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何千もの射出成形プラスチック部品が数秒ごとに永久的な防水接合を必要とする生産ラインを想像してみてください。接着剤の硬化には数分かかり、溶剤溶接ではヒュームが発生し、検査の手間がかかり、留め具により重量とコストが増加します。プラスチックの超音波溶接では、消耗品、接着剤、外部熱源を使用せずに、同じ接合を 1 秒以内に完了します。そのため、材料ペアと接合部の形状が正しく選択されていれば、自動車のドアパネルから医療用フィルターハウジングに至るまで、この接合方法がデフォルトの接合方法となっています。
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ます。発電機は電源とも呼ばれ、主電源を 15 kHz ～ 40 kHz の電気信号に変換します。トランスデューサーまたはコンバーターは、その信号を機械振動に変換します。ブースターは振幅を変更します。ソノトロードとしても知られるホーンは、上部のプラスチック部分に振動を伝えます。部品は固定具内で圧力下に保持され、ホーンが接合線に対して垂直に振動しながら上部を押し下げます。
2 つの合わせ面間の摩擦により、まさにその界面で熱が発生します。熱可塑性プラスチックが溶融し、両方の部品の分子が相互拡散し、振動が止まり部品が数百ミリ秒間静止した状態に保たれると、溶融物が凝固して溶接部となり、多くの場合バルク材料と同じ強度になります。
次の 2 つの動作モードが一般的です。
利点は理論上のものではなく、測定可能なものです。 0.5 ～ 1.5 秒の溶接サイクルにより、接着剤や熱板溶接では達成できないスループットが得られます。製品には溶剤、接着剤、機械的ファスナーが使用されないため、部品表が収縮し、硬化時間がかかりません。熱は接合界面でのみ発生するため、部品の残りの部分は低温に保たれ、熱に弱いコンポーネントや表面の微細な部分を保護します。このプロセスは簡単に自動化され、フィルター、バルブ、パッケージの気密シールに適した、きれいでバリのない接合部が得られます。
制限も同様に重要です。超音波溶着は熱可塑性プラスチックでのみ機能し、ポリエチレンやポリプロピレンなどの半結晶グレードは、ABS やポリスチレンなどの非晶質グレードよりも多くのエネルギーと慎重な接合設計を必要とします。部品はジョイントに振動を伝達できなければなりません。ホーンから遠く離れた接合部にある大きくて柔軟な部品は、確実に溶接できない可能性があります。ツールは部品ごとに異なります。部品の形状の変更は通常、新しいホーンと固定具を意味します。
まず最初に正しく選択するのは材料の選択です。以下の表は、一般的なエンジニアリング熱可塑性樹脂の典型的な挙動をまとめたものです。の参考記事は、 超音波溶着に最適な材料 あまり一般的ではない樹脂とブレンドについてさらに詳しく説明します。
| 材質 | 溶接性 | 実践メモ |
|---|---|---|
| ABS | 素晴らしい | 低エネルギー、寛容性、ニアフィールドとファーフィールドで動作 |
| ポリスチレン(PS) | 素晴らしい | 溶接が簡単。エネルギーが高すぎると点滅する傾向があります |
| ポリカーボネート(PC) | 良い | 振幅を制御する必要がある。応力亀裂の危険性 |
| ポリプロピレン(PP) | 良い | 半結晶質。より高いエネルギーとせん断ジョイントが必要です |
| ポリエチレン(PE) | フェア | 高いメルトフロー。ジョイントの形状は重要です |
| ナイロン(PA) | 良い | 水分含有量は品質に影響します。乾燥した部分が好ましい |
| PET/PBT | フェア | 高振幅と慎重な治具設計が必要 |
| PVC | フェア | 安定剤は結果に影響を与えます。適切な通気が必要 |
| POM(アセタール) | 良い | 素晴らしい with shear joints; avoid thin sections |
| PMMA(アクリル) | 良い | きれいな溶接。表面のマーキングに注意してください |
異種材料は、化学的に適合する場合にのみ溶接できます。通常は、溶融温度が近いアモルファスとアモルファス、または半結晶と半結晶のペアです。ツールを作成する前に簡単な互換性チェックを行うと、後からプロセスをチューニングするよりもはるかに多くの時間を節約できます。
ジョイントの形状によって、ホーンの振動が溶接部になるか、単なるホットスポットになるかが決まります。 2 つの古典的なデザインでほとんどのアプリケーションをカバーします。
接合面に成形された三角形の尾根が最初の接触面積を集中させるため、溶融物は迅速かつ予測どおりに形成されます。アモルファスプラスチックの標準的な選択肢です。一般的なエネルギー ディレクタの高さは 0.3 ～ 0.7 mm です。幅と角度は材料の溶融挙動に一致する必要があります。
せん断接合は締まりばめです。材料が溶けるにつれて、一部の小さな段差が嵌合部分に押し込まれ、連続的な溶融ゾーンが形成されます。 PP や PE などの半結晶性プラスチックは、このプロセスで材料がスナップバックする傾向に抵抗する垂直方向の溶融を生成するため、せん断接合の信頼性がはるかに高くなります。通常、設計者は片側あたり 0.2 ～ 0.5 mm のしめしろを指定します。
