Ultraäänimuovikokoonpanotekniikkaa käytetään laajasti kestomuovien kytkemisessä. Sen tuottamat nivelet eivät ole vain vahvoja ja kestäviä, vaan myös kauniita. Tämä tekniikka kattaa neljä pääluokkaa, joista ultraäänihitsaus on tutkimuksen painopiste. Ultraäänihitsaus käyttää korkeataajuista ultraäänienergiaa (15-50 kHz) matalan amplitudin (1-100 μm) mekaanisten värähtelyjen tuottamiseksi. Tämä tärinä vaikuttaa komponenttien niveliin, sulaa kestomuovisen materiaalin kitkan lämmöntuotannon kautta ja sitten hitsauksen muodostaen. Sen hitsausnopeus on erittäin nopea, yleensä 0,1 sekuntia 1,0 sekuntia.
Ultraäänihitsausprosessin aikana sinimuotoisia seisovia aaltoja syntyy kestomuovina. Molekyylien välisen kitkan vuoksi osa energiasta muunnetaan lämpöenergiaksi, mikä lisää materiaalin lämpötilaa. Toinen osa energiasta keskittyy ja siirretään niveliin, jota edelleen paikallisesti lämmitetään rajakitkalla. Siksi osan geometria ja materiaalin geometria ja materiaalin absorptioominaisuudet vaikuttavat yhdessä ultraäänenergian ja materiaalin sulamiskäyttäytymiseen.
Kun värähtelylähde on lähellä hitsausliitosta, materiaalilla on vähemmän energian imeytymishäviötä. Jos etäisyys värähtelylähteestä niveliin on alle 6,4 mm, prosessia kutsutaan lähikenttähitsaukseksi, joka soveltuu kiteisiin materiaaleihin, joilla on korkea energian imeytyminen ja pienen jäykkyysmateriaalit. Jos etäisyys on suurempi kuin 6,4 mm, sitä kutsutaan kaukakenttähitsaukseksi, mikä soveltuu amorfisiin materiaaleihin, joilla on vähän energian imeytymistä ja suuria jäykkyysmateriaaleja.
Nivelpinnan "epätasaisten" ominaisuuksien vuoksi korkea lämpötila ja korkea kitka on helppo tuottaa, mikä edistää ultraäänienergian kertymistä. Monissa ultraäänihitsaussovelluksissa yläosan pinnalle on suunniteltu kolmionmuotoinen ulkonema, jota kutsutaan energiaoppaan kylkiluun, joka ohjaa värähtelyenergiaa keskittymään niveliin.
Ultraäänihitsausprosessin aikana värähtelyenergia toimii pystysuoraan nivelpinnalla ja energiaoppaan kärki koskettaa hitsatun osan paineen alla. Kitkalämmöntuotannon vuoksi kärjessä syntyy suuri määrä lämpöä, mikä aiheuttaa energiaoppaan alkamisen sulamisen. Koko hitsausprosessi voidaan jakaa neljään vaiheeseen. Ensinnäkin energiaoppaan yläosa alkaa sulaa, ja sulamisnopeus kasvaa vähitellen. Kun liiton molemmilla puolilla oleva rako vähenee, sulan energiaoppaan kylkiluu leviää kokonaan ja koskettaa alla olevaa osaa, ja sulamisnopeus laskee tällä hetkellä. Toiseksi ylä- ja alaosat ovat pintakosketuksissa, ja sulamisalue laajenee edelleen. Sitten se siirtyy vakaan tilan sulamisvaiheeseen, jolloin muodostuu tietyn paksuuden sula kerros, johon liittyy vakaa lämpötilakenttä. Kun esiasetettu hitsausenergia, aika tai muut ohjausolosuhteet saavutetaan, ultraääni tärinä pysähtyy. Lopuksi paine ylläpidetään, ylimääräinen sula puristetaan hitsauksesta ja osat kytketään molekyylisidoksilla ja jäähdytetään vähitellen.
