Szgrzewanie ultradźwiękowe jest powszechnie uznanym i akceptowanym procesem łączenia materiałów termoplastycznych. Oferuje wiele zalet, w tym niezawodność i powtarzalność procesu, niższe zużycie energii niż w przypadku innych technik łączenia, oszczędność materiałów (ponieważ nie ma potrzeby stosowania materiałów eksploatacyjnych, takich jak klej lub łączniki mechaniczne) oraz oszczędność pracy.
Jak w przypadku każdego procesu, istnieją jednak sytuacje, w których widoczne problemy z tą techniką mogą zakłócić proces produkcji. Kluczem do rozwiązania i uniknięcia tych problemów jest zrozumienie ich prawdopodobnych źródeł. Przetwórcy, którzy z powodzeniem stosują zgrzewanie ultradźwiękowe, zazwyczaj mają dwie podstawowe cechy: mają dobrze udokumentowany, zwalidowany proces zgrzewania, a proces ten jest wspierany i utrzymywany przez dobrze wyszkolonego „mistrza”. Jeżeli jeden lub oba z tych ważnych czynników nie występują, prawdopodobnie bardzo szybko zwrócisz się o pomoc. Nawet jeśli oba te czynniki są obecne, możliwe jest, że będziesz potrzebował pomocy lub wsparcia technicznego przynajmniej raz na jakiś czas.
JAK DZIAŁA PROCES
Przed zbadaniem częstych przyczyn problemów ze spawaniem ultradźwiękowym, poświęćmy chwilę na zrozumienie samego cyklu spawania. W procesie zgrzewania ultradźwiękowego, wibracje o wysokiej częstotliwości są nakładane na powierzchnie dwóch części przez wibrujące narzędzie, powszechnie nazywane „tubą” lub „sonotrodą”. Zgrzewanie następuje w wyniku tarcia o ciepło wytwarzane na styku części. Wibracje ultradźwiękowe są wytwarzane przez szereg komponentów – zasilacz, konwerter, wzmacniacz i tubę – które dostarczają drgań mechanicznych do części.
Jak pokazano na Rys. 1, zasilacz pobiera standardowe napięcie z linii elektrycznej i przekształca je na częstotliwość roboczą. W poniższym przykładzie wykorzystamy powszechnie stosowaną częstotliwość spawania ultradźwiękowego 20 kHz, chociaż spawanie może odbywać się w zakresie od 15 do 60 kHz, aby spełnić specjalistyczne potrzeby. Podczas pracy, źródło zasilania wysyła energię elektryczną o określonej częstotliwości przez kabel RF do konwertera. Konwerter wykorzystuje ceramikę piezoelektryczną do konwersji energii elektrycznej na drgania mechaniczne o częstotliwości roboczej źródła zasilania. Te drgania mechaniczne są albo zwiększane albo zmniejszane w zależności od konfiguracji wzmacniacza i tuby. Właściwa amplituda drgań mechanicznych jest określana przez inżyniera aplikacji i opiera się na materiałach termoplastycznych stosowanych w częściach.
Części do spawania są poddawane obciążeniu mechanicznemu, zazwyczaj za pomocą siłownika pneumatycznego, który utrzymuje wzmacniacz i róg. Pod tym obciążeniem, drgania mechaniczne są przenoszone na interfejs pomiędzy powierzchniami materiałów, który koncentruje drgania, tworząc tarcie międzycząsteczkowe i powierzchniowe. W wyniku tego tarcia powstaje ciepło, a następnie stopienie, które zestala się w spoinę.
Podstawowymi elementami systemu ultradźwiękowego są zasilacz, siłownik i stos (patrz rys. 2). Zasilacz pobiera napięcie sieciowe o wartości nominalnej 120-240 V i przekształca je w sygnał o wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości. Zawiera również oprogramowanie niezbędne do sterowania siłownikiem i stosem w sposób kontrolowany, aby uzyskać pożądany rezultat spawania. Siłownik, sterowany pneumatycznie lub elektrycznie, dostępny jako samodzielna jednostka stacjonarna lub zintegrowany w zautomatyzowanym systemie, przesuwa oprzyrządowanie ultradźwiękowe w kierunku łączonych części. Stosuje ona potrzebną siłę do materiałów, aby pomóc stworzyć warunki spawania.
