Sudarea cu ultrasunete este un proces recunoscut și acceptat pe scară largă pentru îmbinarea materialelor termoplastice. Oferă multe avantaje, inclusiv fiabilitatea și repetabilitatea procesului, un consum mai mic de energie decât alte tehnici de îmbinare, economii de materiale (deoarece nu este nevoie de materiale consumabile, cum ar fi adezivul sau dispozitivele de fixare mecanice) și economii de forță de muncă.
Dar, ca în cazul oricărui proces, există situații în care problemele aparente ale acestei tehnici pot întrerupe procesul de producție. Cheia pentru rezolvarea și evitarea acestor probleme este înțelegerea originii lor probabile. Procesatorii care reușesc să utilizeze cu succes sudarea cu ultrasunete au de obicei două trăsături principale: au un proces de sudare bine documentat și validat; iar acest proces este susținut și întreținut de un „campion” rezident bine pregătit. Dacă unul sau amândoi acești factori importanți nu sunt prezenți, probabil că veți apela foarte curând la ajutor. Chiar și cu ambii prezenți, este posibil să aveți nevoie de ajutor sau de asistență tehnică cel puțin din când în când.
CUM FUNCȚIONEAZĂ PROCESUL
Înainte de a examina cauzele comune ale problemelor de sudare cu ultrasunete, să ne oprim un moment pentru a înțelege ciclul de sudare în sine. În sudarea ultrasonică, vibrațiile de înaltă frecvență sunt aplicate suprafețelor a două piese de către o unealtă vibrantă, numită în mod obișnuit „corn” sau „sonotrod”. Sudarea are loc ca urmare a căldurii de frecare generate la interfața dintre piese. Vibrațiile ultrasonice sunt create de o serie de componente – sursa de alimentare, convertorul, amplificatorul și cornul – care furnizează vibrații mecanice pieselor.
Cum se arată în Fig. 1, sursa de alimentare preia o tensiune de linie electrică standard și o convertește la o frecvență de funcționare. În exemplul următor, vom utiliza o frecvență obișnuită de sudare cu ultrasunete de 20 kHz, deși sudarea poate avea loc pe o gamă de 15 până la 60 kHz pentru a satisface nevoi specializate. În timpul funcționării, sursa de alimentare trimite energie electrică la frecvența specificată prin intermediul unui cablu RF către convertor. Convertorul utilizează ceramică piezoelectrică pentru a converti energia electrică în vibrații mecanice la frecvența de funcționare a sursei de alimentare. Aceste vibrații mecanice sunt fie mărite, fie micșorate în funcție de configurația amplificatorului și a claxonului. Amplitudinea adecvată a vibrațiilor mecanice este determinată de un inginer de aplicații și se bazează pe materialele termoplastice utilizate în piese.
Piesele care urmează să fie sudate sunt puse sub o sarcină mecanică, în general cu un dispozitiv de acționare pneumatică care susține amplificatorul și cornul. Sub această sarcină, vibrațiile mecanice sunt transmise la interfața dintre suprafețele materialelor, care concentrează vibrațiile pentru a crea frecare intermoleculară și superficială. Această frecare creează căldură și o topire ulterioară, care se solidifică într-o legătură sudată.
Componentele de bază ale unui sistem cu ultrasunete sunt o sursă de alimentare, un actuator și o stivă (a se vedea Fig. 2). Sursa de alimentare preia tensiunea de linie la o valoare nominală de 120-240V și o transformă într-un semnal de înaltă tensiune și de înaltă frecvență. Aceasta conține, de asemenea, programarea necesară pentru a acționa actuatorul și stiva într-un mod controlat pentru a obține un rezultat de sudură dorit. Actuatorul, acționat pneumatic sau servoacționat electric și disponibil ca unitate de banc autonomă sau integrat într-un sistem automatizat, deplasează scula cu ultrasunete spre piesele care urmează să fie îmbinate. Acesta aplică forța necesară asupra materialelor pentru a ajuta la crearea condițiilor de sudare.
Stația cu ultrasunete completează sistemul. Acesta transferă energia vibratorie, prin contactul direct cu piesele, către suprafața de etanșare/unire. Stiva constă, de obicei, din trei elemente: transductorul sau convertorul (descris mai sus), care conține cristalele ceramice piezoelectrice care oscilează la frecvența semnalului de alimentare aplicat. Pe măsură ce aceste cristale oscilează, ele se dilată și se contractă fizic, creând o mișcare mecanică măsurabilă (denumită amplitudine de la vârf la vârf) în partea de ieșire a traductorului.
