백서
폴리머 용접: 성공 비결
레이저 용접은 다른 폴리머 접합 방법에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다. 그러나 이를 올바르게 구현하려면 기술에 대한 이해가 필요하며, 제품 개발 주기 초기에 전문적인 장비 공급업체와 논의하는 것이 도움이 되는 경우가 많습니다.
왜 레이저 용접을 사용합니까?
레이저 용접은 다른 폴리머 접합 기술에 비해 많은 장점을 제공합니다. 가장 중요한 장점이 다음 표에 나와 있습니다.
정밀도 |
레이저 에너지를 고도로 국소적으로 적용하면 부품 왜곡이 거의 또는 전혀 발생하지 않고 치수 공차를 만족시키며 복잡한 모양의 부품과 함께 사용할 수 있습니다. |
반복성 |
레이저 공정은 본질적으로 일관성이 높으며 공정 모니터링 장비로 긴밀하게 조정될 수 있습니다. |
용접 품질 |
용접 솔기가 좁고 외관적으로 우수하며(플래시 없음) 후가공이 거의 필요하지 않습니다. |
용접 강도 |
레이저 용접은 간극이 없는 강력한 용접이 가능하며 완전한 밀봉을 제공할 수 있습니다. |
낮은 오염도 |
레이저 용접은 필러 재료를 사용하지 않으며, 잔해가 거의 발생하지 않습니다. |
속도 |
공정이 빠르고 원활하며 자동화에 적합합니다. |
그러나 이러한 모든 이점을 실제로 얻으려면 폴리머 용접 공정이 신중하고 올바르게 구현되어야 합니다. 비용 또한 항상 중요한 요소입니다. 따라서 레이저 폴리머 용접 공정은 다른 부문에서 타협하지 않고 비용 효율적인 방식으로 구성되어야 합니다. 생산을 시작하기 전에 고려해야 할 세 가지 핵심 사항이 있으며, 제품 설계 주기 초기에도 고려할 사항이 있을 수 있습니다.
재료 선택
주요 고려 사항은 재료 선택입니다. 가장 일반적으로 사용되는 기술 중 하나인 "투과 레이저 용접"(TTLW)의 경우 특히 그렇습니다. TTLW는 레이저 파장에서 투명한 한 부분을 불투명한 다른 플라스틱에 접합하는 것을 포함합니다. 두 부분은 상단의 투명한 부분과 접촉하도록 배치됩니다. 레이저는 투명한 부품을 통해 초점을 맞추고 불투명한 부품을 향해 아래로 초점을 맞춥니다. 불투명한 부분을 가열하고 녹여서 결합시킵니다.
그림 1. TTLW에서 레이저 빛은 투명한 상단 부분을 통과하고 하단 부분을 녹여 결합을 이루게 됩니다.
TTLW가 효과가 있으려면 두 폴리머(투명 및 불투명)가 모두 용융(단, 분해되지 않음)된 상태를 유지하는 온도 범위가 존재해야 합니다. 이 겹침이 클수록 공정 윈도우가 넓어집니다. 공정 윈도우가 더욱 넓어지면 생산이 더욱 쉽고 강력해집니다. 다음 차트에는 레이저 용접과 호환되는 일반적인 폴리머 조합이 요약되어 있습니다.
그림 2. TTLW의 재료 호환성 차트.
제조를 위한 설계
다음으로 고려할 사항은 "제조를 위한 설계"입니다. 예를 들어 널리 사용되는 TTLW 기술은 "붕괴 리브" 방법을 사용하는 준동시 용접이라고 합니다. 이 공정에서 하단 부품에는 상단 부품의 해당 홈과 짝을 이루는 얇은 돌출 리브가 있습니다. 홈은 리브보다 약간 넓습니다.
붕괴 리브 방법을 구현하려면 용접 중에 클램프가 맞물려 필요한 아래쪽 힘을 전달할 수 있도록 정확한 위치에 충분한 공간이 가능하도록 부품이 설계되어야 합니다. 단, 클램프 위치는 레이저 빔의 전체 용접 경로에 방해받지 않고 접근할 수 있어야 합니다.
리브와 홈의 치수와 모양의 경우도 용접 공정에 충분한 용융된 재료를 제공하고 생성되는 용융 플래시를 수용해야 합니다. 그리고 충분한 붕괴 높이가 확보될 수 있도록 부품이 설계되어야 합니다. 고정밀 응용 분야의 경우는 위치 지정 핀과 같은 정렬 기능이 부품 설계에 통합되어야 될 수도 있습니다. 이는 강력한 용접과 우수한 코스메틱을 달성하면서 플래시를 다듬거나 제거하는 후가공 과정을 제거하는 것을 목표로 합니다.
그림 3. 용접 전후의 두 폴리머 부품의 예.
올바른 파트너 선택
최종 고려 사항은 적합한 시스템 공급업체를 선택하는 것입니다. 이는 두 가지 이유로 폴리머 용접 시스템에 특히 중요합니다. 첫 번째는 전문 레이저 전문 지식에 대한 액세스를 제공하는 것이고 두 번째는 공정 개발을 지원하는 것입니다.
사용 중인 재료 및 부품 구성에 적합한 레이저 소스와 빔 전달 시스템을 선택하려면 높은 수준의 레이저 시스템 지식이 필요합니다. 레이저 시스템은 원하는 처리량을 달성할 수 있을 정도로 빠르게 부품을 용접하는 방식으로 에너지를 전달하도록 설계되어야 합니다. 그러나 문제에 더 많은 에너지를 쏟으면 시스템 비용이 증가합니다. 최적의 균형이 이루어져야 합니다.
경험이 풍부한 공급업체는 클램핑 툴링, 부품 처리, 폴리머 용접 시스템과 다른 생산 장비와의 기계적 인터페이스와 소프트웨어 인터페이스의 측면에서 실제적인 다양한 이슈가 있을 수도 있습니다.
종종 레이저 용접을 위해 탐색해야 하는 "매개변수 공간"이 많이 있기 때문에 공정 개발 지원은 가치가 있습니다. 최적의 레이저 작동 조건을 신속하게 결정하고 원하는 수율을 달성하기 위해 모니터링하거나 제어해야 하는 공정 변수를 식별하려면 사전 경험이 있으면 매우 유용합니다.
용접 시스템 공급업체가 실제 부품 샘플에서 공정을 실제로 테스트하기 위해 다양한 레이저에 액세스할 수 있는 경우에도 매우 유용합니다. 이상적으로는 공급업체의 응용 연구실에서 "공정 비법"을 개발하고 개선할 수도 있습니다. 이러한 작업에는 초기 비용이 많이 들 수 밖에 없습니다. 그러나 시스템을 사용하여 더 빨리 생산을 개시한 다음 더 좋고 신뢰할 수 있는 결과를 도출하기 때문에 비용을 절감할 수 있습니다.
결론적으로 레이저 용접은 폴리머 부품을 정밀하게 접합시킬 수 있으며 광범위한 생산량에 대한 비용 효율적인 방법입니다. 이는 다양한 제품에서 비용을 절감하고, 무게를 줄이며 첨단 기능을 제공하는 폴리머의 약속을 지키는 데 도움이 될 수 있습니다. 조직이 이미 폴리머 용접에 대한 전문 지식을 보유하고 있지 않은 경우, 처음부터 지식이 풍부한 장비 공급업체와 협력하면 효과적인 구현을 위한 지원을 받을 수 있습니다.