Stos ultradźwiękowy uzupełnia system. Przenosi on energię wibracji, poprzez bezpośredni kontakt z częściami, na powierzchnię uszczelniającą/łączącą. Stos składa się zazwyczaj z trzech elementów: przetwornika lub konwertera (opisanego powyżej), zawierającego piezoelektryczne kryształy ceramiczne, które oscylują z częstotliwością przyłożonego sygnału zasilającego. Gdy kryształy te oscylują, fizycznie rozszerzają się i kurczą, tworząc mierzalny ruch mechaniczny (określany jako amplituda międzyszczytowa) po stronie wyjściowej przetwornika.
Druga sekcja, wzmacniacz, z dołączonym pierścieniem w jego środkowej części, pełni dwie funkcje: Działa jako punkt mocowania stosu do siłownika, a także służy do wzmocnienia lub zmniejszenia ruchu wyjściowego wytworzonego w przetworniku.
Trzecim i ostatnim elementem stosu jest róg (sonotroda), który będzie stykał się z łączonymi częściami. Róg będzie zaprojektowany tak, aby pasował do profilu sztywnych części, które mają być połączone lub może mieć profil uszczelniający dodany do jego powierzchni stykowej w aplikacji folii/tekstylnej. Dla każdego zastosowania róg jest zaprojektowany tak, aby łączyć się z innymi elementami stosu w celu osiągnięcia optymalnego poziomu amplitudy wyjściowej, aby umożliwić zgrzewanie ultradźwiękowe tak wydajnie, jak to możliwe.
TYPOWE USTERKI
Problemy występują zwykle w jednym z czterech obszarów:
1. Wyposażenie: Urządzenie do zgrzewania ultradźwiękowego lub różne elementy zgrzewające nie są dostosowane do aplikacji.
2. Parametry procesu: Zastosowane parametry są niedostosowane do łączonych części.
3. Materiały: Wprowadzane są zmiany w rodzaju, składzie lub właściwościach fizycznych/mechanicznych materiałów stosowanych w częściach.
4. Projekt części: Niektóre szczegóły geometrii części nie nadają się do powtarzalnego lub udanego spawania.
Należy również zauważyć, że czasami problem zidentyfikowany w jednym obszarze może ujawnić słabość lub niedociągnięcie w innym obszarze.
Zacznijmy od sprzętu. Łatwo i zazwyczaj logicznie jest myśleć, że sprzęt i metody, które dają udane spoiny w jednym zastosowaniu, będą takie same w innym. Ale to nie jest uniwersalna prawda. Na całym świecie zgrzewarki ultradźwiękowe 20 kHz są zdecydowanie najczęściej używane; ze względu na swoją wszechstronność, zgrzewarki te mogą dostarczać dużą moc (do 6000 W) i wysoką amplitudę wyjściową, a także mogą pomieścić szeroki zakres dostępnych rozmiarów narzędzi. Dla producenta kontraktowego, który produkuje części spawane ultradźwiękowo, sprzęt 20 kHz może być świetną inwestycją, ponieważ oferuje obietnicę przyszłego wykorzystania w wielu zastosowaniach.
Jednakże istnieją pewne przypadki – szczególnie z małymi i delikatnymi częściami – gdzie możliwości sprzętu 20 kHz w zakresie wysokiej mocy i amplitudy mogą okazać się zbyt „agresywne” dla niektórych zespołów, potencjalnie prowadząc do ich uszkodzenia. Jednym z możliwych rozwiązań jest zmniejszenie amplitudy wejściowej, ale to nie zadziała, jeśli zastosowana amplituda jest poniżej zalecanego poziomu dla zgrzewanego polimeru.
