Az ultrahangos hegesztés széles körben elismert és elfogadott eljárás a hőre lágyuló anyagok összekapcsolására. Számos előnnyel jár, beleértve a folyamat megbízhatóságát és megismételhetőségét, a más illesztési technikákhoz képest alacsonyabb energiafelhasználást, anyagmegtakarítást (mivel nincs szükség fogyóanyagokra, például ragasztóra vagy mechanikus kötőelemekre) és munkaerő-megtakarítást.
De mint minden eljárásnál, itt is vannak olyan helyzetek, amikor a technikával kapcsolatos nyilvánvaló problémák megszakíthatják a gyártási folyamatot. E problémák megoldásának és elkerülésének kulcsa a valószínűsíthető eredetük megértése. Az ultrahangos hegesztést sikeresen alkalmazó feldolgozók jellemzően két fő jellemzővel rendelkeznek: jól dokumentált, validált hegesztési eljárással rendelkeznek; és ezt a folyamatot egy helyben lakó, jól képzett “bajnok” támogatja és karbantartja. Ha e fontos tényezők egyike vagy mindkettő hiányzik, akkor valószínűleg nagyon hamar segítséget fog kérni. Még ha mindkettő jelen van is, lehetséges, hogy legalább időnként szüksége lesz segítségre vagy technikai segítségnyújtásra.
HOGYAN MŰKÖDIK AZ ELJÁRÁS
Mielőtt megvizsgálnánk az ultrahangos hegesztési problémák gyakori okait, szánjunk egy pillanatot magának a hegesztési ciklusnak a megértésére. Az ultrahangos hegesztés során nagyfrekvenciás rezgéseket alkalmaznak két alkatrész felületén egy rezgő szerszámmal, amelyet általában “kürtnek” vagy “szonotródának” neveznek. A hegesztés az alkatrészek közötti határfelületen keletkező súrlódási hő eredményeként jön létre. Az ultrahangos rezgéseket egy sor alkatrész – a tápegység, az átalakító, az erősítő és a kürt – hozza létre, amelyek mechanikus rezgést juttatnak az alkatrészekhez.
Amint az 1. ábrán látható, a tápegység egy szabványos elektromos hálózati feszültséget vesz fel és alakítja át működési frekvenciává. A következő példában egy általános 20 kHz-es ultrahangos hegesztési frekvenciát fogunk használni, bár a hegesztés a speciális igények kielégítésére 15 és 60 kHz közötti tartományban is történhet. Működés közben a tápegység a megadott frekvencián elektromos energiát küld egy RF-kábelen keresztül az átalakítóhoz. Az átalakító piezoelektromos kerámiákat használ, hogy az elektromos energiát a tápegység működési frekvenciáján mechanikus rezgéssé alakítsa. Ez a mechanikus rezgés az erősítő és a kürt konfigurációjától függően növekszik vagy csökken. A megfelelő mechanikai rezgés amplitúdóját az alkalmazásmérnök határozza meg, és az alkatrészekben használt hőre lágyuló anyagokon alapul.
A hegesztendő alkatrészeket mechanikus terhelés alá helyezik, általában egy pneumatikus működtetővel, amely a booster és a kürt tartását biztosítja. E terhelés alatt a mechanikai rezgések az anyagfelületek közötti határfelületre jutnak, amely a rezgéseket összpontosítva intermolekuláris és felületi súrlódást hoz létre. Ez a súrlódás hőt és ezt követő olvadást hoz létre, amely hegesztett kötéssé szilárdul.
Az ultrahangos rendszer alapvető összetevői egy tápegység, egy működtető és egy köteg (lásd a 2. ábrát). A tápegység 120-240 V névleges hálózati feszültséget vesz fel, és azt nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás jellé alakítja át. Tartalmazza továbbá az aktuátor és a köteg vezérelt működtetéséhez szükséges programozást a kívánt hegesztési eredmény elérése érdekében. A pneumatikus vagy elektromos szervo működtetésű, önálló asztali egységként vagy automatizált rendszerbe integrálva kapható működtető egység az ultrahangos szerszámot az illesztendő alkatrészek felé mozgatja. A szükséges erőt alkalmazza az anyagokra, hogy segítse a hegesztési feltételek létrehozását.
