ITPD20070152A1 - Metodo ed apparato per la saldatura laser dei polimeri termoplastici - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

“METODO ED APPARATO PER LA SALDATURA LASER DEI POLIMERI TERMOPLASTICI”

RIASSUNTO

La presente invenzione riguarda un metodo e relativo apparato per la saldatura di strati di materiale polimerico termoplastico per mezzo di una sorgente laser in modo da preservare al termine della saldatura lo spessore iniziale del materiale.

L'uniformità dello spessore del materiale tra la zona di saldatura e la zona adiacente è fondamentale in una serie di applicazioni in cui sia richiesto di operare successivamente sul materiale saldato e contemporaneamente sul materiale non saldato senza che vi sia l'effetto della presenza del giunto, ad esempio foratura meccanica o laser.

La condizione di giunto invisibile si può ottenere ad esempio asportando meccanicamente dai componenti iniziali il materiale nella zona di giunzione.

Scopo della sorgente laser è indurre un effetto termico localizzato sul materiale polimerico. Il metodo descritto prevede di sovrapporre i due componenti da saldare per sfruttare il diverso grado di assorbimento della radiazione laser: il primo componente deve avere un basso valore di assorbimento della radiazione, il secondo un valore elevato. La condizione di diverso assorbimento può essere ottenuta anche per mezzo di additivi e cromofori specifici, che vengono interposti tra i lembi del giunto. Può essere necessario effettuare pressione nella zona di giunzione per favorire il processo.

Questa tecnica può essere utilizzata in svariati settori, ad esempio nel biomedicale per la sigillatura di tubi e sonde, nell'automobilistico per la saldatura di componenti plastici in vista, nel settore delle energie rinnovabili per la produzione di moduli fotovoltaici per la saldatura dei substrati plastici a film sottile che consentono di proteggere la cella da agenti esterni, nella giunzione di fogli di laminato plastico utilizzati per la serigrafia.

STATO DELL'ARTE

I materiali termoplastici possono essere saldati con diverse tecniche, ad esempio ultrasuono e vibrazione. Tuttavia queste tecniche non possono essere applicate efficacemente alla saldatura di componenti il cui spessore finale debba essere uguale allo spessore iniziale del materiale. Questi tipi di lavorazione causano la formazione di bave in prossimità della zona di giunzione, che ne compromettono l'estetica e la funzionalità e non permettono di effettuare la saldatura con spessore pari a quello del materiale iniziale. Tali bave sono dovute alla pressione notevole applicata nella zona di giunzione in modo da indurre l'effetto termico sui materiali.

La sorgente laser rappresenta un'alternativa efficiente per la saldatura delle termoplastiche, come evidenziato nei documenti US4636609A1, in cui si descrive la tecnica di saldatura laser per sovrapposizione di strati a diverso assorbimento, e W09526869, in cui vengono descritte varie configurazioni per la formazione del giunto di saldatura.

Tuttavia non si sono trovati documenti in cui si descrivesse una tecnica per realizzare la giunzione in modo da avere uno spessore finale del materiale pari a quello del materiale iniziale.

Altri documenti descrivono l'applicazione di sostanze ad elevato assorbimento nella zona di giunzione (US2003196761, W002059191) in modo da provocare la fusione dei polimeri nell'interfaccia senza però specificare le caratteristiche geometriche del giunto da realizzare. La tecnica di saldatura descritta con la presente invenzione è compatibile con di queste sostanze, che possono essere applicate all'interfaccia tra i due strati da saldare in modo da aumentarne l'assorbimento.

SCOPO E SOMMARIO DELL'INVENZIONE

La saldatura di due strati di polimeri termoplastici in modo che lo spessore finale della giunzione sia pari allo spessore iniziale degli strati può essere applicata a tutti quei casi in cui sia necessario effettuare delle lavorazioni successive al materiale senza che si noti la presenza della saldatura. Alcune applicazioni possono essere la successiva foratura del materiale saldato, meccanica o laser, o l'utilizzo in parti in vista in cui sia necessario realizzare saldature esteticamente apprezzabili. Le tecniche di saldatura tradizionali non permettono di effettuare questo tipo di lavorazione senza che all'interfaccia si presentino bave e difetti.

