超音波溶着のよくある問題を解決する方法

Posted on by admin

超音波溶着は、熱可塑性材料の接合方法として広く認知され、受け入れられているプロセスです。 プロセスの信頼性と再現性、他の接合技術よりも低いエネルギー使用量、材料の節約 (接着剤や機械的ファスナーなどの消耗品が不要なため)、労働力の節約など、多くの利点を提供します。

しかし、他のプロセスと同様に、この技術に明らかな問題があると、生産プロセスを妨害する場合があります。 これらの問題を解決し、回避するための鍵は、その原因と思われるものを理解することです。 超音波溶接の使用に成功している加工業者は、一般的に2つの主要な特徴を備えています。それは、十分に文書化され、検証された溶接プロセスがあること、そしてそのプロセスが常駐し、十分に訓練された「チャンピオン」によってサポートおよび維持されていることです。 これらの重要な要素のいずれか、または両方が存在しない場合、おそらくすぐに助けを求めることになるでしょう。

How the Process Works
超音波溶接の一般的な問題の原因を調べる前に、溶接サイクルそのものを理解することにしましょう。 超音波溶接では、一般に「ホーン」または「ソノトロード」と呼ばれる振動工具によって、2つの部品の表面に高周波の振動を与えます。 溶接は、部品間の界面で発生する摩擦熱の結果として行われる。 超音波振動は、電源、コンバータ、ブースター、ホーンといった一連の部品によって作り出され、部品に機械的振動を与える。

図1に示すように、電源は標準的な電気ライン電圧を取り、それを動作周波数に変換する。 以下の例では、一般的な超音波溶接の周波数である20 kHzを使用しますが、特殊なニーズに合わせて15～60 kHzの範囲で溶接を行うことも可能です。 動作時には、電源はRFケーブルを通して指定された周波数の電気エネルギーをコンバーターに送ります。 コンバーターは圧電セラミックスを利用して、電気エネルギーを電源の動作周波数の機械的振動に変換する。 この機械的振動はブースターとホーンの構成によって増加または減少する。 適切な機械振動の振幅はアプリケーションエンジニアによって決定され、部品に使用されている熱可塑性材料に基づいています。

溶接される部品は、一般的にブースターとホーンを保持する空気圧アクチュエータによって、機械的負荷がかけられます。 この負荷のもとで、機械的振動が材料表面の界面に伝わり、振動が集中して分子間および表面摩擦が発生する。 この摩擦によって熱が発生し、溶融が起こり、凝固して溶接されます。

超音波システムの基本構成は、電源、アクチュエータ、スタックです（図2参照）。 電源は公称120-240Vの線間電圧を受け、高電圧、高周波信号に変換する。 また、所望の溶接結果を得るために、アクチュエーターとスタックを制御して動作させるのに必要なプログラミングも含まれています。 アクチュエーターは空気圧または電気サーボで作動し、独立したベンチトップ・ユニットとして、または自動化システムに統合して使用できます。

超音波スタックはシステムを完成させます。 これは、部品との直接接触により、振動エネルギーをシール/接合面に伝達するものです。 トランスデューサーまたはコンバーター（前述）は、印加された電源信号の周波数で振動する圧電セラミック結晶を含んでいます。 これらの結晶が振動すると、物理的に伸縮し、トランスデューサーの出力側に測定可能な機械的運動（ピーク・トゥ・ピーク振幅と呼ばれる）を生じさせます。 アクチュエータへのスタックの取り付けポイントとして機能し、また、トランスデューサに生じる出力モーションを増幅または減少させる役割を果たします。 ホーンは接合される硬質部品のプロファイルに合うように設計されるか、またはフィルム/テキスタイルアプリケーションではその接触面にシールプロファイルを追加することができます。 各用途において、ホーンは他のスタック部品と組み合わせて、超音波溶接ができるだけ効率的に行われるように、最適なレベルの振幅出力になるように設計されています。

TYPICAL SETBACKS
問題は通常4つの領域のうちの1つで発生します：

1. 装置です。 超音波溶着装置または各種溶着部品が用途に合っていない。
2.プロセスパラメータ。 プロセスパラメータ：使用するパラメータが接合する部品に適合していない。
3.材料：使用するパラメータが接合する部品に適合していない。 材料：部品に使用する材料の種類、組成、物理的・機械的特性を変更した。
4.部品設計。

