La prova di trasmissione determina quale frazione della radiazione laser attraversa il partner di giunzione trasparente al laser e diventa quindi effettivamente disponibile sul piano di giunzione. Nella saldatura laser a trasmissione dei termoplastici, la fusione non si forma dove viene impostato il laser, ma dove arrivano i fotoni. Tra i due si collocano la riflessione alle interfacce, l'assorbimento nel volume e – per materiali semicristallini, caricati o pigmentati – la diffusione. Ciò che conta, quindi, è la trasmittanza spettrale alla lunghezza d'onda di processo, la lunghezza del percorso ottico attraverso il pezzo e la distribuzione angolare della radiazione emergente. Solo queste grandezze determinano l'intensità, l'energia lineare e il campo di temperatura sulla superficie di giunzione, e con esse la riproducibilità della saldatura.

Dal punto di vista tecnico, è rilevante soprattutto uno spostamento all'interno della catena del valore:

La catena causale è coerente in tutto: la miniaturizzazione e l'integrazione funzionale riducono le aree di giunzione e gli spessori di parete. Ciò restringe il margine energetico tollerabile, poiché la stessa deviazione assoluta produce un errore relativo maggiore. Al contempo, la quota di compound caricati e colorati è in aumento e le loro proprietà ottiche variano da lotto a lotto e in base alla posizione. Insieme, questi due effetti spostano il controllo qualità dall'ispezione del cordone di saldatura dopo la giunzione al collaudo del materiale in anticipo.

La normativa pesa maggiormente nel settore della tecnologia medica: il Regolamento UE 2017/745 (MDR), unitamente alla norma EN ISO 13485 (punto 7.5.6), richiede la validazione del processo con limiti di processo documentati per i processi il cui risultato non può essere ispezionato in modo non distruttivo – e la giunzione di canali fluidici è uno di questi. La trasmittanza del partner di giunzione è una delle poche grandezze che può essere rilevata in modo non distruttivo ancora prima che avvenga la giunzione.

Sei sviluppi stanno modificando i requisiti per il collaudo di trasmissione:

Saldatura senza assorbitori con laser a fibra di tulio. Le sorgenti attorno a 1940 nm sfruttano l'assorbimento proprio del polimero. La lunghezza d'onda di prova deve adeguarsi di conseguenza; una lettura a 980 nm perde significato.

Modellazione del fascio invece dell'aumento di potenza. Profili di intensità adattati producono zone di giunzione più uniformi rispetto ai profili gaussiani per i materiali non diffondenti. Per i materiali fortemente diffondenti, la diffusione in volume appiana in larga misura le differenze di profilo – un motivo per misurare le proprietà di diffusione prima di progettare l'ottica.

Progettazione del processo guidata dalla simulazione. Modelli accoppiati di ray-tracing e FEM rilevano congiuntamente la diffusione e la conduzione del calore. Le loro grandezze di ingresso sono i coefficienti di assorbimento e diffusione misurati; la qualità della simulazione dipende quindi direttamente dalla qualità della caratterizzazione ottica.

Colorazione nera trasparente al laser. I sistemi coloranti privi di nero di carbonio disaccoppiano l'aspetto visivo dalla trasmissione NIR. Il controllo in ingresso non può più essere effettuato visivamente.

La produzione additiva come nuova classe di materiali. Nei partner di giunzione stampati in 3D, i confini tra gli strati e i pori creano ulteriori centri di diffusione con una marcata dipendenza direzionale. Conseguenza: i valori di trasmittanza sono trasferibili solo tra parti stampate con lo stesso orientamento di costruzione.

La riferibilità metrologica come criterio di acquisto. I clienti dei settori automotive e della tecnologia medica richiedono sempre più letture di trasmissione riferibili secondo ISO/IEC 17025, piuttosto che valori di riferimento interni al produttore.

Le dimensioni del mercato, i tassi di crescita e le fonti relative a questo campo di applicazione sono riepilogati nella pagina Sviluppo del mercato della tecnologia UV.

La saldatura laser per trasmissione unisce due materiali termoplastici che si comportano in modo diverso sotto il profilo ottico rispetto alla radiazione laser. Il partner di giunzione superiore è in gran parte trasparente alla lunghezza d'onda di processo; quello inferiore la assorbe – di solito tramite nero di carbonio, oppure in alternativa tramite assorbitori NIR che non sono percettibili nel campo del visibile.

La radiazione attraversa il partner superiore, viene convertita in calore in un sottile strato superficiale del materiale assorbente all'interfaccia e lo fonde localmente. Il calore raggiunge poi per conduzione il partner trasparente, che fonde a sua volta. Sotto pressione di giunzione, si forma un legame di materiale tramite interdiffusione delle macromolecole attraverso l'interfaccia.

