Ultrasoon lassen is een wijd erkend en goedgekeurd proces om thermoplastische materialen samen te voegen. Het biedt vele voordelen, met inbegrip van procesbetrouwbaarheid en herhaalbaarheid, lager energieverbruik dan andere het toetreden technieken, materiële besparingen (omdat er geen behoefte aan verbruiksgoederen, zoals lijm of mechanische bevestigingsmiddelen) is, en arbeidsbesparingen.
Maar zoals met om het even welk proces, zijn er situaties waar de duidelijke problemen met deze techniek het productieproces kunnen onderbreken. De sleutel tot het oplossen en vermijden van deze problemen is het begrijpen van hun waarschijnlijke oorsprong. Verwerkers die succesvol zijn in het gebruik van ultrasoon lassen delen typisch twee hoofdkenmerken: zij hebben een goed gedocumenteerd, gevalideerd lasproces; en dat proces wordt ondersteund en onderhouden door een inwonende goed opgeleide “kampioen”. Als één of beide van deze belangrijke factoren niet aanwezig zijn, zult u waarschijnlijk zeer snel om hulp roepen. Zelfs met beide aanwezig, is het mogelijk dat u wat hulp of technische bijstand nodig hebt ten minste een keer in een tijdje.
HOE HET PROCES WERKT
Alvorens te onderzoeken gemeenschappelijke oorzaken van ultrasone lassen problemen, laten we een moment nemen om te begrijpen de lascyclus zelf. Bij ultrasoon lassen worden hoogfrequente trillingen toegepast op de oppervlakken van twee onderdelen door een vibrerend gereedschap, meestal een “hoorn” of “sonotrode” genoemd. Het lassen gebeurt als gevolg van wrijvingswarmte die wordt opgewekt op het raakvlak tussen de onderdelen. De ultrasone trillingen worden opgewekt door een reeks componenten – de voeding, de convertor, de booster en de hoorn – die de onderdelen van mechanische trillingen voorzien.
Zoals te zien is in fig. 1, neemt de voeding een standaard elektrische netspanning en zet deze om in een werkfrequentie. In het volgende voorbeeld, zullen wij een gemeenschappelijke ultrasone lassenfrequentie van 20 kHz gebruiken, hoewel het lassen over een waaier van 15 tot 60 kHz kan plaatsvinden om aan gespecialiseerde behoeften te voldoen. In werking zendt de voeding elektrische energie met de gespecificeerde frequentie via een RF-kabel naar de convertor. De converter maakt gebruik van piëzo-elektrische keramiek om de elektrische energie om te zetten in mechanische trillingen met de werkfrequentie van de stroombron. Deze mechanische trilling wordt verhoogd of verlaagd op basis van de configuratie van de booster en de hoorn. De juiste mechanische trillingsamplitude wordt bepaald door een toepassingsingenieur en is gebaseerd op de thermoplastische materialen die in de onderdelen worden gebruikt.
De te lassen onderdelen worden onder een mechanische belasting gebracht, in het algemeen met een pneumatische actuator die de booster en hoorn vasthoudt. Onder deze belasting worden de mechanische trillingen overgebracht op de interface tussen de materiaaloppervlakken, die de trillingen concentreren om intermoleculaire en oppervlaktewrijving te creëren. Deze wrijving creëert warmte en een daaropvolgende smelting, die stolt in een gelaste bond.
De basiscomponenten van een ultrasoon systeem zijn een voeding, een actuator, en een stapel (zie Fig. 2). De voeding neemt lijnspanning van nominaal 120-240V en zet deze om in een hoogspannings-, hoogfrequent signaal. De voeding bevat ook de programmering die nodig is om de actuator en het hevelsysteem op een gecontroleerde manier te bedienen om een gewenst lasresultaat te bereiken. De actuator, pneumatisch of elektrisch servogestuurd, en verkrijgbaar als stand-alone tafelmodel of geïntegreerd in een geautomatiseerd systeem, beweegt het ultrasone gereedschap naar de te verbinden onderdelen toe. Het past de nodige kracht op de materialen toe om de lassenvoorwaarden te helpen creëren.
De ultrasone stapel voltooit het systeem. Het brengt trillingsenergie, door direct contact met de onderdelen, over op het afdichtings-/voegoppervlak. De stapel bestaat gewoonlijk uit drie onderdelen: de omvormer of converter (hierboven beschreven), die de piëzo-elektrische keramische kristallen bevat die oscilleren op de frequentie van het toegepaste voedingssignaal. Terwijl deze kristallen oscilleren, zetten zij fysiek uit en krimpen, waardoor meetbare mechanische beweging (bedoeld wordt piek-tot-piek amplitude) in de uitgangszijde van de transducer ontstaat.