また、ある領域で特定された問題が、別の領域の弱点や欠陥を露呈することがあることに注意する必要があります。

まずは設備から見ていきましょう。 ある用途で成功した溶接を生み出す装置やアプローチが、他の用途でもそうであると考えるのは簡単であり、通常は論理的です。 しかし、それは普遍的に正しいわけではありません。 世界的には、20kHzの超音波溶接機が圧倒的に多く使われています。汎用性が高いため、高出力（最大6000W）と高振幅の出力が可能で、使用できる工具のサイズも広範囲に及びます。 しかし、特に小型で繊細な部品の場合、20 kHz の装置の高出力、高振幅の能力が特定の組み立て部品に対して「強すぎる」場合があり、損傷を引き起こす可能性があります。 このような場合、入力振幅を小さくすることが考えられますが、適用される振幅が溶接されるポリマーに対する推奨レベル以下であれば、これはうまくいきません。

別の解決策は、より高い周波数、おそらく 30 または 40 kHz で動作する装置を検討することです（この周波数で使用できるツールがアプリケーションで必要であれば）。 より高い周波数の機器は、より低い振幅の出力を生成しますが、より高い周波数で共振することによってそれを補います。 そのため、周波数の高い溶接機は、部品に超音波エネルギーを適用する際に「より優しい」と考えられている。 電子部品、特にプリント基板上にあるデリケートなタイマーや発振器などの部品には、この方法が役立っている。 同様に、相手部品の1つが過度に動くことで「ダイアフラム」や「オイルキャニング」に悩まされる部品は、高周波装置への変更で恩恵を受けることがよくあります。

もう1つ考えられる要因は、装置の不具合です。 これらは、前触れもなく発生することはほとんどありません。 明らかな例としては、溶接機の動作時に発生するノイズの変化や増大がある。 経験豊富なオペレーターやメンテナンス担当者は、このような微妙な高調波変動に敏感であることが多く、これらの変化について常に監督者に伝える必要がある。 同様に、新しい超音波装置では、ユーザーがインタラクティブな診断機能チェックを行うことができます。もし適切に解釈し、ノイズなどの他の警告サインと組み合わせて使用すれば、大きな問題になる前にユーザーに心配な傾向を警告することができます。 電源装置は、高度な通信プロトコルにより、「溶接グラフ結果」や「ホーンスキャン」などのデータを取得し、装置が新品、最近整備された、または標準的な性能であることが分かっているときに取得したベースラインデータと比較することが可能である。

この情報により、経験豊富なユーザーはトラブルシューティングに集中でき、追加措置やさらなる監視が必要かどうかを判断することが可能です。 懸念事項が特定されたら、既知の正常なコンポーネントを疑わしいコンポーネントと置き換えることで、修理や是正措置が必要な溶接機器を明確に特定することができます。 有用な診断データの例：

– ウエルドグラフデータ。 これは、良好な部品と疑わしい部品の違いをピンポイントで特定するのに役立ちます。 図3に示すように、ウェルドグラフに表示されるデータには、振幅、電流値、電力、周波数、位相が含まれます。 振幅、位相、周波数、電流の変動は、電源やスタックに問題があることを示す場合があります。 電力供給の不一致は、プロセスの変化（溶接圧力など）、部品形状の変化（特に接合部の公差が変化した可能性）、スタック構成部品の問題（ホーンやコンバータが故障し始めている）などを示している可能性があります。

– ホーンの診断スキャン。 ホーンがより多くの電力を消費しているかどうかを識別します（空気中で動作するために必要なワット数の増加として表示されます）。 電力消費量の増加は、ホーンにクラックが発生していることを示す可能性があります。 このような亀裂は内部にあることもあり、肉眼では見えないこともあります。

– ランダムデータ。 既知の良好なデータと比較して、データが混沌としているように見える場合、図4に見られるように、コンバータ、ホーン、または高周波ケーブルに障害があることを示唆している可能性があります。

PROCESS PARAMETERS & MATERIALS
プロセスパラメータの慎重な制御と文書化は、見過ごせないもう一つの分野である。 医療および自動車部品メーカーはこのことを理解しており、FDA などの規制機関によって義務付けられた厳しい手順に従っているため、超音波溶接の使用時に高い成功を収めることができます。