Dal punto di vista fisico vale il bilancio delle quote di radiazione:

A + R + T = 1

con assorbanza A, riflettanza R e trasmittanza T. Tutte e tre le grandezze dipendono dal materiale, dalla lunghezza d'onda e dalla temperatura, e si riferiscono sempre a uno spessore di materiale specifico. In mezzi otticamente non omogenei – ad esempio a causa di fibre di vetro, pigmenti o cristalliti – la diffusione devia inoltre la radiazione dalla sua direzione di propagazione originaria senza assorbirla.

Le lunghezze d'onda di processo tipiche si situano tra 800 e 1100 nm, poiché la maggior parte dei materiali termoplastici non pigmentati assorbe solo debolmente in questo intervallo. 980 nm è diventata la lunghezza d'onda di riferimento per il test di trasmissione poiché si trova al centro dell'intervallo dei laser a diodi utilizzati industrialmente.

La variante di processo determina quanti punti di misura richiede una prova di trasmissione e con quale intensità le variazioni locali di trasmissione si propagano nel risultato.

Tra le sorgenti di fascio, i laser a diodo a 808–980 nm dominano grazie alla loro elevata efficienza elettro-ottica e al design compatto. I laser a fibra a 1064 nm offrono una migliore qualità del fascio e diametri di focalizzazione più piccoli. I laser a fibra di tulio intorno a 1940 nm sfruttano l'assorbimento per overtone C-H e O-H proprio del polimero e consentono la giunzione senza assorbitore; in questo caso, la deposizione di energia si sposta dall'interfaccia al volume di entrambi i partner.

Importante per la pianificazione delle prove: la prova di trasmissione deve essere eseguita alla lunghezza d'onda che verrà successivamente utilizzata per la saldatura. Un valore misurato a 980 nm non è trasferibile a un processo a 1940 nm, poiché quest'ultimo sfrutta deliberatamente bande di assorbimento che vengono evitate a 980 nm.

Trasmittanza T alla lunghezza d'onda di processo. Essa determina direttamente la potenza disponibile a livello del giunto: P_joint = T · P_laser. Una diminuzione dal 45 % al 35 % significa il 22 % di energia in meno sulla superficie di giunzione – a parità di parametri del sistema.

Lunghezza del percorso ottico. La trasmittanza non è una costante del materiale, ma si riferisce a uno spessore specifico. Le transizioni di spessore parete, le nervature, gli smussi e le zone irradiate obliquamente allungano il percorso e riducono T in modo sproporzionato non appena la diffusione diventa dominante.

Diffusione e distribuzione angolare. La radiazione diffusa non è persa; raggiunge il piano di giunzione distribuita su un'area più ampia e con un'intensità di picco inferiore. Il cordone diventa più largo, la temperatura di picco più bassa. Due componenti con trasmittanza complessiva identica possono quindi produrre risultati di saldatura diversi.

Assorbività del componente inferiore. La profondità di penetrazione della radiazione nella superficie di giunzione assorbente determina se il calore si forma su un'area estesa o all'interno di uno strato molto sottile. Una concentrazione di assorbitore troppo elevata concentra l'energia in pochi micrometri e favorisce danni termici e degassamento.

Intensità e tempo di interazione. Non è solo l'energia a determinare il risultato, ma la sua distribuzione nel tempo. L'intensità I = P/A e il tempo di interazione t = d_spot/v determinano insieme la temperatura di picco raggiunta; la conduzione termica agisce come meccanismo di perdita concorrente.

Pressione di giunzione e traferro. Un traferro d'aria interrompe quasi completamente la conduzione termica verso il componente trasparente, poiché la conducibilità termica dell'aria è di circa due ordini di grandezza inferiore a quella dei termoplastici.

Temperatura del componente e umidità. Le proprietà ottiche dipendono dalla temperatura; per le poliammidi, l'assorbimento di umidità modifica inoltre il comportamento di assorbimento NIR, poiché si aggiungono bande di sovratono O-H. Questo è rilevante per i processi senza assorbitore; per i processi a 980 nm è generalmente secondario.

Questa sezione riassume le interpretazioni errate riscontrate più spesso nella pratica.

I valori delle schede tecniche non si applicano al pezzo reale. Le schede tecniche dei compound riportano valori di trasmissione per piastre standard stampate a iniezione di spessore definito. Nel pezzo reale, l'orientamento delle fibre, le linee di giunzione, la posizione del punto di iniezione, la temperatura dello stampo e la velocità di raffreddamento locale modificano il grado di cristallinità e la distribuzione delle fibre. Il risultato sono differenze di trasmissione di diversi punti percentuali all'interno di un singolo pezzo – con materiale nominalmente identico.