Ultraäänihitsauksen edut ja haitat
Teollisuusalalla laajasti käytettynä muovinen liitostekniikka ultraäänihitsaus erottuu sen nopeasta, taloudellisesta, helposta automaatio -integroinnista ja soveltuvuudesta massatuotantoon. Sen hitsausvakaus on erinomainen, lujuus on myös korkea ja hitsausaika on lyhyempi kuin muut prosessit. Lisäksi tämä tekniikka ei vaadi monimutkaista ilmanvaihtojärjestelmää savun tai jäähdytysjärjestelmän poistamiseksi ylimääräisen lämmön poistamiseksi, jolla on korkea energian hyödyntäminen, korkeampi tuotantotehokkuus ja alhaisemmat kustannukset. Muotin suunnittelu on suhteellisen yksinkertainen ja muotinmuutoksen nopeus on nopea, mikä parantaa laitteiden käyttöastetta ja monipuolisuutta. On syytä mainita, että koska hitsaukseen ei ole tuotu muita apuhitsausmateriaaleja, hitsaus pysyy puhtaana ja epäpuhtauksia vapaa, ei vaikuta laitteiden biologiseen yhteensopivuuteen ja on erittäin sopiva käytettäväksi terveydenhuoltoteollisuudessa, jolla on suuremmat puhtauden vaatimukset.
Ultraäänihitsaus on kuitenkin myös joitain rajoituksia. Tuotteille, joiden koko on yli 250 mmx300 mm, hitsauspään suunnittelusta tulee vaikeaa, ja usein on tarpeen käyttää useita hitsauspäätä synkroniseen hitsaukseen tai yhden hitsauspäätä varten useita hitsauksia varten. Lisäksi ultraäänihitsauksen tulokset liittyvät läheisesti tekijöihin, kuten hitsausrakenteen suunnittelu, injektiovalettu osa mittavirhe ja muodonmuutos. Samanaikaisesti ultraääni tärinä voi aiheuttaa vahinkoa herkille elektronisille komponenteille, vaikka tällaisia riskejä voidaan vähentää lisäämällä taajuutta ja vähentämällä amplitudia.
Sovelluskentät
Ultraäänihitsausta käytetään laajasti monilla toimialoilla. Esimerkiksi autoteollisuudessa sitä käytetään komponenttien, kuten ajovalojen, kojetaulujen, painikkeiden ja kytkimien, kytkemiseen; Elektroniikka- ja sähköteollisuudessa tätä tekniikkaa käytetään usein myös komponenttien, kuten kytkimien, anturien ja toimilaitteiden, yhdistämiseen; Lisäksi ultraäänihitsaus on välttämätöntä myös tuotteiden, kuten suodattimien, kateterien, lääketieteellisten vaatteiden ja naamioiden valmistusprosessissa. Samaan aikaan tuotteiden, kuten rakkulakäkkien, laukkujen, säilytysastioiden ja pakkausteollisuuden suuttimien, tuotanto hyötyy myös ultraäänihitsauksen tehokkuudesta ja mukavuudesta.
Kahvikuppi on valmistettu PS-materiaalista, ja sen hitsausmalli yhdistää taitavasti uran ja energiaa ohjattava kylkilu, joka ei vain varmistaa yhteyden stabiilisuuden, vaan myös parantaa tuotannon tehokkuutta.
Elektroninen kytkin on valmistettu ABS -muovista ja puhdistetaan ultraääni -niittaamalla.
Heijastin on valmistettu ABS: n ja PC: n sekoitettuun materiaaliin, ja se yhdistää askeleiden ja energiaa ohjaavien kylkiluiden hitsausprosessin ainutlaatuisen rakennesuunnittelun luomiseksi.
Elektroninen lamppu käyttää ABS: n ja PMMA: n komposiittimateriaalia yhdistettynä hienon hitsausprosessin ja energiaa ohjaavien kylkiluiden kanssa, joissa esitetään ainutlaatuinen muotoilutyyli.
Sähköliitin yhdistää ABS: n ja metallin kiinteät materiaalit ja varmistaa sen yhteyden stabiilisuuden ja kestävyyden tarkan ultraäänin niittaamisen kautta.
Lääketieteellinen pullo on valmistettu PC-materiaalista, ja se käyttää taitavasti lentokoneen ja energiaa ohjattavien kylkiluiden fuusiosuunnitelmaa.
Polttoainesuodatinpullo on valmistettu nylon 6-6: sta, ja sen suunnittelu yhdistää taitavasti leikkaussaumien ja hitsien kaksoisprosessit.
