プラスチックの超音波溶接: その仕組み、材料、および接合部の設計

プラスチック部品が成形機からすぐに使用できる状態になることはほとんどありません。漏れがないようにハウジングを閉じ、フィルターフレームを固定し、コネクターを密閉する必要があります。プラスチックの超音波溶着は、2 つの部品が接触する正確な場所で高周波振動を熱に変えることによってこれらの仕事を行います。プラスチックは、混合する接着剤、通気する溶剤、成形するためのネジインサートを必要とせず、ほんの一瞬で軟化、溶解、再凝固します。

私たちはこの装置を製造し、同じ質問が何度も繰り返される顧客の現場で多くの時間を費やします。実際に溶接できるプラスチックはどれですか?ジョイントの形状はどのようにすればよいでしょうか？コントローラーの数字は実際に何を制御するのでしょうか?以下のセクションでは、基本的な物理学から材料の選択、ジョイントの設計、操作パネルの設定までのプロセスをたどります。

プラスチックの超音波溶着のしくみ

超音波機械はエネルギー変換の連鎖です。主電源が一方の端から入り、もう一方の端の接合部に制御された溶融が現れます。

1. 発電機は主電源を通常 20 kHz の高周波電気信号に変換します。大型部品では 15 kHz、小型部品では 30 ～ 35 kHz が一般的です。
2. トランスデューサーはその信号を同じ周波数の機械振動に変換し、その動きはマイクロメートル単位で測定されます。
3. ブースターとホーンで振動を増幅し上部に押し込みます。ホーンはプラスチックに接触する唯一のコンポーネントであり、その面はその下のジョイントに一致する形状になっています。
4. 空気圧プレスまたはサーボ プレスが、制御された力で 2 つの部品を一緒にクランプします。
5. 接触領域での摩擦と分子間運動により、プラスチックが溶融するまで温度が上昇します。通常は界面の数十分の 1 ミリメートル以内です。
6. 振動が止まり、圧力が短時間保持され、溶融物が凝固して、多くの場合周囲の材料よりも強い結合が形成されます。

適用する方法は 2 つあります。プランジ溶接では、ホーンが固定部品上に下降し、スポット、リブ パターン、または接合部全体を 1 サイクルで溶接します。連続溶接では、ホーンが部品に沿って移動し、製品サイズの工具を使用せずに長い継ぎ目や幅の広いパネルをシールします。

プロセスが何をもたらすのか、そしてどこで止まるのか

利点は簡単に挙げることができます。

• 熱は外部から加えられるのではなく接合部の内部で生成されるため、目に見える表面はきれいな状態に保たれ、装飾部分が損傷することはほとんどありません。
• サイクルは短く、多くの場合 1 秒未満であり、自動組立や大量成形に適しています。
• 消耗品は不要です。接着剤、溶剤、テープやファスナーは使用せず、硬化時間も必要ありません。
• 溶接エネルギー、溶接時間、崩壊距離などのプロセスデータを部品ごとに記録できます。
• 接着には気密性と防水性を持たせることができ、これはフィルター、医療機器、流体コネクターにとって重要です。

限界も同様に明らかです。熱硬化性プラスチック、ほとんどのエラストマー、フォームはうまく溶接できません。溶けずに焦げたり、振動を吸収したりします。この部品は、ホーンが座る場所と、振動がジョイントに到達するための明確な経路を提供する必要があります。非常に厚い壁は困難であり、長くて平らなコンポーネントの場合は、いくつかのホーンまたはスキャン動作が必要になる場合があります。備品と適切に調整されたホーンはプロセスの一部であり、オプションではありません。

実際によく溶けるプラスチックはどれですか

最大の要因は、振動がポリマーを通過したときにポリマーがどのように動作するかです。 ABS、ポリスチレン、ポリカーボネート、PMMA、PVC などの非晶質プラスチックは、超音波エネルギーを効率的に伝達します。それらは温度範囲にわたって徐々に軟化し、適度な振幅で溶接し、多くの場合ホーンから遠く離れたところで接合することができます。接合は接触点より 10 mm 以上下に位置する場合があります。

PP、PE、PA、POM、PET、PBT などの半結晶性プラスチックは異なる挙動をします。それらの鋭い融点と結晶構造は振動を吸収するため、より大きな振幅、より大きな力、およびホーンの近く (通常は約 6 mm 以内) の接合部が必要です。強力なシールまたは気密シールが必要な場合、通常は単純なエネルギー ディレクタではなくせん断ジョイントが必要です。これについては、ノートで詳しく説明します。 超音波溶接に適した材質と実用的な限界はどこにあるのか .