Una potenza laser nominalmente sufficiente non è una garanzia sul piano di giunzione. Il valore indicato è la potenza ottica in uscita dalla sorgente. Tra la sorgente e la superficie di giunzione si trovano perdite ottiche, riflessione di Fresnel su due interfacce, assorbimento in volume e diffusione. Le approvazioni di processo basate sulla potenza impostata sovrastimano sistematicamente l'energia effettivamente disponibile.

La potenza elettrica in ingresso non è una dose ottica. L'efficienza elettro-ottica dei laser a diodi è tipicamente del 40–60 % e diminuisce all'aumentare della temperatura di giunzione. Il controllo di processo basato sulla potenza elettrica in ingresso non rileva né l'invecchiamento delle barre di diodi né la contaminazione delle finestre di protezione.

Si confondono trasmissione direzionale e diffusa. Una sfera integratrice rileva la trasmissione totale emisferica e restituisce il valore più alto per i materiali diffondenti. Un'apertura del rilevatore stretta rileva solo la frazione quasi-collimata e restituisce un valore più basso. Entrambi i valori sono corretti e rispondono a domande diverse: la trasmissione totale descrive il bilancio energetico, la misura limitata dall'apertura l'intensità concentrata all'interno della sezione del cordone. Senza indicare la geometria di misura, la dimensione dell'apertura e la distanza del rilevatore, i valori di trasmittanza per pezzi diffondenti non sono confrontabili.

Misurazione nel punto sbagliato. Una misurazione su un'area di riferimento piana al di fuori della zona di giunzione non rileva né le transizioni di spessore parete né gli accumuli locali di fibre lungo il cordone. Ciò che è significativo è il profilo di trasmissione lungo il contorno di saldatura previsto, non un singolo valore.

Misurazione alla lunghezza d'onda sbagliata. La trasmittanza luminosa totale determinata secondo ISO 13468 si riferisce all'intervallo spettrale visibile e non è significativa per la lunghezza d'onda di processo NIR. Al contrario, un'elevata trasmissione NIR non dice nulla sull'aspetto visivo – i compound laser-black che rimangono trasparenti nel NIR sfruttano esattamente questo disaccoppiamento.

Si presume la reciprocità dove non è valida. L'idea che raddoppiando la potenza e dimezzando il tempo di esposizione si ottenga lo stesso risultato vale solo finché la conduzione del calore è trascurabile. Nei processi lenti, il calore fluisce nella massa del pezzo e la temperatura di picco effettivamente raggiunta risulta inferiore al calcolo; nei processi molto veloci, il danno termico all'assorbitore limita l'intensità ammissibile.

La trasmissione viene usata come unico criterio di accettazione. T descrive solo il partner trasparente. Se la concentrazione di assorbitore nella controparte varia, la deposizione di energia si sposta senza che la misura di trasmissione lo mostri. Un'accettazione del materiale robusta copre entrambi i partner di giunzione.

La tolleranza di posizionamento per campioni diffondenti viene sottovalutata. Per pezzi fortemente diffondenti, la trasmittanza visualizzata dipende sensibilmente dalla posizione e dall'orientamento del campione nella testa di misura. Senza un fissaggio del pezzo definito e ripetibile, la dispersione di misura può superare la variazione del materiale che dovrebbe rilevare.

Cristallinità. I termoplastici semicristallini come PA, PP, POM e PBT contengono sferuliti il cui indice di rifrazione differisce da quello della fase amorfa. La radiazione viene diffusa in corrispondenza di queste interfacce. I materiali amorfi come PC, PMMA e PS presentano quindi una trasmissione direzionale nettamente superiore. Poiché la cristallinità dipende dalla velocità di raffreddamento, la temperatura dello stampo e lo spessore della parete agiscono direttamente sulla trasparenza al laser: un parametro del processo di stampaggio diventa un parametro ottico del processo di saldatura.

Fibre di vetro. Le fibre di rinforzo riducono la trasmissione principalmente per diffusione, non per assorbimento. Studi su PA6 rinforzato con fibre di vetro corte mostrano che l'energia laser trasmessa scende da circa il 70 % a circa il 20 % quando il contenuto di fibre aumenta da 0 a 63 wt.-%; tra 0 e 50 wt.-%, la frazione diffusa aumenta fino a circa il 50 %. Anche l'orientamento delle fibre è rilevante nella pratica: la diffusione effettiva differisce tra le zone allineate al flusso e le zone delle linee di giunzione.

Cariche minerali. Talco, gesso e microsfere di vetro riducono la trasmissione molto più fortemente delle fibre di vetro a parità di frazione in massa. Le microsfere di vetro possono impedire la saldatura per trasmissione anche con spessori di parete ridotti.

