백서

레이저 폴리머 용접:
성공을 위한 설계

개요

특히 고정밀 제품에서 폴리머 부품을 많이 사용하게 되면서 제조업체들은 용접이 더 잘되고 생산 처리량을 증가시키며 비용을 절감시켜주는 접합 기술을 모색하고 있습니다. 레이저 폴리머 용접은 이러한 모든 영역에서 수행될 수 있습니다. 그러나 레이저 공정을 구현하여 지속적으로 최적의 결과를 얻어내고 비용을 최소화하려면 기술에 대한 이해가 필요합니다. 그리고 이를 성취하기 위해서는 초기에 제품 설계 단계에서 전문가인 공급업체와 파트너십을 체결하는 것이 도움이 되는 경우가 많습니다. 본 백서에서는 레이저 폴리머 용접의 기본 사항을 검토하고 생산을 시작하기 전에 고려해야 할 몇 가지 주요 문제를 간략히 설명합니다.

Hero Image
레이저 폴리머 용접은 다른 접합 방법과 비교할 때 여러 장점이 있지만, 잘 구현하려면 기술을 잘 이해해야 하며 제품 개발 주기 초기에 지식이 풍부한 장비 공급업체와 상담을 하면 많은 혜택을 얻을 수 있습니다.

폴리머 – 약속 및 과제

폴리머는 다른 재료과 비교할 때 몇 가지 특별한 특징 및 장점이 있습니다. 여기에는 높은 강도 대 중량비, 기계적 유연성, 내식성, 생체 적합성, 전기적 및 열적 절연 능력, 그리고 경우에 따라서는 광학 투명도 등이 포함됩니다. 제조 측면에서 폴리머 부품은 다양한 성형 기법을 통해 생산될 수 있는 경우가 많습니다. 이러한 기법은 생산 처리량은 높고 단가는 낮습니다.

이러한 모든 것들을 통해 포장, 자동차 생산, 마이크로 전자 공학, 의료장비와 같은 다양한 분야에서 폴리머 사용이 증가되었습니다. 이러한 많은 응용 분야에서 공통적으로 요구되는 사항은 제품을 조립하는 중에 두 개 이상의 폴리머 부품을 결합하는 것입니다. 의료용 임플란트와 전자 센서와 같이 정교한 제품과 관련된 응용분야의 경우 이러한 접합은 높은 기계적 정밀도, 최소의 미립자 이물질 생성, 우수한 접착 강도를 통해 이루어져야 합니다.

대량 생산의 경우 일반적으로 단순히 접착시키는 것이 아니고 일종의 용접을 통해 이루어집니다. 일반적으로 용접은 접착 결합보다 훨씬 빠르고 정확하게 이루어질 수 있으며 보다 강력하고 안정적으로 접합시킵니다.

 

"특히 고정밀 제품에서 폴리머 부품 사용량이 증가하게 되면서 제조업체들은 용접이 더 잘되고 생산 처리량을 증가시키며 비용을 절감시켜주는 접합 기술을 모색하고 있습니다."

 

다양한 폴리머 용접 방법이 사용되고 있습니다. 일반적으로 가해진 열을 사용하거나 마찰이나 진동을 이용하거나 화학 용제를 사용하여 재료를 선택적으로 용해하는 것을 포함합니다. 이러한 각 기술은 장점과 용도가 있습니다.

레이저 폴리머 용접을 사용하면 이러한 고유의 장점들이 더해지게 되기 때문에 가장 까다로운 응용분야에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

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.

레이저 폴리머 용접의 기초

레이저 폴리머 용접은 레이저를 열원으로 사용하여 재료를 녹입니다. 레이저 폴리머 용접은 결합되는 재료, 응용분야의 특정 요구 사항, 비용이나 속도와 같은 다양한 생산 고려 사항에 따라 다양한 방법으로 구현될 수 있습니다.

가장 유용하고 일반적으로 사용되는 기술 중 하나는 "레이저 투과 용접"(TTLW)"입니다. 이 방법은 투명한 플라스틱으로 만든 한 부품을 불투명한 다른 부품에 결합시키는 것을 말합니다. 이 경우 "투명한"과 "불투명한"의 의미는 시각적으로 투명하거나 불투명하다는 것을 의미하는 것이 아니라 부품이 사용 중인 레이저의 파장을 흡수하거나 투과한다는 것을 의미합니다.

 

그림 1: TTLW에서 레이저 빔은 투명한 플라스틱 부품을 통과하고 그 아래의 불투명한 부품에 의해 흡수됩니다. 이것은 하단 부품을 가열하고 녹여 부품을 용접합니다.

 

부품 크기 및 형상, 필요한 처리 속도, 원하는 용접 품질 및 특성, 기타 요인에 따라 TTLW를 실행할 수 있는 방법이 많습니다. 이러한 방법 중 가장 유용하면서도 매우 다양한 곳에 사용될 수 있는 방법 중 하나를 준동시 용접이라고 합니다.

준동시 용접에서는 두 부품이 함께 고정되거나 투명한 부품이 맨 위에 있는 상태로 직접 접촉됩니다. 레이저는 투명한 부품을 통해 초점을 맞추고 불투명한 부품을 향해 아래로 초점을 맞춥니다. 불투명한 폴리머가 레이저 광을 흡수하여 가열되고 녹습니다. 레이저의 열은 투명한 부품의 일부도 녹입니다.

