ZALETY ZGRZEWANIA ULTRADŹWIĘKOWEGO: SZYBCIEJ, BEZPIECZNIEJ, CZYŚCIEJ, WYDAJNIEJ
Szybciej, bezpieczniej, czyściej, wydajniej, bardziej ekologicznie, precyzyjniej, bardziej przejrzyście, … lista jest długa. Technologia ultradźwiękowa jest w wielu branżach coraz bardziej popularna. Nic dziwnego, ponieważ mało którą technologię można wykorzystywać na tak wiele sposobów przy zachowaniu najwyższej precyzji i przejrzystości procesu zgrzewania.
JAK DZIAŁA ZGRZEWANIE ULTRADŹWIĘKOWE?
Technologia ultradźwiękowa stosowana jest od ponad 70 lat do łączenia ze sobą tworzyw termoplastycznych (plastików) lub tworzyw termoplastycznych z innymi materiałami. Ponadto, technikę tę można stosować do cięcia i zgrzewania separacyjnego wielu różnych materiałów.
Ultradźwięki powstają w wyniku drgań o wysokiej częstotliwości: Generator z przyłożonego napięcia zasilającego wytwarza napięcie zmienne o wysokiej częstotliwości, które za pomocą konwertera jest przekształcane w drgania mechaniczne. Poprzez ruchy oscylacyjne (o zakresie częstotliwości ok. 20 do 100 kHz) na powierzchni sonotrody (amplituda) do składników wprowadzana jest energia. Energia ta powoduje nagrzewanie tylko na powierzchniach granicznych poszczególnych części i nie wpływa na obszary sąsiadujące, co oznacza, że element jest poddawany delikatnej obróbce. Wówczas w krótkim czasie, który jest potrzebny do ostygnięcia łączących elementów, powstaje trwałe połączenie. Wynikiem łączenia jest czysty i stabilny szew łączący obie poszczególne części, a także czysta i nieskazitelna powierzchnia cięcia podczas odcinania i zgrzewania.
Technologia ultradźwiękowa stanowi bardzo dobrą alternatywę dla innych procesów łączenia i separowania materiałów, ponieważ charakteryzuje się wysoką efektywnością i szerokimi perspektywami rozwoju w przyszłości. W przeciwieństwie do innych procesów stosowanie technologii ultradźwiękowej nie wywołuje jakichkolwiek uszkodzeń obrabianego produktu niezależnie od tego, czy jest ona wykorzystywana do cięcia, zgrzewania, spawania, cięcia połączonego ze zgrzewaniem, wytłaczania bądź nitowania.
ZALETY TECHNOLOGII ZGRZEWANIA ULTRADŹWIĘKOWEGO
FAQ ULTRADŹWIĘKI I ZGRZEWANIE ULTRADŹWIĘKOWE
Istnieją różnorakie metody mechaniczne i termiczne. Metody termiczne obejmują w zasadzie następujące możliwości: pasowanie na gorąco, zgrzewanie elementem grzejnym, zgrzewanie elektrooporowe, zgrzewanie prądami wysokiej częstotliwości, zgrzewanie laserowe, zgrzewanie mufowe, zgrzewanie obrotowo-tarciowe, zgrzewanie wibracyjne, zgrzewanie gorącym gazem.
Każda z tych metod jest dobierana w zależności od elementu, wymogów i potrzeb jakościowych, a także ekonomiczności danej metody obróbki
Zgrzewanie ultradźwiękowe w odróżnieniu od innych metod nie wymaga stosowania jakichkolwiek rozpuszczalników ani innych dodatków. Ponadto narzędzia do zgrzewania nie rozgrzewają się, dzięki czemu traci znaczenie czas nagrzewania i chłodzenia, a tym samym wzrasta wydajność produkcji.
Proces zgrzewania ultradźwiękowego wykorzystywany jest m.in. do produkcji urządzeń laboratoryjnych i analitycznych, artykułów higienicznych, membran, filtrów, adapterów i złączy.
Procesem takim jest przede wszystkim technologia spajania ultradźwiękowego, która staje się coraz bardziej popularna ze względu na wszelkie swoje zalety – patrz „Zalety zgrzewania ultradźwiękowego”.
Tak, a ponadto można zagwarantować pełną poprawność i stabilność oraz szczegółowe monitorowanie jego przebiegu, jak również identyfikowalność produktów i rejestrację danych.
Tak, elementy stosowane w przemyśle medycznym mogą w tym wypadku spełniać wysokie wymagania w zakresie wytrzymałości, szczelności i generowania jak najmniejszej liczby cząstek stałych w otaczającej atmosferze.
Drgania o częstotliwości powyżej zakresu słyszalnego dla ludzkiego ucha > 20 kHz.