A doua secțiune, amplificatorul, cu un inel atașat în secțiunea sa mediană, are două funcții: Acționează ca punct de montare a stivei în actuator și, de asemenea, servește la amplificarea sau reducerea mișcării de ieșire create în transductor.
Cea de-a treia și ultima componentă a stivei este cornul (sonotrodul) care va intra în contact cu piesele ce urmează a fi îmbinate. Cornul va fi proiectat pentru a se potrivi cu profilul pieselor rigide care urmează să fie îmbinate sau poate avea un profil de etanșare adăugat pe fața sa de contact într-o aplicație de film/textil. Pentru fiecare aplicație, cornul este proiectat pentru a se combina cu celelalte componente ale stivei pentru a atinge nivelul optim de ieșire a amplitudinii, astfel încât să permită ca sudarea cu ultrasunete să aibă loc cât mai eficient posibil.
Împiedicări tipice
Problemele apar, de obicei, într-una din cele patru zone:
1. Echipament: Echipamentul de sudare cu ultrasunete sau diferite componente de sudare nu sunt adecvate aplicației.
2. Parametrii procesului: Parametrii utilizați nu sunt potriviți pentru piesele care se îmbină.
3. Materiale: Se fac modificări în tipul, compoziția sau caracteristicile fizice/mecanice ale materialelor utilizate în piese.
4. Proiectarea piesei: Anumite detalii ale geometriei piesei nu sunt potrivite pentru o sudare repetabilă sau reușită.
De asemenea, trebuie remarcat faptul că, uneori, o problemă identificată într-un domeniu poate expune o slăbiciune sau o deficiență într-un alt domeniu.
Să începem cu echipamentul. Este ușor și, de obicei, logic să credem că echipamentele și abordările care produc suduri de succes într-o aplicație o vor face și în alta. Dar acest lucru nu este universal adevărat. La nivel mondial, aparatele de sudură cu ultrasunete de 20 kHz sunt de departe cele mai utilizate; datorită versatilității lor, aceste aparate de sudură pot furniza o putere mare (până la 6000 W) și ieșiri de mare amplitudine și se pot adapta la o gamă largă de dimensiuni de scule disponibile. Pentru un producător pe bază de contract care produce piese sudate cu ultrasunete, echipamentele de 20 kHz pot fi o investiție excelentă, deoarece oferă promisiunea unei utilizări viitoare în multe aplicații.
Cu toate acestea, există unele cazuri – în special în cazul pieselor mici și delicate – în care capacitățile de mare putere și amplitudine ridicată ale echipamentelor de 20 kHz se pot dovedi prea „agresive” pentru anumite ansambluri, putând duce la deteriorări. O soluție posibilă este reducerea amplitudinii de intrare, dar acest lucru nu va funcționa dacă amplitudinea aplicată este sub nivelul recomandat pentru polimerul care se sudează.
O altă soluție este să vă uitați la un echipament care funcționează la o frecvență mai mare, poate 30 sau 40 kHz, cu condiția ca uneltele cerute de aplicație să fie disponibile pentru utilizarea la această frecvență. Echipamentele cu frecvență mai mare produc o ieșire de amplitudine mai mică, dar compensează prin rezonanța la o frecvență mai mare. Astfel, aparatele de sudură cu frecvență mai mare sunt considerate „mai delicate” în aplicarea energiei ultrasonice pe piese. Ansamblurile electronice, în special cele cu temporizatoare/oscilatoare delicate și alte componente amplasate pe plăcile de circuite imprimate, au beneficiat de această abordare. În mod similar, piesele care suferă de „diafragmaj” sau de „canalizare a uleiului” din cauza mișcării excesive a uneia dintre piesele de îmbinare, vor beneficia adesea de trecerea la un echipament cu frecvență mai mare.
Un alt factor potențial este reprezentat de defecțiunile echipamentului. Acestea apar rareori fără avertisment. Un exemplu evident este o modificare sau o creștere a zgomotului generat în timpul funcționării unui aparat de sudură. Operatorii experimentați și personalul de întreținere sunt adesea atenți la astfel de fluctuații armonice subtile și ar trebui să comunice întotdeauna supervizorilor despre aceste schimbări. Acordarea atenției „unei roți care scârțâie” mai devreme decât mai târziu poate permite identificarea și rezolvarea unei probleme înainte ca producția să fie afectată în mod negativ.
