בכתבה זו בסדרה, ריתוך פלסטיק בלייזר מקבל את אור הזרקורים. מדובר באחת מהשיטות המתקדמות ביותר לחיבור חלקי פלסטיק, ובזכות יתרונותיה, תופסת מקום גבוה בתעשייה
תמונה 1: ראשים שונים המשמשים להלחמת לייזר.
ריתוך לייזר מהווה אחת מהשיטות המובילות ביותר לחיבור חלקי פלסטיק. השיטה מאפשרת חיבור חזק ומדויק, נטול לכלוך, עשן או רעש. החום שמפיקה קרן הלייזר הוא מקומי ומדויק וציוד הריתוך הוא עמיד במיוחד. לפיכך, השיטה נחשבת לחסכונית באנרגיה ובעלת יחס עלות/תועלת טוב. בכתבה זו נפרט בהרחבה על קרן הלייזר, נכיר את יתרונותיה הטכנולוגיים ונגלה לאילו יישומים ותעשיות היא מתאימה.
פרמטרים שמשפיעים על ריתוך לייזר
יכולת הריתוך (Weldability) תלויה במספר גורמים:
- סוג הפולימר: פולימרים תרמוסטיים לא מתאימים לשיטת ריתוך בלייזר,מאחר והם אינם עוברים התכה בחימום. פולימרים תרמופלסטיים גבישיים ואמורפיים ניתן לרתך, וגם אלסטומרים תרמופלסטיים.
- תכונות אופטיות: כדי לחבר שני חלקי פלסטיק בלייזר, חלק אחד צריך להיות שקוף לקרינת הלייזר ועל החלק השני לבלוע את הקרינה. הקרינה חודרת את החלק השקוף, נכנסת בחלק האטום, מחממת את התווך בין שני החלקים, ויוצרת ריתוך ביניהם.
ישנה טכניקה נוספת שבה משתמשים בלייזר באורך גל שונה המאפשרת לרתך שני חלקים שקופים לגמרי. - תוספים ומלאנים: מלאנים שונים כגון גיר או סיבים משריינים עלולים להיות רכיבים מאתגרים לריתוך, היות והם גורמים לפיזור קרן הלייזר. לכן כדאי לשמור על אחוז מלאנים נמוך ולוודא את התאמת חומר הגלם טרם תחילת הפיתוח.
- צבעים: צבעים יכולים להיות שקופים לקרינה ויכולים אף לבלוע אותה. תהליך הריתוך לעיתים מושפע גם מהכימיה של הצבע. לכן מומלץ להתייעץ עם מומחה בריתוך לייזר לבחירת צבע נכונה.
- קונטור (קו מתאר): בתהליך זה החלק עובר הקרנה בהיקפו. התנועה היחסית מושגת על ידי הזזת החלק, הלייזר או שילוב של שניהם. המערכות האופטיות הרלוונטיות מחוברות למערכת תנועה רב צירית. אופציה אחרת שניתן לעשות, היא לקבע את המערכות האופטיות גם לזרוע רובוטית שגורמת להגדלה משמעותית של אפשרויות היישום. הנקודה היא צורת קרן הלייזר השכיחה. אפשר לרתך קווי מתאר שונים בתצורת 2D או 3D. שיטה זו פשוטה לתפעול, וניתן ליישם אותה על חלקים שונים ומגוונים.
- ריתוך קוואזי סימולטני: היקף החלק מוקרן במהירות ובתדירות גבוהה, באפקט הדומה לריתוך סימולטני. התנועה המהירה והמדויקת של קרן הלייזר מתבצעת באמצעות סורק בעל שתי מראות נעות בתוך המערכת האופטית. בהתאם לתנועת הקרן, המראות מאפשרות תזוזה מהירה לקבלת האפקט הקוואזי סימולטני. פרמטר נוסף בתהליך הוא מספר מחזורי הקרינה. הקרן יכולה לעבור מספר פעמים באזור הריתוך על מנת לקבל את הצורה הרצויה. התהליך מאוד נוח משום שניתן לרתך כמעט כל קו מתאר דו-ממדי. בנוסף, יש אפשרות להשתמש כאן גם במערכות צירים דינמיות מאוד או בהליכי סיבוב זריזים.
- ריתוך סימולטני: בשיטה הזאת, כלל היקף החלק מוקרן ומותך בו זמנית או שעובדים עם פס לייזר ארוך שמוגדר כווילון. בצורה הזאת ניתן להגיע לזמני תהליך קצרים, שהופכים את הריתוך הסימולטני לאופציה האידיאלית לייצור המוני. ניתן לוותר על מערכת נעה, מאחר וניתן להתאים את ראש הריתוך וצורת הקרן לגאומטריית החלק בצורה מדויקת. ניתן לעשות זאת בעזרת אלמנטים המעצבים את צורת הקרן כמו טבעות או ריבועים, או לחילופין אלמנטים אופטיים מפזרים (DOE) ליצירת צורות מורכבות יותר כמו אותיות, כוכבים, צלבים וכו'. בנוסף, יש אפשרות לרתך קווי מתאר אחרים רק על ידי החלפת ה-DOE. בשיטה זו, גודל החלקים שבהם ניתן לטפל הוא מוגבל, מהסיבה שהרחקה של מוקד הקרן לריתוך חלקים גדולים יותר, יוצר תפר גדול יותר.
