Tehnologija ultrazvučne plastične sastavljanja široko se koristi u povezivanju termoplastike. Zglobovi koje je proizveo nisu samo snažni i izdržljivi, već su i lijepi po izgledu. Ova tehnologija obuhvaća četiri glavne kategorije, među kojima je ultrazvučno zavarivanje fokus istraživanja. Ultrazvučno zavarivanje koristi visokofrekventnu ultrazvučnu energiju (15-50 kHz) za stvaranje mehaničkih vibracija male amplitude (1-100 μm). Ova vibracija djeluje na spojeve komponenti, topljenje termoplastičnog materijala kroz stvaranje topline trenja, a zatim formira zavarivanje. Njegova brzina zavarivanja izuzetno je brza, obično između 0,1 sekunde i 1,0 sekundi.
Tijekom procesa ultrazvučnog zavarivanja, u termoplastici se stvaraju sinusoidni stojeći valovi. Zbog intermolekularnog trenja, dio energije se pretvara u toplinsku energiju, što povećava temperaturu materijala. Drugi dio energije koncentrira se i prenosi na zglob, koji se dodatno lokalno zagrijava graničnim trenjem. Stoga, na prijenosnu stazu ultrazvučne energije i ponašanje taljenja materijala zajedno utječu geometrija dijela i ultrazvučne apsorpcijske karakteristike materijala.
Kad je izvor vibracije blizu spoja zavarivanja, materijal ima manje gubitka apsorpcije energije. Ako je udaljenost od izvora vibracije do spoja manja od 6,4 mm, postupak se naziva zavarivanje u blizini polja, što je pogodno za kristalne materijale s visokom apsorpcijom energije i materijala niske krutosti. Ako je udaljenost veća od 6,4 mm, naziva se zavarivanjem dalekog polja, što je pogodno za amorfne materijale s niskom apsorpcijom energije i materijala visoke krutosti.
Zbog "neujednačenih" karakteristika površine zgloba, lako je stvoriti visoku temperaturu i visoko trenje, što pogoduje nakupljanju ultrazvučne energije. U mnogim primjenama ultrazvučne zavarivanja na površini gornjeg dijela dizajnirana je trokutasta izbočina, nazvana Energetska rebra, koja vodi vibracijsku energiju da se koncentrira na zglobu.
Tijekom postupka ultrazvučnog zavarivanja, vibracijska energija djeluje vertikalno na površini zgloba, a vrh rebra za energetsku rebra kontaktira zavareni dio pod pritiskom. Zbog stvaranja topline trenja, na vrhu se stvara velika količina topline, što uzrokuje da se rebra za energetsku rebro počne rastopiti. Cijeli postupak zavarivanja može se podijeliti u četiri faze. Prvo, vrh rebra za energetske vodiče počinje se rastopiti, a brzina taljenja postupno se povećava. Kako se jaz s obje strane zgloba smanjuje, rebro od rastaljenog energetskog vodiča u potpunosti će se širiti i kontaktirati dio ispod, a brzina taljenja u ovom trenutku će se smanjiti. Drugo, gornji i donji dijelovi su u površinskom kontaktu, a područje taljenja se dodatno proširuje. Zatim ulazi u fazu taljenja u stabilnom stanju, u to vrijeme formira se rastopljeni sloj određene debljine, praćen stabilnim temperaturnim poljem. Kada se postigne unaprijed postavljena energija zavarivanja, vrijeme ili drugi kontrolni uvjeti, ultrazvučna vibracija će se zaustaviti. Konačno, održava se tlak, višak taline će se izvući iz zavara, a dijelovi su povezani molekularnim vezama i postupno se hlade.
Prednosti i nedostaci ultrazvučnog zavarivanja
Kao plastična tehnologija spajanja koja se široko koristi u industrijskom polju, ultrazvučno zavarivanje ističe se za svoju brzu, ekonomičnu, jednostavnu integraciju automatizacije i prikladnost za masovnu proizvodnju. Njegova stabilnost zavara je izvrsna, jačina je također velika, a vrijeme zavarivanja je kraće od ostalih procesa. Osim toga, ova tehnologija ne zahtijeva složen ventilacijski sustav za uklanjanje dima ili rashladnog sustava za uklanjanje viška topline, s velikom korištenjem energije, većom učinkovitošću proizvodnje i nižim troškovima. Dizajn kalupa je relativno jednostavan, a brzina promjene kalupa je brza, poboljšavajući stopu korištenja i svestranost opreme. Vrijedno je napomenuti da, budući da se u zavarivanje ne unosi drugi pomoćni materijal za zavarivanje, zavarivanje ostaje čist i bez nečistoća, ne utječe na biokompatibilnost opreme i vrlo je pogodan za upotrebu u zdravstvenoj industriji s većim potrebama za čistoćom.
