimensional, el contacto mecánico de las piezas a unir entre sí, de modo especial cuando la forma de las piezas va cambiando constantemente, resulta técnicamente muy difícil de conseguir. En tal caso el problema reside tanto en la distribución regular de la fuerza de apriete sobre todo el contorno como también la dosificación de la presión.

La patente SE-510.621 describe un procedimiento y un dispositivo para unir cintas en movimiento de material fibroso y/o película de plástico entre sí o con cuerpos de absorción, en que por lo menos una de las cintas de material, que limitan entre sí, comprende un componente termoplástico. Ambas bandas de material, que proceden de rollos, se hacen pasar juntas entre un par de rodillos, siendo allí calentadas y soldadas una a otra con una serie de rayos láser. En una forma de realización preferida uno de los rodillos es hueco y lleva elementos ópticos para desviar el rayo láser dirigido lateralmente. En la pared de estos rodillos giratorios van dispuestos varios haces rotativos que pueden desplazarse entre sí, que aprietan la banda de material superior fuertemente contra la banda de material inferior. Cada uno de los haces posee una serie de orificios, a través de las cuales pasan los rayos de láser mientras se aprietan y sueldan los materiales uno al otro.

La patente EP-1.366.890 A1 describe un dispositivo similar y un procedimiento para la unión de materiales plásticos sin fin por medio de la técnica de penetración por radiación. De acuerdo con el invento, los materiales se hacen pasar a través de dos rodillos que giran en sentido contrario y aprietan uno contra el otro. El primer rodillo consta de un material que permite el paso de rayos láser y tiene forma de tubo. El segundo rodillo está conformado de un material cuya superficie es fácilmente deformable, de manera que dicha superficie puede adaptarse a la forma del primer rodillo. En el primer rodillo existen sistemas para generar un rayo láser en las superficies de contacto entre los materiales a unir. En tal caso, el rayo se conforma como rayo láser lineal a lo largo del sentido de movimiento de los materiales, de manera que con el paso se produce un continuo calentamiento del material hasta llegar al punto de fusión. Mediante este procedimiento y el dispositivo puede realizarse una unión continua a más alta velocidad.

Por tanto, el presente invento tiene por objeto proponer una posibilidad que permite la soldadura del contorno de piezas de plástico de forma tridimensional sin dispositivo de apriete especial.

De acuerdo con el invento, este objeto se consigue mediante un procedimiento y un dispositivo con las características que figuran en las reivindicaciones adjuntas que tratan sobre el método y sobre el dispositivo. En las demás reivindicaciones se indican otras ventajosas formas de realización.

De acuerdo con el procedimiento de acuerdo con el invento el desvío del rayo láser sobre el punto de unión y el apriete conjunto de las piezas se realiza al mismo tiempo mediante un cabezal de mecanización. En tal caso, el apriete conjunto de las piezas puede realizarse bien exactamente puntual en el lugar en que se aplica el rayo láser, o bien superficialmente en una zona alrededor del punto de aplicación del láser. También es posible apretar conjuntamente las piezas a lo largo de una línea transversal al movimiento relativo del rayo láser y de las piezas sobre las que también se encuentra el rayo láser.

Así pues, el invento ofrece fundamentalmente la posibilidad de ejercer la necesaria fuerza de apriete de manera continua y mismo tiempo con el rayo láser a lo largo de un contorno a soldar programado, pero siempre de modo puntual, a lo largo de una línea o de una determinada zona en el lugar que se realiza el proceso de soldadura y en que se requiere realmente la fuerza de apriete. Esta especial función de soldadura y apriete se realiza por medio de un cabezal de mecanización que permite la presión mecánica y también la transferencia de energía.