שיטת ריתוך ורסטילית
שיטת ריתוך לייזר מציעה שלושה פתרונות ריתוך מגוונים: קונטור, סימולטני וקוואזי-סימולטני. קיימים תהליכים נוספים שכוללים בדרך כלל שילוב בין תהליכים אלו. ההבדל בין מערכות הריתוך טמון ביצירת הקרן ותנועתה. בנוסף, יש אלמנטים אופטיים אחרים המשפיעים על צורת הקרן: נקודה, כתם, טבעת ועוד.
הבחירה בתהליך המבוקש תלויה כאמור בצורת תפר הריתוך וגודל החלקים לחיבור. בנוסף, יש לקחת בחשבון את זמני המחזור וזמני הריתוך וכן היעילות הכלכלית של התהליך.
תמונה 2: יחידת ההידוק מצריכה הפעלת כוח הידוק המתנגד להתפשטות החלק עקב חימום ליצירת תפר אחיד ומושלם.
עצות לריתוך לייזר אפקטיבי
כדי לקבל תהליך ריתוך מיטבי יש לבצע שילוב נכון של הספק הלייזר, זמן חשיפה ולחץ הידוק. התהליך מאופיין בהשקעת אנרגיה ליחידת אורך ובשביל לחשב ערך זה, יש לדעת את מהירות ההתקדמות ואת כוח קרינת הקרן. לערך זה יש קשר ישיר לעוצמת הריתוך המתקבל ויש חלון עבודה המקנה עוצמת ריתוך מקסימלית. פספוס חלון הזמן הזה עלול להוביל לריתוך בעוצמה נמוכה ואף לשריפת חלקי הפלסטיק.
לחץ ההידוק המחבר בין שני החלקים, ממלא תפקיד משמעותי ביצירת ריתוך חזק ואחיד. לחץ ההידוק מופעל כנגד הלחץ שיוצרת התפשטות החומר כתוצאה מחימום החלק. בנוסף, הוא מוליך חום ביעילות בין שני החלקים. אם לחץ ההידוק חלש מדי, ייווצר מרחק בין החלקים. הולכת החום לא תהיה אופטימלית, ולאחר הקירור, יישאר חלל ביניהם אשר ייצור תפר חלש. נוהגים להפעיל לחץ הידוק גדול לשם קבלת התוצאה האופטימלית.
ראוי לציין שתמיד יהיה רווח קטנטן בין חלקי הפלסטיק, עקב חספוס מיקרוסקופי. תהליך סגירת הרווח נקרא גישור (Gap bridging). במידה ולא מבצעים אותו מסתכנים בנזילה באזור התפר. חשוב לדאוג שאיכות פני שטח תהיה גבוהה על מנת לצמצם רווחים מיקרוסקופיים אלו.
שיטת הריתוך שמוטמעת בתעשיות המובילות בעולם
בזכות הדיוק הגבוה ואיכות הריתוך, יש לנו את היכולת ליישם שיטה זו גם בתעשיות מאתגרות בעלות תקני איכות מחמירים, כמו תעשיית המכשור הרפואי. במסגרתה, מכשירי ריתוך פלסטיק ממוקמים בחדרים סטריליים וקיים דגש גבוה על הדירות המוצר ואיכותו. זאת במקביל לדרישה לתיעוד ומעקב פרמטרי הייצור של כל מוצר ומוצר.
עם זאת, כל תעשייה לגופה. לדוגמה, בתעשיית מוצרי הצריכה, הדגש בעבודת ריתוך לייזר הוא על עלויות התהליך. מנגד, בתעשיית הרכב תמצאו אוטומציה ותהליכים בתפוקות גבוהות. טכנולוגיית ריתוך לייזר היא ורסטילית וניתן להתאים אותה לדרישות והצרכים של תעשיות רבות.
חוד החנית בעולם ריתוך הלייזר
חברת LEISTER היא חברה ותיקה בתחום ציוד ריתוך לייזר. ברשות החברה ציוד מתקדם לצד התאמה אישית ללקוח הסופי מבחינת מודולריות של התוכנה ורכיבי המערכת, תוך הצעת גמישות מקסימלית. מערכות הלייזר עוברות מיזוג מקיף ברצפת הייצור, כולל אפשרות להתממשק עם מערכות ניהול (MES). בשביל ליצור מערכת ריתוך לייזר אשר עובדת בהרמוניה, ביעילות ובאיכות גבוהה, מוטב לקנות את כל חלקי המערכת מספק אמין אחד אשר יראה את "התמונה הגדולה וידאג לאיזון בין כל החלקים.
פרמטרי הריתוך, תכנון החלק והמוצר הסופי תלויים זה בזה וכאשר יש שינוי באחד מין הגורמים, שני הגורמים האחרים יושפעו אף הם. לכן, חשוב לערב את ספק ציוד הריתוך כבר בשלב תכנון המוצר ושיקולי בחירת חומרי הגלם.
SU-PAD מייצגת את חברת LEISTER בישראל
חברת SU-PAD מעניקה ללקוחותיה שירות מלא: החל משלבי התכנון, הבנת הדרישות והצרכים, דרך הרכישה וההטמעה וכלה במתן שירות מכל הלב 24/7 לכל דרישה, בקשה או שדרוג. לפרטים נוספים ניתן לפנות לאיתי שבתאי | 052-233-3796:
itai@su-pad.com
