Ультразвукова технологія пластику широко використовується у зв'язку з термопластиками. Вироблені суглоби не тільки міцні та довговічні, але й красиві за зовнішнім виглядом. Ця технологія охоплює чотири основні категорії, серед яких ультразвукове зварювання є в центрі уваги. Ультразвукове зварювання використовує високочастотну ультразвукову енергію (15-50 кГц) для отримання механічних коливань низької амплітуди (1-100 мкм). Ця вібрація діє на суглобах компонентів, розтоплюючи термопластичний матеріал через генерацію тепла фрикції, а потім утворює зварювання. Швидкість його зварювання надзвичайно швидка, як правило, від 0,1 секунди до 1,0 секунди.
Під час процесу ультразвукового зварювання синусоїдальні стоячі хвилі генеруються в термопластиках. Через міжмолекулярне тертя частина енергії перетворюється на теплову енергію, що збільшує температуру матеріалу. Інша частина енергії зосереджена і переноситься на суглоб, який далі локально нагрівається прикордонним тертям. Тому на шляху передачі ультразвукової енергії та поведінки плавлення матеріалу спільно впливають геометрія частини та ультразвукові характеристики поглинання матеріалу.
Коли джерело вібрації близьке до зварного суглоба, матеріал має менше втрати поглинання енергії. Якщо відстань від джерела вібрації до суглоба становить менше 6,4 мм, процес називається зварюванням поблизу, яке підходить для кристалічних матеріалів з поглинанням високої енергії та матеріалами низької жорсткості. Якщо відстань перевищує 6,4 мм, її називають зварюванням дальнього поля, яке підходить для аморфних матеріалів з низькою енергією та матеріалами високої жорсткості.
Завдяки "нерівномірним" характеристикам поверхні суглоба легко створити високу температуру та високе тертя, що сприяє накопиченню ультразвукової енергії. У багатьох ультразвукових зварювальних застосуваннях на поверхні верхньої частини, що називається енергетичним направляючим ребром, розроблено трикутне випинання, яке керує енергією вібрації для концентрування на суглобі.
Під час процесу ультразвукового зварювання енергія вібрації діє вертикально на поверхні суглоба, а кінчик енергетичного ребра контактує зварену частину під тиском. Завдяки генерації тепла тертя, на кінчику генерується велика кількість тепла, внаслідок чого ребра енергетичного направлення починають танути. Весь процес зварювання можна розділити на чотири етапи. По -перше, вершина ребра енергетики починає танути, а швидкість плавлення поступово збільшується. З зменшенням розриву з обох боків суглоба, розплавлене енергетичне ребро повністю пошириться та контактуватиме деталі нижче, а швидкість плавлення в цей час зменшиться. По -друге, верхні та нижні частини знаходяться в контакті поверхні, а площа плавлення додатково розширюється. Потім він потрапляє на стадію плавлення в стаціонарному стані, в цей час утворюється розплавлений шар певної товщини, що супроводжується стабільним температурним полем. Коли будуть досягнуті попередньо встановлена енергія зварювання, час або інші умови контролю, ультразвукова вібрація зупиниться. Нарешті, підтримується тиск, надлишок розплаву буде вичавлений із зварювання, а деталі з'єднані молекулярними зв’язками і поступово охолоджуються.
Переваги та недоліки ультразвукового зварювання
Як технологія пластику, що приєднається, широко використовується у промисловому полі, ультразвукове зварювання виділяється своєю швидкою, економічною, легкою інтеграцією автоматизації та придатністю для масового виробництва. Його стабільність зварювання відмінна, сила також висока, а час зварювання коротший, ніж інші процеси. Крім того, ця технологія не потребує складної вентиляційної системи для видалення диму або системи охолодження для видалення зайвого тепла, з високим вмістом енергії, більшою ефективністю виробництва та меншими витратами. Конструкція форми порівняно проста, а швидкість зміни форми швидка, тим самим покращуючи швидкість використання та універсальність обладнання. Варто зазначити, що оскільки жоден інший допоміжний зварювальний матеріал не вводиться в зварювання, зварювання залишається чистим і без домішок, не впливає на біосумісність обладнання, і дуже підходить для використання в галузі охорони здоров'я з більш високими вимогами до чистоти.
