Die Ultraschall -Kunststoffbautechnologie wird im Zusammenhang mit Thermoplastik häufig eingesetzt. Die von ihr produzierten Gelenke sind nicht nur stark und langlebig, sondern auch schön aussehen. Diese Technologie deckt vier Hauptkategorien ab, darunter Ultraschallschweißen im Mittelpunkt der Forschung. Ultraschallschweißen verwendet Hochfrequenz-Ultraschall-Energie (15-50 kHz), um mechanische Schwingungen mit niedriger Amplitude (1-100 μm) zu erzeugen. Diese Schwingung wirkt auf die Gelenke der Komponenten, schmilzt das thermoplastische Material durch Reibungswärmeerzeugung und bildet dann eine Schweißnaht. Die Schweißgeschwindigkeit ist extrem schnell, normalerweise zwischen 0,1 Sekunden und 1,0 Sekunden.
Während des Ultraschallschweißprozesses werden in Thermoplastik sinusförmige stehende Wellen erzeugt. Aufgrund der intermolekularen Reibung wird ein Teil der Energie in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die Temperatur des Materials erhöht wird. Ein weiterer Teil der Energie ist konzentriert und in die Verbindung übertragen, die durch die Grenze weiterhin lokal erhitzt wird. Daher wird der Übertragungsweg der Ultraschallenergie und das Schmelzverhalten des Materials gemeinsam durch die Geometrie des Teils und die Ultraschallabsorptionseigenschaften des Materials beeinflusst.
Wenn die Schwingungsquelle nahe am Schweißgelenk liegt, weist das Material einen weniger Energieabsorptionsverlust auf. Wenn der Abstand von der Schwingungsquelle zur Gelenk weniger als 6,4 mm beträgt, wird der Prozess als Nahfeldschweißen bezeichnet, was für kristalline Materialien mit hoher Energieabsorption und niedriger Steifigkeitsmaterialien geeignet ist. Wenn die Entfernung größer als 6,4 mm ist, wird sie als Fernfeldschweißen bezeichnet, was für amorphe Materialien mit niedriger Energieabsorption und hoher Steifigkeitsmaterialien geeignet ist.
Aufgrund der "ungleichmäßigen" Eigenschaften der Gelenkoberfläche ist es einfach, hohe Temperatur und hohe Reibung zu erzeugen, was der Akkumulation von Ultraschallenergie förderlich ist. In vielen Ultraschallschweißanwendungen wird auf der Oberfläche des oberen Teils ein dreieckigerer Vorsprung ausgelegt, der als die Energieführerrippe bezeichnet wird und die Vibrationsenergie zum Konzentrieren am Gelenk führt.
Während des Ultraschallschweißprozesses wirkt die Schwingungsenergie vertikal auf der Gelenkoberfläche, und die Spitze der Energieführerrippenkontakten des geschweißten Teils unter Druck. Aufgrund der Reibungswärmeerzeugung wird an der Spitze eine große Menge Wärme erzeugt, wodurch die Energieführerrippe zu schmelzen wird. Das gesamte Schweißverfahren kann in vier Stufen unterteilt werden. Erstens beginnt die Oberseite der Energieführung zu schmelzen, und die Schmelzrate steigt allmählich an. Wenn die Lücke auf beiden Seiten des Gelenks abnimmt, verteilt sich die geschmolzene Energieführer -Rippe vollständig und kontaktiert das unten stehende Teil, und die Schmelzrate nimmt zu diesem Zeitpunkt ab. Zweitens sind die oberen und unteren Teile im Oberflächenkontakt und der Schmelzbereich wird weiter erweitert. Dann tritt es in die Schmelzstufe des stationären Zustands ein, zu diesem Zeitpunkt wird eine geschmolzene Schicht einer bestimmten Dicke gebildet, die von einem stabilen Temperaturfeld begleitet wird. Wenn die voreingestellte Schweißenergie, Zeit oder andere Kontrollbedingungen erreicht sind, stoppt die Ultraschallvibration. Schließlich wird der Druck beibehalten, die überschüssige Schmelze wird aus der Schweißnaht gepresst und die Teile sind durch molekulare Bindungen verbunden und allmählich abgekühlt.