În mod similar, echipamentele cu ultrasunete mai noi permit utilizatorilor să efectueze verificări interactive ale funcțiilor de diagnosticare, care, dacă sunt interpretate în mod corespunzător și utilizate în combinație cu alte semne de avertizare, cum ar fi zgomotul, pot alerta utilizatorul cu privire la tendințele îngrijorătoare înainte ca acestea să devină probleme majore. Sursele de alimentare, prin intermediul unor protocoale de comunicare avansate, pot obține date cum ar fi „rezultatele grafice ale sudurii” și „scanări ale claxonului” care pot fi comparate cu datele de referință obținute atunci când echipamentul era nou, a fost întreținut recent sau se știa că funcționează conform standardelor.
Cu aceste informații, utilizatorii experimentați își pot apoi concentra depanarea și pot determina dacă este necesară o acțiune suplimentară sau o monitorizare suplimentară. Odată ce a fost identificată o zonă de îngrijorare, înlocuirea componentelor bune cunoscute cu componente suspecte este o modalitate de a identifica în mod pozitiv echipamentele de sudură care necesită reparații sau acțiuni corective. Exemple de date de diagnosticare utile includ:
– Date grafice de sudură. Acest lucru poate ajuta la identificarea diferențelor dintre piesele bune și piesele suspecte. Datele afișate pe un grafic de sudură, așa cum se vede în Fig. 3, includ amplitudinea, consumul de curent, puterea, frecvența și faza. Variațiile de amplitudine, fază, frecvență și curent pot indica o problemă cu o sursă de alimentare sau cu stiva. O discrepanță în ceea ce privește consumul de energie ar putea indica o modificare a procesului (cum ar fi presiunea de sudare), o modificare a geometriei pieselor (este posibil ca toleranțele, în special în zona de îmbinare, să se fi schimbat) sau o problemă a componentei stivei (un corn sau un convertor începe să cedeze).
– Scanare de diagnosticare a cornului. Aceasta identifică dacă claxonul consumă mai multă energie (afișată ca o creștere a puterii necesare pentru a funcționa în aer). Creșterea consumului de energie ar putea indica faptul că se formează o fisură în claxon. Astfel de fisuri sunt uneori interne și, prin urmare, nu sunt întotdeauna vizibile cu ochiul liber.
– Date aleatorii. Datele care par haotice atunci când sunt comparate cu date cunoscute, bune, pot indica o defecțiune la convertor, la corn sau la cablul de radiofrecvență, așa cum se vede în Fig. 4.
PARAMETRI DE PROCES & MATERIALE
Controlul și documentarea atentă a parametrilor de proces este un alt domeniu care nu poate fi neglijat. Producătorii de componente medicale și auto știu acest lucru și urmează proceduri stricte, adesea impuse de agenții de reglementare, cum ar fi FDA, care au ca rezultat un grad ridicat de succes atunci când utilizează sudarea cu ultrasunete.
Din păcate, procesatorii altor produse, cum ar fi jucăriile sau produsele de unică folosință, operează adesea sub cerințe mult mai puțin stricte și exercită controale de proces mult mai slabe. În astfel de situații, poate fi obișnuit ca operatorii să ajusteze continuu setările ca răspuns la schimbarea pieselor sau a condițiilor de producție. Deși această abordare poate avea ca rezultat o producție satisfăcătoare, orice probleme care apar pot fi mai greu de diagnosticat, în special de la distanță, atunci când parametrii procesului variază frecvent. De exemplu, ultima modificare a parametrilor a fost provocată de o problemă a echipamentului sau de o schimbare în compoziția sau calitatea piesei?
În mod obișnuit, atunci când o astfel de aplicație necesită asistență, un inginer de aplicații de sudare cu ultrasunete, după ce pune câteva întrebări de bază legate de piese (material, designul îmbinării, cerințele de testare și configurația curentă a mașinii), poate îndruma clientul către soluția potrivită. Această abordare este utilă mai ales dacă depanarea poate fi realizată direct la mașină, folosind piese de producție. O prezentare generală a procesului de depanare/reglare a parametrilor este prezentată în figura 5.
Problemele legate de material sunt o sursă frecventă de neconcordanțe sau probleme în producție. După cum se observă în exemplele următoare, chiar și mici variații ale materialelor pot avea efecte dramatice asupra calității sudurii sau a producției:
– Modificări ale polimerilor. Pe măsură ce prețurile fluctuează, este obișnuit ca procesatorii să dorească să schimbe între polimeri similari din motive economice. Cu toate acestea, este înțelept să se consulte cu un expert în aplicații de sudare cu ultrasunete înainte de a face orice schimbare.