Однак ультразвукове зварювання також стикається з деякими обмеженнями. Для продуктів з розміром понад 250 ммкх300 мм конструкція зварювальної головки стає складною, і часто необхідно використовувати кілька зварювальних голов для синхронного зварювання або одну зварювальну головку для кількох зварювання. Крім того, результати ультразвукового зварювання тісно пов'язані з такими факторами, як конструкція структури зварювання, помилка розмірів та деформації, що формується в інжекцію. У той же час, ультразвукові коливання можуть спричинити пошкодження чутливих електронних компонентів, хоча такі ризики можуть бути зменшені за рахунок збільшення частоти та зменшення амплітуди.
Поля застосування
Ультразвукове зварювання широко використовується у багатьох галузях. Наприклад, у автомобільній промисловості він використовується для підключення компонентів, таких як фари, панелі, кнопки та комутатори; У електроніці та електричній промисловості ця технологія також часто використовується для підключення компонентів, таких як комутатори, датчики та приводи; Крім того, ультразвукове зварювання також є незамінним у виробничому процесі продуктів, таких як фільтри, катетери, медичний одяг та маски в медичній галузі. У той же час виробництво продуктів, таких як пухирці, сумки, контейнери для зберігання та форсунки в упаковці, також виграють від ефективності та зручності ультразвукового зварювання.
Кава-чашка виготовлена з матеріалу PS, а його дизайн зварного шва спритно поєднує канавку та ребра, що керує енергією, що не лише забезпечує стабільність зв'язку, але й підвищує ефективність виробництва.
Електронний перемикач виготовлений з пластику ABS і вдосконалюється ультразвуковим клепкою.
Відбивач виготовлений із змішаного матеріалу ABS та ПК, і поєднує процес зварювання кроків та ребер, що керує енергією, щоб створити унікальну конструктивну конструкцію.
Електронна лампа використовує композитний матеріал ABS та PMMA в поєднанні з вишуканим процесом зварювання площинних та енергетичних ребер, представляючи унікальний стиль дизайну.
Електричний роз'єм поєднує тверді матеріали ABS та металу та забезпечує стабільність та довговічність його з'єднання за допомогою точного ультразвукового клепки.
Медична пляшка виготовлена з матеріалу ПК, і спритно використовує дизайн синтезу плоских та енергетичних реберних зварних швів.
Пляшка паливного фільтра виготовлена з нейлону 6-6, а його дизайн спритно поєднує подвійні процеси зсувних швів і зварних швів.
Збірка фільтрувальної мембрани та бавовни, що поглинає звук, використовує композитний матеріал нейлону, легований 30% скляним волокном, і тонко збирається за допомогою пронизливого процесу зварювання.
Електрична коробка використовує композитний матеріал PS та мідних горіхів і тонко виготовляється за допомогою ультразвукової технології інкрустації.
Ротор використовує матеріал PS і поєднує в собі розумну конструкцію площини та енергопровідних реберних зварних швів.
Полімерна структура
Молекулярна структура аморфної пластмаси розподіляється випадковим чином і не має фіксованого напрямку розташування. Його характеристика полягає в тому, що вона поступово пом'якшується з діапазоном температури. Коли цей тип матеріалу досягає температури скляного переходу, він поступово пом'якшується і з часом потрапляє в рідкий розплавлений стан. Процес матеріалу від рідини до затвердіння є поступовим. Аморфні пластмаси можуть ефективно передавати ультразвукові коливання, і через їх широкий діапазон температури їх легше зварювати та досягти герметизації.
З іншого боку, молекулярна структура напівкристалічної пластмаси впорядкована. Високе тепло є ключовим для розбиття впорядкованого розташування. Ці пластмаси мають різкі температури плавлення, і як тільки температура незначно знизиться, стан рідини швидко затвернеться. Тому розплав, що витікає з області гарячого розплаву, швидко затвернеться. Коли твердий, молекулярна поведінка напівкристалічних матеріалів схожа на пружину, поглинаючи більшість ультразвукових коливань замість того, щоб передавати їх у зону суглоба. Тому для напівкристалічної пластмаси необхідна для генерації достатньої кількості тепла високої амплітуди.