De tweede sectie, de booster, met een bevestigde ring in zijn middensectie, dient twee functies: Het fungeert als een bevestigingspunt voor de stapel in de actuator, en dient ook om de uitgangsbeweging die in de transducer wordt gecreëerd te versterken of te verminderen.
De derde en laatste component van de stapel is de hoorn (sonotrode) die in contact zal komen met de te verbinden onderdelen. De hoorn zal worden ontworpen om het profiel van stijve aan te sluiten delen aan te passen of kan een het verzegelen profiel hebben dat aan zijn contactgezicht in een film/textieltoepassing wordt toegevoegd. Voor elke toepassing, wordt de hoorn ontworpen om met de andere stapelcomponenten te combineren om het optimale niveau van amplitudeoutput te bereiken om ultrasoon lassen toe te staan om zo efficiënt mogelijk voor te komen.
TYPISCHE VOORZIENINGEN
De problemen doen zich gewoonlijk op een van de volgende vier gebieden voor:
1. Apparatuur: De ultrasone lasapparatuur of diverse lasonderdelen zijn niet geschikt voor de toepassing.
2. Procesparameters: De gebruikte parameters zijn niet geschikt voor de te verbinden onderdelen.
3. Materialen: Er worden wijzigingen aangebracht in het type, de samenstelling of de fysische/mechanische eigenschappen van de materialen die in de onderdelen worden gebruikt.
4. Onderdeelontwerp: Bepaalde details van de geometrie van het onderdeel zijn niet geschikt voor herhaalbaar of succesvol lassen.
Het moet ook worden opgemerkt dat soms een probleem geïdentificeerd in één gebied een zwakte of tekortkoming in een ander gebied kan blootleggen.
Laten we beginnen met apparatuur. Het is gemakkelijk en meestal logisch om te denken dat de apparatuur en benaderingen die succesvolle lassen produceren in één toepassing dat ook zullen doen in een andere. Maar dat is niet universeel waar. Wereldwijd worden 20-kHz ultrasone lasapparaten verreweg het meest gebruikt; door hun veelzijdigheid kunnen deze lasapparaten een hoog vermogen (tot 6000 W) en een hoge amplitude leveren, en ze zijn geschikt voor een breed scala aan beschikbare gereedschapsformaten. Voor een contractfabrikant die ultrasoon gelaste onderdelen produceert, kan 20-kHz apparatuur een grote investering zijn aangezien het de belofte van toekomstig gebruik in vele toepassingen biedt.
Echter, er zijn sommige gevallen-vooral met kleine en gevoelige delen-waar de high-power, high-amplitude mogelijkheden van 20-kHz apparatuur te “agressief” voor bepaalde assemblages kunnen blijken, potentieel resulterend in schade. Een mogelijke oplossing is om de ingangsamplitude te verminderen, maar dit zal niet werken als de toegepaste amplitude onder het aanbevolen niveau is voor het polymeer dat wordt gelast.
Een andere remedie is om te kijken naar apparatuur die op een hogere frequentie werkt, misschien 30 of 40 kHz, mits het gereedschap dat nodig is voor de toepassing beschikbaar is voor gebruik op deze frequentie. Apparatuur met een hogere frequentie produceert een lagere amplitude, maar compenseert dit door bij een hogere frequentie te resoneren. Lassers met een hogere frequentie worden dan ook beschouwd als “zachtaardiger” bij de toepassing van ultrasone energie op onderdelen. Elektronische assemblages, vooral die met delicate timers/oscillatoren en andere componenten op printplaten, hebben van deze aanpak geprofiteerd. Op een soortgelijke manier zullen onderdelen die lijden aan “diaphragming” of “oil canning” als gevolg van overmatige beweging van een van de parende onderdelen, vaak profiteren van de overgang naar apparatuur met een hogere frequentie.
Een andere potentiële factor zijn storingen in de apparatuur. Deze treden zelden zonder waarschuwing op. Een voor de hand liggend voorbeeld is een verandering of toename van het geluid dat wordt geproduceerd wanneer een lasapparaat in werking is. Ervaren operators en onderhoudspersoneel zijn vaak op de hoogte van dergelijke subtiele harmonische schommelingen en moeten deze veranderingen altijd doorgeven aan de supervisors. Door eerder dan later op “een piepend wiel” te letten, kan een probleem worden geïdentificeerd en opgelost voordat de productie nadelig wordt beïnvloed.