원하는 용접 이음매 패턴을 추적하기 위해 레이저 빔이 빠르게 스캔됩니다. 일반적으로 패턴을 수차례 스캔하고 전체 용접 경로를 동시에 녹이는 효과가 있습니다(이름의 의미). 전체 용접 경로가 용융된 후 레이저가 꺼지고 용융된 물질이 빠르게 재응고되어 용접 접합부가 형성됩니다.

준동시 TTLW는 탁월한 결합과 높은 생산 처리량을 제공하며 빠르면서도 많은 장점을 지닌 방법입니다. 전체적으로 단일 평면(평평)에 있거나 약간의 높이 변화가 있는 용접 솔기에 가장 유용합니다. 

 

Figure 2

그림 2: 준동시 용접에서는 레이저 빔을 전체 용접 경로에 걸쳐 빠르게 스캔하여 한 번에 모두 녹입니다.

 

붕괴 리브 방법

준동시 TTLW에 자주 사용되는 특정 부품 구성 중 하나를 "붕괴 리브" 방법이라고 합니다. 여기 하단 부품에는 상단 부품의 해당 홈과 짝을 이루는 얇은 돌출 리브가 있습니다. 그런데 홈은 리브보다 약간 넓습니다.

용접 시 하부 리브가 레이저에 의해 부분적으로 녹는 동안 클램프는 두 부품을 능동적으로 가압합니다. 하부 리브의 일부는 녹고, 이 물질은 흘러서 상단 부품과 하단 부품 사이의 틈을 채웁니다. 그런 다음 재응고되어 용접 결합을 생성합니다.

 

blog-polymer-welding.gif

그림 3: 준동시 TTLW의 "붕괴 리브" 방법의 주요 단계

 

특정한 TTLW를 이와 같이 구현하면 부품이 완벽하게 평평하거나 엄격한 허용 오차가 없는 경우에도 용접 결합 상태가 양호하기 때문에 특히 좋습니다. 또한 "붕괴 높이"(용접 공정 중 상단 부품이 아래로 내려가는 양)를 모니터링하고 밀폐형 루프 공정 제어에 사용할 수 있습니다. 이를 통해 부품 간 치수 변화나 레이저 에너지의 재료 흡수가 있는 경우에도 대량 생산에서 매우 일관된 결과를 얻을 수 있습니다. 레이저 출력 전력이나 레이저 초점 스폿 특성의 변화를 보정할 수도 있습니다.

성공을 위한 단계

물론 TTLW 폴리머 용접을 생산에 도입하려면 많은 미묘한 차이와 여러 사항들을 고려해야 합니다. 그렇다면 이 기술을 구현하기 위한 가장 좋은 방법은 무엇일까요? 생산을 시작하기 전에 고려해야 할 세 가지 핵심 사항이 있으며, 제품 설계 주기에도 고려할 사항이 있을 수 있습니다.

첫 번째 사항은 재료 선택입니다. 이 방법이 효과가 있으려면 두 폴리머(투명 및 불투명)가 모두 용융(단, 분해 되지 않음)된 상태를 유지하는 온도 범위가 존재해야 합니다. 이 겹침이 클수록 공정 윈도우가 넓어집니다. 그리고 공정 윈도우가 더욱 넓어지면 생산이 더욱 쉽고 강력해집니다. 다음 차트에는 레이저 용접과 호환되는 일반적인 폴리머 조합이 요약되어 있습니다.

Figure 4

그림 4:  TTLW와 호환되는 재료 조합.

"Coherent는 생산 환경에 쉽게 통합되는 레이저 폴리머 용접 시스템을 생산합니다."

 

다음으로 고려할 사항은 "제조를 위한 설계" 문제입니다. 예를 들어, 붕괴 리브 방법을 구현하려면 용접 중에 클램프가 결합할 수 있는 적절한 위치에 충분한 공간을 가지면서도 레이저 빔이 방해받지 않고 전체 용접 경로에 접근할 수 있도록 부품이 설계되어야 합니다.

리브와 홈의 치수와 모양의 경우도 용접 공정에 충분한 재료를 제공하고 생성되는 용융 플래시를 수용하기 위해 선택되어야 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 용접 코스메틱을 달성하면서 플래시를 다듬거나 제거하는 후가공 과정을 제거하는 것을 목표로 합니다.

마지막으로 공정 개발을 둘러싼 모든 이슈들이 있습니다. 즉, 우선 폴리머 재료에 적합한 레이저 소스를 선택해야 하고 최적의 레이저 작동 매개변수를 결정해야 하며 원하는 수율을 달성하기 위해 모니터링하거나 제어해야 하는 공정 변수를 식별해야 합니다. 부품 처리, 폴리머 용접 시스템과 다른 생산 장비와의 기계적 인터페이스와 소프트웨어 인터페이스, 그리고 물론 소유 비용 측면에서 다양한 실제적인 이슈가 있을 수도 있습니다.

이러한 모든 요소를 가장 간단하게 해결하기 위해서는 응용분야 개발 지원을 제공할 수 있는 공급업체와 협력하는 것이 좋습니다. 구체적으로 말하면, 테스트를 실행해서 어떤 시스템 구성이 최상의 결과를 낼 것인지를 결정할 수 있고 생산 공정에 최적의 레이저 매개변수를 식별하는 데에도 도움을 줄 수 있는 공급업체를 찾아야 합니다. Coherent 연구소는 바로 이러한 서비스를 제공하며, Coherent도 생산 환경에 쉽게 통합되는 레이저 폴리머 용접 시스템을 제공합니다.

 

요약

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.