Ultradźwięki w zgrzewaniu świateł do jazdy dziennej

Światła do jazdy dziennej stanowią od niedawna standard w krajach UE, a także są elementem stylistyki. Ich skomplikowana, trójwymiarowa geometria stanowi wyzwanie dla technologii łączenia. Narzędzie do zgrzewania ultradźwiękowego dopasowane jest do kształtu za pomocą sonotrod wkręcanych o różnej wysokości. Krótkie czasy cykli i indeksowane zestawy narzędzi wymiennych,umożliwiają oszczędność czasu przy zwiększającej się liczbie wariantów. Specjalista od ultradźwięków, Herrmann Ultraschall, zrealizował właśnie duże zlecenie dostawcy przemysłu motoryzacyjnego, na dwie maszyny z piętnastoma zestawami wymiennymi.

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest już ugruntowaną w przemyśle samochodowym techniką łączenia termoplastycznych tworzyw sztucznych. Zakres stosowania tej technologii obejmuje elementy nadwozia od kabiny (tapicerkę boków drzwi, konsolę środkową) poprzez komorę silnika (osłony głowic cylindrów, osłony silnika) aż po oświetlenie, takie jak światła cofania, kierunkowskazy czy światła do jazdy dziennej.

Ultradźwięki oszczędzają części
Wszystkie stosowane dotąd technologie łączenia osiągają granice swych możliwości w przypadku łączenia elementów asymetrycznych. Na przykład podczas zgrzewania termicznego lub gorącym lustrem występuje nierównomierny rozkład temperatur. Niektóre miejsca są zbyt gorące i ciągną się z nich włókna, inne są zimne i nie można ich homogenicznie połączyć. Podczas zgrzewania wibracyjnego potrzeba dodatkowego miejsca, a tym samym strefa łączenia wyraźnie zwiększa się. Powstaje wiele stopionego materiału, który może zostać wyrzucony na zewnątrz. Narzędzia ultradźwiękowe drgają z częstotliwością drgań własnych 20 000 Hz albo większą i mogą osiągać granice swych możliwości w przypadku zgrzewania skomplikowanych elementów asymetrycznych. Jeżeli jednak narzędzie zgrzewające, sonotroda, jest prawidłowo skonstruowane metodą elementów skończonych (FEM) i równomiernie rozprowadza drgania w strefie łączenia, to technologia łączenia ultradźwiękowego wykazuje następujące zalety:

• Delikatne części o klasie powierzchni A pozostają w stanie idealnym
• Bezpośrednie doprowadzenie energia chroni reflektory i diody
• Realizacja kształtów trójwymiarowych staje się łatwiejsza
• Krótkie cykle zgrzewania, pomiędzy 100 a 300 ms
• Mniejszy "footprint" urządzenia w porównaniu z innymi technologiami wykonywania połączeń

Sonotrody wkręcane o różnych wysokościach do skomplikowanych elementów 3 D
W przypadku form trójwymiarowych, takich jak światła do jazdy dziennej, sonotroda ultradźwiękowa dzieli się na dwie części: pierwsza - jest to sonotroda nośna w postaci bloku, a druga - zamocowane na niej pojedyncze sonotrody, tak zwane sonotrody wkręcane. Sonotrody o różnych wysokościach dopasowują się dokładnie do kształtu części, przy czym każda pojedyncza sonotroda wkręcana musi być skonstruowana i wykonana jako sama w sobie prawidłowo drgająca sonotroda. Aby drgania były prawidłowe, element nośny obliczany jest metodą elementów skończonych na podstawie amplitudy znamionowej (ruchu narzędzia), tworzywa sztucznego i wymiarowany stosownie do częstotliwości, mocy biegu jałowego i amplitudy. Każda sonotroda wkręcana musi być również zwymiarowana stosownie do częstotliwości. Na tym polega know-how specjalisty od ultradźwięków, ponieważ sonotrody wkręcane mają różne długości i kontury wprowadzające zakłócenia, jak np. wybranie na napis na części. Wpływa to na zachowanie drgania. Aby zapewnić prawidłowe drgania, poszczególne sonotrody (wkręcane) dopasowywane są w ramach trudnego procesu ręcznego i montowane indywidualnie. Wymaga to doświadczenia i doskonałego wyczucia. Podczas symulacji obciążenia mierzy się laserem amplitudę gotowej sonotrody. Stworzone w tym celu specjalnie oprogramowanie może mierzyć do 100 punktów pomiarowych w celu sporządzenia profilu amplitudy. Ewentualne potrzebne korekty wykonuje się metodą obróbki skrawaniem, przy czym ponownie należy uzyskać prawidłową częstotliwość, moc biegu jałowego oraz amplitudę.

Zestawy narzędzi wymiennych do stale rosnącej liczby wariantów
Sonotroda oraz gniazdo detalu zainstalowane są w kompletnej ramie wymiennej i stanowią wspólny moduł, który można łatwo wymienić w przypadku produkcji nowej części i złożyć do magazynu. W fazie uruchamiania produkcji praca odbywa się na jednej maszynie; w przypadku dodatkowych wariantów części potrzebny jest tylko zakup dalszych zestawów wymiennych. W ten sposób można zminimalizować liczbę kosztownych komponentów, takich jak generatory ultradźwięków oraz sterowniki, a także zarządzanie bezpieczeństwem (wszystkie części maszyny podstawowej).

Podczas zgrzewania ultradźwiękowego napięcie elektryczne jest najpierw przetwarzane przez generator ultradźwięków na częstotliwość ultradźwiękową w zakresie od 20 do 35 kHz, a następnie na drgania mechaniczne. Drgania te są wprowadzane przez narzędzie zgrzewalnicze, tzw. sonotrodę, do części. Przy 20 kHz jest to bądź co bądź 20 000 ruchów na sekundę. Powstające ciepło topi część w strefie łączenia. Po upływie czasu wytrzymania pod naciskiem część jest połączona materiałowo. Ultradźwięki można stosować natychmiast, bez podgrzewania; czasy cykli są krótsze, a zapotrzebowanie na energię wyraźnie mniejsze niż w przypadku zgrzewania lustrzanego czy wibracyjnego.