Međutim, ultrazvučno zavarivanje također se suočava s nekim ograničenjima. Za proizvode veličine veće od 250 mmx300 mm, dizajn glave zavarivanja postaje težak, a često je potrebno koristiti više glava zavarivanja za sinkrono zavarivanje ili jednu glavu za zavarivanje za više zavarivanja. Pored toga, rezultati ultrazvučnog zavarivanja usko su povezani s čimbenicima kao što su dizajn strukture zavarivanja, dimenzionalna pogreška i deformacija oblikovana dijelom. Istodobno, ultrazvučne vibracije mogu uzrokovati oštećenje osjetljivih elektroničkih komponenti, iako se takvi rizici mogu smanjiti povećanjem frekvencije i smanjenjem amplitude.
Polja aplikacija
Ultrazvučno zavarivanje široko se koristi u mnogim industrijama. Na primjer, u automobilskoj industriji koristi se za povezivanje komponenti poput prednjih svjetala, nadzornih ploča, gumba i prekidača; U elektronici i električnoj industriji ova se tehnologija često koristi za povezivanje komponenti kao što su prekidači, senzori i pokretači; Pored toga, ultrazvučno zavarivanje je također neophodno u proizvodnom procesu proizvoda kao što su filtri, kateteri, medicinska odjeća i maske u medicinskom polju. Istodobno, proizvodnja proizvoda kao što su vreće s mjehurićima, torbe, spremnici i mlaznice u industriji pakiranja također imaju koristi od učinkovitosti i praktičnosti ultrazvučnog zavarivanja.
Šalica za kavu izrađena je od PS materijala, a njegov dizajn zavarivanja pametno kombinira utor i rebro koje vodi energiju, što ne samo da osigurava stabilnost veze, već i poboljšava učinkovitost proizvodnje.
Elektronski prekidač izrađen je od ABS plastike i rafiniran ultrazvučnim zakovanjima.
Reflektor je izrađen od miješanog materijala ABS-a i PC-a i kombinira postupak zavarivanja koraka i rebra za vođenje energije kako bi stvorio jedinstveni strukturni dizajn.
Elektronička svjetiljka koristi kompozitni materijal ABS i PMMA, u kombinaciji s izvrsnim postupkom zavarivanja ravnina i rebra za vođenje energije, predstavljajući jedinstveni stil dizajna.
Električni priključak kombinira čvrste materijale ABS -a i metala i osigurava stabilnost i izdržljivost njegove veze preciznim ultrazvučnim zakovanjima.
Medicinska boca izrađena je od računala s PC-om i pametno koristi fuzijski dizajn ravninskih i energetskih rebrastih zavara.
Boca filtera za gorivo izrađena je od najlona 6-6, a njegov dizajn pametno kombinira dvostruke procese smicanja šavova i zavara.
Sastavljanje filtrirane membrane i pamuka koji apsorbira zvuk koristi kompozitni materijal od najlona dopiran sa 30% staklenih vlakana, a fino se sastavlja postupkom prodornog zavarivanja.
Električna kutija koristi kompozitni materijal PS i bakrenih matica, a fino je izrađen putem ultrazvučne tehnologije inlay -a.
Rotor koristi PS materijal i kombinira pametan dizajn ravnine i zavarivanja rebra za provođenje energije.
Polimerna struktura
Molekularna struktura amorfne plastike nasumično je raspoređena i nema fiksni smjer rasporeda. Karakteristika je da se postupno omekšava s rasponom temperature. Kad ova vrsta materijala dosegne temperaturu stakla, ona se postupno omekšava i na kraju ulazi u tekuće rastopljeno stanje. Proces materijala od tekućine do učvršćivanja je postupno. Amorfna plastika može učinkovito prenijeti ultrazvučne vibracije, a zbog svog širokog raspona temperature omekšavanja, lakše su zavariti i postići brtvljenje.
S druge strane, uredno je uređena molekularna struktura polukristalne plastike. Visoka toplina ključna je za razbijanje urednog rasporeda. Ove plastike imaju oštre točke topljenja, a nakon što temperatura lagano padne, tekuće stanje će se brzo učvrstiti. Stoga će se talina koja prolazi iz područja vruće taline brzo učvrstiti. Kada je čvrsto, molekularno ponašanje polukristalnih materijala je poput opruge, apsorbirajući većinu ultrazvučnih vibracija, umjesto da ih prenese u područje zgloba. Stoga je za polukristalnu plastiku potrebna glava visokog amplituda za zavarivanje za zavarivanje za stvaranje dovoljno topline.
