ZALETY ULTRADŹWIĘKOWEGO ZGRZEWANIA TWORZYW SZTUCZNYCH: WIĘKSZA PRECYZJA, WIĘKSZA WYDAJNOŚĆ, BARDZIEJ EKOLOGICZNA METODA OBRÓBKI...

W przeciwieństwie do wielu różnych sposobów łączenia tworzyw termoplastycznych, przy zastosowaniu technologii ultradźwiękowej należy podkreślić pewne zalety tego rozwiązania: jest ono szybsze, bezpieczniejsze, czystsze, wydajniejsze, bardziej ekologiczne, bardziej precyzyjne, przejrzyste itd.

Szybko uwidaczniają się zalety ultradźwiękowej techniki łączenia w przypadku każdej branży – nawet w tak wymagających jak technika medyczna, żywność i opakowania, motoryzacja czy produkty higieniczne.

PROSTE WYJAŚNIENIE PROCESU ZGRZEWANIA TWORZYW SZTUCZNYCH

Ultradźwiękowe połączenia zgrzewane są optymalnym i efektywnym rozwiązaniem w przypadku łączenia tworzyw termoplastycznych.

Niezbędne są tu cechy takie jak energooszczędność, szczelność i wysoka powtarzalność, zwłaszcza w wyżej wymienionych branżach. Warunkiem jest zawsze optymalne zaprojektowanie (przez klienta) elementów łączonych

W momencie przyłożenia siły do elementów z tworzywa sztucznego generowane są drgania wzdłużne o częstotliwości 20 – 40 kHz i amplitudzie zgrzewania 10 – 60 μm. Tworzywo sztuczne topi się, a obie części łączą się ze sobą. W miejscu spoiny powstaje jednorodne połączenie materiałowe.

Dzięki optymalnej formie obrabianych elementów można osiągnąć bardzo dobre rezultaty. Kluczem do sukcesu jest tu skoncentrowanie energii uzyskane dzięki inteligentnej budowie elementów. Połączone części można następnie praktycznie od razu obrabiać na kolejnych etapach procesu.

Więcej szczegółów na temat zastosowania w technice medycznej można znaleźć tutaj.

RODZAJE PROCESÓW

Proces zgrzewania ultradźwiękowego wzdłużnego

Metoda ta polega na pulsacyjnej, bardzo szybkiej zmianie długości sonotrody w zakresie od 15 do 60 µm. W ten sposób energia ultradźwiękowa jest wprowadzana do elementu pod kątem 90° do powierzchni styku sonotrody. Energia ta jest następnie koncentrowana w optymalnie zaprojektowanej płaszczyźnie zgrzewania i powoduje topienie materiału termoplastycznego. Po ostygnięciu stopionego materiału powstaje trwałe połączenie.
Jest to najczęściej stosowany proces w dziedzinie zgrzewania ultradźwiękowego tworzyw termoplastycznych.

Proces zgrzewania ultradźwiękowego skrętnego

Również w tej metodzie sonotroda jest umieszczana na elemencie pod kątem 90°. Metoda ta polega na pulsacyjnej, bardzo szybkiej zmianie ruchu obrotowego w zakresie od 15 do 60 µm. Powoduje to, że łączone części poruszają się względem siebie. Materiał jest topiony w odpowiednio zaprojektowanej płaszczyźnie zgrzewania. Po ostygnięciu stopionego materiału powstaje trwałe połączenie.
Zaletą tej techniki jest mniejsze naprężenie części dzięki wkładowi energii obrotowej. Proces ten nadaje się zatem do delikatnych elementów łączonych, folii i membran.

ZALETY TECHNOLOGII ZGRZEWANIA TWORZYW SZTUCZNYCH

+ Bardzo krótki czas trwania procesów technologicznych
+ Nieznaczne uszkodzenia termiczne elementu i otoczenia dzięki narzędziom spawalniczym o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia.
+ Niewielkie zapotrzebowanie na energię, a tym samym wysoka sprawność zgrzewania
+ Brak konieczności stosowania rozpuszczalników i dodatków (zapewniający recykling ze starannym posortowaniem materiałów)
+ Szeroki wachlarz opcji parametryzacji umożliwia uzyskiwanie stałych, powtarzalnych wyników zgrzewania
+ Istnieje możliwość częściowego zgrzewania ze sobą różnorakich materiałów termoplastycznych
+ Narzędzia zgrzewające nie rozgrzewają się do wysokich temperatur, dzięki czemu skracają się czasy ich ustawiania i demontażu. To z kolei eliminuje czas ich nagrzewania i schładzania i umożliwia ich szybką wymianę
+ Nie ma niebezpieczeństwa zranienia przez gorące elementy maszyny
+ Bardzo dobra możliwość integracji z systemami automatyki
+ Możliwość inteligentnego łączenia urządzeń w sieci oraz automatycznego sterowania nimi – Przemysł 4.0

Metod zgrzewania szwów

Możliwości łączenia zgrzewanych tworzyw sztucznych

Zgrzew bez optymalizacji

Duża powierzchnia styku
Nieokreślony obszar zgrzewania powierzchniowego
Wysoki pobór mocy
Wysokie zużycie energii

Zoptymalizowana konstrukcja szwów

Mała, określona powierzchnia styku
Wysoki stopień wymieszania stopu w obszarze spoiny
Krótki czas zgrzewania
Niewielkie obciążenie termiczne
Małe wymagania w zakresie siły i niski pobór mocy

Kryteria dotyczące metod zgrzewania szwów

Każda konstruktywna metoda zgrzewania szwów musi spełniać wymagania stawiane połączeniom zgrzewanym. Wymagań tych przeważnie nie spełniają obecnie produkowane części, które nie zostały zaprojektowane specjalnie pod kątem zgrzewania za pomocą ultradźwięków.

