Duże sonotrody i ich wykonalność

Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych ma granice fizyczne, jeśli chodzi o wielkość narzędzia zgrzewającego. Wysoko wyspecjalizowane oprogramowanie do symulacji zachowania wibracyjnego, precyzyjna technika pomiarowa oraz samouczące się, w pełni cyfrowe generatory składają się na sukces projektów, które wcześniej wydawały się nieosiągalne. Trzy przykłady z praktyki, które robią wrażenie.

Zgrzewanie dużych części 3D jest często trudne do wykonania. Szczególne wyzwanie stanowi powtarzalne przenoszenie optymalnej energii drgania w każdym punkcie geometrii zgrzewania. Optymalna energia oznacza, że ruch drgający sonotrody, zwany amplitudą, jest dostępny równomiernie w wystarczającym zakresie również w przypadku trudnego zgrzewania 3D lub bardzo dużych łączeń. Idealne narzędzia zgrzewające powstają dzisiaj przy użyciu metody elementów skończonych (FEM). W tym kontekście zachowanie wibracyjne jest symulowane komputerowo, aby możliwie jak najlepiej odtworzyć rzeczywistość. Należy przy tym szczególnie uważać na niepożądane zakłócenia rezonansowe (np. wibracje przy zginaniu). Dzięki poprawianiu algorytmów i dopasowywaniu warunków brzegowych symulacje stają się coraz lepsze i coraz dokładniej odzwierciedlają końcowe rezultaty. Większość trudności technicznych daje się rozwiązać w modelu symulacyjnym – pracochłonne i kosztowne dopasowywanie sonotrody nie jest już konieczne.

Oprócz symulacji, decydującym o sukcesie czynnikiem jest także precyzyjny pomiar sonotrody. Za pomocą laserowego wibrometru skanującego można zbadać wszystkie częstotliwości drgań własnych (tryby) i ich typowe formy drgań. Dzięki temu możliwe jest bezpośrednie porównanie z symulacją. Amplituda drgań jest bardzo dokładnie sprawdzana we wszystkich punktach istotnych dla procesu zgrzewania – czasem jest to nawet 50 różnych punktów pomiarowych. Proces ten wymaga szerokiej wiedzy na temat akustyki ultradźwięków.

Innym efektem postępu technologicznego są nowe funkcje oprogramowania w pełni cyfrowego generatora, które umożliwiają kompleksową obsługę geometrii sonotrody. Możliwe jest optymalne dostosowanie akustycznych sygnałów wejściowych sonotrod o dużych wymiarach. Warunkiem wstępnym jest przetworzenie przez konwerter ultradźwiękowy tego rodzaju sygnałów elektrycznych o wysokiej częstotliwości bez utraty jakości na drgania mechaniczne.

Uchwyt na narzędzia chirurgiczne: powierzchnia 3D z różnicą wysokości

Dla amerykańskiego klienta działającego w branży medycznej opracowywane jest narzędzie zgrzewające, pozwalające połączyć uchwyt zasilany baterią z narzędziem do liposukcji. Rozwiązanie zostało zaprezentowane po raz pierwszy na targach Medica 2015. Trudność stanowi wielkość uchwytu z tworzywa sztucznego i skomplikowana powierzchnia 3D z różnicami wysokości do 12 mm w obszarze łączenia. Odtworzenie negatywu konturu tego elementu na narzędziu zgrzewającym o powierzchni 220 x 180 mm i jednoczesne wprawienie go w wibracje to nie lada wyczyn w zakresie technologii drgań.

Mankiet na nadgarstek: szczelne wykończenie

W ten sposób zastąpione zostają dwa etapy procesu: zgrzewanie i cięcie. Dwie włókniny welurowe z wkładką żelową są zgrzewane ze sobą ultradźwiękami i równocześnie przycinane z pominięciem krawędzi skrawającej. Narzędzie zgrzewające opracowano i wykonano przy dużym nakładzie pracy projektowej jako kwadratową sonotrodę blokową o długości krawędzi wynoszącej 220 mm. Z powodu kwestii związanych ze zużyciem sonotroda nie jest wykonana z tytanu, lecz ze stali hartowanej. Wykonanie jest złożone: z obu stron posiada ona kilka szczelin i waży 45 kg. Podczas procesu utwardzania należy zachować precyzyjny profil temperaturowy, aby zmiany strukturalne nie wpłynęły negatywnie na parametry drgań.

Zbiornik przelewowy: szczelność to podstawa

Podczas zgrzewania zbiornika przelewowego do wyciągu kuchenki klient dokładnie zastanawiał się nad możliwościami łączenia: klej jest zbyt drogi jako materiał eksploatacyjny, a czas twardnienia zbyt długi. Zgrzewanie wibracyjne nasuwa obawy o wysokie koszty zakupu i możliwość gromadzenia się pyłu. Zgrzewanie gorącym lustrem jest nieopłacalne ze względu na długi czas taktowania. W przypadku zgrzewania ultradźwiękowego wyzwanie stanowi wielkość dwóch połówek zbiornika oraz grubość ścianek. Klient zdecydował się na proces zgrzewania ultradźwiękami i zastosował zalecenia Herrmann Ultraschall podczas wykonywania geometrii połączenia: zoptymalizowany projekt typu pióro i wpust. Podzielone na pół gniazdo umożliwia pozycjonowanie i centrowanie części względem siebie. Optymalną geometrią narzędzia okazała się sonotroda okrągła, która została wykonana z okrągłej bryły aluminium o średnicy 260 mm.

Podsumowanie

Wieloletnie doświadczenie oraz wykorzystywanie najnowszych urządzeń obliczeniowych i kontrolnych umożliwiają obliczanie i wykonywanie narzędzi do zgrzewania ultradźwiękowego o dużych wymiarach, spełniających wszystkie wymagania procesowe.