Ultraäänihitsaus on laajalti tunnustettu ja hyväksytty prosessi kestomuovisten materiaalien yhdistämiseen. Se tarjoaa monia etuja, kuten prosessin luotettavuus ja toistettavuus, muita liitostekniikoita alhaisempi energiankulutus, materiaalisäästöt (koska kulutustarvikkeita, kuten liimaa tai mekaanisia kiinnittimiä, ei tarvita) ja työvoiman säästöt.
Mutta kuten minkä tahansa prosessin kohdalla, on tilanteita, joissa tämän tekniikan ilmeiset ongelmat voivat keskeyttää tuotantoprosessin. Avain näiden ongelmien ratkaisemiseen ja välttämiseen on ymmärtää niiden todennäköinen alkuperä. Jalostajilla, jotka ovat onnistuneet käyttämään ultraäänihitsausta, on tyypillisesti kaksi pääpiirrettä: niillä on hyvin dokumentoitu, validoitu hitsausprosessi, ja tätä prosessia tukee ja ylläpitää paikallinen hyvin koulutettu ”mestari”. Jos jompaa kumpaa tai molempia näistä tärkeistä tekijöistä ei ole, kutsut todennäköisesti hyvin pian apua. Vaikka molemmat olisivat läsnä, on mahdollista, että tarvitset apua tai teknistä apua ainakin silloin tällöin.
MITEN PROSESSI TOIMII
Ennen kuin tarkastelemme ultraäänihitsausongelmien yleisiä syitä, perehdytään hetki itse hitsaussykliin. Ultraäänihitsauksessa korkeataajuisia värähtelyjä kohdistetaan kahden osan pintoihin värähtelevällä työkalulla, jota kutsutaan yleisesti ”sarveksi” tai ”sonotrodiksi”. Hitsaus tapahtuu osien välisessä rajapinnassa syntyvän kitkalämmön seurauksena. Ultraäänivärähtelyt syntyvät useista komponenteista – virtalähteestä, muuntimesta, vahvistimesta ja torvesta – jotka tuottavat mekaanista värähtelyä osiin.
Kuten kuvassa 1 on esitetty, virtalähde ottaa tavanomaisen sähköverkon jännitteen ja muuntaa sen toimintataajuudeksi. Seuraavassa esimerkissä käytetään yleistä 20 kHz:n ultraäänihitsaustaajuutta, vaikka hitsaus voi tapahtua 15-60 kHz:n alueella erikoistarpeiden täyttämiseksi. Toiminnassa virtalähde lähettää sähköenergiaa määritetyllä taajuudella RF-kaapelin kautta muuntimeen. Muunnin käyttää pietsosähköistä keramiikkaa muuntamaan sähköenergian mekaaniseksi värähtelyksi virtalähteen toimintataajuudella. Tätä mekaanista värähtelyä joko lisätään tai vähennetään vahvistimen ja torven kokoonpanon perusteella. Sovellusinsinööri määrittää sopivan mekaanisen värähtelyn amplitudin, ja se perustuu osissa käytettyihin kestomuovimateriaaleihin.
Hitsattavat osat asetetaan mekaanisen kuorman alaiseksi yleensä paineilmatoimilaitteella, joka pitää tehostinta ja sarvea. Kuormituksen alaisena mekaaniset värähtelyt siirtyvät materiaalipintojen väliseen rajapintaan, joka keskittää värähtelyt luoden molekyylien välisen ja pintakitkan. Tämä kitka synnyttää lämpöä ja sen jälkeen sulaa, joka jähmettyy hitsatuksi liitokseksi.
Ultraäänijärjestelmän peruskomponentit ovat virtalähde, toimilaite ja pino (ks. kuva 2). Virtalähde ottaa verkkojännitteen nimellisjännitteellä 120-240 V ja muuttaa sen korkeajännitteiseksi, suurtaajuiseksi signaaliksi. Se sisältää myös ohjelmoinnin, jota tarvitaan toimilaitteen ja pinon käyttämiseen hallitusti halutun hitsaustuloksen saavuttamiseksi. Toimilaite, joka on joko pneumaattisesti tai sähköisesti servokäyttöinen ja joka on saatavana erillisenä pöytäyksikkönä tai integroituna automatisoituun järjestelmään, siirtää ultraäänityökalua kohti liitettäviä osia. Se kohdistaa tarvittavaa voimaa materiaaleihin hitsausolosuhteiden luomiseksi.