Innym środkiem zaradczym jest przyjrzenie się sprzętowi, który działa na wyższej częstotliwości, być może 30 lub 40 kHz, pod warunkiem, że oprzyrządowanie wymagane przez aplikację jest dostępne do pracy na tej częstotliwości. Sprzęt o wyższej częstotliwości wytwarza mniejszą amplitudę wyjściową, ale kompensuje to poprzez rezonowanie przy wyższej częstotliwości. Dlatego zgrzewarki o wyższej częstotliwości są uważane za „delikatniejsze” w stosowaniu energii ultradźwiękowej do części. Zespoły elektroniczne, szczególnie te z delikatnymi zegarami/oscylatorami i innymi komponentami umieszczonymi na płytkach drukowanych, skorzystały z tego podejścia. W podobny sposób, części, które cierpią z powodu „diafragmy” lub „puszki olejowej” z powodu nadmiernego ruchu jednej ze współpracujących części, często odnoszą korzyści ze zmiany na sprzęt o wyższej częstotliwości.
Innym potencjalnym czynnikiem są awarie sprzętu. Rzadko zdarzają się one bez ostrzeżenia. Jednym z oczywistych przykładów jest zmiana lub wzrost poziomu hałasu generowanego podczas pracy spawarki. Doświadczeni operatorzy i personel konserwacyjny są często wyczuleni na takie subtelne wahania harmoniczne i powinni zawsze informować o tych zmianach przełożonych. Usłyszenie „skrzypiącego koła” wcześniej niż później może pozwolić na identyfikację i rozwiązanie problemu zanim wpłynie to negatywnie na produkcję.
Podobnie, nowsze urządzenia ultradźwiękowe pozwalają użytkownikom na wykonywanie interaktywnych kontroli funkcji diagnostycznych, które jeśli zostaną właściwie zinterpretowane i użyte w połączeniu z innymi znakami ostrzegawczymi, takimi jak hałas, mogą ostrzec użytkownika o niepokojących trendach zanim staną się one poważnymi problemami. Zasilacze, poprzez zaawansowane protokoły komunikacyjne, mogą uzyskać dane takie jak „wyniki wykresu spoin” i „skany rogów”, które mogą być porównane z danymi bazowymi uzyskanymi, gdy sprzęt był nowy, niedawno serwisowany lub gdy wiadomo, że działa zgodnie z normami.
Dysponując tymi informacjami, doświadczeni użytkownicy mogą skupić się na rozwiązywaniu problemów i określić, czy wymagane jest podjęcie dodatkowych działań lub dalsze monitorowanie. Po zidentyfikowaniu obszaru problemowego, zastąpienie znanych, dobrych komponentów komponentami podejrzanymi jest jednym ze sposobów pozytywnej identyfikacji urządzeń spawalniczych, które wymagają naprawy lub działań korygujących. Przykłady przydatnych danych diagnostycznych obejmują:
– Dane wykresu spoiny. Może to pomóc w określeniu różnic pomiędzy dobrymi i podejrzanymi częściami. Dane wyświetlane na wykresie spoiny, jak widać na Rys. 3, obejmują amplitudę, pobór prądu, moc, częstotliwość i fazę. Zmiany amplitudy, fazy, częstotliwości i prądu mogą wskazywać na problem z zasilaczem lub stosem. Rozbieżność w poborze mocy może wskazywać na zmianę procesu (taką jak ciśnienie spawania), zmianę geometrii części (tolerancje, zwłaszcza w obszarze łączenia mogły ulec zmianie) lub problem z komponentem stosu (róg lub konwerter zaczyna szwankować).
– Skanowanie diagnostyczne rogu. Określa, czy klakson pobiera więcej mocy (wyświetlanej jako wzrost mocy potrzebnej do pracy w powietrzu). Zwiększony pobór mocy może oznaczać, że w tubie tworzy się pęknięcie. Takie pęknięcia są czasami wewnętrzne i dlatego nie zawsze są widoczne gołym okiem.
– Dane losowe. Dane, które wydają się chaotyczne w porównaniu ze znanymi, dobrymi danymi, mogą wskazywać na uszkodzenie konwertera, tuby lub kabla o częstotliwości radiowej, jak widać na rys. 4.