Pigmenti. I pigmenti bianchi coprenti, in particolare il biossido di titanio, sono in gran parte da escludere per i componenti trasparenti al laser, poiché la loro diffusione dipende solo debolmente dalla lunghezza d'onda e agisce nel NIR in modo analogo al campo visibile. Il nerofumo nel partner assorbente, al contrario, è desiderato; frazioni in massa di appena 0,05–0,5 % generano già un assorbimento sufficiente.

Spessore del componente. Nei materiali diffondenti la perdita di trasmissione cresce più rapidamente di quanto preveda un modello di puro assorbimento, perché la diffusione multipla aumenta in modo sproporzionato la lunghezza media del cammino dei fotoni. Per materiali fortemente diffondenti come POM o PBT ciò limita nella pratica lo spessore del partner trasparente a pochi millimetri; per il PEEK il limite è ancora inferiore.

Geometria e angolo di incidenza. In corrispondenza di superfici curve e di giunzioni radiali la radiazione incide obliquamente. La lunghezza del percorso irraggiato cresce con 1/cos θ, mentre contemporaneamente la riflettanza di Fresnel aumenta con l'angolo di incidenza. Entrambi gli effetti riducono la potenza che raggiunge il giunto senza alcuna variazione del materiale. Le prove di trasmissione su componenti a simmetria rotazionale dovrebbero quindi essere eseguite nella geometria di processo reale.

La descrizione quantitativa più semplice della trasmissione combina la riflessione di Fresnel all'interfaccia con l'assorbimento volumetrico di Beer-Lambert:

T = (1 − R)² · e^{(−α · d)}

dove

• T trasmittanza (adimensionale)
• R riflettanza di un'interfaccia a incidenza normale, R = ((n − 1)/(n + 1))²
• n indice di rifrazione del polimero (PA6: ≈ 1,53; PC: ≈ 1,58; PMMA: ≈ 1,49)
• α coefficiente di assorbimento in mm⁻¹ alla lunghezza d'onda di processo
• d spessore irraggiato in mm

Conseguenza dei termini di Fresnel. Per il PA6 con n = 1,53, R ≈ 4,4 % per interfaccia. Anche un componente perfettamente privo di assorbimento e non diffondente raggiunge quindi solo T ≈ 91,4 %. Requisiti di trasmissione superiori a questo valore sono fisicamente irraggiungibili per superfici plastiche non rivestite.

Ipotesi del modello. La legge di Beer-Lambert presuppone un mezzo omogeneo e non diffondente, radiazione monocromatica, propagazione collimata e un'interazione lineare. Si applica quindi approssimativamente a termoplastici amorfi e non caricati.

Limiti. Non appena si verifica diffusione – il che significa praticamente ogni materiale semicristallino, caricato o pigmentato – α non descrive più il solo assorbimento, ma diventa un coefficiente di estinzione effettivo µ_ext = µ_a + µ_s che combina assorbimento e diffusione. La distinzione è critica per il processo: la radiazione assorbita è persa per il piano di giunzione, la radiazione diffusa lo raggiunge comunque, solo distribuita spazialmente. Una misurazione che cattura solo la frazione collimata non può ricostruire il bilancio energetico. Una descrizione fisicamente corretta richiede l'equazione del trasporto radiativo – approssimata in pratica da modelli a due flussi del tipo Kubelka-Munk, oppure da metodi Monte Carlo e ray-tracing – per suddividere la radiazione in frazioni assorbite, diffuse in avanti e retrodiffuse.

Conseguenza pratica. Per i materiali diffondenti, un singolo valore di trasmittanza è un parametro di processo significativo solo se la geometria di misurazione assomiglia alla geometria del processo: lo stesso intervallo di lunghezze d'onda, un diametro del fascio comparabile, un'apertura del rilevatore definita e una distanza definita tra la parte inferiore del componente e il rilevatore. È proprio per questo che le norme di processo impongono di indicare il principio di misurazione – misurazione della potenza, misurazione fotometrica o spettrale.

1. Ipotesi. Saldatura per contorno di un alloggiamento in PA6-GF30, spessore parete 2 mm, laser a diodi 980 nm, potenza ottica in uscita P₀ = 40 W, diametro dello spot nel piano di giunzione d_S = 1,5 mm, velocità di avanzamento v = 100 mm/s. Valore di rilascio della trasmittanza T₁ = 42 %; in una zona con accumulo locale di fibre si misura T₂ = 30 %.