Vor- und Nachteile von Ultraschallschweißen
Als Kunststoffverbindungs -Technologie, die im Industriegebiet weit verbreitet ist, sticht das Ultraschallschweißen für seine schnelle, wirtschaftliche, einfache Automatisierungsintegration und Eignung für die Massenproduktion heraus. Die Schweißstabilität ist ausgezeichnet, die Stärke ist auch hoch und die Schweißzeit kürzer als andere Prozesse. Darüber hinaus erfordert diese Technologie kein komplexes Belüftungssystem, um Rauch oder Kühlsystem zu entfernen, um überschüssige Wärme mit hoher Energieversorgung, höherer Produktionseffizienz und geringeren Kosten zu entfernen. Das Formgestaltung ist relativ einfach und die Schimmelpackungsgeschwindigkeit ist schnell, wodurch die Nutzungsrate und die Vielseitigkeit der Geräte verbessert werden. Es ist erwähnenswert, dass die Schweißnaht, da keine anderen Hilfsschweißmaterialien in die Schweißnaht eingeführt werden, die Biokompatibilität der Geräte nicht sauber und frei von Verunreinigungen beeinflusst und für die Verwendung in der Gesundheitsbranche mit höheren Anforderungen an Sauberkeit sehr geeignet ist.
Das Ultraschallschweißen ist jedoch auch einiger Einschränkungen ausgesetzt. Bei Produkten mit einer Größe von mehr als 250 mmx300 mm wird das Design des Schweißkopfes schwierig und es ist häufig erforderlich, mehrere Schweißköpfe für Synchronschweißen oder einen einzelnen Schweißkopf für die Fertigstellung mehrerer Schweißen zu verwenden. Darüber hinaus hängen die Ergebnisse des Ultraschallschweißens eng mit Faktoren wie Schweißstrukturkonstruktion, inspritzgeformten Teilsmangel und Deformation zusammen. Gleichzeitig können Ultraschallschwingungen empfindliche elektronische Komponenten schädigen, obwohl solche Risiken durch Erhöhen der Frequenz und die Verringerung der Amplitude verringert werden können.
Anwendungsfelder
Ultraschallschweißen wird in vielen Branchen weit verbreitet. In der Automobilindustrie wird beispielsweise Komponenten wie Scheinwerfer, Dashboards, Tasten und Schalter angeschlossen. In der Elektronik- und Elektroindustrie wird diese Technologie häufig auch verwendet, um Komponenten wie Schalter, Sensoren und Aktuatoren zu verbinden. Darüber hinaus ist das Ultraschallschweißen im Herstellungsprozess von Produkten wie Filtern, Kathetern, medizinischen Kleidung und Masken im medizinischen Bereich unverzichtbar. Gleichzeitig profitiert auch die Produktion von Produkten wie Blasenbeutel, Taschen, Lagerbehältern und Düsen in der Verpackungsbranche von der Effizienz und Bequemlichkeit des Ultraschallschweißens.
Die Kaffeetasse besteht aus PS-Material, und ihr Schweißbau kombiniert geschickt die Rille und die energiesparende Rippe, die nicht nur die Stabilität der Verbindung gewährleistet, sondern auch die Effizienz der Produktion verbessert.
Der elektronische Schalter besteht aus ABS -Kunststoff und wurde durch Ultraschallnieten verfeinert.
Der Reflektor besteht aus einem gemischten Material aus ABS und PC und kombiniert den Schweißprozess von Schritten und energiesparenden Rippen, um ein einzigartiges strukturelles Design zu erzeugen.
Die elektronische Lampe verwendet ein Verbundmaterial von ABS und PMMA, kombiniert mit dem exquisiten Schweißprozess von Ebenen und energiesparenden Rippen, die einen einzigartigen Designstil darstellen.
Der elektrische Anschluss kombiniert die festen Materialien von ABS und Metall und sorgt für die Stabilität und Haltbarkeit seiner Verbindung durch präzise Ultraschallnieten.
Die medizinische Flasche besteht aus PC-Material und verwendet geschickt das Fusionsdesign von Ebenen und energiesparenden Rippenschweißungen.
Die Kraftstofffilterflasche besteht aus Nylon 6-6 und ihr Design kombiniert geschickt die doppelten Prozesse von Schernähten und Schweißnähten.
