プラスチックの超音波溶着: プロセス、材料、接合部の設計、機械の選択

プラスチック部品に超音波溶接を使用する理由

すべてのプラスチックのアセンブリは同じ質問から始まります。ネジで固定するのか、接着するのか、スナップするのか、それとも溶接するのか?意味のある量で製造される熱可塑性プラスチック部品の場合、通常、プラスチックの超音波溶着が最も速く、最もクリーンで、最も再現性の高い答えとなります。高周波の機械的振動により、2 つの部品が接触する場所に正確に摩擦熱が発生し、接着剤、溶剤、消耗品を使用せずに、瞬時に部品が溶けて融合します。

このガイドでは、超音波プラスチック溶接の仕組み、どの熱可塑性プラスチックがよく溶接するか、信頼性の高い接合部を設計する方法、および超音波溶接機を購入する前に考慮すべき点について説明します。

超音波プラスチック溶接の仕組み

超音波溶接をエネルギー変換の連鎖として考えてください。発電機は、主電源を高周波電気信号 (通常は 15、20、30、35、または 40 kHz) に変換します。圧電トランスデューサーがその信号を機械振動に変換し、ブースターが振幅を調整し、ホーンまたはソノトロードが振動を上部に伝えます。下部は硬い固定具またはアンビルに設置されます。界面での摩擦により熱が発生し、ポリマーが溶け、溶接部が冷えるにつれて制御された圧力の下で表面が融合します。

最も一般的なモードであるプランジ溶接では、サイクルは次のようになります。

1. 部品は固定具に固定され、位置を揃えて保持されます。
2. ホーンは下降し、あらかじめ設定されたトリガー力で上部に接触します。
3. ジェネレーターが起動し、トランスデューサーが選択した周波数で振動します。
4. 振動は接合部に伝わり、分子摩擦によって材料が加熱されます。
5. ジョイントのディテールが溶けて流れ、界面を埋めます。
6. 振動が止まります。溶接部が冷える間、ホーンはアセンブリに圧力をかけたまま保持します。
7. ホーンが後退し、完成したアセンブリが取り外されます。

同じ物理的原理により、フィルム、合成繊維、不織布の連続溶接が行われ、回転するホーンが 1 回のパスで縫い合わせ、切断、または積層を行います。

超音波溶着できるプラスチックはどれですか?

ルールは単純です。非晶質熱可塑性プラスチックは容易に溶接され、半結晶性熱可塑性プラスチックはより多くのエネルギーと注意を払って溶接されます。 熱硬化性樹脂はまったく溶接しません .

アモルファス材料は広い温度範囲で軟化するため、振幅や溶接時間の小さな変動を許容します。半結晶性プラスチックは非常に狭い範囲で溶融するため、周囲の材料が流動する準備が整う前にエネルギー ディレクタが溶融すると、接合部が破損する可能性があります。

異なるプラスチックは、化学的に適合し、溶融温度が通常約 20 °C 以内で近接して重なっている場合にのみ溶接できます。ナイロンやポリカーボネートなどの湿気に敏感なグレードは、気泡やボイドを避けるために最初に乾燥させる必要があります。私たちの 溶接可能な材料とその制限の詳細な比較 では、これらの影響と充填剤や添加剤の影響について説明します。

ジョイント設計: エネルギー ディレクター、せん断ジョイントなど

接合部の形状によって、界面に到達するエネルギーの量と、溶融プラスチックがどこに行くかが決まります。良好な接合部は振動を集中させ、バリを捕捉し、溶融物が流れる余地を与えます。

エネルギーディレクタージョイント

エネルギー ディレクタは、片面に成形された三角形または尖った隆起です。機械的応力が小さな接触領域に集中し、最初に溶けて接合部全体に広がります。エネルギー ダイレクタはアモルファス プラスチックに適しており、突合せジョイントやステップ ジョイントで一般的に使用され、典型的なリッジの高さは 0.25 ～ 0.5 mm です。

せん断ジョイント

せん断ジョイントは、上壁と下壁の間に締まりばめを作成します。部品が振動すると、接触面が重なり高さ全体にわたって溶け、強力な連続結合が形成されます。せん断接合は、半結晶材料や漏れ防止シールまたは高強度シールに適しています。

その他のジョイント構成

さねはぎジョイントにより、自己位置決めとせん断抵抗が提供されます。十字模様やテクスチャー模様は、広い平面領域、布地、フィルムに適しています。周囲の接合部は部品の輪郭に沿っており、シールによく使用されます。

ジョイント、ホーン、固定具がどのようなものであっても、部品の形状と一致する必要があります。多くの場合、ツーリングの品質は、信頼性の高いジョイントとシフト中にドリフトするジョイントとの違いになります。私たちの 超音波溶接ツールおよび治具ソリューションのガイド ホーンの選択、ネストの調整、圧力制御について説明します。