Ultraäänipino viimeistelee järjestelmän. Se siirtää värähtelyenergiaa suorassa kosketuksessa osien kanssa tiivistys-/liitospintaan. Pino koostuu tyypillisesti kolmesta osasta: muuntimesta tai muuntimesta (kuvattu edellä), joka sisältää pietsosähköiset keraamiset kiteet, jotka värähtelevät käytetyn tehonsyöttösignaalin taajuudella. Kun nämä kiteet värähtelevät, ne fyysisesti laajenevat ja supistuvat luoden mitattavissa olevaa mekaanista liikettä (jota kutsutaan huipusta huippuun -amplitudiksi) muuntimen ulostulopuolelle.
Toisella osalla, tehostimella, johon on kiinnitetty rengas sen keskiosaan, on kaksi tehtävää: Se toimii pinon kiinnityspisteenä toimilaitteeseen, ja sen tehtävänä on myös vahvistaa tai vähentää anturissa syntyvää ulostuloliikettä.
Pinon kolmantena ja viimeisenä komponenttina on sarvi (sonotrode), joka koskettaa liitettäviä osia. Sarvi suunnitellaan siten, että se vastaa liitettävien jäykkien osien profiilia, tai sen kosketuspintaan voidaan lisätä tiivistysprofiili kalvo-/tekstiilisovelluksessa. Jokaista sovellusta varten torvi suunnitellaan siten, että se yhdistyy muiden pinon osien kanssa optimaalisen amplituditason saavuttamiseksi, jotta ultraäänihitsaus voidaan suorittaa mahdollisimman tehokkaasti.
TYYPILLISIÄ ONGELMIA
Ongelmia esiintyy yleensä jollakin neljästä alueesta:
1. Varusteet: Ultraäänihitsauslaitteet tai eri hitsauskomponentit eivät sovellu sovellukseen.
2. Prosessiparametrit: Käytetyt parametrit eivät sovellu liitettäviin osiin.
3. Materiaalit: Osissa käytettävien materiaalien tyyppiin, koostumukseen tai fysikaalisiin/mekaanisiin ominaisuuksiin tehdään muutoksia.
4. Osan suunnittelu: Tietyt yksityiskohdat osan geometriassa eivät sovellu toistettavaan tai onnistuneeseen hitsaukseen.
On myös huomattava, että joskus yhdellä alueella havaittu ongelma voi paljastaa heikkouden tai puutteen toisella alueella.
Aloitetaan laitteista. On helppoa ja yleensä loogista ajatella, että laitteet ja lähestymistavat, jotka tuottavat onnistuneita hitsejä yhdessä sovelluksessa, tekevät niin myös toisessa sovelluksessa. Tämä ei kuitenkaan ole yleisesti totta. Maailmanlaajuisesti 20 kHz:n ultraäänihitsauslaitteet ovat ylivoimaisesti yleisimmin käytettyjä; monipuolisuutensa ansiosta nämä hitsauslaitteet voivat tuottaa suuren tehon (jopa 6000 W) ja suuren amplitudin ulostuloja, ja ne sopivat monenlaisiin käytettävissä oleviin työkalukokoihin. Ultraäänihitsattuja osia valmistavalle sopimusvalmistajalle 20 kHz:n laitteet voivat olla hyvä investointi, koska niitä voidaan käyttää tulevaisuudessa monissa sovelluksissa.
Joissakin tapauksissa – erityisesti pienten ja herkkien osien kohdalla – 20 kHz:n laitteiden suuritehoiset ja -amplitudiset ominaisuudet voivat kuitenkin osoittautua liian aggressiivisiksi tietyille kokoonpanoille, mikä voi johtaa vaurioihin. Yksi mahdollinen ratkaisu on tuloamplitudin pienentäminen, mutta tämä ei toimi, jos amplitudi on alle hitsattavalle polymeerille suositellun tason.