2. Modello.
P_F = T · P₀  ·  E_l = P_F / v  ·  I = P_F / A  ·  t = d_S / v  ·  H = I · t

3. Calcolo

4. Risultato. Un calo di 12 punti percentuali nella trasmissione riduce l'energia disponibile nel piano di giunzione di circa il 29 %.

5. Interpretazione tecnica. Sulla carta, la perdita potrebbe essere compensata aumentando la potenza in uscita a circa 56 W o riducendo la velocità di avanzamento a circa 71 mm/s. Le due strade non sono tuttavia equivalenti: una potenza più elevata aumenta la temperatura di picco nell'assorbitore e con essa il rischio di danno termico e degassamento; una velocità di avanzamento inferiore allunga il tempo di conduzione termica e amplia la zona termicamente alterata. Anche la compensazione non è esattamente lineare, poiché lo spessore dello strato fuso dipende anch'esso dalla conduzione termica. Piuttosto che un aumento generalizzato dei parametri, una prova di trasmissione a risoluzione spaziale è la strada migliore – consente sia un controllo della potenza in funzione della posizione, sia lo scarto del pezzo prima della giunzione.

Il seguente calcolatore consente di valutare le proprie letture: prende la potenza prima e dopo il campione e restituisce trasmissione, perdita, attenuazione in decibel e densità ottica. A T₁ = 42 % ciò corrisponde a circa 3,8 dB – la diminuzione al 30 % corrisponde a 5,2 dB, quindi ben 1,4 dB di attenuazione in più nel percorso del fascio. La conversione si applica per lunghezza d'onda; le potenze misurate includono le perdite di Fresnel su entrambe le interfacce.

Automotive ed e-mobility. Alloggiamenti di sensori, coperture ECU, vasi di espansione e collettori per fluidi sono uniti prevalentemente da poliammidi rinforzati con fibra di vetro e PBT. Ciò che conta qui è la variazione di lotto e posizionale del contenuto di fibra, poiché la stessa parametrizzazione del sistema deve funzionare per mesi attraverso lotti di materiale variabili. La grandezza di processo critica è il profilo di trasmissione lungo il cordone di saldatura circonferenziale, non il valore medio.

Tecnologia medicale e diagnostica in vitro. Le cartucce microfluidiche contengono canali larghi poche centinaia di micrometri. Una zona di fusione troppo larga restringe o blocca il canale. Poiché il cordone non può essere valutato completamente in modo non distruttivo dopo l'unione, il controllo qualità si sposta sul rilascio del materiale. Ciò che conta è la risoluzione spaziale della misura e la riferibilità metrologica della catena di misura.

Elettronica e sensori. Per gli alloggiamenti a chiusura ermetica, la qualità del cordone determina il grado di protezione contro la penetrazione e con esso la resistenza all'umidità e ai fluidi – la riproducibilità dell'apporto energetico lungo l'intero contorno è critica anche nella produzione di elettronica e semiconduttori, in particolare agli angoli, dove il tempo di interazione varia con la decelerazione del percorso.

Ottica e fotonica. Per guide di luce, portalenti e coperture in PC o PMMA, si applica un doppio requisito: alta trasmissione NIR per il processo di unione e trasmissione definita nell'intervallo spettrale previsto – lo stesso doppio requisito riscontrato nei componenti ottici di precisione. Entrambe le grandezze devono essere testate separatamente, poiché riguardano intervalli di lunghezza d'onda diversi.

Imballaggio e beni di consumo. Nell'unione di film sottili e semilavorati, la dipendenza dallo spessore domina: per laminati di film PA6/PP, la velocità di saldatura raggiungibile diminuisce marcatamente all'aumentare dello spessore del film, poiché più materiale deve fondere e la bassa conducibilità termica dei termoplastici limita il tempo di processo.

Ricerca e sviluppo di materiali. Nello sviluppo di composti trasparenti al laser, la trasmissione risolta spettralmente da 600 a 2000 nm è la grandezza di valutazione centrale, poiché mostra se una modifica di formulazione ha alterato l'assorbimento o la diffusione.

Due parti di giunzione trasparenti. La saldatura senza assorbitore a lunghezze d'onda comprese tra circa 1500 e 2000 nm sfrutta l'assorbimento proprio del polimero. L'energia viene quindi depositata non all'interfaccia ma attraverso un volume; la posizione del fuoco determina la posizione della zona fusa. La verifica della trasmissione deve essere qui eseguita alla lunghezza d'onda di processo effettiva, poiché le proprietà ottiche differiscono fondamentalmente da quelle a 980 nm. In alternativa, si utilizzano assorbitori NIR trasparenti nel campo del visibile come sottile strato intermedio nella fessura di giunzione.

