GAP BRIDGING USING CHEMICAL BLOWING AGENTS IN CONTOUR LASER TRANSMISSION WELDING OF THERMOPLASTICS

Abstract

Laser transmission welding (LTW) is an innovative technique for joining thermoplastics. The laser energy is transmitted through an upper transparent part and is then absorbed by the lower absorbent part. The absorbing pigments such as carbon black convert the laser energy into heat which melts the plastic and creates the weld. Among several laser delivery methods, Contour LTW is especially suitable for bigger geometries. However, meltdown, which permits the bridging of small interfacial gaps, doesn’t normally occur with Contour LTW. This project explores the novel idea of gap bridging using chemical blowing agents in Contour LTW. Chemical blowing agents (CBA) are normally used to make thermoplastic foams. The idea of this project was to incorporate this CBA into the absorbent parts during injection moulding while keeping it undecomposed. During welding, the temperature will rise more where interfacial gaps are present and thus activate the CBA which then releases gas and generates foam. This foam takes part in gap bridging. For this project, Dow LDPE 959S was selected as the base polymer resin. Four different types of CBA were examined. TRACEL® IM 2240 ST was found to be the most suitable among them based on thermal gravimetric analysis (TGA). Injection moulded parts were made with and without CBA while maintaining the same carbon black level in the absorbent part. Welding experiments were carried out on samples with and without CBA. It was found that the presence of CBA lowers the minimum power required to create a weld for a given gap size. The strength of specimens containing CBA was however lower than those without CBA. To model the conversion of CBA, first the chemical kinetics of CBA degradation was measured using TGA.. A 2D finite-element method model was then used to find the temperature of different points near the weld seam as a function of time. A Matlab® code was subsequently developed to calculate the theoretical percentage of conversion of CBA at different locations along the geometry. The output from the CBA conversion model helped to explain the experimental findings and suggest possible measures to achieve better gap bridging result using the method described in the study.

La soudure par transmission laser (LTW, venant du nom anglais « Laser Transmission Welding ») est une technique innovatrice permettant de souder des thermoplastiques. L’énergie du laser est transmise à travers une partie supérieure transparente et est ensuite absorbée par une partie inférieure absorbante. Les pigments absorbants tels que le noir de carbone convertissent l’énergie du laser en chaleur qui fond le plastique et crée ainsi la soudure. Parmi plusieurs méthodes d’émission de laser, Contour LTW est surtout adapté pour de plus grandes géométries. Par contre, la fusion, permettant la pontage de petites lacunes inter-faciales, ne se produit pas d’habitude avec Contour LTW. Ce projet explore l’idée de pontage des lacunes en employant des agents chimiques gonflants dans Contour LTW. Des agents chimiques gonflants (CBA, venant de l’anglais « Chemical Blowing Agents ») sont d’habitude utilisés pour créer des mousses en thermoplastique. L’idée de ce projet est d’incorporer ces CBA dans les parties absorbantes durant le moulage par injection à l’aide d’une injection sans décomposition. Durant le soudage, la température augmentera plus là où les lacunes inter-faciales sont présentes et donc activera les CBA, qui ensuite relâcheront du gaz et produiront de la mousse. Cette mousse participe dans le pontage des lacunes. Pour ce projet, Dow LDPE 959S est sélectionné en tant que la base polymère en résine. Quatre différents types de CBA ont été examinés. TRACEL® IM 2240 ST est celui qui convient le mieux parmi eux en se basant sur l’analyse thermale gravimétrique (TGA, venant de l’anglais « Thermal Gravimetric Analysis »). Les parties moulées par injection ont été créées avec et sans CBA en gardant le même niveau de noir de carbone dans la partie absorbante. Des expériences ont été menées sur les échantillons avec et sans CBA. Il a été découvert que la présence de CBA diminue la puissance minimale requise pour créer la soudure pour une grandeur de lacune donnée. La force des spécimens contenant du CBA est par contre inférieure à ceux sans CBA. Pour montrer la conversion du CBA, les cinétiques chimiques sont tout d’abord mesurées en utilisant la TGA. Un modèle utilisant la méthode d’éléments-clos 2D a ensuite été utilisé pour trouver les températures des différents points près de la soudure en fonction de temps. Un code Matlab® a ensuite été développé pour calculer le pourcentage théorique de la conversion de CBA en différents lieux de la géométrie. Le résultat du modèle de la conversion du CBA aide à expliquer les conclusions expérimentales et suggère des mesures possibles pour acquérir de meilleurs pontages de lacunes en utilisant la méthode décrite dans l’étude.