Toinen korjaustapa on tarkastella laitteita, jotka toimivat korkeammalla taajuudella, ehkä 30 tai 40 kHz:n taajuudella, edellyttäen, että sovelluksen vaatimat työkalut ovat käytettävissä tällä taajuudella. Korkeamman taajuuden laitteet tuottavat pienemmän amplitudin ulostulon, mutta kompensoivat sen resonoimalla korkeammalla taajuudella. Näin ollen korkeamman taajuuden hitsauslaitteita pidetään ”hellävaraisempina” sovellettaessa ultraäänienergiaa kappaleisiin. Elektroniset kokoonpanot, erityisesti ne, joissa on herkkiä ajastimia/oskillaattoreita ja muita piirilevyillä olevia komponentteja, ovat hyötyneet tästä lähestymistavasta. Nämä tapahtuvat harvoin ilman varoitusta. Yksi ilmeinen esimerkki on hitsauslaitteen käytön aikana syntyvän melun muuttuminen tai lisääntyminen. Kokeneet operaattorit ja huoltohenkilöstö ovat usein virittyneitä tällaisiin hienovaraisiin harmonisiin vaihteluihin, ja heidän tulisi aina ilmoittaa näistä muutoksista esimiehille. ”Vinkuvan pyörän” huomioiminen ennemmin ennemmin kuin myöhemmin voi hyvinkin mahdollistaa ongelman tunnistamisen ja ratkaisemisen ennen kuin se vaikuttaa haitallisesti tuotantoon.
Uudemmat ultraäänilaitteet antavat käyttäjille mahdollisuuden suorittaa vuorovaikutteisia diagnostiikkatoimintojen tarkistuksia, jotka oikein tulkittuna ja yhdessä muiden varoitusmerkkien, kuten melun, kanssa käytettynä voivat varoittaa käyttäjää huolestuttavista kehityssuunnista ennen kuin niistä tulee merkittäviä ongelmia. Teholähteet voivat kehittyneiden viestintäprotokollien avulla saada tietoja, kuten ”hitsauskuvaustuloksia” ja ”torviskannauksia”, joita voidaan verrata perustietoihin, jotka on saatu silloin, kun laite oli uusi, hiljattain huollettu tai kun sen tiedettiin toimivan vaatimusten mukaisesti.
Näiden tietojen avulla kokeneet käyttäjät voivat sitten keskittää vianetsintänsä ja määrittää, tarvitaanko lisätoimia tai lisävalvontaa. Kun ongelma-alue on tunnistettu, epäilyttävien komponenttien korvaaminen tunnetusti hyvillä komponenteilla on yksi tapa tunnistaa korjausta tai korjaavia toimenpiteitä vaativat hitsauslaitteet varmasti. Esimerkkejä hyödyllisistä diagnostiikkatiedoista ovat:
– Hitsauskaaviotiedot. Tämä voi auttaa hyvien osien ja epäilyttävien osien välisten erojen paikallistamisessa. Hitsauskaaviossa näkyvät tiedot, kuten kuvassa 3, sisältävät amplitudin, virrankulutuksen, tehon, taajuuden ja vaiheen. Amplitudin, vaiheen, taajuuden ja virran vaihtelut voivat viitata virtalähteen tai pinon ongelmaan. Poikkeama virrankulutuksessa voi viitata prosessin muutokseen (kuten hitsauspaineeseen), osan geometrian muutokseen (toleranssit erityisesti liitosalueella ovat saattaneet muuttua) tai pinon komponenttiongelmaan (torvi tai muunnin on alkanut pettää).
– Hornin diagnostinen skannaus. Tämä tunnistaa, kuluttaako torvi enemmän virtaa (näkyy ilmassa toimimiseen tarvittavan wattimäärän kasvuna). Lisääntynyt virrankulutus voi viitata siihen, että torveen on muodostumassa halkeama. Tällaiset halkeamat ovat joskus sisäisiä eivätkä siksi aina näy paljain silmin.
– Satunnaistiedot. Tieto, joka näyttää kaoottiselta, kun sitä verrataan tunnettuihin, hyviin tietoihin, voi viitata vikaan muuntimessa, torvessa tai radiotaajuuskaapelissa, kuten kuvassa 4 näkyy.
PROSESSIPARAMETRIT & MATERIAALIT
Prosessiparametrien huolellinen valvonta ja dokumentointi on toinen osa-alue, jota ei voi unohtaa. Lääkintä- ja autoteollisuuden komponenttien valmistajat tietävät tämän ja noudattavat tiukkoja menettelyjä, jotka ovat usein sääntelyviranomaisten, kuten FDA:n, määräämiä ja jotka johtavat suureen menestykseen ultraäänihitsausta käytettäessä.