Ook nieuwere ultrasone apparatuur stelt gebruikers in staat interactieve diagnostische functiecontroles uit te voeren, die, indien goed geïnterpreteerd en gebruikt in combinatie met andere waarschuwingssignalen zoals geluid, de gebruiker kunnen waarschuwen voor zorgwekkende tendensen voordat het grote problemen worden. Voedingen kunnen via geavanceerde communicatieprotocollen gegevens verkrijgen zoals “lasgrafiekresultaten” en “hoornscans” die kunnen worden vergeleken met basislijngegevens die zijn verkregen toen de apparatuur nieuw was, onlangs is onderhouden, of waarvan bekend is dat deze naar behoren presteert.
Met deze informatie kunnen ervaren gebruikers vervolgens hun probleemoplossing richten en bepalen of aanvullende actie of verdere bewaking vereist is. Zodra een gebied van zorg is geïdentificeerd, is het vervangen van bekende goede componenten door verdachte componenten één manier om lasapparatuur positief te identificeren die reparatie of correctieve actie vereisen. Voorbeelden van nuttige diagnostische gegevens zijn:
– Lasgrafiekgegevens. Dit kan helpen bij het vaststellen van verschillen tussen goede onderdelen en verdachte onderdelen. De gegevens die op een lasgrafiek worden weergegeven, zoals te zien is in Fig. 3, omvatten amplitude, stroomopname, vermogen, frequentie en fase. Amplitude-, fase-, frequentie- en stroomvariaties kunnen wijzen op een probleem met de stroomtoevoer of het lasblok. Een afwijking in de stroomafname kan wijzen op een procesverandering (zoals in de lasdruk), een verandering in de onderdeelgeometrie (de toleranties, vooral in het verbindingsgebied, kunnen zijn veranderd) of een probleem met een onderdeel van de stapel (een hoorn of converter begint te falen).
– Diagnostische scan van hoorn. Hiermee wordt vastgesteld of de hoorn meer stroom trekt (weergegeven als een toename van het wattage dat nodig is om in lucht te draaien). Meer vermogen kan erop wijzen dat er zich een scheur in de hoorn aan het vormen is. Dergelijke scheuren zijn soms inwendig en daarom niet altijd met het blote oog waarneembaar.
– Willekeurige gegevens. Gegevens die chaotisch lijken in vergelijking met bekende, goede gegevens kunnen wijzen op een fout in de omzetter, de hoorn, of in de radiofrequentiekabel, zoals te zien is in Fig. 4.
PROCES PARAMETERS & MATERIALEN
Zorgvuldige controle en documentatie van procesparameters is een ander gebied dat niet over het hoofd mag worden gezien. Producenten van medische en auto-onderdelen weten dit en volgen strikte procedures, vaak opgelegd door regelgevende instanties zoals de FDA, die resulteren in een hoge mate van succes bij het gebruik van ultrasoon lassen.
Helaas werken verwerkers van andere producten, zoals speelgoed of wegwerpproducten, vaak onder veel minder strenge eisen en oefenen veel zwakkere procescontroles uit. In dergelijke situaties is het gebruikelijk dat operators voortdurend instellingen aanpassen als reactie op veranderende product- of productieomstandigheden. Hoewel deze aanpak kan resulteren in een bevredigende productie, kunnen eventuele problemen die zich voordoen moeilijker te diagnosticeren zijn, vooral op afstand, wanneer de procesparameters vaak variëren. Werd de laatste parameterwijziging bijvoorbeeld ingegeven door een apparatuurprobleem of een verandering in de samenstelling of kwaliteit van het onderdeel?
Typisch, wanneer een toepassing zoals deze hulp vereist, kan een ingenieur op het gebied van ultrasone lastoepassingen, na het stellen van een paar basisvragen over de onderdelen (materiaal, gezamenlijk ontwerp, testvereisten, en huidige machineopstelling) de klant naar de juiste oplossing leiden. Deze aanpak is vooral nuttig als het probleem direct bij de machine kan worden opgelost, met gebruikmaking van productieonderdelen. Een overzicht van het proces van trouble shooting/parameteraanpassing is te zien in fig. 5.
Materiaalgerelateerde kwesties zijn een frequente bron van inconsistenties of problemen in de productie. Zoals in de volgende voorbeelden wordt opgemerkt, kunnen zelfs geringe variaties in materialen dramatische gevolgen hebben voor de las- of productiekwaliteit:
– Polymeerveranderingen. Als de prijzen fluctueren, is het gebruikelijk dat verwerkers om economische redenen tussen gelijksoortige polymeren willen wisselen. Het is echter verstandig om een deskundige op het gebied van ultrasone lastoepassingen te raadplegen alvorens een verandering aan te brengen.
