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Sunday, 28 Maggio 2017
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Saldatura di polipropilene mediante laser in fibra al tullio da 2 µm

L’utilizzo dei polimeri nelle applicazioni industriali è sempre più diffuso, per la significativa riduzione dei pesi e dei costi di produzione che tali materiali garantiscono. Risulta quindi estremamente importante individuare tecniche di giunzione che permettano di ottenere collegamenti efficienti ed esteticamente adeguati, tra pezzi in tali materiali. La saldatura laser è una tecnologia flessibile, che consente di ottenere un’elevata velocità di produzione e di realizzare giunti di buona qualità. Nonostante la sua sempre maggior diffusione nella produzione di assemblaggi di alta precisione, il suo utilizzo per la giunzione di pezzi in materiali polimerici non è finora molto esteso, soprattutto a causa della difficoltà di ottenere radiazioni laser adeguatamente assorbibili dalle sostanze organiche. La messa a punto di sorgenti laser in fibra basate sull’utilizzo del tullio quale elemento attivo, permette di superare tali difficoltà e apre quindi nuovi scenari di ricerca. Il presente articolo riporta i risultati di un’indagine preliminare riguardante la saldatura laser di polimeri, eseguita presso il laboratorio del Centro di Ricerca sulle Giunzioni della Scuola Politecnica dell’Università degli Studi di Genova, con la collaborazione di IPG Photonics Italia. In particolare, lo studio si è focalizzato sulla saldatura di un materiale poliolefinico, il polipropilene. Grazie a numerose prove sperimentali e a un’approfondita caratterizzazione dei giunti, è stata individuata la finestra di saldabilità che permette di ottenere giunzioni affidabili, senza l’uso di additivi che incrementino l’assorbimento della radiazione.

di Enrico Lertora, Chiara Mandolfino, Carla Gambaro

Settembre-Ottobre 2015

Negli ultimi anni, le applicazioni industriali dei materiali polimerici sono diventate sempre più rilevanti. In particolare, le poliolefine sono ampiamente utilizzate per le loro molteplici proprietà, quali leggerezza, resistenza meccanica e chimica, lavorabilità e basso costo di produzione. Qualsiasi struttura si intenda realizzare, è inevitabile dover prevedere la presenza di giunzioni. Per tale motivo, la ricerca di sistemi di saldatura tra pezzi in materiale polimerico risulta un argomento di ricerca particolarmente interessante. Nelle industrie automobilistiche, delle telecomunicazioni, delle costruzioni e nella produzione di apparecchi medicali, lo sviluppo di una tecnologia di giunzione efficiente, veloce ed eco-friendly è un aspetto sempre più importante. Per tale motivo, i produttori di sistemi di saldatura laser hanno sviluppato nuove soluzioni, utilizzabili per ottenere giunzioni affidabili tra pezzi in materiali polimerici. La vasta gamma di tipologie di laser presenti sul mercato consente di scegliere, di volta in volta, la sorgente più adatta all’applicazione [1-6]. In particolare, lo sviluppo delle sorgenti laser in fibra ha permesso di ottenere impianti caratterizzati elevata efficienza e flessibilità ed estremamente compatti. La ricerca sulla saldatura dei polimeri mediante laser si è finora focalizzata sull’ottimizzazione del processo [7-9] e delle sorgenti laser [8, 10-14]. In particolare, lo sviluppo di sorgenti laser al Tullio, con lunghezze d’onda nel vicino infrarosso (NIR), è risultato particolarmente utile in molte applicazioni medicali e militari e può fornire un’interessante soluzione per la giunzione di pezzi in materiale polimerico. Infatti, il forte assorbimento delle radiazioni NIR da parte dell’acqua è un aspetto molto promettente, oltre che per le applicazioni medicali, anche per la saldatura dei polimeri; inoltre, il basso assorbimento da parte dell’atmosfera e le proprietà “eye-safe” rendono questo sistema facilmente integrabile in diversi impianti produttivi. Il presente articolo riporta i risultati di un’indagine preliminare, effettuata nel laboratorio del Centro di Ricerca sulle Giunzioni (CRG) della Scuola Politecnica dell’Università degli Studi di Genova, con la collaborazione di IPG Photonics, Italia. In particolare, è stata studiata la saldabilità di un materiale poliolefinico, il polipropilene, al fine di individuare i parametri ottimali per ottenere giunzioni testa a testa tra pezzi di spessore pari a 2 mm.