Un exemplu de schimbare comună, dar potențial supărătoare, implică trecerea de la un material amorf ușor de sudat, cum ar fi ABS, la un polimer semicristalin mult mai dificil de sudat, cum ar fi PP. ABS necesită o ieșire mai mică a stivei de ultrasunete (30-70 microni la 20 kHz) pentru o sudare reușită decât PP (90-120 microni). În cazul în care această schimbare are ca rezultat piese care nu mai au rezistența pe care o aveau înainte sau care necesită mai mult timp pentru a fi sudate, sau în cazul în care sudurile cauzează deteriorarea suprafețelor/componentelor sensibile ale ansamblului, problema ar putea fi lipsa de ieșire a stivei de ultrasunete. O examinare a componentelor stivei, în special a cornului și a amplificatorului, este justificată pentru a determina dacă îmbunătățirile aduse oricăreia dintre aceste componente vor permite
aplicației să sudeze eficient noul polimer și să readucă aplicația la o gamă „normală” de succes.
– Conținut ridicat de reșlefuire. Materiile termoplastice reavansate, deși pot fi topite și reformate de numeroase ori, suferă o anumită degradare a proprietăților lor fizice cu fiecare topire ulterioară. Efectul cumulativ al unei cantități prea mari de material retopit poate duce la nerespectarea specificațiilor pieselor. Din acest motiv, Branson recomandă ca în piesele care urmează să fie sudate cu ultrasunete să nu se utilizeze mai mult de 10% de reșlefuire. În aplicații specifice care necesită respectarea unor criterii riguroase de testare și acceptare, producătorii ar trebui să ia în considerare cu tărie analiza periodică a materialelor de producție pentru a valida continuu calitatea materialelor care intră în piesele finite.
– Conținutul de materiale de umplutură. Adesea, materialele de umplutură sunt esențiale pentru a asigura rezistența și durabilitatea pieselor. Cu toate acestea, diferitele tipuri și procente de materiale de umplutură din piese pot afecta succesul proceselor de îmbinare a materialelor plastice. Branson recomandă ca conținutul de materiale de umplutură să fie menținut la mai puțin de 30%. Îmbinarea pieselor care conțin un procent mai mare de materiale de umplutură, în special fibre lungi, va duce uneori la acumularea de materiale de umplutură la îmbinarea sudată, ceea ce poate reduce rezistența sudurii.
O altă problemă este reprezentată de materialele de umplutură abrazive. Unele materiale de umplutură care conferă rezistență sau tenacitate suplimentară, inclusiv carbonatul de calciu, siliciul și talcul, pot fi, de asemenea, abrazive pentru suprafețele de contact ale sculelor. Expunerea prelungită a pieselor abrazive la suprafețele sculelor poate cauza uzură care ar putea duce la deteriorarea cosmetică a pieselor și la un transfer inadecvat de energie către suprafețele de îmbinare a pieselor.
Se recomandă trecerea la coarne de titan cu suprafețe rezistente la uzură (carbură sau nitrură de titan, de exemplu). Pentru fixare, se recomandă oțel sau oțel inoxidabil călit.
CONFIGURAREA PIEȚEI & REZOLVAREA PROBLEMELOR
Dispunând de toate celelalte lucruri corect – echipament, materiale și proces – nu va însemna prea mult dacă piesele pe care încercați să le sudați nu sunt proiectate corespunzător. Dar mai degrabă decât să încercăm să trecem în revistă aici toate detaliile unei bune proiectări a pieselor, să ne concentrăm în schimb asupra câtorva dintre cauzele de bază ale proiectării necorespunzătoare a pieselor:
– Lipsa unor obiective clar definite ale proiectului sau ale aplicației. Multe proiecte de aplicații întâmpină dificultăți atunci când există o „țintă mobilă” pentru testare și acceptare. De exemplu, va necesita aplicația un test de cădere? Un test de presiune? Și dacă da, la ce valori? Aceste valori sunt esențiale pentru a proceda eficient la proiectarea unei îmbinări de etanșare. În general, criteriile de acceptare trebuie să fie luate în considerare din timp și să se ia decizii dacă se dorește ca o proiectare să decurgă fără probleme.
– Lipsa de înțelegere a celor mai bune tipuri de îmbinări pentru anumite aplicații. Proiectele de îmbinări suboptime apar adesea atunci când un proiectant principal, care poate avea doar o înțelegere marginală a proceselor de îmbinare a materialelor plastice, avansează un proiect doar pentru a constata că s-a luat o decizie incorectă și că nu s-au luat în considerare în mod corespunzător caracteristicile îmbinării și ale sudurii piesei.