PARAMETRY PROCESU & MATERIAŁY
Staranna kontrola i dokumentacja parametrów procesu to kolejny obszar, którego nie można pominąć. Wiedzą o tym producenci komponentów medycznych i motoryzacyjnych, którzy przestrzegają ścisłych procedur, często nakazanych przez agencje regulacyjne, takie jak FDA, co skutkuje wysokim stopniem sukcesu przy stosowaniu zgrzewania ultradźwiękowego.
Niestety, przetwórcy innych produktów, takich jak zabawki lub produkty jednorazowego użytku, często działają zgodnie z dużo mniej rygorystycznymi wymaganiami i stosują dużo słabszą kontrolę procesu. W sytuacjach takich jak ta, powszechne może być ciągłe dostosowywanie ustawień przez operatorów w odpowiedzi na zmieniające się warunki części lub produkcji. Chociaż takie podejście może skutkować zadowalającą produkcją, wszelkie problemy, które wystąpią, mogą być trudniejsze do zdiagnozowania, zwłaszcza zdalnie, gdy parametry procesu często się zmieniają. Na przykład, czy ostatnia zmiana parametrów była spowodowana problemem ze sprzętem, zmianą składu lub jakości części?
Typowo, gdy zastosowanie takie jak to wymaga pomocy, inżynier ds. zastosowań spawania ultradźwiękowego, po zadaniu kilku podstawowych pytań dotyczących części (materiał, projekt złącza, wymagania testowe i aktualne ustawienie maszyny) może skierować klienta do właściwego rozwiązania. Takie podejście jest szczególnie przydatne, gdy rozwiązywanie problemów może być przeprowadzone bezpośrednio przy maszynie, z wykorzystaniem części produkcyjnych. Przegląd procesu rozwiązywania problemów/regulacji parametrów pokazano na rys. 5.
Kwestie związane z materiałem są częstym źródłem niespójności lub problemów w produkcji. Jak zauważono w poniższych przykładach, nawet niewielkie różnice w materiałach mogą mieć dramatyczny wpływ na jakość spoiny lub produkcji:
– Zmiany polimerów. Ponieważ ceny ulegają wahaniom, często zdarza się, że przetwórcy chcą zmieniać polimery z powodów ekonomicznych. Jednak przed dokonaniem jakiejkolwiek zmiany rozsądnie jest skonsultować się z ekspertem od zastosowań zgrzewania ultradźwiękowego.
Jednym z przykładów powszechnej, lecz potencjalnie kłopotliwej zmiany jest przejście z łatwego do zgrzewania materiału amorficznego, takiego jak ABS, na znacznie trudniejszy do zgrzewania polimer półkrystaliczny, taki jak PP. ABS wymaga niższej mocy stosu ultradźwiękowego (30-70 mikronów przy 20 kHz) do udanego zgrzewania niż PP (90-120 mikronów). Jeśli ta zmiana powoduje, że części nie mają takiej wytrzymałości, jaką miały wcześniej, lub spawanie trwa dłużej, lub jeśli spoiny powodują uszkodzenie wrażliwych powierzchni montażowych/komponentów, problemem może być brak mocy stosu ultradźwiękowego. Badanie komponentów stosu, w szczególności tuby i wzmacniacza, jest uzasadnione w celu określenia, czy ulepszenia któregokolwiek z tych komponentów pozwolą
na efektywne spawanie nowego polimeru i przywrócą aplikację do „normalnego” zakresu sukcesu.
– Wysoka zawartość regranulatu. Termoplasty regenerowane, chociaż mogą być wielokrotnie topione i reformowane, ulegają pewnemu pogorszeniu swoich właściwości fizycznych przy każdym kolejnym przetopieniu. Skumulowany efekt zbyt dużej ilości materiału wtórnego może doprowadzić do tego, że części nie spełnią wymagań specyfikacji. Z tego powodu, firma Branson zaleca, aby w częściach, które mają być spawane ultradźwiękowo, nie stosować więcej niż 10% materiału do ponownego szlifowania. W szczególnych zastosowaniach, które wymagają zgodności z rygorystycznymi testami i kryteriami odbioru, producenci powinni zdecydowanie rozważyć okresową analizę materiałów produkcyjnych w celu ciągłego potwierdzania jakości materiałów wchodzących w skład gotowych części.
