준동시 레이저 폴리머 용접을 사용하는 이유는 무엇입니까?

레이저 투과 용접(TTLW)을 위해 준동시 기술을 사용하면 여러 응용 분야에서 다른 방법보다 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 특히 부품 왜곡을 완전히 피해야 하는 경우나 용접 이음새 형상이 복잡한 부품의 경우에는 더욱 그렇습니다. 그러나 준동시 용접 공정에서 최적의 품질을 얻으려면 고도의 공정 제어가 필요합니다. 이것은 특히 확장 가능하고 여러 생산 라인에서 복제할 수 있는 안정적이고 일관된 공정을 유지하는 데 필요합니다. 이를 달성하기 위해서는 일반적으로 밀폐형 루프 클램핑 힘 제어와 열화상 이미징이 필요합니다.

폴리머는 기계적 특성, 내식성, 생체 적합성, 전기 및 단열 특성 등 고유한 특징을 제공합니다. 폴리머는 또한 일반적으로 다른 재료보다 더 저렴합니다. 이 모든 것이 다양한 제품에서 사용 증가를 이끌었습니다. 

대부분의 경우 폴리머 부품은 생산 과정에서 접합해야 합니다. 이러한 접합은 고부가가치 제품, 특히 자동차 또는 산업용 응용 분야에 사용되는 의료장비 및 센서의 경우 부품 왜곡이 없어야 하고 높은 기계적 정밀도, 미립자 파편 생성 최소화 및 우수한 접합 강도를 달성해야 합니다.

폴리머와 접합하기

대량 생산의 경우 주로 용접을 통해 접합하는 경우가 많습니다. 특히 아주 까다로운 응용 분야의 경우 레이저 용접 기술을 선호하게 되었습니다. 

레이저 용접은 다른 방법에 비해 용접 품질, 강도 및 정밀도가 높고 반복성이 뛰어나며 미립자 발생이 없고 열 및 기계적 영향을 덜 받습니다. 그러나 실제로 레이저 폴리머 용접에는 여러 가지 다른 기술이 있으며 각 기술에는 다양한 구현 방식이 있습니다. 

이들 중 대부분은 "레이저 투과 용접"(TTLW) 형태입니다. TTLW는 레이저 파장에서 하나의 투명한 부품을 불투명한 다른 플라스틱에 접합하는 방식입니다. 두 부품이 맞닿아 있고 투명한 부품이 위에 있습니다. 레이저는 투명한 부품을 통해 초점을 맞추고 불투명한 부품을 향해 아래로 초점을 맞춥니다. 불투명한 부품을 가열하고 녹여 두 부품을 접합시킵니다. 

가장 일반적인 TTLW 기술이 여기에 요약되어 있습니다.

윤곽: 기존의 금속 레이저 용접과 동일한 방식으로 레이저 빔이 용접 경로를 한 번에 추적합니다. 이 때문에 용접 경로의 일부분만 항상 녹게 됩니다.

준동시: 이 경우 레이저 빔이 전체 용접 경로를 여러 번 빠르게 추적합니다. 이 작업은 전체 용접 이음새가 한꺼번에 녹을 정도로 매우 빠르게 이루어집니다.

라인: 여기서 레이저 빔은 부품의 폭만큼 길고 얇은 라인으로 형성됩니다. 이 라인이 전체 부품 표면을 한 번 스윕합니다. 특정 순간에는 용접 경로의 일부만 녹습니다. 

동시: 레이저는 용접 이음새의 모양과 일치하는 정적 패턴으로 투사됩니다. 이로 인해 전체 용접 이음새가 한꺼번에 녹아내립니다.

이 표에는 각각의 방법에 대한 다양한 기능, 장점 및 단점이 요약되어 있습니다. 

준동시 용접

준동시(QS) 용접은 단순한 이음새 형상(예: 방사형 용접 또는 원형 패턴)이 아닌 정밀한 고가의 부품을 접합하는 데 가장 널리 사용되는 기술입니다. 전체 용접 이음새를 한 번에 균일하게 가열하기 때문에 QS 용접은 접합부의 품질을 보장하고 부품 왜곡을 방지합니다. 실용적인 관점에서 보면 소프트웨어 제어를 통해 쉽게 변경할 수 있는 유연한 공정입니다. 또한 QS 용접은 주기가 짧고 배치 크기가 작은 것부터 큰 것까지 다양한 생산 환경에 적합하여 비용을 줄일 수 있습니다.

