Sprzęt AGD i branża motoryzacyjna: ULTRADŹWIĘKOWA TECHNOLOGIA ŁĄCZENIA TWORZYW.
Ultradźwiękowa technologia łączenia jest wyjątkowo ekonomiczną i wysoce wydajną techniką łączenia detali seryjnych z amorficznych lub częściowo krystalicznych termoplastów. Na ponadprzeciętną skalę proces ten daje różne możliwości łączenia o wymaganej jakości i przy wysokiej wydajności produkcji. Zwłaszcza w segmencie produkcji sprzętu gospodarstwa domowego, oraz w branży motoryzacyjnej występuje konieczność stosowania połączeń, które można z powodzeniem zgrzewać przy zastosowaniu tej techniki.
Przy produkcji sprzętu gospodarstwa domowego łączonych jest wiele detali z tworzyw sztucznych, na przykład panel wyświetlacza w części obsługowej pralki albo dwie połówki wirnika napędzającego – by wymienić tu tylko kilka przykładów. W branży motoryzacyjnej występuje ponad 100 zastosowań ultradźwięków, od zestawu wskaźników po puszkę podciśnieniową w bloku cylindrów.
Przy użyciu ultradźwięków można zgrzewać, nitować, poddawać obróbce plastycznej, zatapiać, oddzielać, a nawet wytłaczać termoplasty. Bez używania substancji dodatkowych, wskutek poddania działaniu ultradźwięków w ciągu milisekund uzyskuje się wysoce wytrzymałe, gazo- i wodoszczelne połączenie o korzystnych właściwościach wizualnych. Najważniejszym warunkiem wstępnym jest tutaj właściwe pod względem tworzywa i techniki zaprojektowanie elementu konstrukcyjnego w strefie łączenia, a także na powierzchniach przylegania narzędzia zgrzewającego (sonotrody).
Wysoka technologia maszyn umożliwia zachowanie powtarzalności zgrzewów również w przypadku, gdy detale wykazują różnice tolerancji, spowodowane np. różnym stopniem wysuszenia materiału przed wtryskiem.
Ze względu na niskie zapotrzebowanie na energię elementy wtryskowe są w niewielkim stopniu obciążane termicznie. Twarde, amorficzne tworzywa sztuczne, jak PC, PS, SAN, ABS i PMMA wykazują bardzo korzystne właściwości pod względem przenoszenia energii ultradźwięków. Tworzywa częściowo krystaliczne, jak PA, PP, PE i POM najlepiej jest zgrzewać w bezpośrednim sąsiedztwie sonotrody. Zgrzane detale można od razu poddawać obróbce, dzięki czemu ultradźwięki można bez problemu zintegrować na liniach zautomatyzowanych.
Zdj. 01: Elementy pralek zgrzewane są za pomocą ultradźwięków.
Zdj. 02: Zastosowanie zgrzewania ultradźwiękowego 1 – Panel sterujący pralki widok od przodu i od tyłu.
Zdj. 03 Zastosowanie zgrzewania ultradźwiękowego 2 – Oświetlenie samochodowe.
Napięcie elektryczne zamienione w drgania mechaniczne
Sercem zgrzewarki jest tak zwany generator drgań, składający się z piezoelektrycznego przetwornika elektroakustycznego (konwertera), amplitudowego członu przekształcającego (boostera) i narzędzia do zgrzewania (sonotrody). Generator ultradźwięków przetwarza napięcie sieciowe w naprężenia o wysokiej częstotliwości pomiędzy 20 a 35 kHz, które w konwerterze, ze względu na efekt piezoelektryczny, przekształcane są w drgania mechaniczne. Sonotroda doprowadza do elementu konstrukcyjnego drgania (przy 20 kHz jest to 20.000 drgań na sekundę), które emitowane są do strefy łączenia. Powstaje przy tym ciepło tarcia, a materiał roztapia się w punktach styku obu elementów. Po poddaniu elementu oddziaływaniu ultradźwięków i po krótkiej fazie stygnięcia, pod odpowiednim naciskiem, osiąga się homogeniczne usztywnienie miejsca łączenia. Ponieważ ultradźwięki rozłączają strukturę molekularną, detale łączą się tak szczelnie i tak solidnie, jakby były wykonane z jednego odlewu.