Dado que el movimiento relativo entre el cabezal de mecanización y las piezas a soldar se realiza, de acuerdo con el invento, constantemente bajo contacto mecánico, preferiblemente las piezas son apretadas una a otra en el lugar de aplicación del rayo láser, de manera que ventajosamente el rayo láser se enfoca sobre las superficies de contacto a través de una bola o rodillo, por ejemplo de vidrio o plástico, transparente a radiaciones infrarrojas. La bola puede girar en todos sentidos, para evitar una innecesaria fricción mecánica. Dicha bola giratoria, que es constantemente apretada sobre la pieza superior, se comporta como una lente, mediante la cual puede enfocarse exactamente el rayo láser sobre el lugar de contacto. Para soldar una línea, en especial una línea recta, o una línea ancha (franja) sobre una superficie ondulada, puede moverse un rodillo sobre la superficie. El rayo láser puede en tal caso moverse como línea en el sentido de avance o bien transversalmente al sentido de avance. Preferentemente, el plano de enfoque del rayo láser se ajusta por medio de un sistema de lentes integrado en el cabezal de mecanización.

El movimiento de este cabezal de mecanización, en lo que respecta a la velocidad de movimiento, el recorrido del movimiento y la posición del cabezal puede ser exactamente gobernado por medio de un sistema de robots. La fuerza de apriete deseada puede definirse mediante la programación de la posición del robot. Las pequeñas variaciones de forma son compensadas mediante un cuerpo elástico integrado en el cabezal de mecanización. La fuerza real de apriete se ajusta mediante la medición del momento de giro dentro del sistema robótico.

Según una forma de realización preferida del procedimiento, el proceso de soldadura se realiza en dos etapas de manera que, en una primera etapa, las piezas se fijan en uno o más lugares definidos por medio de soldadura puntual con el cabezal de mecanización y a continuación, en una segunda etapa, se procede a unir completamente el contorno. De este modo no se requiere ninguna fijación mecánica adicional, fijaciones que son de realización difícil y cara. Otra ventaja de la primera etapa reside en el hecho de que, sobre todo en materiales delgados, mediante una deformación material de las piezas durante la soldadura de contorno tridimensional eventualmente tiene lugar con el movimiento conjunto de las piezas a soldar, lo cual no es deseable desde el punto de vista de la precisión del proceso de soldadura. De acuerdo con el procedimiento, antes de la soldadura por puntos, la pieza superior puede posicionarse a través de un segundo sistema robótico. En el procedimiento es sumamente importante para la calidad de la soldadura la posición del cabezal de mecanización. En lo que respecta a las funciones del apriete mecánico y la transferencia objetiva de energía, el cabezal de mecanización siempre debe mantenerse perpendicular al plano de contacto. Dicho mantenimiento espacial puede programarse exactamente mediante un sistema robótico de varios ejes.

El dispositivo de acuerdo con el invento el cabezal de mecanización comprende sistemas de enfoque para el rayo láser sobre las superficies de contacto y sistemas de presión para apretar las piezas entre sí. Preferiblemente, el cabezal de mecanización tiene un espacio hueco en el que penetra el extremo de una fibra óptica para acoplar el rayo láser. En el espacio hueco se encuentran sistemas ópticos para formar y desviar el rayo láser. En su extremo inferior va montado, de manera giratoria, el cono o el rodillo transparente. Preferiblemente, en el cabezal de mecanizado puede estar acoplado un aparato medidor de temperatura, por ejemplo un pirómetro.

Por tanto, el invento ofrece la seguridad de la calidad de soldadura en disposiciones tridimensionales y al mismo tiempo permite una alta flexibilidad en diferentes procesos de soldadura sin dispositivos de apriete caros o costosos.

A continuación se explica con más detalle el invento con ayuda de ejemplos de formas de realización. En los mismos:

La figura 1 muestra un corte a través del cabezal de mecanización y de las piezas a mecanizar;

La figura 2 muestra otra forma de realización similar a la de la figura 1 con una posibilidad adicional de la medición de temperatura;

La figura 3 es una representación del principio del procedimiento tridimensional de soldadura con robots y la posición del cabezal de mecanización durante el procedimiento de soldadura; y

La figura 4 es la disposición fundamental de un rodillo sobre las piezas a soldar en el ejemplo de láminas con un rayo de láser lineal en el sentido de avance (figura 4A9 y con un rayo láser lineal transversal al sentido de avance (figura 4B) así como un contorno ondulado (figura 4C).