ステップジョイント、さねはぎジョイント、およびチゼルのデザインは、液体をシールしたり、バリを制御したり、薄肉セクションを強化したりするために使用されるバリエーションです。どのような形状であっても、ホーンはジョイント近くの平らで硬い表面に触れなければなりません。工具は完全にカスタムです。ホーンは部品の輪郭に合わせて成形され、固定具は振動を減衰させることなく下部部品を保持します。特殊な部品形状の場合、通常はホーンや金型を特注で加工することが避けられません。
精密溶接用途向けのカスタム超音波金型 このカスタマイズされた金型オプションは、特殊な部品形状に適しており、標準ツールを補完します。溶接、切断、シーリング作業をサポートし、耐久性とパフォーマンスのバランスが取れた工業用グレードのスチールで作られています。 製品を見る→ 周波数、振幅、溶接時間、圧力の 4 つの変数を制御できます。周波数はマシンによって固定されており、通常は 15、20、30、または 35 kHz です。より高い周波数は、より小さく、より繊細な部品に適しています。振幅は振動距離であり、ブースターとホーンの比によって調整されます。溶接時間と圧力はコントローラーで設定します。より高度な機械では、崩壊として知られる溶接距離や部品の絶対高さも監視するため、時間のみよりもはるかに優れた一貫性が得られます。
一般的な欠陥は、特定の原因にまで遡ります。
超音波溶接は、熱可塑性プラスチック部品を大量に接合する必要がある場合に使用されます。自動車サプライヤーは、ダッシュボード、ドアパネル、液体リザーバー、ランプハウジングにこれを使用しています。医療機器メーカーは、溶接によって接着剤が残留せず、接合部が密閉できるため、血液フィルター、IV コネクタ、バルブ ハウジング、人工呼吸器のコンポーネントにこの技術を信頼しています。家電工場では、サイクルタイムが 1 秒未満のベンチ プレスを使用して、バッテリー パック、充電器シェル、スイッチ ハウジングを組み立てています。同じ物理学が不織布の溶接にも適用されるため、既に超音波繊維装置を使用しているメーカーは、プラスチック部品の溶接への移行が簡単であることが多いのです。
プロトタイプのバッチ、少量の組み立て、修理溶接、または二次作業前の仮付けなど、フルプレスを正当化できない作業の場合、多くの場合、ハンドヘルドホーンを備えたスポット溶接機が最もコスト効率の高いオプションとなります。
AH-50Q 不織布用超音波スポット溶着機 このスポット溶接機は、プロトタイプ、小規模シリーズ、または修理溶接に最適で、予熱なしで不織布バッグやマスクを溶接します。調整可能な幅と交換可能なパターン付き金型を備えており、多用途の製造が可能です。 製品を見る→ 機器の選択はパーツに従うものであり、その逆ではありません。まずは部品のサイズと材質から始めます。 1 mm ジョイントを備えた小型の ABS 民生用製品は、1 ～ 2 kW の出力を備えた 20 kHz プレスで完全に対応できます。継ぎ目長さ 300 mm の大型 PP 自動車部品には、継ぎ目の遠端まで十分な振幅を供給するために、3 ～ 4 kW の 15 kHz システムが必要です。薄く繊細な部品の場合、30 または 35 kHz の機械は、より穏やかで制御可能なエネルギーを提供します。
次に決定するのは制御モードです。基本的な時間ベースのコントローラーは、安定したパーツや単純なジョイントには適しています。距離ベースの溶接では、部品が設定量だけ潰れたときに溶接を停止するため、部品の高さの公差の影響が排除されます。高さに基づいた溶接では、溶接時間ではなく最終的な部品の寸法が保証されます。これは、圧力に耐えたり、密閉する必要がある部品にとって重要です。
工具の予算を見落とさないでください。ホーンと治具はマシン自体と同じくらいの費用がかかることが多く、プロジェクトごとに異なります。複数の部品番号を溶接する必要がある場合は、交換可能なブースター、ホーン、固定具をすぐに使用できる機械を選択してください。
安全性は購入決定の一部です。印刷機には両手で始動できる装置、保護筐体またはカーテン、および信頼性の高い緊急停止装置が必要です。私たちのガイド 超音波溶接機を操作する際の安全上の考慮事項 に、試運転前に確認する特定の項目を示します。
AH-DSL 15kHz 4200W 大型部品用プラスチック溶接機 この高出力プレスは、大型の熱可塑性プラスチック部品や不織布アセンブリを処理します。重力ダイカスト フレーム、4 つのネジによるレベリング、およびデュアル ボタンの安全性は、一貫した結果を伴う生産の要求に適しています。 製品を見る→ プラスチックの超音波溶接は、溶接可能な材料の組み合わせ、超音波エネルギー伝達用に設計された接合部、部品のサイズに十分なパワーと制御を備えた機械の 3 つが揃っていれば、成熟した反復可能なプロセスとなります。材料表から始めて、金型メーカーに接合部の形状を確認し、生産量に合わせて設備を調整します。この順序で超音波溶接を行うと、ネジや接着剤よりも速く、きれいで、多くの場合強度が高い接合が得られます。