A rendszert az ultrahangos köteg teszi teljessé. Az alkatrészekkel való közvetlen érintkezés révén rezgési energiát ad át a tömítési/illesztési felületnek. A halmaz jellemzően három részből áll: az átalakító vagy konverter (a fent leírtak szerint), amely a piezoelektromos kerámiakristályokat tartalmazza, amelyek az alkalmazott tápfeszültség-jel frekvenciáján rezegnek. Ahogy ezek a kristályok oszcillálnak, fizikailag kitágulnak és összehúzódnak, mérhető mechanikai mozgást (csúcs-csúcs amplitúdónak nevezve) hozva létre a jelátalakító kimeneti oldalán.
A második rész, az erősítő, amelynek középső részén egy csatlakozó gyűrű található, két funkciót lát el: Egyrészt rögzítési pontként szolgál a veremnek a működtetőbe, másrészt a jelátalakítóban létrehozott kimeneti mozgás felerősítésére vagy csökkentésére.
A verem harmadik és egyben utolsó alkatrésze a szarv (szonotróda), amely érintkezik az összekötendő részekkel. A kürtöt úgy tervezik, hogy illeszkedjen az illesztendő merev alkatrészek profiljához, vagy fólia/textil alkalmazás esetén az érintkezési felületéhez egy tömítő profil is hozzáadható. A kürtöt minden egyes alkalmazáshoz úgy tervezik, hogy a többi kötegkomponenssel kombinálva elérje az optimális amplitúdó-kimeneti szintet, hogy az ultrahangos hegesztés a lehető leghatékonyabban történhessen.
TÍPUSI HIBÁK
A problémák általában négy terület valamelyikén jelentkeznek:
1. Felszerelés: Az ultrahangos hegesztőberendezés vagy a különböző hegesztési alkatrészek nem alkalmasak az alkalmazáshoz.
2. Folyamatparaméterek: Az alkalmazott paraméterek nem megfelelőek az illesztendő alkatrészekhez.
3. Anyagok: Változások történtek az alkatrészekben használt anyagok típusában, összetételében vagy fizikai/mechanikai jellemzőiben.
4. Alkatrésztervezés: Az alkatrész geometriájának bizonyos részletei nem alkalmasak a megismételhető vagy sikeres hegesztésre.
Meg kell jegyezni azt is, hogy néha az egyik területen azonosított probléma egy másik terület gyengeségét vagy hiányosságát tárja fel.
Kezdjük a berendezésekkel. Könnyű és általában logikus azt gondolni, hogy azok a berendezések és megközelítések, amelyek egy alkalmazásban sikeres hegesztéseket eredményeznek, egy másik alkalmazásban is ezt fogják tenni. Ez azonban nem általánosan igaz. Világszerte messze a 20 kHz-es ultrahangos hegesztők a legelterjedtebbek; sokoldalúságuknak köszönhetően ezek a hegesztők nagy teljesítményű (akár 6000 W) és nagy amplitúdójú kimenetet képesek biztosítani, és a rendelkezésre álló szerszámméretek széles skáláját tudják befogadni. Az ultrahanggal hegesztett alkatrészeket gyártó bérgyártók számára a 20 kHz-es berendezések nagyszerű befektetésnek bizonyulhatnak, mivel számos alkalmazásban ígéretes jövőbeli felhasználást kínálnak.
Vannak azonban olyan esetek – különösen a kis és kényes alkatrészek esetében -, amikor a 20 kHz-es berendezések nagy teljesítményű, nagy amplitúdójú képességei túl “agresszívnek” bizonyulhatnak bizonyos szerelvényekhez, ami potenciálisan károsodáshoz vezethet. Az egyik lehetséges megoldás a bemeneti amplitúdó csökkentése, de ez nem fog működni, ha az alkalmazott amplitúdó a hegesztendő polimerre ajánlott szint alatt van.