La tecnica descritta prevede invece di utilizzare la sorgente laser come fonte di radiazione, in modo da convogliare la radiazione in modo selettivo nella zona di giunzione senza andare ad influenzare le parti adiacenti. L'utilizzo del laser permette inoltre di effettuare saldature con larghezza del giunto dell'ordine dei millimetri per lunghezze pari anche ad alcuni metri, movimentando la testa di focalizzazione del laser lungo il giunto. Questa tecnica è utilizzata ad esempio per saldare fogli di laminato di grandi dimensioni.

La tecnica di giunzione effettuata con il laser si basa sul principio della saldatura in trasmissione, in cui il primo strato di materiale plastico viene sostanzialmente attraversato dalla radiazione ed il secondo la assorbe, provocando la fusione delle catene polimeriche all'interfaccia, la compenetrazione tra le catene dei due componenti e quindi la giunzione dei materiali. Nel caso in cui i materiali da saldare siano dello stesso tipo o risultino entrambi sostanzialmente trasparenti alla radiazione è possibile saldarli interponendo nella zona di giunzione uno strato di materiale ad assorbimento elevato, ad esempio un cromoforo specifico per la lunghezza d'onda di lavoro del laser.

Requisito fondamentale per la saldatura a spessore limitato è che i due strati da saldare abbiano nella zona di giunzione uno spessore ridotto, in modo che andando a sovrapporli lo spessore nella zona di giunzione sua sostanzialmente pari a quello delle zone adiacenti. La lavorazione previa sugli strati può ad esempio essere effettuata per mezzo di tecnica di asportazione di trucioli che asporti la quantità di materiale necessaria, e può prevedere diversi tipi di geometrie per la zona di fresatura. Ad esempio nel caso di laminati plastici l'operazione viene facilitata dalla struttura stessa del materiale, costituito da una serie di strati sovrapposti. Il contatto meccanico tra le parti da saldare può essere realizzato applicando una leggera pressione, ad esempio per mezzo di un materiale trasparente alla radiazione che comprima il primo componente di plastica. Tuttavia in presenza di particolari configurazioni meccaniche questo elemento non risulta necessario.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

La saldatura dei polimeri termoplastici con spessore della zona di giunzione pari allo spessore delle parti adiacenti per mezzo di una sorgente laser prevede utilizzare i seguenti elementi:

1. Una sorgente laser che emette radiazione prevalentemente ad una certa lunghezza d'onda, in regime di funzionamento continuo o ad impulsi

2. Un sistema ottico di guida e focalizzazione della radiazione

3. Due componenti di materiale termoplastico a diverso valore di assorbimento sovrapposti, in cui i lembi dei componenti abbiano nella zona di giunzione spessore ridotto, o in alternativa componenti dello stesso materiale con interposto uno strato ad elevato assorbimento.

La lavorazione previa del materiale prevede di asportare meccanicamente dallo spessore iniziale dei componenti una quantità di materiale tale per cui nella zona di giunzione lo spessore complessivo dei due componenti sovrapposti sia almeno pari allo spessore nelle zone adiacenti. Ε' inoltre opportuno calcolare l'effetto di diminuzione volumetrica dei componenti dovuto all'irraggiamento: a seconda del materiale può essere stimato e nel caso dei polimeri può giungere a valori anche del 10%. Tale diminuzione deve essere compensata partendo da spessori superiori per i componenti iniziali, in modo da avere al termine della saldatura uno spessore pari a quello del materiale non irraggiato. Inoltre il processo di asportazione deve essere regolare lungo tutta la zona di giunzione, in modo da avere nella zona di giunzione spessore sostanzialmente costante dei componenti sovrapposti.