Parti visivamente nere, trasparenti. Sistemi coloranti senza nero di carbonio consentono parti visivamente nero profondo con elevata trasmissione NIR. Il rilascio di tali composti è possibile solo tramite una misura della trasmissione NIR; una valutazione visiva è sistematicamente ingannevole.

Materiali fortemente diffondenti. Per POM, PBT e composti altamente caricati, lo spessore della parte trasparente è nella pratica limitato a uno o due millimetri. Strategie di irraggiamento adattate – come la conformazione del fascio a un profilo di intensità flat-top o a doppio picco, oppure passaggi multipli – compensano in parte l'ampliamento dovuto alla diffusione.

Grandi variazioni dello spessore della parete. Per parti con uno spessore della parete variabile lungo la cucitura, conviene un controllo della potenza dipendente dalla posizione. Esso si basa su un profilo di trasmissione misurato in precedenza e inserito nel controllore del percorso.

Quale grandezza? Ciò che serve è la trasmittanza del partner di giunzione trasparente al laser alla lunghezza d'onda di processo, indicata insieme allo spessore del pezzo nel punto di misura. Per lo sviluppo dei materiali e l'analisi dei guasti è inoltre necessaria una trasmissione risolta spettralmente; per il collaudo di serie una misura a lunghezza d'onda singola è generalmente sufficiente – le grandezze sottostanti sono riassunte nella panoramica delle grandezze radiometriche.

Dove misurare? Sul pezzo, nella geometria di giunzione e lungo il contorno di saldatura previsto. Una griglia di misura lungo la cucitura rivela accumuli di fibre, linee di saldatura e transizioni di spessore parete che un singolo punto di misura non individuerebbe.

Quali incertezze di misura contano?

• Deriva della sorgente luminosa per invecchiamento e temperatura – limitabile con una configurazione a doppio fascio e un fotodiodo di riferimento interno
• Luce ambientale nell'ambiente di produzione – riducibile mediante sorgenti modulate e rilevazione sincrona
• Incertezza di posizionamento del campione – spesso il contributo dominante per pezzi diffondenti, controllabile solo con un dispositivo di fissaggio specifico per il pezzo e ripetibile
• Definizione dell'apertura e della distanza del rilevatore – determina quale frazione diffusa viene captata
• Riferibilità metrologica della lettura – tramite bersagli di riferimento a trasmittanza nota e taratura in un laboratorio accreditato secondo ISO/IEC 17025

Quando basta una misura a banda larga o a lunghezza d'onda singola? Per composti già validati con un profilo spettrale noto, la misura alla lunghezza d'onda di processo è sufficiente, poiché occorre rilevare solo le deviazioni rispetto a uno stato conosciuto.

Quando è richiesta una misura spettrale? In caso di cambio di materiale o formulazione, cambi di colorante, analisi dei reclami e processi senza assorbitore. Solo uno spettro mostra se una variazione di trasmissione deriva da bande di assorbimento aggiuntive o da una diffusione alterata – la prima può essere evitata scegliendo una lunghezza d'onda diversa, la seconda no.

Quando sono necessarie misure risolte spazialmente o nel tempo? Risolte spazialmente per qualsiasi pezzo con distribuzione irregolare delle fibre o spessore parete variabile, e per larghezze di cucitura inferiori a circa un millimetro. Risolte nel tempo per processi con retroazione termica, in cui le proprietà ottiche cambiano durante la saldatura.

Nella produzione di serie, il collaudo della trasmissione è sempre più spesso non una fase di laboratorio ma una fase di produzione a monte della giunzione.

Ispezione del pezzo a monte. Un sistema di misura segue il contorno di saldatura – definito manualmente o ricavato da dati CAD – e produce un profilo di trasmissione. Il significato tecnico non risiede nel trasferimento dei dati, ma nel fatto che un pezzo può essere scartato prima della fase di giunzione irreversibile. Ciò evita di incollare insieme due pezzi quando uno di essi non è saldabile.

Controllo adattivo della potenza. Se il profilo di trasmissione viene trasmesso al controllore di sistema, la potenza laser può essere regolata posizione per posizione in modo che l'energia lineare al piano di giunzione rimanga costante, invece della potenza di uscita impostata. Ciò sposta la variabile di controllo da un parametro di sistema alla grandezza fisicamente efficace.

Monitoraggio in processo. La pirometria e la termografia catturano la temperatura superficiale durante la saldatura. Per processi senza assorbitore con radiazione a lunghezza d'onda maggiore, ciò è limitato, poiché la radiazione di processo si sovrappone spettralmente alla radiazione termica misurata. La misura del percorso di giunzione nella saldatura quasi simultanea fornisce invece una misura meccanica diretta del volume fuso.