Egy másik megoldás olyan berendezések keresése, amelyek magasabb frekvencián, esetleg 30 vagy 40 kHz-en működnek, feltéve, hogy az alkalmazáshoz szükséges szerszámok rendelkezésre állnak ilyen frekvencián történő használatra. A magasabb frekvenciájú berendezések kisebb amplitúdójú kimenetet produkálnak, de ezt a magasabb frekvencián történő rezonálással kompenzálják. Így a magasabb frekvenciájú hegesztők “kíméletesebbnek” tekinthetők az ultrahangos energia alkatrészekre történő alkalmazása során. Az elektronikus szerelvények, különösen azok, amelyekben érzékeny időzítők/oszcillátorok és más, nyomtatott áramköri lapokon elhelyezett alkatrészek találhatók, profitáltak ebből a megközelítésből. Hasonló módon az olyan alkatrészek, amelyek az egyik illeszkedő alkatrész túlzott mozgása miatt “diafragmázástól” vagy “olajkannásodástól” szenvednek, gyakran profitálnak a magasabb frekvenciájú berendezésekre való áttérésből.
Egy másik lehetséges tényező a berendezés meghibásodása. Ezek ritkán fordulnak elő figyelmeztetés nélkül. Egy nyilvánvaló példa erre a hegesztőgép működése közben keletkező zaj változása vagy növekedése. A tapasztalt kezelők és karbantartók gyakran ráhangolódnak az ilyen finom harmonikus ingadozásokra, és ezeket a változásokat mindig közölniük kell a felettesekkel. A “nyikorgó kerékre” való odafigyelés inkább előbb, mint utóbb lehetővé teheti a probléma azonosítását és megoldását, mielőtt a termelés hátrányosan befolyásolná azt.
Az újabb ultrahangos berendezések hasonlóképpen lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy interaktív diagnosztikai funkcióellenőrzéseket végezzenek, amelyek megfelelő értelmezés esetén és más figyelmeztető jelekkel, például a zajjal együtt használva figyelmeztethetik a felhasználót az aggasztó tendenciákra, mielőtt azok komolyabb problémává válnának. A tápegységek a fejlett kommunikációs protokollok segítségével olyan adatokat kaphatnak, mint például a “hegesztési grafikonok eredményei” és a “kürtvizsgálatok”, amelyek összehasonlíthatók az alapadatokkal, amelyeket akkor kaptak, amikor a berendezés új volt, nemrégiben szervizelték, vagy ismert, hogy a szabványoknak megfelelően teljesített.
Ezen információk birtokában a tapasztalt felhasználók a hibaelhárításra összpontosíthatnak, és meghatározhatják, hogy szükséges-e további intézkedés vagy további ellenőrzés. Miután azonosították az aggályos területet, a gyanús alkatrészek ismert jó alkatrészekkel való helyettesítése az egyik módja a javítást vagy korrekciós intézkedést igénylő hegesztőberendezések pozitív azonosításának. Példák a hasznos diagnosztikai adatokra:
– Hegesztési grafikon adatok. Ez segíthet a jó és a gyanús alkatrészek közötti különbségek pontos meghatározásában. A 3. ábrán látható hegesztési grafikonon megjelenített adatok közé tartozik az amplitúdó, az áramfelvétel, a teljesítmény, a frekvencia és a fázis. Az amplitúdó, a fázis, a frekvencia és az áram eltérései jelezhetik a tápegységgel vagy a köteggel kapcsolatos problémát. Az áramfelvételben mutatkozó eltérés jelezhet folyamatváltozást (például a hegesztési nyomást), alkatrész-geometriai változást (a tűrések, különösen az illesztési területen megváltozhattak) vagy halmaz-alkatrész problémát (egy kürt vagy átalakító kezd meghibásodni).
– A kürt diagnosztikai vizsgálata. Ez azonosítja, hogy a kürt több energiát vesz-e fel (a levegőben való működéshez szükséges teljesítmény növekedéseként jelenik meg). A megnövekedett teljesítményfelvétel azt jelezheti, hogy a kürtben repedés keletkezik. Az ilyen repedések néha belsőek, ezért szabad szemmel nem mindig láthatók.
– Véletlenszerű adatok. Az ismert, jó adatokkal összehasonlítva kaotikusnak tűnő adatok az átalakító, a kürt vagy a rádiófrekvenciás kábel hibájára utalhatnak, amint az a 4. ábrán látható.