Een voorbeeld van een veel voorkomende, maar potentieel lastige verandering betreft de overgang van een gemakkelijk te lassen amorf materiaal zoals ABS, naar een veel moeilijker te lassen semi-kristallijn polymeer, zoals PP. ABS vereist een lagere ultrasone stack output (30-70 micron bij 20 kHz) voor succesvol lassen dan PP (90-120 micron). Indien deze verandering resulteert in onderdelen die niet de sterkte hebben die zij voordien hadden, of langer duren om te lassen, of indien de lassen schade veroorzaken aan gevoelige assemblageoppervlakken/componenten, zou het probleem een gebrek aan ultrasone stapeloutput kunnen zijn. Een onderzoek van stapelcomponenten, in het bijzonder de hoorn en de aanjager, is gerechtvaardigd om te bepalen of de verbeteringen aan één van beide componenten zullen toestaan
de toepassing om het nieuwe polymeer efficiënt te lassen en de toepassing terug te brengen naar een “normale” waaier van succes.
– Hoog regrindgehalte. Hergesmolten thermoplasten kunnen weliswaar vele malen worden gesmolten en hergesmolten, maar bij elke volgende smelting gaan hun fysische eigenschappen enigszins achteruit. Het cumulatieve effect van teveel opnieuw vermalen materiaal kan leiden tot het niet voldoen van onderdelen aan de specificaties. Om deze reden raadt Branson aan niet meer dan 10% naslijpsel te gebruiken in onderdelen die ultrasoon gelast moeten worden. In specifieke toepassingen die naleving van strenge het testen en aanvaardingscriteria eisen, zouden de producenten periodieke analyse van productiematriaal sterk moeten overwegen om de kwaliteit van matriaal dat in gebeëindigde delen gaat voortdurend te valideren.
– Vullingsinhoud. Vaak zijn vulstoffen essentieel voor de sterkte en duurzaamheid van het onderdeel. Echter, verschillende soorten en percentages van vulstoffen in onderdelen kan het succes van kunststoffen verbindingsprocessen beïnvloeden. Branson adviseert om het vulstofgehalte onder de 30% te houden. Het verbinden van delen die een hoger percentage vuller bevatten, vooral lange vezels, zal soms resulteren in vullers die zich bij de lasverbinding ophopen, wat de lassterkte kan verminderen.
Een ander probleem zijn schurende vullers. Sommige vulstoffen die extra sterkte of taaiheid geven, zoals calciumcarbonaat, silica en talk, kunnen ook schuren op de contactoppervlakken van de gereedschappen. Langdurige blootstelling van schurende delen aan oppervlakken van gereedschappen kan slijtage veroorzaken die kan leiden tot cosmetische schade aan delen en onvoldoende energieoverdracht naar de oppervlakken waar de delen aan elkaar worden gekoppeld.
Wisselen naar titanium hoorns met slijtvaste oppervlakken (bijvoorbeeld hardmetaal of titaniumnitride) wordt aanbevolen. Voor fixturing, wordt staal of gehard roestvrij staal aanbevolen.
PART CONFIGURATION & TROUBLESHOOTING
Het hebben van al het andere – apparatuur, materialen en proces – zal niet veel betekenen als de onderdelen die u probeert te lassen niet goed zijn ontworpen. Maar in plaats van te proberen alle details van een goed onderdeelontwerp hier te bespreken, laten we ons in plaats daarvan richten op enkele van de basisoorzaken van onjuist onderdeelontwerp:
– Gebrek aan duidelijk gedefinieerde project- of toepassingsdoelen. Veel toepassingsprojecten ondervinden problemen als er een “bewegend doel” is voor testen en acceptatie. Bijvoorbeeld, zal de toepassing een valtest vereisen? Een druktest? En zo ja, bij welke waarden? Deze waarden zijn essentieel om effectief verder te gaan met het ontwerp van een afdichtingsvoeg. Over het algemeen moeten acceptatiecriteria in een vroeg stadium worden overwogen en vastgesteld, wil een ontwerp soepel verlopen.
– Gebrek aan inzicht in de beste verbindingstypen voor bepaalde toepassingen. Sub-optimale verbindingsontwerpen komen vaak voor wanneer een hoofdontwerper, die slechts een marginaal begrip van plastieken verbindingsprocessen kan hebben, een project vooruit beweegt slechts om te vinden dat een onjuist besluit is genomen en dat de kenmerken van de deelverbinding en de las niet behoorlijk zijn overwogen.