– Zawartość wypełniaczy. Często, wypełniacze są niezbędne do zapewnienia wytrzymałości i trwałości części. Jednak różne rodzaje i udziały procentowe wypełniaczy w częściach mogą mieć wpływ na powodzenie procesów łączenia tworzyw sztucznych. Firma Branson zaleca, aby zawartość wypełniaczy nie przekraczała 30%. Łączenie części, które zawierają większy procent wypełniacza, szczególnie długich włókien, spowoduje czasami gromadzenie się wypełniaczy w spoinie, co może zmniejszyć wytrzymałość spoiny.
Innym problemem są wypełniacze ścierne. Niektóre wypełniacze, które nadają dodatkową wytrzymałość lub twardość, w tym węglan wapnia, krzemionka i talk, mogą być również ścierne dla powierzchni kontaktowych oprzyrządowania. Przedłużona ekspozycja części ściernych na powierzchnie oprzyrządowania może powodować zużycie, które może prowadzić do kosmetycznych uszkodzeń części i nieodpowiedniego przenoszenia energii na powierzchnie łączące części.
Zaleca się wymianę na tytanowe rogi z powierzchniami odpornymi na zużycie (np. węglik lub azotek tytanu). Do mocowania zalecana jest stal lub hartowana stal nierdzewna.
KONFIGURACJA CZĘŚCI &ROZWIĄZYWANIE PROBLEMÓW
Mając wszystko inne we właściwym miejscu – sprzęt, materiały i proces – nie znaczysz wiele, jeśli części, które próbujesz spawać, nie są właściwie zaprojektowane. Ale zamiast próbować omówić tutaj wszystkie szczegóły dobrego projektu części, skupmy się na kilku podstawowych przyczynach niewłaściwego projektowania części:
– Brak jasno zdefiniowanych celów projektu lub aplikacji. Wiele projektów aplikacji doświadcza trudności, gdy istnieje „ruchomy cel” dla testowania i akceptacji. Na przykład, czy aplikacja będzie wymagała przeprowadzenia próby spadania? Testu ciśnieniowego? A jeśli tak, to przy jakich wartościach? Wartości te są niezbędne, aby skutecznie kontynuować projektowanie złącza uszczelniającego. Generalnie, kryteria akceptacji wymagają wczesnego rozważenia i podjęcia decyzji, jeżeli projekt ma przebiegać bezproblemowo.
– Brak wiedzy na temat najlepszych typów złączy dla poszczególnych zastosowań. Nieoptymalne projekty złączy często pojawiają się, gdy główny projektant, który może mieć jedynie marginalne pojęcie o procesach łączenia tworzyw sztucznych, posuwa projekt naprzód tylko po to, aby stwierdzić, że podjęto niewłaściwą decyzję i że charakterystyka złączy i spoin nie została właściwie uwzględniona.
Często takie odkrycia są dokonywane dopiero po dokonaniu znacznych inwestycji (ukończenie form, produkcja części i wstępne próby spoin). Po raz kolejny, kluczowe kwestie związane z częścią i spoiną (kontrola błysku spoiny i rodzaj uszczelnienia – hermetyczne, strukturalne lub oba) powinny zostać określone na wczesnym etapie projektu. Współpraca z inżynierem zajmującym się spawaniem ultradźwiękowym na początkowych etapach projektu może pomóc w określeniu kluczowych kryteriów części, lepiej wyedukować projektantów i pomóc zminimalizować lub przynajmniej naświetlić możliwe zagrożenia.
– Zużycie formy, zwykle spowodowane stosowaniem polimerów ściernych lub wypełniaczy, może z czasem prowadzić do powstawania części, które różnią się zasadniczo i wymiarowo od wcześniej zatwierdzonych części. W rezultacie, główne cechy łączące, takie jak dyrektorów energii lub ścinanie interferencji stawów, nie są już w ramach specyfikacji. Profile części mogą już nie pasować prawidłowo do zestawu narzędzi. Wyniki spawania mogą stawać się coraz bardziej niespójne. Środki zaradcze dla tego problemu obejmują przerobienie istniejącej formy lub wyprodukowanie nowej formy.