La figura 1 muestra un cabezal de mecanización 15 con una montura mecánica 5, que encierra un espacio hueco 16. En el ejemplo de forma de realización, el espacio hueco 16 se extiende en sentido longitudinal de la montura mecánica 5. En el extremo superior de la montura mecánica 5 llega en este espacio hueco un rayo láser 14 a través de una fibra óptica 1. En el espacio hueco se encuentra una lente convergente 2 y en el extremo inferior una bola de vidrio 3. La bola de vidrio 3 va montada dentro de la montura mecánica de manera que puede girar en todas direcciones y, en el ejemplo de forma de realización, aprieta sobre el costado superior de la pieza 6 transparente para el rayo láser 14. Gracias a la lente convergente 2 y la bola de vidrio 3 el rayo láser 14 se enfoca sobre el punto de aplicación 12 entre la pieza transparente 5 y la pieza absorbente 7, es decir, los rayos láser forman un haz de manera que en el plano de unión de las piezas el diámetro del foco es mínimo y por tanto la densidad de energía es máxima. La montura mecánica 5 va montada por el extremo superior en una guía cilíndrica, con lo cual al moverse la guía cilíndrica 13 en dirección a las piezas 6, 7 se aplica fuerza sobre una amortiguación elástica 4. Así se compensa la tolerancia mecánica. Lo fundamental es que también en posible integrar un mecanismo de limpieza en la montura para la bola de vidrio 3, a fin de garantizar también así la función óptica de la bola de vidrio 3 durante largo tiempo.

Un cabezal de mecanización de esta clase puede construirse muy compacto dado que tan solo se requiere una lente convergente 2. El ajuste del plano de enfoque únicamente puede conseguirse variando la posición de la lente convergente 2. Caso de que la superficie irradiada sobre la bola de vidrio 3 sea esencialmente menor que el diámetro de la bola de vidrio 3, el plano de enfoque se determina principalmente por la distancia focal de la lente convergente.

La figura 2 muestra un cabezal de mecanización 15 con un control adicional de temperatura. En este caso, en el espacio hueco 16 hay otra lente convergente 8. La misma es necesaria para generar un camino óptico colimado, con lo cual pueden acoplarse otros elementos ópticos. El camino óptico colimado después de la lente convergente 8 se enfoca sobre el lugar de aplicación 12 debajo de la bola de vidrio 3. La radiación térmica del lugar de soldadura es desviado a través de una parte del rayo, que se encuentra en el camino óptico colimado, por medio del divisor de rayos 9 y se enfoca sobre el pirómetro 11 a través de la lente convergente 10 dispuesta fuera de la montura mecánica.

La figura 3 muestra la representación de principio del proceso tridimensional de soldadura con dos diferentes posiciones del cabezal de mecanización 15, conducido a lo largo de una costura de soldadura 17 de dos piezas 6, 7 no planas y de diferente conformación y en que la pieza transparente 6 es apretada sobre la pieza absorbente 7 por el lugar de contacto mediante la bola de vidrio 3. El sentido de movimiento del cabezal de mecanización 15 se ha representado con la flecha y con F se indica la dirección de la fuerza actuante, de manera que en las dos diferentes posiciones del cabezal de mecanización 15 que aparece en la figura puede verse que el cabezal de mecanización 15 siempre debe apretarse perpendicular a la superficie. Así, la posición del cabezal de mecanización 15 es distinta a la que sigue el cabezal de mecanización 15' en la guía del cabezal de mecanización 15, tal como se ha dicho anteriormente, por medio de un correspondiente sistema robótico.