残念ながら、玩具や使い捨て製品など他の製品の加工業者は、はるかに厳しい要件の下で操業し、はるかに弱いプロセス制御を行っていることがよくあります。 このような状況では、オペレーターが部品や生産条件の変化に対応して設定を継続的に調整することが一般的かもしれません。 このようなアプローチは満足のいく生産をもたらすかもしれませんが、問題が発生した場合、特にプロセスパラメーターが頻繁に変化する場合、遠隔地では診断が難しくなります。 例えば、最新のパラメータ変更は、装置の問題や部品の組成や品質の変化によるものなのでしょうか？

通常、このようなアプリケーションで支援が必要な場合、超音波溶接のアプリケーションエンジニアは、部品（材料、接合設計、テスト要件、現在の機械設定）に関するいくつかの基本的な質問をした後で、適切なソリューションをお客様に指示することが可能です。 このアプローチは、製造部品を使用して機械で直接トラブルシューティングを行う場合に特に有効です。 トラブルシューティング/パラメータ調整プロセスの概要を図5に示します。

材料関連の問題は、生産における不整合や問題の原因としてよく挙げられます。 以下の例で述べたように、材料のわずかなばらつきでさえ、溶接または生産品質に劇的な影響を与える可能性があります。

– ポリマーの変化。 価格が変動する中で、経済的な理由から類似のポリマーを切り替えたいと考えることは、加工業者にとってよくあることです。 しかし、変更を行う前に超音波溶接アプリケーションの専門家に相談するのが賢明です。

よくある、しかし潜在的に厄介な変更の一例として、ABSのような溶接しやすい非晶質材料から、PPのような溶接がはるかに難しい半結晶ポリマーに変更することが挙げられます。 ABSは、PP（90-120ミクロン）よりも低い超音波スタック出力（20 kHzで30-70ミクロン）で溶接する必要があります。 この変更により、部品の強度が以前より低下したり、溶接に時間がかかったり、溶接部が敏感な組立面/部品に損傷を与える場合は、超音波スタック出力の不足が問題である可能性があります。 スタック部品、特にホーンとブースターを調査し、いずれかの部品を改善することで、
新しいポリマーを効率的に溶接し、アプリケーションを「通常の」成功範囲に戻すことができるかどうかを判断することが必要です。

– 再生材が多く含まれている。 再生熱可塑性樹脂は、何度でも溶融改質が可能ですが、溶融のたびに物性が低下します。 再研磨量が多すぎると、部品が規格に適合しなくなる可能性があります。 このため、ブランソンでは、超音波溶接される部品に10%以下の再研磨材を使用することを推奨しています。 厳格な試験と承認基準への準拠が求められる特定の用途では、生産者は生産材料の定期的な分析を強く考慮し、完成部品に使用される材料の品質を継続的に検証する必要があります。 多くの場合、フィラーは部品の強度と耐久性を確保するために不可欠です。 しかし、部品のフィラーの異なる種類と割合は、プラスチック接合プロセスの成功に影響を与える可能性があります。 ブランソンでは、フィラーの含有率を30%未満に抑えることを推奨しています。 フィラーの割合が高い部品、特に長い繊維を含む部品を接合すると、ときにフィラーが溶接部に蓄積し、溶接強度が低下します。

もうひとつの問題は研磨性のフィラーです。 炭酸カルシウム、シリカ、タルクなど、強度や靭性を付加するフィラーの中には、金型の接触面を研磨する可能性のあるものもあります。 研磨性のある部品が工具表面に長時間さらされると、部品の外観上の損傷や部品接合面への不十分なエネルギー伝達を招く摩耗を引き起こす可能性があります。

耐摩耗性表面（超硬、窒化チタンなど）を持つチタンホーンへの交換をお勧めします。

PART CONFIGURATION & TROUBLESHOOTING
装置、材料、プロセスなど他のすべてが正しくても、溶接しようとするパーツが適切に設計されていなければあまり意味はありません。 しかし、ここで優れた部品設計の詳細をすべて確認しようとするのではなく、不適切な部品設計の基本的な原因のいくつかに焦点を当ててみましょう。 多くのアプリケーション プロジェクトでは、テストと受け入れのための「動く目標」がある場合に困難が生じます。 たとえば、落下試験が必要なのか？ 圧力テストは？ もしそうなら、どのような値で？ これらの値は、シーリングジョイントの設計を効果的に進めるために不可欠なものです。