Valitettavasti muiden tuotteiden, kuten lelujen tai kertakäyttötuotteiden, valmistajilla on usein paljon lievemmät vaatimukset ja paljon heikompi prosessin valvonta. Tällaisissa tilanteissa saattaa olla tavallista, että käyttäjät säätävät jatkuvasti asetuksia muuttuvien kappale- tai tuotanto-olosuhteiden mukaan. Vaikka tämä lähestymistapa saattaa johtaa tyydyttävään tuotantoon, mahdollisia ongelmia voi olla vaikeampi diagnosoida, erityisesti etänä, kun prosessiparametrit vaihtelevat usein. Oliko viimeisimmän parametrimuutoksen syynä esimerkiksi laitevika vai muutos kappaleen koostumuksessa tai laadussa?
Tyypillisesti, kun tämänkaltaisessa sovelluksessa tarvitaan apua, ultraäänihitsaussovellusinsinööri voi kysyttyään muutaman kappaletta ympäröivän perustavanlaatuisen peruskysymyksen (materiaali, liitosrakenne, testivaatimukset ja koneen nykyiset kokoonpanot) johdattaa asiakkaan oikeaan ratkaisuun. Tämä lähestymistapa on erityisen hyödyllinen, jos vianmääritys voidaan suorittaa suoraan koneella käyttäen tuotanto-osia. Yleiskatsaus vianetsintä-/parametrisäätöprosessista on esitetty kuvassa 5.
Materiaaliin liittyvät kysymykset ovat usein epäjohdonmukaisuuksien tai ongelmien lähde tuotannossa. Kuten seuraavissa esimerkeissä todetaan, pienilläkin materiaalien vaihteluilla voi olla dramaattisia vaikutuksia hitsin tai tuotannon laatuun:
– Polymeerien muutokset. Hintojen vaihdellessa on yleistä, että jalostajat haluavat taloudellisista syistä vaihtaa samankaltaisten polymeerien välillä. On kuitenkin viisasta neuvotella ultraäänihitsaussovellusten asiantuntijan kanssa ennen muutosten tekemistä.
Yksi esimerkki yleisestä mutta mahdollisesti hankalasta muutoksesta on siirtyminen helposti hitsattavasta amorfisesta materiaalista, kuten ABS:stä, paljon vaikeammin hitsattavaan puolikiteiseen polymeeriin, kuten PP:hen. ABS vaatii pienempää ultraäänipinon tehoa (30-70 mikronia 20 kHz:n taajuudella) hitsauksen onnistumiseksi kuin PP (90-120 mikronia). Jos tämä muutos johtaa osiin, jotka eivät ole yhtä lujia kuin ennen tai joiden hitsaaminen kestää kauemmin, tai jos hitsit vahingoittavat herkkiä kokoonpanopintoja/komponentteja, kyse voi olla ultraäänipinon tehon puutteesta. Pinon komponenttien, erityisesti torven ja tehostimen, tutkiminen on perusteltua sen määrittämiseksi, mahdollistavatko jompaankumpaan komponenttiin tehdyt parannukset
sovelluksen uuden polymeerin tehokkaan hitsaamisen ja palauttavat sovelluksen takaisin ”normaalille” menestysalueelle.
– Korkea hiontajäännöspitoisuus. Vaikka kierresulatetut kestomuovit voidaan sulattaa ja muovata uudelleen useita kertoja, niiden fysikaaliset ominaisuudet heikkenevät jonkin verran jokaisen seuraavan sulatuksen yhteydessä. Liian suuren kierrätysmateriaalin kumulatiivinen vaikutus voi johtaa siihen, että osat eivät täytä spesifikaatioita. Tästä syystä Branson suosittelee, että ultraäänihitsaukseen tarkoitetuissa osissa käytetään enintään 10 % jälkihiontaa. Erityissovelluksissa, jotka vaativat tiukkojen testaus- ja hyväksymiskriteerien noudattamista, tuottajien tulisi ehdottomasti harkita tuotantomateriaalien säännöllistä analysointia, jotta valmiisiin osiin menevien materiaalien laatu voidaan jatkuvasti validoida.