De multe ori, astfel de constatări sunt făcute doar după ce s-au făcut deja investiții semnificative (finalizarea matriței, producția piesei și încercările inițiale de sudură). Încă o dată, considerațiile cheie legate de piesă și de sudură (controlul flash-ului de sudură și tipul de etanșare – ermetică, structurală sau ambele) ar trebui să fie determinate la începutul proiectului. Colaborarea cu un inginer specializat în sudare cu ultrasunete în etapele inițiale ale unui proiect poate contribui la identificarea criteriilor cheie ale pieselor, la o mai bună educare a proiectanților și la minimizarea sau cel puțin la iluminarea riscurilor posibile.
– Uzura matriței, cauzată de obicei de utilizarea polimerilor abrazivi sau a materialelor de umplutură, poate avea ca rezultat, în timp, piese care sunt substanțial și dimensional diferite de piesele validate anterior. Ca urmare, principalele caracteristici de îmbinare, cum ar fi directorii de energie sau îmbinările de interferență prin forfecare, nu mai corespund specificațiilor. Este posibil ca profilurile pieselor să nu se mai încadreze corect în setul de scule. Rezultatele sudării pot deveni din ce în ce mai incoerente. Remediile pentru această problemă includ refacerea matriței existente sau producerea unei noi matrițe.
În cele din urmă, problemele cu piesele sudate cu ultrasunete pot apărea din mai multe surse. Apelarea reprezentantului local al echipamentului de sudare cu ultrasunete de îndată ce se suspectează o problemă ar putea permite diagnosticarea și sfaturi de remediere, adesea realizate prin apeluri telefonice sau e-mail-uri care vă pot ajuta să identificați, să minimalizați sau să rezolvați potențiale probleme de producție. Pentru a reduce nevoia de depanare, urmați aceste bune practici:
– Colaborați încă de la începutul proiectării proiectului dumneavoastră (sau reproiectării, dacă sunt avute în vedere modificări semnificative de material, formă sau funcționale) cu experții în inginerie de aplicații ai furnizorului dumneavoastră de echipamente de sudare cu ultrasunete.
– Păstrați întotdeauna la dispoziție o rezervă de componente de rezervă, de calitate de producție, în special pentru aplicațiile critice în care întreruperile de producție ar cauza probleme operaționale sau financiare semnificative. Piesele de producție de rezervă sunt un ajutor vital pentru depanarea problemelor de îmbinare și, în caz de criză de aprovizionare, pot menține producția în desfășurare cu un minim de întreruperi.
– Profitați de oportunitățile de formare care vă permit să stăpâniți tehnologia de îmbinare a materialelor plastice pe care o utilizați. Branson, de exemplu, oferă seminarii la o varietate de locații corporative și la sediile clienților, asigurând instruirea practică și asistența tehnică necesare pentru ca „campionul” procesului cu ultrasunete să fie bine informat cu privire la cele mai recente tehnologii și să fie gata să instruiască și să întrețină tehnologia în funcție de necesități în instalația dumneavoastră. Inginerii de proiectare, inginerii de calitate, personalul de întreținere a echipamentelor și personalul de exploatare/producție pot cu toții să obțină beneficii din timpul investit în sesiunile de instruire.
DESPRE AUTOR: David Dahlstrand este coordonator tehnic regional sr. al Emerson/inginer de dezvoltare textilă pentru Branson Ultrasonics Corp. din Danbury, Conn. El are cunoștințe în domeniul aplicațiilor și al proiectării de scule pentru tehnologiile de îmbinare cu ultrasunete, vibrații, orbitale, termice și cu laser utilizate în asamblarea materialelor termoplastice rigide, a textilelor sintetice și a filmelor. Persoană de contact: (770) 962-2111, interior 17; [email protected]; emerson.com.
CONȚINUT CONEX
-
TURNARE PRIN INJECȚIE: Automatizare și integrare la expoziția K
La K 2010 au existat din belșug prese noi de toate tipurile, dar factorul „wow” a fost furnizat de celulele de lucru automatizate și de sistemele integrate de fabricație care efectuează multiple operațiuni înainte, în timpul și după turnare.
-
Faceți cunoștință cu laserele și cu rolurile lor în domeniul materialelor plastice
Procesarea materialelor plastice este unul dintre domeniile de aplicare cu cea mai rapidă creștere pentru tehnologia laser.
-
Marcarea cu laser are un viitor strălucit în domeniul materialelor plastice
Marcarea cu laser rapidă, programabilă și curată din punct de vedere ecologic și-a stabilit o nișă în marcarea de bază a datelor și a codurilor de produs, dar este capabilă de mult mai mult. Piața abia a atins repertoriul de efecte decorative disponibile cu gama mai largă de rășini marcabile cu laser, tehnologie de pigmentare și echipamente laser de astăzi.