Ostatecznie, problemy z częściami spawanymi ultradźwiękowo mogą pojawić się z wielu źródeł. Zadzwonienie do lokalnego przedstawiciela sprzętu do zgrzewania ultradźwiękowego, gdy tylko pojawi się podejrzenie problemu, może umożliwić postawienie diagnozy i udzielenie wskazówek zaradczych, często za pośrednictwem telefonu lub poczty elektronicznej, które mogą pomóc w zidentyfikowaniu, zminimalizowaniu lub rozwiązaniu potencjalnych problemów produkcyjnych. Aby ograniczyć konieczność rozwiązywania problemów, należy stosować następujące najlepsze praktyki:
– Współpracuj na wczesnym etapie projektowania projektu (lub przeprojektowywania, jeśli rozważane są znaczące zmiany materiału, formy lub funkcji) z ekspertami od inżynierii aplikacji dostawcy sprzętu do zgrzewania ultradźwiękowego.
– Zawsze utrzymuj zapas zapas zapasowych komponentów o jakości produkcyjnej, szczególnie w przypadku zastosowań krytycznych, w których przerwy w produkcji mogłyby spowodować poważne problemy operacyjne lub finansowe. Zapasowe części produkcyjne są istotną pomocą w rozwiązywaniu problemów z łączeniem, a w razie problemów z dostawami mogą utrzymać produkcję przy minimalnym przestoju.
– Korzystaj z możliwości szkoleń, które pozwolą Ci opanować stosowaną technologię łączenia tworzyw sztucznych. Firma Branson, na przykład, oferuje seminaria w różnych miejscach w firmie i u klientów, zapewniając praktyczne szkolenia i pomoc techniczną potrzebną do tego, aby „mistrz” procesu ultradźwiękowego był dobrze poinformowany o najnowszej technologii i gotowy do szkolenia i konserwacji technologii w miarę potrzeb w zakładzie. Inżynierowie projektanci, inżynierowie ds. jakości, personel zajmujący się konserwacją sprzętu oraz personel operacyjny/produkcyjny mogą czerpać korzyści z czasu zainwestowanego w sesje szkoleniowe.
OPOWIEŚĆ O AUTORZE: David Dahlstrand jest sr. regionalnym koordynatorem technicznym/inżynierem ds. rozwoju tkanin w firmie Emerson w Branson Ultrasonics Corp. w Danbury, Conn. Posiada wiedzę na temat zastosowań i projektowania narzędzi dla technologii łączenia ultradźwiękowego, wibracyjnego, orbitalnego, termicznego i laserowego wykorzystywanych w montażu sztywnych tworzyw termoplastycznych, tkanin syntetycznych i folii. Kontakt: (770) 962-2111, wew. 17; [email protected]; emerson.com.
ZWIĄZANE TREŚCI
-
FORMOWANIE WTRYSKOWE: Automatyzacja i integracja na targach K Show
Na targach K 2010 pojawiło się mnóstwo nowych pras wszelkiego rodzaju, ale czynnika „wow” dostarczyły zautomatyzowane gniazda robocze i zintegrowane systemy produkcyjne wykonujące wiele operacji przed, w trakcie i po formowaniu.
-
Poznaj lasery i ich role w tworzywach sztucznych
Przetwórstwo tworzyw sztucznych jest jednym z najszybciej rozwijających się obszarów zastosowań technologii laserowej.
-
Znakowanie laserowe ma świetlaną przyszłość w tworzywach sztucznych
Szybkie, programowalne, czyste dla środowiska znakowanie laserowe ustanowiło niszę w podstawowym znakowaniu dat i kodów produktów, ale jest zdolne do znacznie więcej. Rynek ledwie dotknął repertuaru efektów dekoracyjnych dostępnych dzięki dzisiejszej szerszej gamie żywic znakowalnych laserowo, technologii pigmentacji oraz urządzeń laserowych.