TG staklena temperatura prijelaza i temperatura topljenja TM
Kada smo raspravljali o polimernoj strukturi, spomenuli smo dva važna temperaturna koncepta: temperatura TG stakla i temperatura taljenja TM. TG je temperatura na kojoj se materijal mijenja iz staklenog stanja u visoko elastično stanje, u koje vrijeme materijal počinje postupno omekšati. TM je temperatura potrebna da se materijal potpuno rastopi u tekućini. Ove dvije temperaturne karakteristike ključne su za razumijevanje obrade i performansi polimernih materijala.
Lijeva strana slike iznad prikazuje amorfnu plastiku, dok desna strana prikazuje polukristalnu plastiku. U termoplastici, punila poput staklenih vlakana, talka i minerala mogu poboljšati ili inhibirati učinak ultrazvučnog zavarivanja. Određeni materijali, kao što su kalcijev karbonat, kaolin, talk, glinica, kao i organska vlakna, silika, staklene kuglice, kalcijev metasilikat (wollastonit) i sljub, mogu povećati tvrdoću smole. Studije su pokazale da kada sadržaj punila dosegne 20%, on može učinkovito poboljšati učinkovitost prijenosa ultrazvučnih vibracija u materijalu, posebno za polukristalne materijale. Međutim, kada sadržaj punila prelazi 35%, može utjecati na pouzdanost pečata zbog nedovoljnog sadržaja smole na zavarivanju. Kad sadržaj punila dosegne 40%, staklena vlakna će se okupiti na položaju zglobova, što rezultira nedovoljnim sadržajem smole na zavarivanju, što zauzvrat utječe na čvrstoću zavarivanja. Osim toga, tijekom postupka oblikovanja ubrizgavanja, duga staklena vlakna imaju tendenciju nakupljanja na rebrima za vođenje energije. Učinkovito rješenje je korištenje kratkih staklenih vlakana umjesto dugih staklenih vlakana.
Pored toga, kada sadržaj punila prelazi 10%, abrazivne čestice u materijalu mogu uzrokovati trošenje glave zavarivanja. Stoga se preporučuje korištenje čelične glave za zavarivanje od karbida ili glave za zavarivanje legure od titana prekrivena premazom volfram karbida. Istodobno, možda će biti potrebno odabrati ultrazvučni uređaj veće snage kako biste osigurali da se na spoju generira dovoljna toplina.
S druge strane, dok aditivi mogu poboljšati ukupne karakteristike za performanse ili ubrizgavanje oblikovanja materijala, oni često imaju inhibitorni učinak na ultrazvučno zavarivanje. Tipični aditivi uključuju maziva, plastifikatore, modifikatore udara, usporivače plamena, boje, agensi za pjevanje i ponovne smole. Na primjer, maziva poput voska, cinkovog stearata, stearske kiseline i esteri masnih kiselina smanjuju koeficijent trenja između polimernih molekula, smanjujući tako stvaranje topline. Međutim, taj je učinak obično manji na zglobu jer je koncentracija maziva niska i ravnomjerno raspršena. S druge strane, plastifikatori kao što su organske tekućine s visokim temperaturama ili tetemperaturne čvrste tvari povećavaju mekoću materijala i smanjuju krutost, ali smanjuju privlačnost između unutarnjih molekula polimera i ometaju prijenos vibracijske energije. Konkretno, visoko plastizirani materijali poput vinila vrlo su neprikladni kao prijenosni materijali za ultrazvučne vibracije. Pored toga, plastifikatori kao unutarnji aditivi mogu tijekom vremena preći na površinu plastike, što dodatno utječe na učinak ultrazvučnog zavarivanja. Slično tome, modifikatori udara, poput gume, također smanjuju sposobnost materijala za prenošenje ultrazvučnih vibracija, zahtijevajući veću amplitudu za rastojanje plastike.
Retardantni plameni, anorganski oksidi ili halogenirani organski elementi (poput aluminija, antimona, bor, klora, broma, sumpora, dušika ili fosfora) dodani materijalu mogu učinkovito suzbiti vatrenu točku materijala ili promijeniti njegove karakteristike izgaranja. Međutim, ti sastojci često čine materijal nepoželjnim, pogotovo kada retardant plamena čini 50% ili više, što će značajno smanjiti količinu materijala za zavarivanje. Za takve su materijale potrebne velike ultrazvučne opreme i glave zavarivanja s velikim amplitudama, a zajednički dizajn se podešava kako bi se povećao udio materijala za zavarivanje.
