Łączenie detali z tworzyw termoplastycznych

Gorąca płyta, metoda wibracyjna, metoda obrotowo – tarciowa, metoda ultradźwiękowa, to najpopularniejsze metody łączenia detali z tworzyw termoplastycznych.

Każda z wymienionych technologii ma obszary zastosowań, w których jest niezastąpiona i niezawodna. Istnieje jednak szeroki przedział, w którym wybór technologii będzie zależał od konstrukcji samych detali. Każda technologia stawia bowiem detalom wymagania konstrukcyjne, umożliwiające uzyskanie dobrych rezultatów zgrzewania. Cykl przygotowania produkcji jest bardzo kosztowny, ważnym jest więc, aby decyzję o sposobie łączenia detali podjąć już na etapie projektowania detali. Dzięki temu uniknie się przerabiania form wtryskowych i możliwe stanie się uzyskanie niezawodnej produkcji w procesie zgrzewania.

Zdarza się, że wymogi konstrukcyjne, funkcjonalne lub estetyczne wymuszają kształt detalu, a wtedy projektant ma bardzo ograniczone pole manewru. Są to jednak dość odosobnione przypadki. Poniżej przedstawiono przykład standardowej analizy przy wyborze technologii łączenia detali.

Należy przyjąć, że wstępny projekt zakłada produkcję detalu przedstawionego na rys. 1.

Zamknięta pusta przestrzeń wymusza złożenie go z dwóch części i zgrzanie. Połączenie musi być bowiem szczelne. Przy zwyczajowym podejściu konstrukcyjnym, detal zostałby podzielony zgodnie z przekrojem A-A. Jeżeli chodzi o wymienione technologie łączenia byłby to jednak najmniej trafny wybór.

Należy pamiętać, że każda z tych technologii wymaga unieruchomienia jednego z detali w kowadle (podstawie, podporze). Co więcej powinno to być pozycjonowanie pewne i stabilne. Drugi z detali w ten czy inny sposób jest więc ruchomy względem pierwszego. Detale w cyklu łączenia zawsze są do siebie dociskane, czasami odbywa się to ze znacznymi siłami. Ponadto też powinny być dobrze pozycjonowane względem siebie. Przy podziale w płaszczyźnie A-A każdy z detali ma znaczną wysokość, z kolei obłe kształty podnoszą koszt kowadła, a wymóg łatwego wkładania i wyjmowania detalu powoduje, że utrudnione jest jego dobre podparcie, tak żeby płaszczyzna styku detali była równomiernie sztywna na całym jej obwodzie.

Pierwszym krokiem będzie w tym przypadku dobór technologii zgrzewania ze względu na wielkości detalu. Na ogół, gdy którykolwiek z wymiarów znacznie przekracza 200 mm należy się zastanowić nad zgrzewaniem gorącą płytą.

Dla innych prezentowanych technologii gabaryty przekraczające 200 mm, są już blisko górnego przedziału ich możliwości i jakkolwiek stosowanie ich jest możliwe, to będzie to jednak proces utrudniony, a koszty jego realizacji będą lawinowo rosły.

Dla przykładu przy zgrzewaniu ultradźwiękowym należałoby rozważyć zastosowanie podwójnego układu drgającego, a może nawet maszyny o dużej mocy (4 – 5 kW) i dużej kosztownej, a podatnej na pęknięcia sonotrody. Ze względu na kształty detalu zgrzewanie obrotowo - tarciowe odpada. Zgrzewanie wibracyjne może być utrudnione ze względu na dużą masę drgającą (detal plus ruchoma część kowadła).

Jeżeli zdecydujemy się na zgrzewanie gorącą płytą, to sugerowany podział detalu przedstawia poniższy rysunek.

Oba kowadła, które przytrzymują łączone detale wcale nie muszą być zbyt głębokie. Co więcej łatwo je tak wyprofilować, by sztywno podtrzymywały detale.

Przy wyborze tej metody zgrzewania rozgrzane zostanie wzdłuż linii podziału i w trakcie spajania detali spłaszczonego 1,2 ÷ 2,5 mm materiału. Z tego tez powodu należy przewidzieć odpowiednie naddatki na wysokości detali oraz uwzględnić powstałe wypływki. Zaproponowany podział jest jeszcze z tego powodu właściwy, że powierzchnia dna jest oddalona od płyty grzejnej, przez co nie będzie niepotrzebnie ulegać nagrzaniu i deformacji.