Suodatinkalvon kokoonpano ja ääntä imevä puuvilla käyttää 30% lasikuitua, joka on seostettu 30% lasikuitua, ja se kootaan hienosti lävistyshitsausprosessin kautta.
Sähkölaatikko käyttää PS- ja kuparimutterien komposiittimateriaalia, ja se valmistetaan hienosti ultraääni -upotustekniikan avulla.
Roottori käyttää PS-materiaalia ja yhdistää tason ja energiaa johtavien kylkiluun hitsausten taitavan suunnittelun.
Polymeerirakenne
Amorfisten muovien molekyylirakenne on satunnaisesti jakautunut ja puuttuu kiinteä järjestelyn suunta. Sen ominaispiirre on, että se pehmenee vähitellen lämpötila -alueella. Kun tämäntyyppinen materiaali saavuttaa lasinsiirtolämpötilan, se pehmenee vähitellen ja lopulta tulee nesteen sulaan tilaan. Materiaalin prosessi nesteestä kiinteytymiseen on asteittainen. Amorfiset muovit voivat tehokkaasti välittää ultraäänivärähdyksiä, ja niiden laajan pehmenemislämpötila -alueen vuoksi niitä on helpompi hitsata ja saavuttaa tiivistyksen.
Toisaalta puolikiteisen muovien molekyylirakenne on järjestetty. Korkea lämpö on avain järjestetyn järjestelyn hajottamiseen. Näillä muoveilla on terävät sulamispisteet, ja kun lämpötila laskee hieman, nestemäinen tila kiinteytyy nopeasti. Siksi kuumasta sulamisalueelta virtaava sula jähmeni nopeasti. Kun kiinteä aine, puolikiteisten materiaalien molekyylikäyttäytyminen on kuin jousi, joka absorboi suurimman osan ultraäänivirrurista sen sijaan, että ne siirtäisivät nivelalueelle. Siksi puolikiteisen muovien osalta tarvitaan korkean amplitudin lähtöhitsauspäätä riittävän lämmön tuottamiseksi.
TG Glass -siirtymän lämpötila ja TM -sulamislämpötila
Keskustellessamme polymeerirakenteesta mainitsimme kaksi tärkeää lämpötilakonseptia: TG -lasinsiirtymän lämpötila ja TM -sulamislämpötila. TG on lämpötila, jossa materiaali muuttuu lasimaisesta tilasta erittäin elastiseen tilaan, jolloin materiaali alkaa vähitellen pehmentyä. TM on lämpötila, joka tarvitaan materiaalin sulamiseksi kokonaan nesteeksi. Nämä kaksi lämpötilaominaisuutta ovat ratkaisevan tärkeitä polymeerimateriaalien prosessoinnin ja suorituskyvyn ymmärtämiseksi.
Yllä olevan kuvan vasemmalla puolella on amorfinen muovi, kun taas oikealla puolella on puolikiteinen muovi. Termoplastit, täyteaineet, kuten lasikuitu, talkki ja mineraalit, voivat parantaa tai estää ultraäänihitsauksen vaikutusta. Tietyt materiaalit, kuten kalsiumkarbonaatti, kaoliini, talkki, alumiinioksidi, samoin kuin orgaaniset kuidut, piidioksidi, lasipallo, kalsiummetasilikaatti (wollastoniitti) ja kiille, voivat lisätä hartsin kovuutta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kun täyteainepitoisuus saavuttaa 20%, se voi tehokkaasti parantaa materiaalin ultraäänien värähtelyjen siirtotehokkuutta, etenkin puolikiteisen materiaalin kohdalla. Kuitenkin, kun täyteainepitoisuus ylittää 35%, tiivisteen luotettavuus voi vaikuttaa hitsauksen riittämättömän hartsipitoisuuden vuoksi. Kun täyteainepitoisuus saavuttaa 40%, lasikuidut kokoontuvat yhteiseen asentoon, mikä johtaa hitsaukseen riittämätön hartsipitoisuuteen, mikä puolestaan vaikuttaa hitsin lujuuteen. Lisäksi injektiomuovausprosessin aikana pitkät lasikuidut yleensä kerääntyvät energiaa ohjaamaan kylkiluihin. Tehokas ratkaisu on käyttää lyhyitä lasikuituja pitkien lasikuitujen sijasta.