Većina boja, uključujući pigmente i boje, ne ometa prijenos ultrazvučnih vibracija. Međutim, oni mogu smanjiti količinu materijala za zavarivanje u zglobu. Konkretno, kada sadržaj titanovog dioksida (TiO2) prelazi 5%, njegov će mazivo postati očit, što će imati inhibitorni učinak na ultrazvučno zavarivanje. U isto vrijeme, ugljična crna će ometati širenje ultrazvučne energije u materijalu.
Sredstva za pjevanje smanjuju sposobnost materijala da prenosi ultrazvučne vibracije jer njihova niska gustoća i veliki broj pora u molekularnoj strukturi sprječavaju efektivni prijenos energije.
Kad se zemljana smola (Regrind) pomiješa u materijal, njegov dodatak i volumen moraju se pažljivo procijeniti i kontrolirati kako bi se optimizirao učinak zavarivanja. U nekim se slučajevima Regrind uopće ne može koristiti i potreban je 100% djevičanski materijal.
Osim toga, dok sredstva za oslobađanje plijesni kao što su cinkov stearat, aluminijski stearat, fluorokarboni i silikoni mogu pomoći u oslobađanju ubrizgavanja oblikovanih dijelova, mogu se prebaciti na površinu zgloba i smanjiti koeficijent trenja materijala, čime se smanjuje stvaranje topline i inhibira ultrazvučno zavarivanje. Istodobno, sredstva za otpuštanje kalupa također mogu uzrokovati kemijsku kontaminaciju smole i utjecati na stvaranje odgovarajućih kemijskih veza. Silikoni, posebno, imaju najznačajniji utjecaj. Stoga, kada se koristi sredstva za oslobađanje kalupa, potrebno je pažljivo odabrati odgovarajuću ocjenu i poduzeti mjere kako bi se spriječilo prebacivanje na površinu dijela.
Pored toga, različite stupnjeve materijala mogu imati različite temperature taljenja i indekse protoka, što također može utjecati na učinak ultrazvučnog zavarivanja. Na primjer, ocjene PMMA mogu biti teže zavariti od razreda ubrizgavanja/ekstruzije zbog veće molekularne težine i temperature taljenja. Stoga, kako biste postigli najbolji učinak zavarivanja, pokušajte odabrati materijale iste ocjene za zavarivanje i osigurati da je indeks protoka dva materijala sličan, a razlika temperature taljenja unutar 22 stupnja.
Sadržaj vlage u materijalu ima značajan utjecaj na njegovu čvrstoću zavarivanja. Hidroskopski materijali kao što su PBT, PC, PSU i najlon lako apsorbiraju vlagu iz zraka. Tijekom postupka zavarivanja, ova apsorbirana vlaga prokuhat će na visokim temperaturama, a generirani plin, ako je zarobljen u zavarivanju, stvorit će pore i degradirati plastiku, utjecati na estetiku, snagu i brtvljenje zavara. Da bi se to izbjeglo, hidroskopske materijale treba zavariti odmah nakon oblikovanja ubrizgavanja. Ako trenutno zavarivanje nije moguće, sušene dijelove treba čuvati u suhu vrećicu PE ili staviti u pećnicu na 80 stupnjeva 3 sata prije zavarivanja.
Osim toga, pri zavarivanju različitih vrsta materijala treba obratiti posebnu pažnju temperaturi taljenja i molekularnoj strukturi dva materijala. Idealno stanje zavarivanja je da razlika temperature taljenja dva materijala ne prelazi 22 stupnja, a molekularna struktura slična. Ako je razlika temperature topljenja prevelika, materijal s nižom talicom će se rastopiti i protočiti prvo i neće osigurati dovoljno topline da materijal rastopi s višom točkom topljenja. Na primjer, prilikom zavarivanja PMMA s visokim tapetama s PMMA s niskom talasnom točkom, ako se energetski vodič nalazi na PMMA s visokom tantom, materijalni zglob s niskom tablicom rastopit će se i protočiti, što uzrokuje da energetski vodič omekša, što zauzvrat utječe na snagu zavarivanja.
Pored toga, kompatibilnost materijala također je ključni faktor za uspješno zavarivanje. Mogu se zavariti samo kemijski kompatibilni materijali, odnosno materijala sa sličnim molekularnim strukturama. Vrijedno je napomenuti da kompatibilnost materijala uglavnom postoji između amorfnih materijala, kao što su ABS i PMMA, PC i PMMA, te PS i modificirani PPO. Međutim, polukristalna plastika kao što su PP i PE, iako imaju slična fizička svojstva, imaju različite molekularne strukture i stoga nemaju kompatibilnost materijala i ne mogu ih zavariti.