– Täyteainepitoisuus. Usein täyteaineet ovat välttämättömiä osan lujuuden ja kestävyyden varmistamiseksi. Erilaiset täyteaineiden tyypit ja prosenttiosuudet osissa voivat kuitenkin vaikuttaa muovien liitosprosessien onnistumiseen. Branson suosittelee, että täyteainepitoisuus pidetään alle 30 prosentissa. Suurempia täyteaineprosentteja, erityisesti pitkiä kuituja, sisältävien osien liittäminen toisiinsa johtaa joskus täyteaineiden kertymiseen hitsausliitokseen, mikä voi heikentää hitsin lujuutta.
Muuten yksi ongelma ovat hiovat täyteaineet. Jotkin lujuutta tai sitkeyttä lisäävät täyteaineet, kuten kalsiumkarbonaatti, piidioksidi ja talkki, voivat myös hiertää työkalun kosketuspintoja. Hiovien osien pitkäaikainen altistuminen työkalupinnoille voi aiheuttaa kulumista, joka voi johtaa osien kosmeettisiin vaurioihin ja riittämättömään energiansiirtoon osien liitospinnoille.
Vaihtaminen titaanisarviin, joissa on kulutusta kestävät pinnat (esimerkiksi karbidi tai titaaninitridi), on suositeltavaa. Kiinnitykseen suositellaan terästä tai karkaistua ruostumatonta terästä.
OSIEN KONFIGUROINTI & Vianmääritys
Kaiken muun oikeanlainen osaaminen – laitteisto, materiaalit ja prosessit – ei merkitse paljoakaan, jos hitsattavia kappaleita ei ole suunniteltu oikein. Mutta sen sijaan, että tässä yritettäisiin käydä läpi kaikki hyvän osasuunnittelun yksityiskohdat, keskitytään sen sijaan joihinkin epäasianmukaisen osasuunnittelun perussyihin:
– Selkeästi määriteltyjen projekti- tai sovellustavoitteiden puute. Monilla sovellusprojekteilla on vaikeuksia, kun testausta ja hyväksyntää varten on olemassa ”liikkuva tavoite”. Vaatiiko sovellus esimerkiksi pudotustestin? Painetestin? Ja jos on, niin millä arvoilla? Nämä arvot ovat olennaisen tärkeitä, jotta tiivistysliitoksen suunnittelussa voidaan edetä tehokkaasti. Yleisesti ottaen hyväksymiskriteerit edellyttävät varhaista harkintaa ja päätöksentekoa, jos suunnittelun halutaan etenevän sujuvasti.
– Puutteellinen ymmärrys parhaista liitostyypeistä tiettyihin sovelluksiin. Epäoptimaaliset liitossuunnitelmat syntyvät usein silloin, kun pääsuunnittelija, jolla saattaa olla vain marginaalinen ymmärrys muovien liitosprosesseista, vie projektia eteenpäin vain huomatakseen, että on tehty väärä päätös ja että osan liitos- ja hitsausominaisuuksia ei ole otettu kunnolla huomioon.
Usein tällaiset havainnot tehdään vasta sen jälkeen, kun merkittävät investoinnit (muotin valmistuminen, osan valmistaminen ja ensimmäiset hitsauskokeilut) on jo tehty. Jälleen kerran, keskeiset osaan ja hitsiin liittyvät näkökohdat (hitsin leimahduksen hallinta ja tiivistystyyppi – terminen, rakenteellinen tai molemmat) olisi määriteltävä projektin alkuvaiheessa. Yhteistyö ultraäänihitsausinsinöörin kanssa projektin alkuvaiheessa voi auttaa tunnistamaan osan avainkriteerit, valistamaan suunnittelijoita paremmin ja auttamaan mahdollisten riskien minimoimisessa tai ainakin niiden selvittämisessä.
– Muotin kuluminen, joka aiheutuu tavallisesti hankaavien polymeerien tai täyteaineiden käytöstä, voi ajan mittaan johtaa osiin, jotka poikkeavat olennaisesti ja mittasuhteiltaan aiemmista validoiduista osista. Tämän seurauksena tärkeimmät liitosominaisuudet, kuten energianohjaimet tai leikkausinterferenssiliitokset, eivät ole enää spesifikaatioiden mukaisia. Osaprofiilit eivät ehkä enää sovi kunnolla työkalusarjaan. Hitsaustulokset voivat muuttua yhä epäjohdonmukaisemmiksi. Tämän ongelman korjaustoimenpiteisiin kuuluu olemassa olevan muotin uudelleenkäsittely tai uuden muotin valmistaminen.