Campagna sperimentale
Le prove di saldatura sono state condotte utilizzando un laser in fibra al Tullio (IPG Photonics TRL1904; massima potenza: 50W, lunghezza d’onda: 1.904 nm). La testa laser è stata montata su un impianto robotizzato (Panasonic TA1600). Tutte le apparecchiature utilizzate sono mostrate in Figura 1. La ricerca si è focalizzata sullo studio della saldabilità di un polipropilene (PP) pigmentato. Ogni giunto è stato realizzato utilizzando due campioni di dimensioni 100 x 25 x 2 mm, disposti testa a testa. Durante la saldatura, le parti sono state mantenute in posizione utilizzando un’attrezzatura, progettata e realizzata in modo da garantire l’azione di una pressione costante (Figura 2). Le prove di saldatura sono state eseguite a due livelli di velocità: v1=4,15 mm/s e v2=8,3 mm/s, mantenuta costante durante la passata. In tutti i giunti, il fuoco del raggio laser è stato posto sulla superficie superiore dei campioni, che quindi si trovava a una distanza di 40 mm dalla lente di focalizzazione. Al fine di trovare la finestra dei parametri di processo ottimali, sono state eseguite diverse prove, facendo variare la potenza a intervalli del 10%, nel range dal 40% al 80% della potenza massima, quindi da 20 a 40 W. In Tabella 1 è riportata una sintesi dei parametri di saldatura adottati, nonché la designazione dei vari campioni. La qualità delle giunzioni è stata valutata effettuando prove di trazione in conformità con la norma UNI EN ISO 527 [15], adottando una velocità di traslazione della traversa mobile della macchina pari a 5 mm/min. Sono stati testati tre campioni per ogni set parametri. A titolo di confronto, è stata determinata anche la resistenza a trazione del materiale base, utilizzando la stessa metodologia. Per valutare la ripetibilità del processo, è stata anche calcolata la deviazione standard percentuale dei risultati.

Analisi dei risultati
La prima indagine effettuata sui giunti saldati è stata di tipo visivo. In tal modo si è compresa l’influenza dei parametri di saldatura sulla forma del cordone ed è stato possibile rilevare l’eventuale presenza di irregolarità e difetti. In Figura 3 è riportata una vista dall’alto di alcuni dei giunti realizzati, con i parametri di saldatura corrispondenti. Il polimero mostra un assorbimento relativamente elevato della potenza emessa dalla sorgente al tullio. Infatti, anche una potenza di soli 35 W ha permesso di ottenere la fusione del materiale, senza l’aggiunta di additivi per incrementare l’assorbimento delle radiazioni. Riguardo all’aspetto del giunto, si è potuto osservare che, per entrambi i livelli di velocità, un aumento di potenza ha prodotto un incremento sia della larghezza sia della profondità del cordone, permettendo di ottenere la piena penetrazione. Aumentando la potenza, infatti, l’apporto termico cresce e produce una riduzione della viscosità del materiale rammollito. A causa della pressione applicata ai pezzi dall’attrezzatura di fissaggio, il materiale fuso viene espulso dalla zona di giunzione e va a costituire il cordone. Terminata l’analisi visiva, i giunti e il materiale base sono stati caratterizzati meccanicamente. In Figura 4 sono indicate le resistenze a trazione dei giunti realizzati con i due livelli di velocità e con le diverse potenze della sorgente laser. I risultati mostrano che la resistenza a trazione dei campioni saldati con una velocità di 4,15 mm/s aumenta all’aumentare della potenza, fino a ottenere il valore massimo in corrispondenza dei 35 W. Se si utilizza una velocità più elevata, al fine di raggiungere un miglioramento delle caratteristiche meccaniche è necessario utilizzare valori di potenza almeno pari all’80% della potenza massima della sorgente laser utilizzata (40 W). I valori diventano ancora più significativi se si confronta la resistenza a trazione dei campioni saldati con quella del materiale base (Figura 5). Usando una velocità di saldatura di 4,15 mm/s, è possibile raggiungere il 90% della resistenza a trazione del materiale base, anche a una potenza relativamente bassa. Incrementando la velocità, per raggiungere almeno il 50% della resistenza a trazione del materiale base, è stato necessario impiegare una potenza di 40 W. Ciò indica che l’apporto termico adottato non è stato sufficiente a generare un bagno di saldatura adeguato e quindi un’unione efficace delle parti.

Conclusioni
L’indagine effettuata ha permesso di individuare i parametri di saldatura da utilizzare per ottenere giunzioni testa a testa tra pezzi in polipropilene di spessore pari a 2 mm, utilizzando un laser in fibra al Tullio (λ=2μm), senza l’uso di additivi che incrementino l’assorbimento. Usando una velocità di saldatura di 4,15 mm/s, i giunti realizzati con una potenza di 35 W hanno raggiunto il 90% della resistenza del materiale base. Se si desidera privilegiare la produttività del processo, adottando una velocità doppia, si riesce ad ottenere un’accettabile efficienza della giunzione, pari al 50%, solo adottando una potenza di 40W. Come citato, quanto riportato è il frutto di un’indagine preliminare. Sono attualmente in corso ulteriori approfondimenti sulla saldabilità del propilene, prendendo in considerazione la presenza di differenti percentuali e tipologie di pigmenti. Inoltre, si intende continuare a investigare la possibilità di incrementare la produttività del processo, adottando altre soluzioni operative.

Ringraziamenti
Gli autori ringraziano IPG Photonics Italia, che ha fornito la sorgente laser e ha messo a disposizione l’esperienza dei suoi specialisti. Un ringraziamento particolare va anche all’ingegner Diego Giacometti per il suo costante e significativo aiuto nella realizzazione della campagna di prove.

Bibliografia
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[15] UNI EN ISO 527-1:2012. Materie plastiche - Determinazione delle proprietà a trazione - Parte 1: Principi generali.

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