La figura 1 rappresenta una sezione di questi elementi in cui la radiazione proveniente dalla sorgente laser viene guidata dall'elemento ottico 1 in prossimità della regione di giunzione e focalizzata dal sistema ottico 2 nell'interfaccia tra i due lembi di materiale plastico sovrapposti. La regione di giunzione 3 è caratterizzata dal fatto che i due lembi da saldare hanno punto per punto la somma degli spessori sostanzialmente pari allo spessore delle zone adiacenti alla saldatura 4. Focalizzando la radiazione nella regione di sovrapposizione 3 è possibile effettuare la saldatura dei due strati. I due componenti da saldare possono essere stampati direttamente con i lembi come mostrato in figura 1 oppure possono essere lavorati successivamente allo stampaggio.

Nella figura 2 la configurazione del giunto prevede di asportare da entrambi i lembi all'incirca la stessa quantità di materiale in modo da formare una regione di sovrapposizione a gradino. In questa configurazione si colpisce il giunto incidendo perpendicolarmente rispetto alla superficie del componente 5, parzialmente trasparente alla radiazione.

In figura 3 viene mostrato lo stesso tipo di giunzione in cui la radiazione viene focalizzata secondo un angolo di circa 45° con la normale rispetto alla superficie dello strato parzialmente trasparente 6. Questo tipo di configurazione permette di incidere su tutta la zona di sovrapposizione del giunto, anche lungo le pareti laterali, e consente di avere una resistenza meccanica della parte saldata confrontabile con quella del singolo foglio di

In figura 4 la lavorazione del materiale prevede di lavorare entrambe le pareti dei componenti plastici secondo un angolo di circa 45°, formando la zona di giunzione 7. La radiazione 8 incide perpendicolarmente rispetto alla superficie del componente 9, parzialmente trasparente. In figura 5 la radiazione 10 incide perpendicolarmente rispetto alla superficie di giunzione 11. Queste esemplificazioni sono indicative del tipo di lavorazione e non intendono togliere generalità all'applicazione. Lo stampaggio o la lavorazione dei componenti in corrispondenza della zona di giunzione può essere effettuata con qualsiasi tipo di geometria, anche con configurazioni diverse da quelle descritte nelle figure.

La sorgente laser emette radiazione prevalentemente ad una certa lunghezza d'onda in regime continuo o ad impulsi. Può essere costituita ad esempio da un laser a semiconduttore, che in genere emette radiazione nel vicino infrarosso. La radiazione di uscita del laser deve essere convogliata nella regione di sovrapposizione del giunto per mezzo di un sistema ottico.

La guida ottica può essere ad esempio costituita da una fibra ottica.