Die Montage der Filtermembran und der schallabsorbierenden Baumwolle verwendet ein Verbundmaterial von Nylon, das mit 30% Glasfaser dotiert ist, und wird durch einen durchdringenden Schweißprozess fein zusammengebaut.
Die Elektrokaste verwendet ein Verbundmaterial von PS und Kupfermuttern und wird durch Ultraschallinlay -Technologie fein gemacht.
Der Rotor verwendet PS-Material und kombiniert das clevere Design der Ebene und der energiedanziehenden Rippenschweißungen.
Polymerstruktur
Die molekulare Struktur der amorphen Kunststoffe ist zufällig verteilt und fehlt eine feste Anordnungsrichtung. Sein Merkmal ist, dass es sich allmählich mit dem Temperaturbereich weich. Wenn diese Art von Material die Glasübergangstemperatur erreicht, wechselt es allmählich und tritt schließlich in einen flüssigen geschmolzenen Zustand ein. Der Prozess des Materials von Flüssigkeit zu Verfestigung ist allmählich. Amorphe Kunststoffe können Ultraschallschwingungen effektiv übertragen, und aufgrund ihres weiten Weichentemperaturbereichs sind sie leichter zu schweißen und zu versiegeln.
Andererseits ist die molekulare Struktur von halbkristallinen Kunststoffen ordentlich angeordnet. Hohe Hitze ist der Schlüssel zum Aufbrechen der ordnungsgemäßen Anordnung. Diese Kunststoffe haben scharfe Schmelzpunkte, und sobald die Temperatur leicht sinkt, wird sich der Flüssigkeitszustand schnell verfestigen. Daher erstreckt sich die Schmelze, die aus dem heißen Schmelzbereich fließt, schnell. Bei festem festen ist das molekulare Verhalten von halbkristallinen Materialien wie eine Feder, die die meisten Ultraschallschwingungen absorbiert, anstatt sie an den Gelenkbereich zu übertragen. Daher ist für semi-kristalline Kunststoffe ein Hochschulausgangsschweißkopf erforderlich, um ausreichend Wärme zu erzeugen.
TG -Glasübergangstemperatur und TM -Schmelztemperatur
Bei der Erörterung der Polymerstruktur erwähnten wir zwei wichtige Temperaturkonzepte: TG -Glasübergangstemperatur und TM -Schmelztemperatur. TG ist die Temperatur, bei der das Material von einem glasigen Zustand zu einem hochelastischen Zustand ändert. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Material allmählich zu weich. TM ist die Temperatur, die erforderlich ist, damit das Material vollständig in eine Flüssigkeit schmilzt. Diese beiden Temperaturmerkmale sind entscheidend für das Verständnis der Verarbeitung und Leistung von Polymermaterialien.
Die linke Seite der obigen Abbildung zeigt einen amorphen Kunststoff, während die rechte Seite einen halbkristallinen Kunststoff zeigt. In Thermoplastik können Füllstoffe wie Glasfaser, Talk und Mineralien die Wirkung von Ultraschallschweißen verbessern oder hemmen. Bestimmte Materialien wie Calciumcarbonat, Kaolin, Talk, Aluminiumoxid sowie organische Fasern, Kieselsäure, Glaskugeln, Calcium -Metasilikat (Wollastonit) und Glimmer können die Härte des Harzes erhöhen. Studien haben gezeigt, dass der Füllstoffgehalt, wenn er 20%erreicht, die Übertragungseffizienz von Ultraschallschwingungen im Material effektiv verbessern kann, insbesondere für semi-kristalline Materialien. Wenn der Füllstoffgehalt jedoch 35%überschreitet, kann die Zuverlässigkeit der Siegel aufgrund des unzureichenden Harzgehalts an der Schweißnaht beeinträchtigt werden. Wenn der Füllstoffgehalt 40%erreicht, sammeln sich die Glasfasern an der gemeinsamen Position, was zu einem unzureichenden Harzgehalt an der Schweißnaht führt, was wiederum die Schweißfestigkeit beeinflusst. Darüber hinaus häufen sich während des Injektionsformprozesses lange Glasfasern auf den energiesparenden Rippen an. Eine effektive Lösung besteht darin, kurze Glasfasern anstelle von langen Glasfasern zu verwenden.