– 特定のアプリケーションに最適なジョイントタイプについての理解不足。 プラスチック接合プロセスについてほんの少ししか理解していない主設計者がプロジェクトを進めたところ、間違った決定がなされ、部品の接合と溶接の特性が適切に考慮されていないことがわかった場合、最適とは言えない接合設計がしばしば発生します。 もう一度言いますが、部品と溶接に関連する重要な検討事項 (溶接バリ制御とシーリング タイプ (気密、構造、またはその両方)) は、プロジェクトの初期段階で決定しておく必要があります。 プロジェクトの初期段階で超音波溶接技術者と協力することで、重要な部品基準を特定し、設計者をよりよく教育し、起こりうるリスクを最小限に抑える、または少なくとも明らかにすることができます。

– 通常、研磨ポリマーまたは充填材の使用によって起こる金型の摩耗により、時間の経過とともに、以前に検証した部品とは実質的にも寸法的にも異なる部品になってしまうことがあります。 その結果、エネルギーディレクターやせん断干渉ジョイントなどの主要な接合機能は、もはや仕様の範囲内ではありません。 部品のプロファイルが金型に正しく適合しなくなる可能性があります。 溶接の結果はますます安定しなくなります。 この問題の解決策には、既存の金型を作り直すか、新しい金型を作ることが含まれます。

結局のところ、超音波溶接部品の問題は多くの原因から発生する可能性があります。 問題が疑われたらすぐに地元の超音波溶接装置の担当者に連絡すれば、診断と改善のヒントを得ることができ、多くの場合、電話や電子メールを通じて、潜在的な生産問題を特定、最小化、または解決することができます。 トラブルシューティングの必要性を減らすには、以下のベストプラクティスに従います：

– プロジェクトの設計（材料、形状、機能の大きな変更が予定されている場合は設計変更）の初期段階で超音波溶接装置サプライヤーのアプリケーションエンジニアリング専門家と協力する。

– 特に、生産が中断されると運営や財務に大きな影響が出るような重要なアプリケーションでは、常に生産品質の予備部品を用意しておくことです。 予備生産部品は接合問題のトラブルシューティングに欠かせないものであり、供給がピンチに陥った場合でも、最小限のダウンタイムで生産を継続することができます。 例えばブランソンでは、様々な企業拠点やお客様先でセミナーを開催し、超音波プロセスの「チャンピオン」が最新技術を熟知し、お客様の施設で必要に応じた技術のトレーニングやメンテナンスを行えるよう、実践的なトレーニングや技術支援を提供しています。 設計エンジニア、品質エンジニア、装置メンテナンス担当者、およびオペレーション/生産担当者すべてが、トレーニングセッションに投資する時間から利益を得ることができます。 David Dahlstrandは、エマソンのブランソン超音波技術社（コネチカット州ダンベリー）のシニア地域技術コーディネーター／テキスタイル開発エンジニアです。 硬質熱可塑性プラスチック、合成繊維、フィルムの組み立てに使用される超音波、振動、軌道、熱、レーザー接合技術のアプリケーション知識とツール設計を有する。 連絡先 (770) 962-2111, ext 17; [email protected]; emerson.com.

関連コンテンツ

  • 射出成型。 K Showでの自動化と統合

    K 2010では、あらゆる種類の新しいプレスがたくさんありましたが、「すごい」要素は、成形の前、間、後に複数の操作を行う自動化されたワークセルと統合されたマニュファクチャリングシステムによって供給されていました。

  • レーザーとプラスチックにおけるその役割を知る

    プラスチック加工は、レーザー技術にとって最も急速に成長している応用分野の一つです。

  • プラスチックに明るい未来をもたらすレーザーマーキング

    高速でプログラム可能、環境にも優しいレーザーマーキングが日付や製品コードの基本マーキングでニッチを確立しましたが、もっと大きな能力があるんですよ。 レーザーマーク可能な樹脂、顔料技術、レーザー機器など、今日の幅広い製品群から得られる装飾効果のレパートリーには、市場はまだほとんど触れていないのです」

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。