QS 용접의 중요한 형태 중 하나는 "collapse rib" 방식입니다. 그림은 이러한 주요 요소를 보여줍니다. 이 기술에서는 하단 부품에 얇게 튀어나온 리브가 있어 상단 부품의 해당 홈에 맞물립니다 그런데 홈이 리브보다 약간 더 넓습니다. 

용접 시 하부 리브가 레이저에 의해 부분적으로 녹는 동안 클램프는 두 부품을 능동적으로 가압합니다. 그러면 녹은 재료가 흐르면서 상단과 하단 부품 사이의 틈새를 채웁니다. 그런 다음 재응고되어 용접 결합을 생성합니다. 이러한 특정 유형의 TTLW는 부품이 완벽하게 평평하지 않거나 공차가 엄격하게 적용되지 않은 경우에도 용접 접합이 양호하기 때문에 특히 좋습니다. 

QS 용접 공정 모니터링

이음새 품질과 수율 측면에서 QS 용접의 장점을 극대화하려면 공정 모니터링이 정확해야 합니다. 특히 "붕괴 리브" 방식의 경우, 핵심 요소는 "붕괴 제어"입니다. 

"붕괴 제어"는 일반적으로 붕괴 높이, 즉 용접 중에 상단 부품이 아래로 이동하는 양을 능동적으로 모니터링하고 관리하는 것으로 구성됩니다. 특히, 자동 부품 붕괴 높이 측정은 밀폐형 클램핑 힘(속도) 제어와 레이저 출력 조절에 사용됩니다.

Coherent는 폴리머 용접 시스템에서 더욱 정교한 버전의 "붕괴 제어"를 사용합니다. 이는 단순한 높이 측정이 아닌 서보 모터 구동 클램핑의 밀폐형 루프 제어를 위해 통합된 힘 감지 변환기를 사용합니다. 기타 다른 제조업체에서는 이 방법을 사용하지 않습니다. 일부 제조업체는 서보 모터 전류를 피드백 신호로 사용하지만, 이는 동일한 측정 정확도와 동적 제어 수준을 제공하지 않습니다. 다른 제조업체에서는 서보 모터를 전혀 사용하지 않습니다. 대신 일반적으로 최적의 결과에 필요한 정밀도나 응답 속도를 제공하지 못하는 공압 액추에이터를 사용합니다. 

이 피드백을 통해 시스템은 부품 간 치수 차이 또는 재료 흡수 특성의 불일치를 수정할 수 있습니다. 주변 환경이나 부품 자체에 변화가 있더라도 공정 일관성을 향상시켜 공정 창을 확장합니다. 이를 통해 기계 간 차이를 쉽게 보정할 수 있습니다. 그러면 한 위치에서 개발된 공정을 다른 위치로 옮기면서도 동일한 결과를 안정적으로 제공할 수 있습니다.

열화상 이미징

용접이 완료된 후에는 열화상 이미징(적외선) 카메라 시스템을 사용하여 용접 품질을 평가할 수 있습니다. 열화상 이미징은 실제로 용접 이음새 내부가 아닌 상단 투명 부품 표면의 온도를 측정합니다. 그러나 이 표면 온도 데이터는 용접 이음새 온도를 직접 측정하는 것보다 용접 품질에 대한 더 많은 유용한 정보를 제공합니다.

그 이유를 이해하려면 레이저가 바닥의 불투명한 부품만 직접 가열한다는 점을 기억하십시오. 상단 투명 부품은 하단 부품과 맞닿아 있기 때문에 전도에 의해 녹습니다. 

따라서 용접 후 상단 부품의 표면 온도를 측정하면 두 가지를 알 수 있습니다. 첫째, 하단 부품이 레이저 에너지를 얼마나 잘 흡수하고 얼마나 완전히 녹았는지 확인할 수 있습니다. 둘째, 이 열을 상단 부품으로 전달하여 이 부품도 녹일 수 있도록 부품 전체에 얼마나 일관되게 클램핑 힘을 가했는지를 알 수 있습니다. 

 열화상 검사를 통해 전체 용접 이음새의 이미지를 확인할 수 있습니다. 경로를 따라 끊어진 부분이 있으면 용접 이음새에 틈이 있음을 나타내고, 라인 두께에 변화가 있으면 용접이 약함을 나타냅니다. 

일반적으로 열화상 검사는 용접 후 품질 분석 도구로 사용됩니다. 불량 부품을 즉시 식별하여 불량 부품을 거부할 수 있습니다. 이렇게 하면 불량 부품에 더 많은 가치를 부여하는 것을 방지할 수 있기 때문에 제조업체가 비용을 절감할 수 있습니다. 물론, 불량 부품이 고객에게 배송되는 일도 방지할 수 있습니다.