Il sistema ottico 2 utilizzato per focalizzare la radiazione può essere costituito da uno o più elementi ottici in rifrazione oppure da uno o più elementi in riflessione, o da una combinazione di elementi in riflessione ed in rifrazione. Ad esempio variando la focale della lente è possibile controllare la dimensione dello spot e quindi della zona di interazione termica nella zona di giunzione, utilizzando le relazioni definite dalle leggi dell'ottica.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Si rivendica: 1. Un metodo per la saldatura dei materiali termoplastici in cui lo spessore finale nella zona di giunzione sia pari allo spessore del materiale nelle zone adiacenti che prevede di: a) asportare dai due materiali da saldare in corrispondenza della zona di giunzione uno spessore tale per cui la somma puntuale nella zona di giunzione degli spessori del primo e del secondo componente circa pari o superiore al massimo del 10% rispetto allo spessore dei componenti nelle zone adiacenti e comunque non inferiore rispetto a questo valore b) sovrapporre i due componenti di materiale termoplastico in cui il primo componente sia parzialmente trasparente alla radiazione laser c) focalizzare la radiazione in uscita da una sorgente laser d) irraggiare la zona di giunzione per mezzo della sorgente laser in modo da ottenere la corretta saldatura 2. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui il secondo componente sia sostanzialmente assorbente alla radiazione 3. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui il secondo componente sia sostanzialmente trasparente alla radiazione e in cui si applichi all'interfaccia tra i due componenti una sostanza sostanzialmente assorbente alla radiazione 4. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui il laser emetta radiazione prevalentemente ad una lunghezza d'onda compresa nel range spettrale 750nm-2000nm 5. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la sorgente sia un laser a semiconduttore 6. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la sorgente sia un laser Nd:YAG 7. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la sorgente sia un laser in fibra di potenza 8. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la sorgente laser emetta radiazione in continua 9. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la sorgente laser emetta radiazione ad impulsi 10. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema ottico di focalizzazione della radiazione sia costituito da elementi ottici in riflessione 1 1. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema ottico di focalizzazione della radiazione sia costituito da elementi ottici in rifrazione 12. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui il sistema ottico di focalizzazione della radiazione sia costituito da elementi ottici in riflessione e in rifrazione 13. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la radiazione in uscita dalla sorgente laser venga guidata per mezzo di una fibra ottica 14. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui i componenti plastici vengano stampati con spessore ridotto nella zona di giunzione 15. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui i componenti plastici vengano lavorati successivamente allo stampaggio in corrispondenza della zona di giunzione 16. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui si applichi una pressione nella zona di giunzione 17. Un metodo in accordo con la rivendicazione 16 in cui si applichi pressione per mezzo di un elemento sostanzialmente trasparente alla radiazione laser 18. Un metodo in accordo con la rivendicazione 16 in cui si applichi pressione per mezzo di un flusso d'aria direzionato nella regione di giunzione 19. Un metodo in accordo con la rivendicazione 7 in cui i due strati nella zona di giunzione abbiano spessore circa metà rispetto allo spessore delle zone adiacenti 20. Un metodo in accordo con la rivendicazione 7 in cui i due strati nella zona di giunzione formino un profilo lineare 21. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la radiazione incida nella regione di saldatura all'incirca perpendicolarmente rispetto alla prima superficie del materiale 22. Un metodo in accordo con la rivendicazione 1 in cui la radiazione incida nella regione di saldatura formando un certo angolo con la perpendicolare alla prima superficie 23. Un apparato per la saldatura dei materiali termoplastici in cui lo spessore finale nella zona di giunzione sia pari allo spessore del materiale nelle zone adiacenti che prevede di: a) asportare dai due materiali da saldare in corrispondenza della zona di giunzione uno spessore tale per cui la somma puntuale nella zona di giunzione degli spessori del primo e del secondo componente circa pari o superiore al massimo del 10% rispetto allo spessore dei componenti nelle zone adiacenti e comunque non inferiore rispetto a questo valore b) sovrapporre i due componenti di materiale termoplastico in cui il primo componente sia parzialmente trasparente alla radiazione laser c) focalizzare la radiazione in uscita da una sorgente laser d) irraggiare la zona di giunzione per mezzo della sorgente laser in modo da ottenere la corretta saldatura 24. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui il secondo componente sia sostanzialmente assorbente alla radiazione 25. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui il secondo componente sia sostanzialmente trasparente alla radiazione e in cui si applichi all'interfaccia tra i due componenti una sostanza sostanzialmente assorbente alla radiazione 26. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui il laser emetta radiazione prevalentemente ad una lunghezza d'onda compresa nel range spettrale 750nm-2000nm 27. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui la sorgente laser emetta radiazione in continua 28. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui la sorgente laser emetta radiazione ad impulsi 29. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui il sistema ottico di focalizzazione della radiazione sia costituito da elementi ottici in riflessione 30. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui il sistema ottico di focalizzazione della radiazione sia costituito da elementi ottici in rifrazione 31. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui il sistema ottico di focalizzazione della radiazione sia costituito da elementi ottici in riflessione e in rifrazione 32. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui la radiazione in uscita dalla sorgente laser venga guidata per mezzo di una fibra ottica 33. Un apparato in accordo con la rivendicazione 23 in cui si applichi una pressione nella zona di giunzione 34. Un apparato in accordo con la rivendicazione 33 in cui si applichi pressione per mezzo di un elemento sostanzialmente trasparente alla radiazione laser 35. Un apparato in accordo con la rivendicazione 33 in cui si ap di un flusso d'aria direzionato nella regione di giunzione