Retroazione dei dati e riferibilità. Il collegamento tra identificazione del pezzo, profilo di trasmissione e parametri di saldatura consente il controllo statistico del processo tra i lotti e rivela la deriva del materiale prima che produca scarti. Per i settori regolamentati, ciò fa anche parte della validazione di processo richiesta.

Solo dopo aver definito questi punti segue la scelta dello strumento: fotometri di processo a pinza per il collaudo a lunghezza d'onda singola in linea di produzione di aree piane del pezzo, spettrofotometri con sfera integratrice per la determinazione della trasmissione direzionale e diffusa su campioni di materiale, e taratura accreditata per garantire la riferibilità di tutta la catena di misura.

La diffusione come meccanismo di perdita dominante nei termoplastici caricati. Questo studio ha esaminato come lo spessore del pezzo, il contenuto di fibre di vetro e la cristallinità modifichino la diffusione della luce durante la saldatura laser per trasmissione. Separa sperimentalmente le frazioni di assorbimento e diffusione e dimostra che la perdita di trasmissione nelle poliammidi rinforzate è dovuta prevalentemente alla diffusione piuttosto che all'assorbimento – un risultato che spiega perché aumentare semplicemente la potenza non ripristini la qualità del cordone. Xu, Parkinson, Bates, Zak (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131

Strategie di irraggiamento per materiali fortemente diffondenti. Questo studio ha esaminato strategie di irraggiamento adattate per polimeri con elevata diffusione volumetrica. Dimostra che la finestra di processo può essere ampliata adattando la distribuzione dell'intensità, una volta note in anticipo le proprietà di diffusione del partner trasparente. Frick, Schkutow (2018), Procedia CIRP 74, 538–543

Una rassegna sistematica delle varianti di irraggiamento. Questa rassegna classifica la saldatura per contorno, quasi-simultanea, simultanea e a maschera, insieme a strategie più recenti, in base alle loro caratteristiche energetiche e termiche, e definisce quali condizioni di materiale e geometria favoriscano quale variante. Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737

Una panoramica su materiali e processi con parametri ottici. Questa panoramica riassume sorgenti di fascio, materiali, varianti di processo e caratteristiche di qualità, e include dati comparativi sulla profondità di penetrazione per vari termoplastici a 940 nm, 1064 nm e 1550 nm – una base utile per la scelta della lunghezza d'onda. Gonçalves, Duarte, Martins, Paiva (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931

Modellazione del campo di temperatura e della diffusione. Questa rassegna valuta i modelli numerici per il campo di temperatura, il campo di sollecitazione, il flusso del fuso e la degradazione termica, e mostra che i modelli che trascurano la diffusione della luce sovrastimano sistematicamente l'intensità di picco e sottostimano la larghezza del cordone. Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125

1. DVS 2243 (2014): Saldatura laser di materie plastiche (solo in tedesco). DVS Media, Düsseldorf – la norma di processo che copre attrezzature, tecnologia di processo e garanzia della qualità.
2. DVS 2243 Supplemento 1 (2007): Determinazione della trasmittanza del partner di giunzione trasparente al laser nella saldatura laser a trasmissione di materie plastiche (solo in tedesco). DVS Media, Düsseldorf – definisce i principi di misura della misurazione della potenza, della misurazione fotometrica e spettrale, e delle grandezze R, T e A.
3. DIN EN ISO 13468-1/-2: Materie plastiche – Determinazione della trasmittanza luminosa totale dei materiali trasparenti. Base normativa per le misurazioni di trasmissione nello spettro visibile; solo parzialmente trasferibile alle lunghezze d'onda di processo NIR.
4. DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03: Requisiti generali per la competenza dei laboratori di prova e di taratura. La base per la riferibilità metrologica delle letture di trasmissione e degli standard di riferimento.
5. Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737, e Xu et al. (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131 – approfondimenti sottoposti a revisione paritaria su strategie di irraggiamento e diffusione.
6. Gonçalves et al. (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931, e Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125 – rassegna e lavori di modellazione su materiali, scelta della lunghezza d'onda e modelli di diffusione.

I dati di mercato nella sezione sullo sviluppo della tecnologia laser si basano su studi di mercato commerciali sulla saldatura laser delle materie plastiche, riferiti al 2025 con un orizzonte previsionale fino al 2032; servono come ordine di grandezza, non come valore esatto.

Come si misura la trasmittanza nella saldatura laser per trasparenza?
Si misura il rapporto tra la potenza radiante che attraversa il pezzo e la potenza incidente, alla lunghezza d'onda di processo. I metodi consueti sono la misura di potenza, la misura fotometrica a singola lunghezza d'onda e la misura spettrale. Il valore rilevato è valido solo per lo specifico spessore del pezzo, la geometria di misura e l'apertura del rivelatore utilizzati, e non è confrontabile se questi non vengono indicati.