超音波プラスチック溶接の利点と限界

材料と接合が適切であれば、速度と清潔さの点で超音波溶接に勝るものはありません。

• 高速サイクル: 溶接時間 0.1～1.0秒 製造における最も迅速な接合方法の 1 つになります。
• 消耗品なし: 接着剤、溶剤、クリップ、留め具が不要なため、サプライチェーンが簡素化され、ジョイントあたりのコストが削減されます。
• 局所的な加熱: 部品の残りの部分は低温に保たれ、熱に弱いインサート、電子機器、仕上げを保護します。
• 再現性: エネルギー、振幅、力、保持時間のデジタル制御により、部品ごとに一貫した結果が得られます。
• 品質データ: 溶接ごとに変位曲線と出力曲線を記録でき、プロセスの検証をサポートします。

このプロセスには明確な境界もあります。

• 熱可塑性プラスチックのみ: 熱硬化性樹脂および高充填またはエラストマー化合物は再溶解できません。
• 剛性が重要です。上部は振動をジョイントに伝達する必要があります。柔らかい部品、柔軟な部品、または非常に薄い部品には特別な工具が必要です。
• 半結晶性ポリマーには、より高いエネルギーと慎重な接合設計が必要です。
• 表面上の制限: 目に見える表面にフラッシュやホーンの跡が現れる可能性があります。
• 工具コスト: ジョイントごとにカスタムのホーンと固定具が必要なため、このプロセスでは中量から大量の量が優先されます。

溶接品質を決定するプロセスパラメータ

周波数、振幅、溶接時間または吸収エネルギー、保持時間の 4 つのパラメータがほとんどの作業を行います。

最新の電源は、エネルギー、距離、または時間モードで溶接します。エネルギー モードは、設定量の超音波エネルギーが吸収されると溶接を停止することで、部品の高さと材料の小さな変動を補正します。距離モードは関節の崩壊を正確に制御します。

適切な超音波プラスチック溶接機の選択

超音波プラスチック溶接は、自動車のエアダクトやランプハウジング、医療用フィルターやバルブアセンブリ、電子機器の筐体、密閉されたパッケージなどに使用されています。同じ技術は、マスク、フィルター、衣服の縫い目用の合成繊維や不織布の溶接にも使用されるため、繊維製造業者と衛生製造業者は同じ機器ファミリーを利用しています。

モデルを比較する前に、次の点に注意してください。

• 部品のサイズと溶接領域: デリケートな部品は 35 または 40 kHz システムに適しています。中程度の部分は 20 kHz で実行されます。大きなアセンブリや深いアセンブリでは、十分な振幅を得るために 15 kHz が必要です。
• 材質: 非晶質ポリマーは耐性があります。半結晶グレードには、より高い振幅のヘッドと堅固なサポートが必要です。
• 生産量: 低から中程度の生産量ではベンチトップ マシンが正当化されます。大量の場合は、自動化されたシステムまたは統合されたシステムが優先されます。
• アクセス: 密封された部品、組み立てられた部品、または特大部品には、プレス取り付けヘッドの代わりにハンドヘルド ユニットが必要になることがよくあります。
• ツーリングのサポート: ホーン、モールド ベース、およびカスタム モールドがジョイント ジオメトリに利用できることを確認します。

マシンのフォーマットはこの部分に従う必要があります。大面積または高出力ジョイントの場合は、15 kHz コンバータを備えたベンチトップ マシンが現実的な選択肢です。の AHDSL 15 kHz 4200 W プラスチック溶接機 サイクル時間を短く保ちながら、より大きな熱可塑性部品や長い接合ラインに必要な出力と振幅を提供します。

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安全性とメンテナンスに関する考慮事項

ホーンが部品や調整されたテスト負荷に接触していない状態で発電機を運転しないでください。ホーンが空回りするとトランスデューサーやブースターが損傷する可能性があります。ヘッドが予期せず回転する可能性があるため、ホーン領域には手を近づけないようにしてください。また、溶接周波数自体は人間の可聴範囲を超えているにもかかわらず、プロセスによって可聴ノイズが発生するため、聴覚保護具を使用してください。

コンバーター、ブースター、およびホーンのネジ山を清潔に保ち、正しくトルクをかけ、エアフィルターと空気圧システムの圧力をチェックし、冷却ファンを妨げないようにし、発電機のアース接続を確認します。完全なリストは、 超音波溶接機を操作する際の安全上の考慮事項に関するガイド .

結論

超音波溶接は、高速かつクリーンで再現性のある接合を必要とする大量生産の熱可塑性部品のデフォルトの選択肢です。実際の公式は一貫しています。可能な限り溶接可能なアモルファス材料を選択し、ポリマーに適合するエネルギー ディレクタまたはせん断ジョイントを設計し、振幅、時間、力をデジタルで制御し、機械の周波数を部品サイズに適合させます。

機械を比較する前に、材料とジョイントの設計から始めます。これらの基礎が適切であれば、自動車、医療、不織布製品のいずれを接合する場合でも、超音波プラスチック溶接ラインは驚くほど驚くことが少なく稼働します。