FOLYAMATPARAMÉTEREK & ANYAGOK
A folyamat paramétereinek gondos ellenőrzése és dokumentálása egy másik terület, amelyet nem szabad figyelmen kívül hagyni. Az orvosi és autóipari alkatrészgyártók tudják ezt, és szigorú eljárásokat követnek, amelyeket gyakran a szabályozó hatóságok, például az FDA írnak elő, és amelyek nagyfokú sikert eredményeznek az ultrahangos hegesztés alkalmazásakor.
Sajnos más termékek, például játékok vagy eldobható termékek feldolgozói gyakran sokkal kevésbé szigorú követelmények mellett működnek, és sokkal gyengébb folyamatellenőrzést végeznek. Ilyen helyzetekben gyakori lehet, hogy a kezelők a változó alkatrész- vagy gyártási körülményekre reagálva folyamatosan módosítják a beállításokat. Bár ez a megközelítés kielégítő termelést eredményezhet, a felmerülő problémákat nehezebb lehet diagnosztizálni, különösen távolról, amikor a folyamat paraméterei gyakran változnak. Például a legutóbbi paraméterváltoztatást a berendezés problémája vagy az alkatrész összetételében vagy minőségében bekövetkezett változás váltotta ki?
Jellemzően, amikor egy ilyen alkalmazáshoz segítségre van szükség, egy ultrahangos hegesztési alkalmazásmérnök néhány, az alkatrészekkel kapcsolatos alapvető kérdés (anyag, kötéskialakítás, vizsgálati követelmények és jelenlegi gépbeállítás) feltétele után el tudja irányítani az ügyfelet a megfelelő megoldáshoz. Ez a megközelítés különösen hasznos, ha a hibaelhárítás közvetlenül a gépen, gyártási alkatrészek felhasználásával végezhető el. A hibaelhárítási/paraméterbeállítási folyamat áttekintése az 5. ábrán látható.
A gyártás során az anyaggal kapcsolatos kérdések gyakori forrása a következetlenségeknek vagy problémáknak. Amint a következő példákból kiderül, még az anyagok csekély eltérései is drámai hatással lehetnek a hegesztés vagy a gyártás minőségére:
– Polimer változások. Mivel az árak ingadoznak, gyakori, hogy a feldolgozók gazdasági okokból hasonló polimerek között akarnak váltani. Bölcs dolog azonban bármilyen változtatás előtt konzultálni az ultrahangos hegesztési alkalmazások szakértőjével.
Egy példa a gyakori, de potenciálisan problémás változtatásra, amikor egy könnyen hegeszthető amorf anyagról, mint például az ABS, egy sokkal nehezebben hegeszthető félkristályos polimerre, például a PP-re váltanak. Az ABS a sikeres hegesztéshez alacsonyabb ultrahangos halmazkibocsátást igényel (30-70 mikron 20 kHz-en), mint a PP (90-120 mikron). Ha ez a változás olyan alkatrészeket eredményez, amelyek nem rendelkeznek a korábbi szilárdsággal, vagy hosszabb ideig tart a hegesztés, vagy ha a hegesztések sérülést okoznak az érzékeny szerelési felületeken/alkatrészeken, a probléma az ultrahangos halmazkibocsátás hiánya lehet. A veremkomponensek, különösen a kürt és az erősítő vizsgálata indokolt annak megállapítására, hogy bármelyik komponens javítása lehetővé
e az alkalmazás számára az új polimer hatékony hegesztését és az alkalmazás “normál” sikertartományba való visszatérését.
– Magas regrind tartalom. Az újrafeldolgozott hőre lágyuló műanyagok, bár többször is megolvaszthatók és újraalakíthatók, fizikai tulajdonságaik minden egyes következő olvadással némileg romlanak. A túl sok újrafeldolgozott anyag halmozott hatása ahhoz vezethet, hogy az alkatrészek nem felelnek meg a specifikációknak. Emiatt a Branson azt ajánlja, hogy az ultrahangos hegesztésre szánt alkatrészeknél ne használjanak 10%-nál több újracsiszolást. Az olyan speciális alkalmazásokban, amelyek szigorú vizsgálati és elfogadási kritériumoknak való megfelelést követelnek meg, a gyártóknak erősen fontolóra kell venniük a gyártási anyagok rendszeres elemzését a kész alkatrészekbe kerülő anyagok minőségének folyamatos validálása érdekében.