Podstawowe wymagania stawiane elementom częstokroć decydują o wyborze połączenia, a tym samym o ich konstrukcji:

Tworzywo
Wygląd (występowanie stopu na zewnątrz, wgniecenia)
Równoległość
Brak cząsteczek tworzywa i stopu wewnątrz elementu
Szczelność (gaz, olej, ciecze)
Wytrzymałość spoiny na rozciąganie, ścinanie i ściskanie
Elementy wewnętrzne

Położenie strefy łączenia
Luz pasowania części górnej i dolnej
Powierzchnia kontaktowa sonotrody
Głębokość swobodnego zanurzenia (droga zgrzewania)
Obecność podpory/nakładki w uchwycie elementu obrabianego

Zestawienie wariantów spoiny: Zgrzewanie

Spoina czołowa (czynnik ukierunkowujący przepływ energii)
Spoina stopniowa
Spoina rowkowa/sprężynująca

Zgrzewanie czopu (wariant spoiny zaciskowej)
Spoina cienkościenna (spoina V)
Metody zgrzewania szwów z uszczelnieniem wewnętrznym

Spoina czołowa

Spoina stopniowa

Spoina rowkowa/sprężynująca

Spoina zaciskowa

Spoina V

z uszczelnieniem wewnętrznym

Spoina czołowa (czynnik ukierunkowujący przepływ energii)

Stosowana w głównej mierze do łączenia amorficznych tworzyw sztucznych
Nie stawia wysokich wymagań w przypadku formowania wtryskowego

Spoina stopniowa

Samoczynne środkowanie
Wysoka wytrzymałość
Estetyczny wygląd zewnętrzny
Opcja – bruzdy podnoszące estetykę wyglądu

Spoina rowkowa/sprężynująca

Bardzo wysoka wytrzymałość
Samoczynne środkowanie
Bardzo estetyczny wygląd; stop nie występuje na zewnątrz w widoczny sposób
Stop nie występuje poza strefę łączenia (efekt kapilarny)
Nadaje się do łączenia materiałów częściowo krystalicznych, m.in. PA – poliamidu i POM – polioksymetylenu

Spoina zaciskowa

Samoczynne środkowanie
Bardzo wysoka wytrzymałość
Preferowana jako spoina uszczelniająca
Sprawdzona również w przypadku części cienkościennych
Nadaje się do kompensacji naprężeń ścinających i skręcających
Nadaje się do łączenia termoplastów częściowo krystalicznych, zwłaszcza PA i POM
Wysoce estetyczny wygląd; stop nie występuje poza strefę łączenia
Zgrzewanie wykonywane jest w pozycji pionowej; elementy wsuwają się jeden do drugiego

Zgrzewanie czopu (wariant spoiny zaciskowej)

Samoczynne środkowanie
Wysoka wytrzymałość
Stop nie występuje na zewnątrz
Krótki czas zgrzewania przy niewielkiej energii zgrzewania
Nadaje się do łączenia części cienkościennych, niedopuszczającego zgrzewania szwów
Nadaje się również do jednoczesnego ustalania płytek drukowanych

Metoda zgrzewania szwów z uszczelnieniem wewnętrznym

Hermetycznie szczelne połączenie dzięki zastosowaniu elementu uszczelniającego
Eliminacja elementów złącznych
Trwałe i mocne połączenie za pomocą zgrzewu ultradźwiękowego

Spoina cienkościenna (spoina V)

Samoczynne środkowanie, określona nakładka
Wysoka szczelność zgrzewu
Wysokie parametry wytrzymałościowe
Materiał nie występuje poza strefę łączenia

Warianty spoiny

Zgrzewanie punktowe

Nie jest wymagane zgrzewanie szwów
Ostra końcówka sonotrody przenika płytę górną bądź kształtkę i wnika na 1/3 do maks. 1/2 swej długości w materiał dolny
Sprasowanie uplastycznionego materiału w kształt pierścienia wokół ostrej końcówki sonotrody

Spajanie

Membrana EWC (element wyrównujący ciśnienie)
Włóknina, filtry, maty wygłuszające

Nitowanie

Połączenie kształtowe termoplastów z innymi materiałami
Mocne, ścisłe połączenie
Kompensuje siłę sprężystości tworzywa

Nit drążony	Nit pełny	Nit wzdłużny

Zawijanie obrzeży

Warianty nitowania
Do łączenia niejednorodnych materiałów
Połączenie kształtowe
Przepływ stopu określają geometria sonotrody i jej kąt ustawienia

Wykrawanie ultradźwiękowe

Istnieje również możliwość zgrzewania powierzchni lakierowanych bez ich uszkadzania
Jednocześnie można wytłaczać promienie na krawędzi wykroju

Osadzanie

Połączenie kształtowe
Metal w tworzywie sztucznym
Drewno w tworzywie sztucznym
Tworzywo sztuczne o niskim punkcie topnienia w tworzywie sztucznym o wysokim punkcie topnienia, np. POM w ABS