Wenn der Füllstoffgehalt 10%überschreitet, können abrasive Partikel im Material den Verschleiß des Schweißkopfes verursachen. Daher wird empfohlen, einen Carbid -Stahlschweißkopf oder einen mit Wolfram -Carbidbeschichtung bedeckten Titanlegierschweißkopf zu verwenden. Gleichzeitig kann es erforderlich sein, ein Ultraschallgerät mit höherem Strom auszuwählen, um sicherzustellen, dass an der Verbindung eine ausreichende Wärme erzeugt wird.
Andererseits können Zusatzstoffe die Gesamtleistung oder die Merkmale des Materials in den Injektionsform verbessern, haben jedoch häufig hemmende Wirkung auf das Ultraschallschweißen. Typische Zusatzstoffe umfassen Schmiermittel, Weichmacher, Aufprallmodifikatoren, Flammschutzmittel, Farbmittel, Schaumstoffmittel und Re -Boden -Harze. Beispielsweise verringern Schmiermittel wie Wachs, Zinkstearat, Stearinsäure und Fettsäureester den Reibungskoeffizienten zwischen Polymermolekülen, wodurch die Wärmeerzeugung verringert wird. Dieser Effekt ist jedoch normalerweise bei der Verbindung kleiner, da die Schmiermittelkonzentration niedrig und gleichmäßig verteilt ist. Andererseits erhöhen Weichmacher wie organische Flüssigkeiten mit hoher Temperatur oder Schmelzfeststoffe mit niedrigem Temperatur die Weichheit des Materials und verringern die Steifheit, verringern jedoch die Anziehungskraft zwischen den inneren Molekülen des Polymers und stören die Übertragung der Vibrationsenergie. Insbesondere stark plastische Materialien wie Vinyl sind als Übertragungsmaterial für Ultraschallschwingungen sehr ungeeignet. Darüber hinaus können Weichmacher als innere Additive im Laufe der Zeit auf die Oberfläche des Kunststoffs wandern, was den Effekt des Ultraschallschweißens weiter beeinflusst. In ähnlicher Weise verringern Aufprallmodifikatoren wie Gummi auch die Fähigkeit des Materials, Ultraschallschwingungen zu übertragen, was eine größere Amplitude erfordert, um den Kunststoff zu schmelzen.
Flammschutzmittel, anorganische Oxide oder halogenierte organische Elemente (wie Aluminium, Antimon, Bor, Chlor, Brom, Schwefel, Stickstoff oder Phosphor), das dem Material hinzugefügt wurde, können den Brandpunkt des Materials effektiv unterdrücken oder seine Verbrennungsmerkmale verändern. Diese Zutaten machen das Material jedoch häufig unerwartet, insbesondere wenn die Flammhemmung 50% oder mehr ausmacht, was die Menge an schweißbarem Material erheblich verringert. Für solche Materialien sind Ultraschallgeräte und Schweißköpfe mit großen Amplituden erforderlich, und das Gelenkdesign wird eingestellt, um den Anteil des schweißbaren Materials zu erhöhen.
Die meisten Farben, einschließlich Pigmente und Farbstoffe, behindern die Übertragung von Ultraschallschwingungen nicht. Sie können jedoch die Menge an schweißbarem Material im Gelenkbereich reduzieren. Insbesondere, wenn der Gehalt an Titandioxid (TIO2) 5%überschreitet, wird sich der Schmiermitteleffekt erkennen, was einen hemmenden Effekt auf das Ultraschallschweißen haben wird. Gleichzeitig stört Carbon Black die Ausbreitung der Ultraschallenergie im Material.
Schaummittel reduzieren die Fähigkeit des Materials, Ultraschallschwingungen zu übertragen, da ihre geringe Dichte und eine große Anzahl von Poren in der molekularen Struktur eine wirksame Energieübertragung verhindern.
Wenn Erdharz (Regrind) in das Material gemischt wird, müssen seine Hinzufügung und sein Volumen sorgfältig bewertet und kontrolliert werden, um den Schweißeffekt zu optimieren. In einigen Fällen kann Regrind überhaupt nicht verwendet werden und 100% jungfräuliches Material sind erforderlich.