Lisäksi, kun täyteainepitoisuus ylittää 10%, materiaalin hankaavat hiukkaset voivat aiheuttaa hitsauspään kulumisen. Siksi on suositeltavaa käyttää karbiditeräshitsauspäätä tai titaaniseoshitsauspäätä, joka on peitetty volframiekarbidipinnoitteella. Samanaikaisesti voi olla tarpeen valita korkeampi tehon ultraäänilaite sen varmistamiseksi, että liitoksessa syntyy riittävä lämpö.
Toisaalta, vaikka lisäaineet voivat parantaa materiaalin yleistä suorituskykyä tai injektiomuovausominaisuuksia, niillä on usein estävä vaikutus ultraäänihitsaukseen. Tyypillisiä lisäaineita ovat voiteluaineet, pehmittimet, iskunmuokkaimet, liekinestoaineet, väriaineet, vaahtoavat aineet ja reground -hartsit. Esimerkiksi voiteluaineet, kuten vaha, sinkkistearaatti, steariinihappo ja rasvahappoesterit, vähentävät polymeerimolekyylien välistä kitkakerrointa vähentäen siten lämmöntuotantoa. Tämä vaikutus on kuitenkin yleensä pienempi nivelissä, koska voiteluainepitoisuus on alhainen ja tasaisesti hajaantunut. Toisaalta pehmittimet, kuten korkean lämpötilan orgaaniset nesteet tai matalan lämpötilan sulamisosat, lisäävät materiaalin pehmeyttä ja vähentävät jäykkyyttä, mutta ne vähentävät polymeerin sisäisten molekyylien välistä vetovoimaa ja häiritsevät värähtelyenergian siirtymistä. Erityisesti erittäin plastisoidut materiaalit, kuten vinyyli, ovat erittäin sopimattomia voimansiirtomateriaaleina ultraäänien värähtelyihin. Lisäksi muovin pinnalle ajan myötä muovin pinnalle vaikuttavat pehmittimet vaikuttavat edelleen ultraäänihitsauksen vaikutukseen. Samoin iskunmuutokset, kuten kumi, vähentävät myös materiaalin kykyä siirtää ultraäänivärähtelyjä, mikä vaatii suuremman amplitudin muovin sulattamiseksi.
Liekinestoaineet, epäorgaaniset oksidit tai halogenoidut orgaaniset elementit (kuten alumiini, antimoni, boori, kloori, bromi, rikki, typpi tai fosfori), joka on lisätty materiaaliin, voi tehokkaasti tukahduttaa materiaalin palopistettä tai muuttaa sen palautusominaisuuksia. Nämä ainesosat tekevät kuitenkin materiaalista usein toivottamattoman, varsinkin kun liekinestoaineen osuus on vähintään 50%, mikä vähentää merkittävästi hitsattavan materiaalin määrää. Tällaisten materiaalien osalta tarvitaan suuritehoisia ultraäänilaitteita ja hitsauspäätä, joissa on suuria amplitudeja, ja yhteistä mallia säädetään hitsattavan materiaalin osuuden lisäämiseksi.
Suurin osa väriaineista, mukaan lukien pigmentit ja väriaineet, eivät estä ultraäänien värähtelyjä. Ne voivat kuitenkin vähentää hitsattavan materiaalin määrää nivelalueella. Erityisesti, kun titaanidioksidin (TIO2) pitoisuus ylittää 5%, sen voiteluainevaikutus ilmenee, jolla on estävä vaikutus ultraäänihitsaukseen. Samanaikaisesti hiilimusta häiritsee ultraäänienergian etenemistä materiaalissa.
Vaahdotusaineet vähentävät materiaalin kykyä siirtää ultraääni värähtelyjä, koska niiden pieni tiheys ja suuri määrä huokosia molekyylirakenteessa estävät tehokkaan energiansiirron.
Kun jauhartsia (Regind) sekoitetaan materiaaliin, sen lisäys ja tilavuus on arvioitava huolellisesti ja ohjattava hitsausvaikutuksen optimoimiseksi. Joissakin tapauksissa Regindia ei välttämättä käytetä ollenkaan ja 100% neitsyt materiaalia vaaditaan.