– Töltőanyag-tartalom. A töltőanyagok gyakran elengedhetetlenek az alkatrész szilárdságának és tartósságának biztosításához. Az alkatrészekben lévő töltőanyagok különböző típusai és százalékos aránya azonban befolyásolhatja a műanyag kötési folyamatok sikerét. A Branson azt ajánlja, hogy a töltőanyag-tartalom ne haladja meg a 30%-ot. A magasabb százalékos töltőanyagot, különösen hosszú szálakat tartalmazó alkatrészek illesztése néha a töltőanyagok felhalmozódását eredményezi a hegesztési kötésnél, ami csökkentheti a hegesztési szilárdságot.
Egy másik probléma a koptató töltőanyagok. Néhány olyan töltőanyag, amely nagyobb szilárdságot vagy szívósságot kölcsönöz, beleértve a kalcium-karbonátot, a szilícium-dioxidot és a talkumot, szintén koptató hatású lehet a szerszámok érintkező felületein. A csiszolóanyagok hosszan tartó érintkezése a szerszámfelületekkel olyan kopást okozhat, amely az alkatrészek kozmetikai károsodásához és az alkatrész-összekötő felületekre történő nem megfelelő energiaátvitelhez vezethet.
A kopásálló felületű (például karbid vagy titán-nitrid) titánszarvakra való áttérés ajánlott. A rögzítéshez acél vagy edzett rozsdamentes acél ajánlott.
TÖRÖKKÉPZÉS & HIBAKEZELÉS
Az, hogy minden más megfelelő – berendezés, anyag és eljárás – nem sokat ér, ha a hegeszteni kívánt alkatrészek nem megfelelően vannak kialakítva. De ahelyett, hogy itt megpróbálnánk áttekinteni a jó alkatrésztervezés minden részletét, koncentráljunk inkább a helytelen alkatrésztervezés néhány alapvető okára:
– Az egyértelműen meghatározott projekt- vagy alkalmazási célok hiánya. Sok alkalmazási projektben nehézségek merülnek fel, amikor a tesztelés és az elfogadás “mozgó cél”. Például az alkalmazáshoz szükség lesz-e ejtési tesztre? Nyomáspróba? És ha igen, milyen értékek mellett? Ezek az értékek alapvető fontosságúak ahhoz, hogy hatékonyan folytathassuk a tömítőkötés tervezését. Általában az elfogadási kritériumok korai megfontolást és döntéshozatalt igényelnek a tervezés zökkenőmentes folytatásához.
– Az egyes alkalmazásokhoz legmegfelelőbb tömítéstípusok ismeretének hiánya. A nem optimális kötéstervek gyakran akkor fordulnak elő, amikor a főtervező, aki esetleg csak marginálisan ért a műanyag kötési folyamatokhoz, csak azért viszi előre a projektet, hogy rájöjjön, hogy helytelen döntést hozott, és hogy az alkatrész kötési és hegesztési jellemzőit nem vették megfelelően figyelembe.
Az ilyen megállapítások gyakran csak azután születnek meg, hogy már jelentős beruházásokat (szerszámkészítés, alkatrészgyártás és kezdeti hegesztési próbák) végeztek. Ismétlem, az alkatrésszel és a hegesztéssel kapcsolatos kulcsfontosságú megfontolásokat (a hegesztési peregés szabályozása és a tömítés típusa – hőtechnikai, szerkezeti vagy mindkettő) a projekt korai szakaszában kell meghatározni. Az ultrahangos hegesztőmérnökkel való együttműködés a projekt kezdeti szakaszában segíthet a kulcsfontosságú alkatrész-kritériumok meghatározásában, a tervezők jobb tájékoztatásában és a lehetséges kockázatok minimalizálásában vagy legalábbis megvilágításában.
