Estudo da influência da adição de pigmentos e corantes na transmitância e na soldadura laser por transmissão de polimetilmetacrilato

Abstract

A soldadura direta e por transmissão, são duas técnicas que provem da subdivisão da soldadura a laser. A segunda, em particular, é amplamente empregue na indústria devido à sua eficácia. Simplificadamente, esta técnica baseia-se no princípio de que uma das peças do conjunto é transparente à radiação emitida pelo laser, enquanto a outra é absorvente a essa radiação na interface do conjunto de ambas as peças. A qualidade final de soldadura para além de ser influenciada pelas variáveis de soldadura é influenciada pelas propriedades óticas do material, como a cristalinidade do material ou a presença de aditivos o que pode afetar o desempenho mecânico das peças soldadas. O presente estudo teve dois objetivos principais. O primeiro objetivo consistiu em investigar a influência da espessura e da adição de diferentes concentrações de aditivos (pigmentos e corantes) na peça transparente ao laser o PMMA, e observar quais permitiam ou não a soldadura. De forma a atingir os objetivos, foram definidas as espessuras a avaliar 0,5 milímetros a 4 milímetros com incrementos de 0,5 milímetros, e os aditivos a serem incorporados (pigmentos orgânicos, inorgânicos, metálicos e corantes), assim como a sua concentração na matriz polimérica (0,5%; 1,0%; 2,0%). As amostras foram produzidas através da moldação por injeção e foram realizadas medições num espectrofotómetro para avaliar a sua transmitância num comprimento de onda de 940 e 1040 nanometros. Por último, as amostras foram submetidas ao processo de soldadura a laser e avaliadas visualmente de forma a determinar se ocorreu ou não uma boa soldadura entre as amostras. A análise da incorporação de aditivos, mostra que a adição de pigmentos orgânicos e inorgânicos influencia maioritariamente os resultados de transmitância em comparação com os corantes. Perante o aumento de espessura e de concentração, estas variáveis também apresentam maior influência no caso dos pigmentos, por sua vez, os corantes são mais influenciados pelas condições operatórias da injeção. Na visualização da soldadura, o resultado mostra que se pode utilizar como índice preditivo confiável a relação entre os dados de transmitância e a soldadura final, com exceção do dióxido de titânio e o bronze. Após este estudo conclui-se que a incorporação de corantes num conjunto alargado de espessuras e concentrações apresenta uma aplicabilidade mais ampla para a produção de componentes que exijam elevada transmitância sem comprometer a integridade da soldadura. O segundo objetivo visa avaliar quais as condições operatórias do laser que maximizam a eficácia da soldadura para diferentes geometrias e dimensões de rib na peça absorvente ao laser, o PC/ABS, e compreender a influência tanto das condições operatórias como das diferentes tipologias de rib, através dos ensaios de desempenho mecânico (tração) e ótico (microscopia) das amostras unidas por essa técnica. Assim sendo, foram escolhidas diferentes geometrias e dimensões de rib para o estudo, (lisa, quadrangular, triangular, trapezoidal e hermética), bem como diversas condições operatórias no processo de soldadura laser, tais como (temperatura do laser, velocidade do laser, diâmetro do laser, pressão de aperto e número de passagens). Para a realização dos ensaios foi elaborado um plano de experiências. A produção das peças absorventes foi efetuada através de moldação por injeção necessária para a realização do plano de experimentos e com as condições de moldação descritas na datasheet do material. Por último, conduziram-se os ensaios de soldadura a laser por transmissão que posteriormente foram submetidos a testes de tração e microscopia ótica para averiguar a resistência e qualidade de soldadura e da linha de soldadura. Os resultados de tração indicam que as variáveis que mais influenciam a força máxima da soldadura são a largura e altura de rib, juntamente com o número de passagens e abertura do laser. Após este estudo conclui-se que a tipologia de rib mais eficiente foi a triangular com uma boa relação entre força máxima atingida e área de rib. A força máxima mais alta foi atingida para a configuração P 16 (ensaio T92), com um dimensionamento de 0,8 mm de altura e largura de rib.

Direct and transmission welding are two techniques derived from laser welding. The latter, in particular, is widely used in the industry due to its effectiveness. Simply put, this technique is based on the principle that one of the components in the assembly is transparent to the laser radiation, while the other absorbs this radiation at the interface between both components. The final welding quality is influenced not only by welding variables but also by the optical properties of the material, such as material crystallinity or the presence of additives, which can affect the mechanical performance of the welded parts. This study had two main objectives. The first objective was to investigate the influence of thickness and the addition of different concentrations of additives (pigments and dyes) in the laser-transparent part, PMMA, to observe which allowed or prevented welding. To achieve these objectives, the thicknesses to be evaluated were set between 0.5 mm to 4 mm in increments of 0.5 mm, and the additives to be incorporated included organic, inorganic, metallic pigments, and dyes, as well as their concentration in the polymer matrix (0.5%, 1.0%, 2.0%). The samples were produced through injection molding, and measurements were taken using a spectrophotometer to evaluate their transmittance at wavelengths of 940 and 1040 nanometers. Lastly, the samples were subjected to laser welding and visually assessed to determine whether a good weld between the samples had occurred. Analysing the incorporation of additives shows that the addition of organic and inorganic pigments has a greater influence on the transmittance results than dyes. As the thickness and concentration increase, these variables also have a greater influence in the case of pigments, while dyes are more influenced by the injection operating conditions. When visualising the weld, the result shows that the relationship between the transmittance data and the final weld can be used as a reliable predictive index, with the exception of titanium dioxide and bronze. Following this study, it can be concluded that the incorporation of dyes in a wide range of thicknesses and concentrations has wider applicability for the production of components that require high transmittance without compromising the integrity of the weld. The second objective was to assess which laser operating conditions maximize welding efficiency for different rib geometries and dimensions in the laser-absorbing part, PC/ABS, and to understand the influence of both operating conditions and different rib types through mechanical performance tests (tensile) and optical tests (microscopy) of the samples joined by this technique. For this purpose, different rib geometries and dimensions were selected for the study (flat, square, triangular, trapezoidal, and hermetic), as well as various operating conditions in the laser welding process, such as laser temperature, laser speed, laser diameter, clamping pressure, and the number of passes. An experimental design plan was created for testing. The production of absorbing parts was carried out through injection molding, following the molding conditions described in the material datasheet. Finally, laser transmission welding tests were conducted, followed by tensile and optical microscopy tests to assess weld strength, quality, and the quality of the weld line. The tensile results indicate that the variables that most influence the maximum welding force are the rib width and height, together with the number of passes and the laser aperture. After this study it was concluded that the most efficient rib type was triangular with a good relationship between maximum force achieved and rib area. The highest maximum force was achieved for the P 16 configuration (T92 test), with a rib height and width dimensioning of 0.8 mm.