樹脂のデータシートが示唆するよりも、他の 3 つの詳細が成功を決定することがよくあります。 PA や PC などの吸湿性グレードは、溶接前に乾燥する必要があります。充填剤と着色剤は剛性とエネルギー伝達を変化させるため、30% ガラス充填ナイロンは非充填グレードとはまったく異なる挙動を示します。最後に、接合面のグリース、離型剤、またはシリコンの汚染により、溶接が完全に停止する可能性があります。 2 つの異なるプラスチックは、それらの溶融範囲が重なり、そのペアが化学的に適合する場合にのみ溶接できます。それ以外の場合、設計では代わりに機械的インターロックが必要になります。

ジョイント設計: エネルギー ディレクター、せん断ジョイントおよびツール

超音波溶接は形状に関して厳しいものです。予想通りに溶融が始まるように、接合部は小さな初期接触面積にエネルギーを集中させる必要があります。それがエネルギー ディレクターの仕事です。通常、非晶質プラスチックでは高さ 0.2 ～ 0.5 mm、半結晶性プラスチックでは高さ 0.5 ～ 0.8 mm、頂角はおよそ 60 ～ 90 度の、成形された三角形の隆起です。それは最初に溶けて、接合部を横切って流れて結合を形成します。部品が自動的に位置合わせする必要がある場合、または材料が半結晶性である場合、通常は、ステップジョイント、さねはぎジョイント、またはせん断ジョイントがより適切に機能します。

ジョイントの上には工具が配置されています。ホーンが小さすぎると応力が集中し、部品に跡がつきます。大きすぎると均一に共振しない可能性があります。治具を動かすエネルギーは溶接から失われるエネルギーであるため、治具は下部をしっかりと保持する必要があります。カスタム ツールは、私たちがお客様と最もよく話し合うプロセスの一部であり、頑固な生産上の問題の大部分を説明します。

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プロセスウィンドウの設定

部品とジョイントが適切であれば、機械の設定によって、プロセスをシフトごとに繰り返すかどうかが決定されます。主な変数は次のとおりです。

• 振幅はホーンとブースターの組み合わせによって設定されます。半結晶性プラスチックではより多くの量が必要ですが、繊細な部品ではそれほど必要ではありません。
• 溶接力: 少なすぎると接触不良や表面マーキングが発生し、絞りすぎると硬化する前に接合部が溶け出します。
• トリガー力。ホーンが部品に触れた後、超音波信号がいつ開始されるかを決定します。
• ダウン速度は、部品への衝撃と、ホーンがジョイントにどれだけ繰り返し接触するかを制御します。
• 溶接時間、エネルギー、または距離 - サイクルを停止する 3 つの一般的な方法。距離モードは、パーツが互いにどのくらい離れているかを示す最も直接的な尺度です。
• 保持時間。溶融物が固化するまで部品をクランプしたままにします。

一度に 1 つの変数を変更し、単一のゴールデン設定ではなくウィンドウを記録します。正確に 1 回の溶接時間で機能するプロセスは制御できません。通常、狭い範囲のエネルギー値で良好な部品を生成するものです。

マシンの選択: ベンチ ユニット、ハンドヘルド、およびその中間

大量生産の場合、通常の答えは、剛性コラム、空圧プレスまたはサーボプレス、および適切に調整されたスタックを備えたベンチマシンです。周波数は重要です。15 kHz ユニットは大型部品や半結晶部品に対してより大きな振幅を提供します。20 kHz は汎用の主力製品で、30 ～ 35 kHz の機械はマーキングや過剰溶接が懸念される小型で繊細な部品に適しています。

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すべてのジョブが生産セルに値するわけではありません。プロトタイプ、修理作業、少量の組み立て、または作業台に運ぶことができない部品の場合、ハンドヘルド溶接機がオペレーターの手で同じ作業を行います。スポット溶接ユニットはその中間に位置し、フルサイズのホーンを使用せずに、大きなモールディングに到達してボス、クリップ、またはローカルリブを溶接します。

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これらの関節が毎日現れる場所

• 自動車: インテリアトリム、ランプハウジング、センサー、液体リザーバー。
• 医療および研究室: フィルターハウジング、IV コンポーネント、マスク、滅菌包装。
• 包装: パウチの注ぎ口、ブリスターパック、密閉部は漏れを防止する必要があります。
• 消費者製品: 家電パネル、玩具、電子筐体、バッテリー パック。
• 不織布と使い捨て製品: マスクと衛生製品の層の接着。同じ振動が成形品の代わりに繊維を結合します。

弱い溶接部、バリ、マーク付き部品のトラブルシューティング

回線に関する問題のほとんどは、いくつかの原因によって引き起こされます。これが最初に検討する候補リストです。

溶接プロセスを健全に保つ小さな習慣

数百回インストールすると、重要なルーチンは地味なものになります。接合面を清潔で乾燥した状態に保ち、吸湿性樹脂は適切に保管してください。スタックが緩んでいると周波数が変化し、溶接が静かに台無しになるため、各シフトの開始時にホーンのトルクを確認してください。治具は付属品としてではなく、機械の一部として扱ってください。良好な部品のエネルギーと崩壊距離を記録し、その記録をドリフト時の参考として使用します。また、ジョイントが難しいことが判明した場合は、さらに力を加える前に形状を確認してください。ほとんどの場合、答えはコントローラーではなく部品の設計にあります。

特定の部分について話したい場合は、次のチームにお問い合わせください。 常州奥恒機械 は、繊維、不織布、医療、プラスチックのメーカー向けに超音波溶接、切断、シール装置を長年構築してきました。いつでも喜んで図面やサンプルを見て、超音波溶接が正しい答えかどうか正直に答えます。