Dikwijls, worden dergelijke bevindingen gedaan slechts nadat de significante investering (vorm voltooiing, deelproductie, en aanvankelijke lasproeven) reeds is gedaan. Nogmaals, belangrijke deel- en lasgerelateerde overwegingen (lasflash controle en afdichtingstype-hermetisch, structureel, of beide) zouden vroeg in het project moeten worden bepaald. Samenwerking met een ingenieur op het gebied van ultrasoon lassen in de beginfase van een project kan helpen bij het identificeren van de belangrijkste onderdeelcriteria, het beter voorlichten van ontwerpers, en helpen bij het minimaliseren of op zijn minst verhelderen van mogelijke risico’s.
– Schimmelslijtage, gewoonlijk veroorzaakt door het gebruik van schurende polymeren of vulstoffen, kan na verloop van tijd resulteren in onderdelen die wezenlijk en qua afmetingen verschillen van eerder gevalideerde onderdelen. Als gevolg daarvan voldoen de belangrijkste verbindingskenmerken, zoals energieregelaars of afschuivingsinterferentieverbindingen, niet meer aan de specificaties. Onderdeelprofielen passen mogelijk niet meer goed in de gereedschapsset. De lasresultaten kunnen meer en meer inconsistent worden. De remedies voor dit probleem omvatten het herwerken van de bestaande vorm of het produceren van een nieuwe mold.
Ultimately, kunnen de kwesties met ultrasoon gelaste delen van vele bronnen opduiken. Het bellen van uw lokale ultrasoon-lasapparatuur vertegenwoordiger zodra een probleem wordt vermoed kan diagnose en remediërende tips, vaak bereikt via telefoongesprekken of e-mails die u kunnen helpen identificeren, minimaliseren, of op te lossen potentiële productieproblemen. Om de behoefte aan probleemoplossing te verminderen, volg deze beste praktijken:
– Werk vroeg in het ontwerp van uw project samen (of herontwerp als de significante materiële, vorm, of functionele veranderingen worden overwogen) met de de toepassing-ingenieurs van uw ultrasone-lasmateriaalleverancier deskundigen.
– Houd altijd een reserve van reserveonderdelen van productiekwaliteit beschikbaar, met name voor kritische toepassingen waar productieonderbrekingen aanzienlijke operationele of financiële problemen zouden veroorzaken. De reserveproductieonderdelen zijn een essentiële hulp om verbindingsproblemen op te lossen en, in een leveringsnauwkeurigheid, kunnen productie rollend houden met een minimum van onderbreking.
– Haal voordeel uit opleidingsmogelijkheden die u toelaten om de plastieken verbindingstechnologie te beheersen u gebruikt. Branson, voor één, biedt seminaries bij een verscheidenheid van collectieve plaatsen en klantenplaatsen aan, die de praktische opleiding en de technische hulp verstrekken nodig om uw ultrasone proces “kampioen” goed geïnformeerd te houden over de recentste technologie en klaar om technologie op te leiden en te handhaven zoals nodig in uw faciliteit. Ontwerpingenieurs, kwaliteitsingenieurs, onderhoudspersoneel van apparatuur en operationeel/productiepersoneel kunnen allemaal voordeel halen uit de tijd die wordt geïnvesteerd in trainingssessies.
OVER DE AUTEUR: David Dahlstrand is Emerson’sr. regionale technische coördinator/textielontwikkelingsingenieur voor Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Conn. Hij heeft kennis van toepassingen en het ontwerpen van gereedschappen voor ultrasone, vibratie, orbitale, thermische en laser-verbindingstechnologieën die worden gebruikt bij de assemblage van harde thermoplasten, synthetisch textiel en films. Contact: (770) 962-2111, ext 17; [email protected]; emerson.com.
GERELATEERDE INHOUD
-
SPUITGIETEN: Automatisering en integratie op K Show
Er waren nieuwe persen van alle strepen in overvloed op K 2010, maar de “wow”-factor werd geleverd door geautomatiseerde werkcellen en geïntegreerde manu-facturing systemen uitvoeren van meerdere bewerkingen voor, tijdens en na het gieten.
-
Leer Lasers en Hun Rollen in Plastieken kennen
De verwerking van plastieken is één van de snelst groeiende toepassingsgebieden voor laser technology.
-
Laser Marking heeft een Heldere Toekomst in Plastieken
De snelle, programmeerbare, milieuvriendelijke lasermarkering heeft een niche in basis het merken van data en productcodes gevestigd, maar het is tot veel meer in staat. De markt heeft nauwelijks het repertoire van decoratieve effecten aangeraakt dat met de bredere waaier van vandaag van laser-merkbare harsen, pigmentatietechnologie, en lasermateriaal beschikbaar is.