Loppujen lopuksi ultraäänihitsattujen osien ongelmat voivat johtua monista lähteistä. Soittaessasi paikalliselle ultraäänihitsauslaitteiden edustajalle heti, kun ongelmaa epäillään, voit tehdä diagnoosin ja antaa korjaavia vinkkejä, jotka usein toteutetaan puhelinsoiton tai sähköpostin välityksellä ja jotka voivat auttaa sinua tunnistamaan, minimoimaan tai ratkaisemaan mahdolliset tuotanto-ongelmat. Vianetsinnän tarpeen vähentämiseksi noudata seuraavia parhaita käytäntöjä:
– Tee yhteistyötä jo varhaisessa vaiheessa projektin suunnittelua (tai uudelleensuunnittelua, jos merkittäviä materiaali-, muoto- tai toiminnallisia muutoksia aiotaan tehdä) ultraäänihitsauslaitetoimittajasi sovellusteknisten asiantuntijoiden kanssa.
– Pidä aina varalla varakomponentteja, jotka ovat tuotantolaatuisia, erityisesti kriittisissä sovelluksissa, joissa tuotantokatkokset aiheuttaisivat merkittäviä toiminnallisia tai taloudellisia ongelmia. Tuotannon varaosat ovat elintärkeä apu liitosongelmien vianmäärityksessä, ja toimitusvaikeuksissa ne voivat pitää tuotannon käynnissä mahdollisimman pienellä seisokkiajalla.
– Hyödynnä koulutustilaisuuksia, joiden avulla voit hallita käyttämääsi muoviliitostekniikkaa. Branson esimerkiksi tarjoaa seminaareja useissa yritys- ja asiakaskohteissa, jotka tarjoavat käytännön koulutusta ja teknistä apua, jota tarvitaan, jotta ultraääniprosessin ”mestarisi” pysyy hyvin perillä uusimmasta teknologiasta ja on valmis kouluttamaan ja ylläpitämään teknologiaa tarpeen mukaan laitoksessasi. Suunnitteluinsinöörit, laatuinsinöörit, laitteiden huoltohenkilöstö ja käyttö-/tuotantohenkilöstö voivat kaikki hyötyä koulutustilaisuuksiin sijoitetusta ajasta.
AUTORISTA: David Dahlstrand on Emersonin sr. alueellinen tekninen koordinaattori/tekstiilien kehitysinsinööri Branson Ultrasonics Corp.:ssa, Danbury, Conn. Hänellä on sovellusosaamista ja työkalujen suunnittelua ultraääni-, tärinä-, kierto-, lämpö- ja laserliitostekniikoille, joita käytetään jäykkien kestomuovien, synteettisten tekstiilien ja kalvojen kokoonpanossa. Yhteystiedot: (770) 962-2111, ext 17; [email protected]; emerson.com.
SISÄLTÖÖN
-
RUISKUPURISTUS:
K 2010 -messuilla oli runsaasti kaikenlaisia uusia puristimia, mutta ”wow”-tekijän tarjosivat automatisoidut työstösolut ja integroidut valmistusjärjestelmät, jotka suorittavat useita toimintoja ennen valua, sen aikana ja sen jälkeen.
-
Tutustu lasereihin ja niiden rooliin muoviteollisuudessa
Muovien käsittely on yksi laserteknologian nopeimmin kasvavista sovellusalueista.
-
Lasermerkinnällä on valoisaa tulevaisuutta muoviteollisuudessa
Nopea, ohjelmoitavissa oleva, ympäristön kannalta puhdas lasermerkintä on vakiinnuttanut paikkansa päivämäärien ja tuotekoodien perusmerkinnöissä, mutta sillä voidaan tehdä paljon muutakin. Markkinoilla on hädin tuskin koskettu koriste-efektien repertuaariin, joka on saatavissa nykypäivän laajemmalla valikoimalla lasermerkintähartseja, pigmentointiteknologiaa ja laserlaitteita.