Температура переходу скла ТГ та температура плавлення ТМ
Обговорюючи структуру полімеру, ми згадали про два важливі температурні поняття: температура переходу скла Tg та температура плавлення ТМ. TG - це температура, при якій матеріал змінюється від склоподібного стану до високо еластичного стану, в цей час матеріал починає поступово пом'якшити. ТМ - це температура, необхідна для того, щоб матеріал повністю розплавився в рідину. Ці дві температурні характеристики мають вирішальне значення для розуміння обробки та виконання полімерних матеріалів.
Ліва сторона малюнка вище показує аморфний пластик, а правий бік показує напівкристалічний пластик. У термопластиках наповнювачі, такі як скляне волокно, тальк та мінерали, можуть посилити або інгібувати вплив ультразвукового зварювання. Деякі матеріали, такі як карбонат кальцію, каолін, тальк, глинозем, а також органічні волокна, кремнезем, скляні кульки, метасикат кальцію (волластоніт) та слюда, можуть збільшити твердість смоли. Дослідження показали, що коли вміст наповнювача досягає 20%, він може ефективно підвищити ефективність передачі ультразвукових коливань у матеріалі, особливо для напівкристалічних матеріалів. Однак, коли вміст наповнювача перевищує 35%, надійність ущільнення може вплинути через недостатній вміст смоли при зваренні. Коли вміст наповнювача досягне 40%, скляні волокна збираються в положенні суглоба, що призводить до недостатнього вмісту смоли на зваренні, що, в свою чергу, впливає на міцність зварювання. Крім того, під час процесу лиття ін’єкцій, довгі скляні волокна, як правило, накопичуються на реберах, що керує енергією. Ефективним рішенням є використання коротких скляних волокон замість довгих скляних волокон.
Крім того, коли вміст наповнювача перевищує 10%, абразивні частинки в матеріалі можуть спричинити знос зварювальної головки. Тому рекомендується використовувати зварювальну головку зварювальної сталі або зварювальну головку з титанового сплаву, покриту покриттям карбіду вольфраму. У той же час може знадобитися вибрати ультразвуковий пристрій більш високої потужності, щоб забезпечити, щоб на суглобі було створено достатнє тепло.
З іншого боку, хоча добавки можуть покращити загальні характеристики продуктивності або ін'єкційного лиття матеріалу, вони часто мають гальмівний вплив на ультразвукове зварювання. Типові добавки включають мастильні матеріали, пластифікатори, модифікатори удару, полум'я, барвники, піноутворюючі засоби та перенесені смоли. Наприклад, мастила, такі як воски, старат цинку, ефіри стеаринової кислоти та жирних кислот, зменшують коефіцієнт тертя між молекулами полімерів, тим самим зменшуючи генерацію тепла. Однак цей ефект, як правило, менший у суглобі, оскільки концентрація мастила низька і рівномірно диспергована. З іншого боку, пластифікатори, такі як високотемпературні органічні рідини або низькотемпературні тверді тверді речовини, збільшують м'якість матеріалу і зменшують жорсткість, але вони зменшують притягання між внутрішніми молекулами полімеру і перешкоджають передачі енергії вібрації. Зокрема, високо пластифіковані матеріали, такі як вініл, дуже непридатні, як передачі матеріалів для ультразвукових коливань. Крім того, пластифікатори як внутрішні добавки можуть з часом мігрувати на поверхню пластику, що додатково впливає на вплив ультразвукового зварювання. Аналогічно, модифікатори удару, такі як гума, також знижують здатність матеріалу передавати ультразвукові коливання, вимагаючи більшої амплітуди для розплаву пластику.
Полум'яні затримки, неорганічні оксиди або галогеновані органічні елементи (такі як алюміній, сурма, бор, хлор, бром, сірка, азот або фосфор), додавання до матеріалу, можуть ефективно придушити пожежу матеріалу або змінити його характеристики горіння. Однак ці інгредієнти часто роблять матеріал небажаним, особливо коли полум'я, що затягує, становить 50% або більше, що значно зменшить кількість зварювального матеріалу. Для таких матеріалів потрібні високі потужні ультразвукове обладнання та зварювальні головки з великими амплітудами, а спільна конструкція регулюється для збільшення частки матеріалу зварювання.