La figura 4A muestra un rodillo 18 permeable a las radiaciones infrarrojas, que puede moverse sobre el material a soldar 19 en el sentido indicado por la flecha. En este ejemplo de forma de realización, el rayo láser 20 tiene forma lineal y su longitud se adapta en la zona de aplicación en la curvatura del rodillo 18. De este modo puede conseguir una estrecha línea de soldadura 21 a lo largo de un contorno ondulado, tal como puede verse en la figura 3. También en este caso es ventajoso que el rayo láser quede perpendicular a la superficie. En la figura 4B el rayo láser 20 se ha girado 90º, de manera que se obtiene una costura soldada 22 esencialmente más ancha. En ambos casos, el material superior es apretado a lo largo de una línea dispuesta transversal al sentido de avance, la línea de contacto del rodillo 18 con el material 19. El rodillo 18 puede consistir en material macizo o también tubular. De manera y modo ya conocido, el rayo láser 20 se forma mediante una lente adecuada 23 en un rayo láser a modo de cortina con una línea de aplicación. La disposición de acuerdo con esta figura va colocada en un cabezal de mecanización, como el representado en la figura 1 ó 2, y el rodillo 18 va montado de modo respectivamente giratorio.

Claims

1. Procedimiento y un dispositivo para unir piezas de plástico, en que la pieza superior (6) vuelta a un rayo láser consiste en un material transparente para el rayo láser (14) y la pieza inferior (7) consiste en un material absorbente para el rayo láser (14), de modo que, por efecto del rayo láser (14), las superficies de contacto limítrofes de ambas piezas (6, 7) se funden y unen entre sí en el consiguiente enfriamiento bajo presión, caracterizado por el hecho de que la compresión mecánica de las piezas (6, 7) se lleva a cabo o bien exactamente puntual en el lugar en que se aplica el rayo láser (14), o bien en una zona alrededor del punto de aplicación (12) del rayo láser (14), llevándose a cabo simultáneamente el desvío del rayo láser (14) sobre los lugares a unir y el apriete mecánico de las piezas (6, 7) mediante un cabezal de mecanización (15) que puede moverse sobre la superficie de la pieza (6) vuelta hacia la fuente de láser, y la dosificación de la fuerza de apriete se realiza mediante el cabezal de mecanización (15).

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el plano de enfoque del cabezal de mecanización se determina mediante un elemento de apriete transparente a los rayos infrarrojos (3, 18), preferiblemente un elemento de apriete giratorio, y se ajusta por medio de un sistema integrado de lentes (2, 8).

3. Procedimiento de acuerdo con una de las anteriores reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que en una primera etapa se fijan localmente las piezas por uno o más lugares definidos, con ayuda del cabezal de mecanización (15) y finalmente, en una segunda etapa se lleva a cabo la completa unión del contorno.

4. Dispositivo para unir piezas de plástico con un cabezal de mecanización (15) con sistemas de enfoque (2, 8) para un rayo láser (14) y sistemas de presión (4) para apretar conjuntamente las piezas (6, 7, 19), caracterizado por el hecho de que

-: el cabezal de mecanización (15) presenta un espacio hueco (16) en el que van dispuestos los sistemas ópticos (2, 8) para formar y desviar el rayo láser;

-: el espacio hueco (16) presenta en el costado de salida para los rayos láser una bola (3) o rodillo (18) transparente como elemento óptico para el rayo láser (14); y

-: la bola (3) o el rodillo (18) es giratorio y va montado en el cabezal de mecanización.

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el extremo de una fibra óptica (1) penetra en el espacio hueco (16) para acoplar el rayo láser.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4 ó 5, caracterizado por el hecho de que en el espacio hueco (16) puede acoplarse un aparato para la medición de temperatura (11).

7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado por el hecho de que el cabezal de mecanización (15) está conformado elástico en el sentido longitudinal.

8. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado por el hecho de que por medio del sistema óptico (2) puede ajustarse el diámetro y el plano de enfoque.