プラスチック超音波溶接: プロセス、材料、接合部の設計、および機器の選択

射出成形されたポリカーボネート ハウジングと ABS ベースは 2 つの部品として最終的に組み立てられますが、完成品は 1 つの部品として機能する必要があります。接着剤により、硬化時間、通気性、およびボンドラインの厚さの変化が追加されます。ネジは追加の部品、ドリル穴、および追加の組み立て手順を意味します。プラスチックの超音波溶接は 2 つのコンポーネントを 1 秒以内に融合させ、樹脂自体と同じくらい強力な結合を形成し、部品表に消耗品を追加しません。速度、清浄度、強度の組み合わせにより、超音波溶接が新しいプラスチック製品の最初に評価される接合方法となるメーカーが増えています。

プラスチックの超音波溶着のしくみ

プラスチックの超音波溶接は、高周波電気エネルギーを機械振動に変換し、ホーンと呼ばれる金属ツールを通じてその振動を接合領域に伝えます。

1. 下部を治具に固定し、その上に上部を接合面を合わせて置きます。
2. ホーンが下降し、上部に接触し、制御されたトリガー力を加えます。
3. 発電機はトランスデューサーを毎秒 20,000 ～ 40,000 サイクルで駆動し、振動は上部を通ってインターフェースに伝わります。
4. 2 つの合わせ面間の分子摩擦により温度が融点を超えて上昇し、プラスチックの薄い層が溶けて流れます。
5. 振動が止まり、ホーンは溶融層が冷えて固まるまで保持時間の間部品に圧力を加え続けます。
6. ホーンが後退し、溶接されたアセンブリが固定具から取り外されます。

溶接段階はわずか 0.2 ～ 1.0 秒かかります。熱は接合部で直接発生するため、部品の残りの部分は冷たいままとなり、反り、熱による損傷、長時間にわたるコンベヤーの冷却が不要になります。

メーカーが超音波溶着を選択する理由

このプロセスは、測定可能なメリットの短いリストを通じて生産ラインに定着します。

• サイクルタイム: 溶接時間は 1 秒未満で、自動組立セルと同等です。
• 消耗品なし: 接着剤、溶剤、クリップ、フィラーワイヤーは使用しません。ジョイントは完全に部品自体から形成されます。
• クリーンな操作: プラスチックに離型がない限り、煙、ガスの発生、または表面処理は必要ありません。
• 接合強度: 正しく設計された溶接は、多くの場合、母材と同じ強度になります。
• エネルギー効率: 機械は、長い硬化段階ではなく、溶接と保持のサイクル中にのみ電流を消費します。

材料の選択: どのプラスチックがきれいに溶接されるか

最初の質問は常に同じです: 私のプラスチックは溶接できますか?答えは、樹脂が非晶質か半結晶質かによって異なります。

ABS、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリルなどの非晶質熱可塑性プラスチックは、広い温度範囲にわたって徐々に軟化するため、プロセスに許容範囲が与えられ、強力で安定した接着が得られます。ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、アセタールなどの半結晶性熱可塑性プラスチックは、融点に達するまでその構造を保持し、融点に達するとほぼ即座に低粘度の液体に変わります。これらは溶接可能ですが、より高いエネルギー、より厳密なプロセス制御、および溶融物を含む接合設計が必要です。

異なるプラスチックは、2 つの樹脂が化学的に適合し、溶融温度が近い場合にのみ溶接できます。 ABS とアクリルはよく溶接される一般的な組み合わせです。 PC/ABS などのブレンドは実際の生産で機能します。ポリプロピレンとポリエチレンは実現可能性の限界にあります。充填樹脂は別の変数を追加します。ガラス強化によりエネルギー要件が増加し、溶融物の流動方法が変化するため、金型を切断する前に量産グレードの部品を使用したテストが不可欠です。