O ile wymiary detalu nie przekraczają istotnie 200 mm, podział ten będzie także dobry do zgrzewania wibracyjnego i ultradźwiękowego (choć dla ultradźwięków nie optymalny).

Przy podjęciu decyzji o zgrzewaniu ultradźwiękowym warto zaproponować jednak modyfikację detali jak na poniższym rysunku.

Wprawdzie jeden z detali ulegnie większemu stopniu skomplikowania, to drugi będzie bardzo prosty. Zaletą takiego rozwiązania w stosunku do rozwiązania na rys. 2. jest maksymalne skrócenie drogi od narzędzia ultradźwiękowego (sonotrody) do miejsca łączenia detali. Ponadto narzędzie może mieć płaską powierzchnię roboczą, co zmniejsza jego koszt, wydłuża żywotność i ułatwia ewentualną regenerację.

Dobre ukształtowanie powierzchni łączonych pozwoli zminimalizować moc potrzebną do zgrzewania, a więc zastosować tańszą maszynę.

Ostatnią sprawą, na którą warto zwrócić uwagę jest przypadek odpowiadający na pytanie, co by się stało, gdyby doprowadzenie i odprowadzenie jakiegoś czynnika, który pewnie przez taki detal może przepływać, nastąpiło pod innym kątem.

Przy dużych detalach i obróceniu wpływu i wypływu o 180 st., zasadne będzie zgrzewanie gorącą płytą i podział w płaszczyźnie P2. Dla mniejszych detali i dowolnym kącie ustawienia wpływu i wypływu sugerowane jest rozwiązanie jak na kolejnym rysunku.

Fragment korpusu łączący podłączenia jest kołowy. W tej sytuacji zasadne będzie zrobienie płaszczyzny podziału P-P, a zgrzewanie wykonać należy metodą obrotowo – tarciową.

Ponieważ technologie ultradźwiękowe są jeszcze dość mało rozpowszechnione, więc warto wrócić do detali pokazanych na rys. 4. W czasie zgrzewania korpus będzie przytrzymywany i pozycjonowany w kowadle, a narzędzie ultradźwiękowe (sonotroda) dociskane do denka. Z tego też wynika konieczność dobrego ustawienia detali względem siebie. Żeby nie komplikować całego układu warto to przewidzieć w konstrukcji samych detali.

Denko ma na części swojej grubości podebranie powodujące, że po włożeniu do korpusu jest unieruchomione względem niego.

Szczegóły konstrukcji krawędzi łączących pokazano na ostatnim rysunku.

W przykładzie pierwszym denko w części dającej się włożyć w korpus ma ściętą krawędź, co powoduje, że z korpusem styka się ostrą krawędzią. Po doprowadzeniu ultradźwięków, właśnie w tym miejscu kumuluje się wydzielanie energii cieplnej. Mała początkowa powierzchnia styku powoduje, że proces zaczyna przebiegać lawinowo przy relatywnie małym zapotrzebowaniu na energię i w krótkim czasie. Po przetopieniu i odkształceniu się materiału denko szczelnie zamyka korpus.

Uzyskane połączenie jest szczególnie mocne i szczelne. Jednak w tym przypadku jego wadą jest to, że we wstępnej fazie zgrzewania nacisk narzędzia może zdeformować korpus. Żeby temu zapobiec w korpus kowadła po włożeniu detalu należy włożyć dodatkową wkładkę usztywniającą całość. Jest to spowodowane istnieniem niewielkiego kołnierzyka na końcu wypływów, co zmusza do wykonania w kowadle większego gniazda.

Analizując ten przykład warto się zastanowić, czy istnienie tego kołnierzyka jest nieodzowne. Jeżeli wspomniany kołnierzyk jest absolutnie potrzebny, to dobrym rozwianiem może być tzw. karb energetyczny (przykład 2). Jest to niewielka wypustka w denku o przekroju trójkąta równobocznego. Jego działanie jest analogiczne jak w przykładzie 1. Właśnie w tym miejscu zaczyna się lawinowo wydzielać ciepło po doprowadzeniu ultradźwięków.

W obu przypadkach po zewnętrznej stronie denka, naprzeciwko linii zgrzewania, zastosowano niewielkie wybrzuszenie. Powoduje ono, że detal w tym miejscu kontaktuje się z narzędziem. Umożliwia to wprowadzenie energii ultradźwiękowej w precyzyjnie ustalonym miejscu. Narzędzie może mieć płaską powierzchnię roboczą. Zabieg ten zapobiega także tzw. zjawisku perforacji błony, czyli wypalaniu otworów w środkowej części denka.