W zastosowaniach technicznych drgania są generowane za pomocą ceramiki piezoelektrycznej. W procesie tym sinusoidalne napięcie zmienne jest przekształcane w sinusoidalne drgania mechaniczne.
Na jakiej zasadzie odbywa się cięcie ultradźwiękowe i jakie materiały można za jego pomocą obrabiać?
Wibrująca sonotroda przecina materiał (włókninę lub podobny) na swobodnie zamontowanym kowadełku. Dzięki konstrukcji konturu kowadełka w tym samym czasie zgrzewane są szwy brzegowe materiału. Jest to w większości przypadków proces ciągły.
Obróbce cięcia można poddawać włókniny (np. nonwovens), tkaniny i folie z zawartością tworzyw termoplastycznych. Ponadto także produkty takie jak sery lub wypieki, nawet jeśli są zamrożone.
Energia potrzebna do stopienia elementów jest wprowadzana przez sonotrodę za pomocą drgań mechanicznych. Części przekazują dostarczoną energię na płaszczyznę zgrzewania. Materiały mieszają się, a po ostygnięciu uzyskują stabilność wymiarową.
Metodą zgrzewania ultradźwiękowego można obrabiać wszystkie tworzywa termoplastyczne, niezależnie od tego, czy mają strukturę amorficzną czy półkrystaliczną. Przykłady: PS, PCW, PMMA, PC, SAN, ABS, PE, PP, PIM, PA, NFPP itp.
Na jakiej zasadzie działa wykrawanie ultradźwiękowe i jakie materiały można za jego pomocą obrabiać?
Sonotroda oddziałuje na matrycę. Matryca jest precyzyjnie zaprojektowana pod kontur wykrawania. Następnie sonotroda jest prowadzona przez materiał, który ma być wykrawany, jednocześnie wibrując. Zastosowanie ultradźwięków zmniejsza siłę potrzebną do wykrawania i zwiększa jego jakość.
Metodą wykrawania ultradźwiękowego można obrabiać wszystkie tworzywa termoplastyczne o grubości do ok. 10 mm. Nawet w stanie polakierowanym. Oprócz tego można wykrawać tkaniny, włókniny i folie.
Tkaniny z dodatkiem lub bez zawartości termoplastów można zgrzewać na materiale termoplastycznym. Topi się tylko jeden z łączących się elementów. Wibrująca sonotroda jest przykładana do zgrzewanego materiału i powoduje topnienie znajdującej się pod nią matrycy termoplastycznej. Wnika ona w tkaninę i łączy oba materiały na zasadzie oddziaływania siły.
Metodą ultradźwiękową zgrzewania pieczętowane są folie termoplastyczne, podkładki powlekane, kubki, tacki, woreczki i tubki.
Wibrująca sonotroda przecina materiał (włókninę lub podobny) na kowadełku. Dzięki konstrukcji konturu kowadełka w tym samym czasie zgrzewane są szwy brzegowe materiału. Jest to w większości przypadków proces nieciągły.
Obróbce cięcia można poddawać włókniny (nonwovens) i tkaniny z zawartością tworzyw termoplastycznych i zgrzewać je na krawędziach.
Można tu również łączyć materiały termoplastyczne z materiałami nietermoplastycznymi. Tym samym topi się tylko jeden z łączących się elementów. Jest to w tym przypadku połączenie z użyciem siły. Sonotroda o konturze dostosowanym do procesu nitowania topi nit i przekształca go w taki sposób, że drugi materiał zostaje przymocowany przy użyciu siły.
Metodą nitowania ultradźwiękowego można obrabiać wszystkie tworzywa termoplastyczne. Możliwe jest wykonanie połączeń między identycznymi lub różnymi tworzywami termoplastycznymi, jak również między tworzywami termoplastycznymi z materiałami nietermoplastycznymi.
W zgrzewaniu ultradźwiękowym nagrzewa się tylko strefa łączenia elementu, matryca polimerowa miesza się, a po ostygnięciu zachowuje stabilność wymiarową.
W zależności od zastosowanego materiału i konstrukcji elementów łączących, proces zgrzewania wraz z czasem chłodzenia może trwać od ok. 100 ms do ok. 3 s.
Zasadniczo optymalnym rozwiązaniem jest łączenie tych samych tworzyw, np. PA z PA lub PA z PA GF. Jednakże można łączyć również niektóre różne tworzywa sztuczne, np. PC – PMMA – ABS. Poprzez nitowanie lub spajanie można również łączyć ze sobą różne materiały.
Tak, zgrzewanie metali za pomocą ultradźwięków jest sprawdzoną metodą. Stosuje się ją na przykład w branży motoryzacyjnej do układania kabli miedzianych w wiązkach kablowych. Jednak w przeciwieństwie do zgrzewania tworzyw sztucznych, materiały te nie mieszają się. Jest to zgrzewanie na zimno z wykorzystaniem siły tarcia.