材料の限界と工場現場に現れる落とし穴を詳しく見るには、 このレビューでは、どの熱可塑性プラスチックが溶接に実用的であるかについてレビューします 仮定なしで実際の境界をカバーします。

接合部の設計が溶接強度を決定します

エネルギーはどこかに集中する必要があります。平らな接触領域では十分な局所的な熱を生成できないため、少なくとも機械と同じくらいジョイントの形状が重要です。

エネルギーディレクタージョイント

一部に成形された三角形の隆起部が、細い線に沿って反対側の表面に接触します。部品が互いに押し付けられると、最初に溶けて接合部全体に広がります。エネルギー ディレクタは、アモルファス プラスチックおよびアクセス可能な溶接フランジを備えた部品のデフォルトの選択肢です。

せん断ジョイント

上部は干渉を制御して下部の内側にフィットします。部品が互いに押し付けられると、溶けた層が垂直壁に沿って拭き取られ、連続した気密シールが形成されます。せん断ジョイントは、半結晶性ポリマーや液体または気体を保持する必要がある容器に適した形式です。

さねはぎ継手

一方の部分の舌がもう一方の部分の溝に入ります。せん断フィット干渉を追加すると、ジョイントは 1 つの機能で位置合わせ、シール、およびより高い強度を提供します。フィルター、リザーバー、医療機器などに広く使用されています。

適切なプラスチック超音波溶接機の選択

マシンの選択は、周波数、出力電力、構成の 3 つのパラメーターから始まります。

頻度: 15、20、またはそれ以上

15 kHz などの低い周波数ではより大きな振幅が生成され、大きな部品、長いウェルド ライン、半結晶性樹脂に適しています。 20 kHz 範囲は、ほとんどのプラスチック製ハウジングおよびコンポーネントの汎用標準です。 35 または 40 kHz 付近のより高い周波数では、小さな部品、薄肉部品、または繊細な部品をより細かく制御できます。

出力電力

パワーはジョイントのサイズに従います。小さな ABS スナップフィットは数百ワットで溶接できる可能性があります。ガラス繊維入りナイロン部品の長い接合部には 4,000 W 以上の電力が必要となる場合があります。ウェルドラインの長さ、樹脂の硬度、接触面積に基づく参考計算については、サプライヤーに問い合わせてください。

マシン構成

構成によって、機械がプラントにどのように適合するかが決まります。空気圧作動を備えたベンチプレスは、自動化されたサイクルと高い再現性に適しています。手動機械ではオペレーターが直接制御できるため、プロトタイプやメンテナンスに役立ちます。スポット溶接機は、最小のコストで局所的な小さな接合を処理します。

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購入前の実際的な考慮事項

購入段階でいくつかのチェックを行うことで、ほとんどの現場での問題を防ぐことができます。

• 量産グレードの部品でテストします。樹脂ロット、着色剤、充填剤、離型剤はすべて溶接挙動を変化させます。
• 見積書に工具を含めてください。ホーンと治具は部品に合わせて設計されており、発電機と同じくらい重要です。
• プロセス制御を検証します。再現可能な結果を​​得るには、溶接時間、保持時間、およびトリガー力の独立した設定が最小限である必要があります。
• スペアパーツとサービスを確認してください。トランスデューサー、ブースター、ホーンは時間の経過とともに摩耗しますが、迅速な交換によりラインは稼働し続けます。

プラスチックの超音波溶接は、2 つの部品を接合する際の最も遅くて面倒な手順を省略できるため、製造現場で最適です。樹脂は適合性があり、ジョイントはエネルギーを集中させ、機械はストロークを正確に繰り返す必要があります。これら 3 つの条件が満たされると、プロセスは秒単位で測定されるサイクル タイムを実現し、消耗品がなく、材料自体と同様に動作する結合を実現します。数ミリメートルの成形ジョイント ジオメトリのコストは、永続的な二次プロセスよりもはるかに低いため、部品設計時に評価してください。