Lisäksi, vaikka muotin vapauttamisaineet, kuten sinkkistearaatti, alumiini -stearaatti, fluorihiilivedet ja silikonit, voivat auttaa vapauttamaan injektiovalettuja osia, ne voivat siirtyä nivelpintaan ja vähentää materiaalin kitkakerrointa vähentäen siten lämmöntuotantoa ja estää ultraäänihitsausta. Samanaikaisesti muotin vapautumisaineet voivat myös aiheuttaa kemiallisen saastumisen hartsiin ja vaikuttaa asianmukaisten kemiallisten sidosten muodostumiseen. Erityisesti silikoneilla on merkittävin vaikutus. Siksi, kun käytetään muotin vapauttamisaineita, on tarpeen valita huolellisesti sopiva luokka ja ryhtyä toimenpiteisiin estääksesi sen siirtymisen osan pintaan.
Lisäksi materiaalien eri asteilla voi olla erilaiset sulamislämpötilat ja virtausindeksit, mikä voi myös vaikuttaa ultraäänihitsauksen vaikutukseen. Esimerkiksi PMMA: n valettuja asteita voi olla vaikeampaa hitsata kuin injektio-/suulakepuristusluokat niiden korkeamman molekyylipainon ja sulamislämpötilan vuoksi. Siksi parhaan hitsausvaikutuksen saamiseksi yritä valita saman luokan materiaalit hitsausta varten ja varmista, että kahden materiaalin virtausindeksi on samanlainen ja sulamislämpötilaero on 22 asteen sisällä.
Materiaalin kosteuspitoisuudella on merkittävä vaikutus hitsauslujuuteen. Hydroskooppiset materiaalit, kuten PBT, PC, PSU ja nylon, imevät helposti kosteuden ilmasta. Hitsausprosessin aikana tämä absorboitunut kosteus kiehuu korkeissa lämpötiloissa, ja tuotettu kaasu, jos hitsaukseen loukkuun jää, muodostuu huokoset ja hajottavat muovin, mikä vaikuttaa hitsauksen estetiikkaan, lujuuteen ja tiivistymiseen. Tämän välttämiseksi hydroskooppiset materiaalit on hitsata heti injektiomuovan jälkeen. Jos välitön hitsaus ei ole mahdollista, kuivatut osat tulisi varastoida kuivaan PE -pussiin tai laittaa uuniin 80 asteessa 3 tunnin ajan ennen hitsausta.
Lisäksi, kun hitsataan erityyppisiä materiaaleja, on kiinnitettävä erityistä huomiota kahden materiaalin sulamislämpötilaan ja molekyylirakenteeseen. Ihanteellinen hitsausolosuhde on, että kahden materiaalin sulamislämpötilaero ei ylitä 22 astetta ja molekyylirakenne on samanlainen. Jos sulamislämpötilaero on liian suuri, materiaali, jolla on alempi sulatuspiste, sulaa ja virtaa ensin, eikä se anna tarpeeksi lämpöä sulattaaksesi materiaalin korkeammalla sulamispisteellä. Esimerkiksi, kun hitsaamalla korkeaa sulamispistettä PMMA: ta matalalla sulamispisteellä PMMA: lla, jos energiajohdin sijaitsee korkean sulamispisteen PMMA: lla, matala sulamispisteen nivel sulaa ja virtaa ensin, aiheuttaen energiajohtimen pehmenemisen, mikä puolestaan vaikuttaa hitsauslujuuteen.
Lisäksi materiaalien yhteensopivuus on myös avaintekijä onnistuneelle hitsaukselle. Vain kemiallisesti yhteensopivat materiaalit, toisin sanoen materiaalit, joilla on samanlaiset molekyylirakenteet, voidaan hitsata. On syytä huomata, että materiaalien yhteensopivuus on pääasiassa amorfisten materiaalien, kuten ABS: n ja PMMA: n, PC: n ja PMMA: n ja PS: n, ja muokatun PPO: n välillä. Puolikiteisen muovin, kuten PP: n ja PE: n, vaikka niillä on samanlaiset fysikaaliset ominaisuudet, on kuitenkin erilaisia molekyylirakenteita, ja siksi niillä ei ole aineellista yhteensopivuutta eikä niitä voida hitsata.