– Az általában a koptató polimerek vagy töltőanyagok használata által okozott szerszámkopás idővel olyan alkatrészeket eredményezhet, amelyek jelentősen és méretben eltérnek a korábban validált alkatrészektől. Ennek eredményeképpen a fő illesztési jellemzők, mint például az energiairányítók vagy a nyíró-interferencia illesztések, már nem felelnek meg az előírásoknak. Előfordulhat, hogy az alkatrészprofilok már nem illeszkednek megfelelően a szerszámkészletbe. A hegesztési eredmények egyre következetlenebbé válhatnak. E probléma orvoslása magában foglalja a meglévő szerszám átdolgozását vagy egy új szerszám gyártását.
Az ultrahanggal hegesztett alkatrészekkel kapcsolatos problémák számos forrásból adódhatnak. Az ultrahangos hegesztőberendezések helyi képviselőjének felhívása, amint felmerül a probléma gyanúja, lehetővé teheti a diagnózist és a javítási tippeket, amelyek gyakran telefonhívások vagy e-mailek útján valósulnak meg, és amelyek segíthetnek a lehetséges gyártási problémák azonosításában, minimalizálásában vagy megoldásában. A hibaelhárítás szükségességének csökkentése érdekében kövesse az alábbi legjobb gyakorlatokat:
– Már a projekt tervezése (vagy újratervezése, ha jelentős anyag-, forma- vagy funkcionális változtatásokat terveznek) elején működjön együtt az ultrahanghegesztő berendezés szállítójának alkalmazás-technikai szakértőivel.
– Mindig tartson tartalék, gyártási minőségű alkatrészekből álló tartalékot, különösen olyan kritikus alkalmazások esetében, ahol a termelés megszakítása jelentős működési vagy pénzügyi problémákat okozna. A gyártási tartalék alkatrészek létfontosságú segítséget jelentenek az illesztési problémák elhárításában, és ellátási nehézségek esetén minimális állásidővel fenntarthatják a termelést.
– Használja ki azokat a képzési lehetőségeket, amelyek lehetővé teszik az Ön által használt műanyag illesztési technológia elsajátítását. A Branson például különböző vállalati helyszíneken és ügyfélhelyszíneken szemináriumokat kínál, amelyek biztosítják a gyakorlati képzést és a technikai segítségnyújtást, amely ahhoz szükséges, hogy az ultrahangos folyamat “bajnoka” jól tájékozott legyen a legújabb technológiával kapcsolatban, és készen álljon a technológia képzésére és karbantartására, ahogyan az az Ön létesítményében szükséges. A tervezőmérnökök, a minőségügyi mérnökök, a berendezések karbantartó személyzete és az üzemeltetési/gyártási személyzet mindannyian hasznot húzhatnak a képzésekre fordított időből.
A szerzőről: David Dahlstrand az Emerson sr. regionális műszaki koordinátora/textilfejlesztési mérnök a Branson Ultrasonics Corp. számára, Danbury, Conn. Alkalmazási ismeretekkel és szerszámtervezéssel rendelkezik a merev hőre lágyuló műanyagok, szintetikus textíliák és fóliák összeszereléséhez használt ultrahangos, vibrációs, orbitális, termikus és lézeres kötési technológiákhoz. Kapcsolattartó: dr: (770) 962-2111, 17-es mellék; [email protected]; emerson.com.
KAPCSOLÓDÓ TARTALOM
-
FRÖCCSÖNTÉS:
A K 2010 kiállításon rengeteg új présgép volt, de a “wow” faktort az automatizált munkacellák és az integrált manufakturális rendszerek szolgáltatták, amelyek több műveletet végeztek a fröccsöntés előtt, alatt és után.
-
Ismerje meg a lézereket és szerepüket a műanyagiparban
A műanyagfeldolgozás a lézertechnológia egyik leggyorsabban növekvő alkalmazási területe.
-
A lézeres jelölésnek fényes jövője van a műanyagiparban
A gyors, programozható, környezetbarát lézeres jelölés a dátumok és termékkódok alapvető jelölésében már megvetette a lábát, de sokkal többre is képes. A piac még alig érintette a lézerrel jelölhető gyanták, pigmentációs technológiák és lézerberendezések mai szélesebb választékával elérhető dekoratív hatások repertoárját.