Jest ich bardzo wiele, oto te najbardziej istotne:
- Bardzo krótki czas trwania procesów technologicznych
- Dzięki zastosowaniu narzędzi zgrzewających na zimno element obrabiany odnosi jedynie nieznaczne uszkodzenia termiczne bądź nie odnosi ich wcale
- Niskie zużycie energii, a tym samym wysoka sprawność procesu
- Brak potrzeby stosowania rozpuszczalników i dodatków (bezproblemowy recykling odpadów)
- Możliwość różnorodnego ustawiania parametrów zgrzewania pozwala uzyskać stałe i powtarzalne rezultaty tej operacji
- Narzędzia zgrzewające nie rozgrzewają się, eliminując czas nagrzewania i schładzania, dzięki czemu można je szybko wymieniać na nowe
- Nie występuje niebezpieczeństwo zranienia przez gorące elementy maszyny
- Krótkie czasy stygnięcia dzięki ukierunkowanemu, punktowemu tworzeniu się stopu
Rozmaite technologie ultradźwiękowe są bardzo ekonomiczną metodą – stosuje się je w następujących dziedzinach: Przemysł samochodowy, technologia pakowania/spożywcza, produkcja drobnych części samochodowych, przemysł tekstylny, technika medyczna, towary konsumpcyjne, komponenty elektryczne.
Cięcie ultradźwiękowe:
Przemysł samochodowy, technologia pakowania/spożywcza, przemysł tekstylny, technika medyczna
Zgrzewanie ultradźwiękowe:
Przemysł samochodowy, przemysł tekstylny, technika medyczna, towary konsumpcyjne, komponenty elektryczne
Wykrawanie ultradźwiękowe:
Przemysł samochodowy, przemysł tekstylny, technika medyczna
Pieczętowanie ultradźwiękowe:
Przemysł samochodowy, technika medyczna, komponenty elektryczne
Ultradźwiękowe zgrzewanie separacyjne :
Technika medyczna, przemysł tekstylny, komponenty elektryczne
Nitowanie ultradźwiękowe:
Przemysł samochodowy, technika medyczna, towary konsumpcyjne, komponenty elektryczne
Występowanie w przyrodzie:
U zwierząt do lokalizacji lub orientacji.
Zastosowania techniczne:
Zgrzewanie tworzyw sztucznych i metali, technika medyczna w diagnostyce i terapii, pomiar odległości w samochodach, pomiar głębokości w wodzie, pomiar przepływu w cieczach, czujniki ruchu, pomiar grubości warstwy, pomiar poziomu, testowanie materiałów, czyszczenie części, cięcie tkanki biologicznej i wiele innych.
Istnieją różne metody takie jak: Zgrzewanie na gorąco, zgrzewanie elektrooporowe, zgrzewanie laserowe, zgrzewanie rotacyjne, zgrzewanie ultradźwiękowe, zgrzewanie wibracyjne, zgrzewanie gorącym gazem. Metoda jest dobierana w zależności od komponentu, wymogów i potrzeb jakościowych, a także ekonomiczności danej metody obróbki.
Zgrzewanie ultradźwiękowe różni się od zastosowań medycznych przede wszystkim stosowanymi częstotliwościami i mocami. Przy zgrzewaniu tworzyw termoplastycznych stosuje się częstotliwości od 20 do 60 kHz i moc od 200 do 6000 W. Natomiast w terapii medycznej stosuje się częstotliwości od 200 KHz do 5 MHz, a w diagnostyce od 5 MHz do 50 MHz. Poziom zużycia energii jest bardzo niski w porównaniu ze zgrzewaniem.
Układ oscylacyjny składa się z konwertera, przetwornika amplitudy i sonotrody. Konwerter spełnia funkcję interfejsu między częścią elektryczną a mechaniczną. Przetwarza on drgania elektryczne na drgania mechaniczne poprzez efekt piezoelektryczny i przekazuje je do amplitudy, a następnie do sonotrody. Przetwornik amplitudy (zwany również booster) zwiększa lub zmniejsza amplitudę wychodzącą z konwertera. Jako właściwe narzędzie do zgrzewania, sonotroda przenosi drgania mechaniczne na element. Układ oscylacyjny jest zawsze indywidualnie dostosowywany lub ustawiany do danego elementu.
Ultradźwięki są wiązane przez przekaźnik ukierunkowujący przepływ energii, a następnie wprowadzane do elementu w sposób skoncentrowany. Takie ukierunkowanie zapewnia efektywne wykorzystanie energii i uzyskanie czystego zgrzewu.
Przekaźnik ukierunkowania energii, konstrukcja sonotrody i konstrukcja kowadełka mają wpływ na koncentrację energii.