Zdj. 04: Ultradźwiękowy układ drgający – drganie mechaniczne wytwarza ciepło tarcia.
Decydujące znaczenie ma kształt łączonych elementów
Dużą zaletą ultradźwiękowej techniki łączenia jest ukierunkowane doprowadzenie energii, które umożliwia ściśle określone i kontrolowane w czasie uplastycznianie fugi. Dzięki odpowiedniemu dla tej techniki ukształtowaniu detalu fale ultradźwiękowe są skoncentrowane wyłącznie w strefie łączenia. Wzór łączenia w przypadku odlewów ciśnieniowych składa się z odpowiednich kształtów z wierzchołkami lub krawędziami w strefie uplastyczniania. Tak zwane koncentratory energii definiują miejsce plastyfikacji, a tym samym miejsce łączenia. Punkt styku zapobiega płaskiemu łączeniu elementów i niekontrolowanemu przenoszeniu się energii fali ultradźwiękowej.
Zdj. 05: Przegląd popularnych form spoin dla elementów wtryskowych.
Dobre rezultaty pod względem wytrzymałości, szczelności i właściwości wizualnych zgrzewu można osiągnąć, jeśli detale od samego początku będą projektowane pod kątem rozchodzenia się fal akustycznych w ośrodku. Już w ich konstrukcji należy uwzględnić wymogi zgrzewania ultradźwiękowego. Konstruująca maszyny firma Herrmann Ultraschall jest ekspertem w zakresie tej techniki i oferuje długofalowe doradztwo w tej dziedzinie.
Jak stwierdza Inżynier Marcin Tomczyk, przedstawiciel firmy w Polsce: „Klient otrzymuje od nas nie tylko maszynę, ale kompleksowe rozwiązanie do swoich zastosowań. Bierze to swój początek już w fazie projektowania elementu z odpowiednim ukształtowaniem spoin oraz prowadzi, poprzez dobór materiału, do końcowej optymalizacji procesu zgrzewania.“
Zdj. 06 Marcin Tomczyk
Przełączanie siły zgrzewania dla powtarzalnych wyników.
Skuteczność zgrzewu dwu detali można przedstawić wizualnie. Grafiki przedstawiające wykresy energii zgrzewu, prędkości fugowania i sił zgrzewania prezentowane na ekranie sterownika Dialog, umożliwiają analizę jakościową procesu zgrzewania.Pożądany jest szybki, możliwie liniowy wzrost prędkości fugowania (niebieski wykres droga-czas), który gwarantuje równomierny przebieg uplastyczniania i harmoniczny przebieg zgrzewania. Detale zgrzewane nie są nadmiernie obciążane a sam proces jest wysoce powtarzalny.
Możliwość zaprogramowania trzech różnych sił zgrzewania, tak jak w zgrzewarce HiQ DIALOG, zapewnia liniowy przyrost wykresów i optymalizuje zgrzew.
Zdj. 07: Graficzna prezentacja dobrego zgrzewu – Prędkość fugowania (niebieski) wzrasta w sposób ciągły i liniowy.
Zdj. 08: Zgrzewarka ultradźwiękowa HiQ DIALOG z ekranem komunikacyjnym dla złożonych zadań zgrzewania.
Zdj. 09: Zgrzewarka ultradźwiękowa HiQ SOLID – model podstawowy z trzema trybami pracy.
Zdj. 10: Siedziba główna Herrmann Ultraschall, Niemcy.
Herrmann Ultraschall z siedzibą w Niemczech zatrudnia na całym świecie 260 pracowników i posiada filie w Stanach Zjednoczonych i Chinach.
www.herrmannultraschall.com