Більшість барвників, включаючи пігменти та барвники, не перешкоджають передачі ультразвукових коливань. Однак вони можуть зменшити кількість зварювального матеріалу в зоні з'єднання. Зокрема, коли вміст діоксиду титану (TIO2) перевищує 5%, його мастильна дієва дія стане очевидною, що матиме інгібуючий вплив на ультразвукове зварювання. У той же час, вуглець чорний буде заважати розповсюдженням ультразвукової енергії в матеріалі.
Піноутворювання знижують здатність матеріалу передавати ультразвукові коливання, оскільки їх низька щільність та велика кількість пор в молекулярній структурі запобігають ефективній передачі енергії.
Коли наземна смола (регринд) змішується в матеріал, його додавання та об'єм потрібно ретельно оцінити та контролювати для оптимізації ефекту зварювання. У деяких випадках регінд взагалі не може використовуватися і потрібно 100% незайманого матеріалу.
Крім того, хоча засоби вивільнення цвілі, такі як стеарат цинку, алюмінієвий стеарат, фторуни та силікони, можуть допомогти вивільнити формовані деталі, вони можуть перенести на поверхню суглоба та зменшити коефіцієнт тертя матеріалу, тим самим зменшуючи генерацію тепла та інгібуючи ультразвукове зварювання. У той же час агенти вивільнення цвілі також можуть спричинити хімічне забруднення смоли та впливати на утворення належних хімічних зв’язків. Силікони, зокрема, мають найважливіший вплив. Тому при використанні агентів з звільнення цвілі необхідно ретельно вибрати відповідний клас і вжити заходів, щоб запобігти передачі на поверхню частини.
Крім того, різні класи матеріалів можуть мати різні температури плавлення та показники потоку, що також може впливати на вплив ультразвукового зварювання. Наприклад, лиття сортів PMMA може бути складніше зварювати, ніж ін'єкційні/екструзійні класи через їх більшу молекулярну масу та температуру плавлення. Тому, щоб отримати найкращий ефект зварювання, спробуйте вибрати матеріали одного і того ж класу для зварювання, і переконатися, що індекс потоку двох матеріалів був аналогічним, а різниця температури плавлення становить 22 градусів.
Вміст вологи матеріалу суттєво впливає на його міцність на зварювання. Гідроскопічні матеріали, такі як PBT, ПК, ПС та нейлон, легко поглинають вологу з повітря. Під час зварювального процесу ця поглинена волога кипить при високих температурах, а генерований газ, якщо він потрапить у зварювання, утворюватиме пори і погіршить пластик, таким чином, впливаючи на естетику, міцність і герметизацію зварювання. Щоб уникнути цього, гідроскопічні матеріали слід зварювати відразу після лиття ін'єкції. Якщо негайне зварювання неможливе, висушені частини повинні зберігатися в сухій мішці ПЕ або розміщувати в духовці на 80 градусів протягом 3 годин до зварювання.
Крім того, при зваренні різних типів матеріалів слід приділяти особливу увагу температурі плавлення та молекулярної структури двох матеріалів. Ідеальний стан зварювання полягає в тому, що різниця температури плавлення двох матеріалів не перевищує 22 градусів, а молекулярна структура схожа. Якщо різниця температури плавлення занадто велика, матеріал з нижчою температурою плавлення буде плавним і витікати спочатку і не забезпечить достатнього тепла, щоб розплавити матеріал з більшою температурою плавлення. Наприклад, при зваренні ПММА з високою картографкою з ПММА з низькою картовою точкою, якщо енергетичний провідник розташований на ПМММА з високою картовою точкою, спочатку плавний суглоб з низькою картовою точкою плавне і потікає, внаслідок чого енергетичний провідник пом'якшує, що, в свою чергу, впливає на міцність зварювання.
Крім того, сумісність матеріалу також є ключовим фактором для успішного зварювання. Можна зварювати лише хімічно сумісні матеріали, тобто матеріали з подібними молекулярними структурами. Варто зазначити, що сумісність матеріалу в основному існує між аморфними матеріалами, такими як ABS та PMMA, PC та PMMA, та PS та модифіковані PPO. Однак напівкристалічні пластмаси, такі як PP та PE, хоча вони мають подібні фізичні властивості, мають різні молекулярні структури і, отже, не мають сумісності матеріалу і не можуть бути зварені.