Quale lunghezza d'onda è corretta per la misura della trasmissione?
Ciò che conta è la lunghezza d'onda del processo successivo. Per i processi con laser a diodi, 980 nm si è affermata come riferimento perché rientra nell'intervallo industrialmente dominante da 800 a 1100 nm. Per i processi senza assorbitore da 1500 a 2000 nm, una misura a 980 nm non è significativa, poiché in quel campo intervengono meccanismi di assorbimento diversi.

Quale trasmittanza è necessaria?
Non esiste una soglia universale, poiché la trasmittanza richiesta dipende dalla potenza del laser, dalla velocità di avanzamento, dalle dimensioni dello spot e dalle proprietà dell'assorbitore. Nella pratica si puntano spesso a valori superiori al 20–30 %. È più significativo derivare il requisito dall'energia lineare necessaria sul piano di giunzione piuttosto che da un valore generico.

Perché il laser non salda nonostante la potenza sia sufficiente?
Nella maggior parte dei casi, una frazione troppo piccola della radiazione raggiunge il piano di giunzione. Le cause comprendono la diffusione da parte di cristalliti, fibre di vetro o pigmenti, uno spessore di parete irraggiato troppo elevato, le riflessioni di Fresnel alle interfacce oppure un gioco nel giunto che interrompe la conduzione del calore verso il partner trasparente. La potenza d'uscita impostata non dice nulla al riguardo.

Qual è la differenza tra trasmissione direzionale e trasmissione diffusa?
La trasmissione direzionale rileva solo la frazione pressoché non deviata; la trasmissione totale comprende inoltre la frazione diffusa, misurata con una sfera integratrice. Per i materiali diffondenti i due valori divergono notevolmente. La trasmissione totale descrive il bilancio energetico; la misura limitata dall'apertura descrive l'intensità efficace all'interno della sezione del cordone.

Come influiscono le fibre di vetro sulla trasparenza al laser?
Le fibre di vetro riducono la trasmissione principalmente per diffusione. Nel PA6 rinforzato con fibre di vetro corte, l'energia laser trasmessa scende da circa il 70 % a circa il 20 % con l'aumentare del contenuto di fibre fino al 63 wt.-%. L'orientamento locale delle fibre aggiunge un ulteriore effetto, motivo per cui si verificano differenze di trasmissione all'interno di uno stesso pezzo stampato a iniezione.

Perché un valore di scheda tecnica non sostituisce una misura sul pezzo?
Le schede tecniche riportano valori riferiti a piastrine standard di spessore definito. Nel pezzo reale, la posizione del punto di iniezione, il percorso di flusso, le linee di giunzione, la temperatura dello stampo e le variazioni di spessore di parete modificano la cristallinità e la distribuzione delle fibre. Il risultato sono differenze di trasmissione all'interno di uno stesso pezzo, che solo una misura risolta spazialmente lungo il contorno di saldatura è in grado di evidenziare.

Quando è necessaria una misura spettrale della trasmissione?
In caso di cambi di materiale o di formulazione, cambi di coloranti, analisi dei reclami e per i processi senza assorbitore. Solo uno spettro mostra se una variazione della trasmissione derivi da un assorbimento aggiuntivo o da una diffusione modificata. L'assorbimento può essere evitato scegliendo una diversa lunghezza d'onda; la diffusione può essere affrontata solo attraverso la formulazione, la lavorazione o lo spessore del pezzo.

La questione di quanta radiazione un materiale trasmette si pone anche nell'ambito adiacente: ottica e componenti di precisione riguarda la trasmissione e la diffusione su superfici ottiche, nell'industria automobilistica le parti in plastica vengono unite con gli stessi processi, e la produzione additiva contribuisce con una classe di materiali la cui diffusione dipende dalla direzione di costruzione. I processi di giunzione affini e le classi di componenti sono trattati in incollaggio UV, colatura e incapsulamento ed elettronica e semiconduttori. Il quadro completo si trova nella panoramica delle applicazioni UV.

La trasmittanza del componente da giuntare trasparente al laser può essere misurata alla lunghezza d'onda di processo rilevante, nella geometria reale del pezzo e lungo il profilo di saldatura previsto. Strumenti adatti a questo scopo sono il fotometro di processo ZPM per la misurazione a una lunghezza d'onda fissa e lo spettrofotometro Cary 60 per la trasmissione risolta spettralmente; per la progettazione della catena di misura – dalla scelta della lunghezza d'onda alla geometria di misura fino alla taratura riferibile – è disponibile il laboratorio applicativo. Contattateci.