Während Formfreisetzungsmittel wie Zinkstearat, Aluminiumstearat, Fluorkohlenwasserstoffe und Silikone dazu beitragen können, Injektionsgeformteile freizusetzen, können sie auf die Gelenkoberfläche übertragen und den Reibungskoeffizienten des Materials verringert und wodurch die Wärmeerzeugung verringert und die ultrasonische Schweide hemmt. Gleichzeitig können Schimmelfreisetzungsmittel auch eine chemische Kontamination des Harzes verursachen und die Bildung ordnungsgemäßer chemischer Bindungen beeinflussen. Insbesondere Silikone haben die bedeutendsten Auswirkungen. Bei der Verwendung von Schimmelfreisetzungsmitteln ist es daher erforderlich, die entsprechende Note sorgfältig auszuwählen und Maßnahmen zu ergreifen, um zu verhindern, dass sie auf die Oberfläche des Teils übertragen wird.
Darüber hinaus können verschiedene Materialklassen unterschiedliche Schmelztemperaturen und Durchflussindizes aufweisen, was auch den Effekt des Ultraschallschweißens beeinflussen kann. Zum Beispiel können die Gussquoten von PMMA aufgrund ihres höheren Molekulargewichts und der Schmelztemperatur schwieriger zu schweißen sein als die Injektions-/Extrusionsklassen. Um den besten Schweißeffekt zu erzielen, versuchen Sie daher, Materialien derselben Klasse für das Schweißen auszuwählen und sicherzustellen, dass der Durchflussindex der beiden Materialien ähnlich ist und die Schmelztemperaturdifferenz innerhalb von 22 Grad liegt.
Der Feuchtigkeitsgehalt eines Materials wirkt sich erheblich auf seine Schweißfestigkeit aus. Hydroskopische Materialien wie PBT, PC, PSU und Nylon nehmen leicht Feuchtigkeit aus der Luft ab. Während des Schweißverfahrens kocht diese absorbierte Feuchtigkeit bei hohen Temperaturen, und das erzeugte Gas bildet, wenn sie in der Schweißnaht eingeschlossen ist, Poren und beeinträchtigt den Kunststoff, wodurch die Ästhetik, Festigkeit und Versiegelung der Schweißnaht beeinträchtigt wird. Um dies zu vermeiden, sollten hydroskopische Materialien unmittelbar nach dem Injektionsleisten geschweißt werden. Wenn ein sofortiges Schweißen nicht möglich ist, sollten die getrockneten Teile in einem trockenen PE -Beutel gelagert oder 3 Stunden lang in einem Ofen bei 80 Grad platziert werden.
Bei der Schweißen verschiedener Materialtypen sollte die Schmelztemperatur und die molekulare Struktur der beiden Materialien außerdem besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Der ideale Schweißzustand ist, dass die Schmelztemperaturdifferenz der beiden Materialien 22 Grad nicht überschreitet und die molekulare Struktur ähnlich ist. Wenn die Schmelztemperaturdifferenz zu groß ist, schmilzt das Material mit einem niedrigeren Schmelzpunkt zuerst und fließt zuerst und liefert nicht genügend Wärme, um das Material mit einem höheren Schmelzpunkt zu schmelzen. Wenn beispielsweise das Schweißen von PMMA mit hohem MelTing-Punkt mit niedrigem MelTing-Punkt-PMMA das Energieleiter auf dem hochmelktartigen PMMA befindet, schmilzt und fließt das niedrigem Meltzeitgelenk zuerst die Schweißstärke.
Darüber hinaus ist die Materialkompatibilität auch ein Schlüsselfaktor für ein erfolgreiches Schweißen. Nur chemisch kompatible Materialien, dh Materialien mit ähnlichen molekularen Strukturen, können geschweißt werden. Es ist erwähnenswert, dass die Materialkompatibilität hauptsächlich zwischen amorphen Materialien wie ABS und PMMA, PC und PMMA sowie PS und modifiziertem PPO besteht. Semikristalline Kunststoffe wie PP und PE haben, obwohl sie ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen, unterschiedliche molekulare Strukturen und daher keine Materialkompatibilität aufweisen und können nicht geschweißt werden.
