La tecnologia de muntatge de plàstic d’ultrasons s’utilitza àmpliament en la connexió de termoplàstics. Les articulacions produïdes no només són fortes i duradores, sinó que també són boniques. Aquesta tecnologia cobreix quatre grans categories, entre les quals la soldadura ultrasònica és el focus de la investigació. La soldadura ultrasònica utilitza energia ultrasònica d’alta freqüència (15-50 kHz) per generar vibracions mecàniques de baixa amplitud (1-100 μm). Aquesta vibració actua sobre les articulacions dels components, fonent el material termoplàstic mitjançant la generació de calor de fricció i, a continuació, formant una soldadura. La seva velocitat de soldadura és extremadament ràpida, generalment entre 0,1 segons i 1,0 segons.
Durant el procés de soldadura d’ultrasons, les ones de peu sinusoïdal es generen en termoplàstics. A causa de la fricció intermolecular, una part de l’energia es converteix en energia de calor, cosa que augmenta la temperatura del material. Una altra part de l’energia es concentra i es transfereix a l’articulació, que s’escalfa localment per fricció del límit. Per tant, la ruta de transmissió de l’energia ultrasònica i el comportament de fusió del material es veuen afectats conjuntament per la geometria de la part i les característiques d’absorció d’ultrasons del material.
Quan la font de vibració està a prop de l’articulació de soldadura, el material té menys pèrdua d’absorció d’energia. Si la distància de la font de vibració a l’articulació és inferior a 6,4 mm, el procés s’anomena soldadura de camp proper, adequat per a materials cristal·lins amb alta absorció d’energia i materials de baixa rigidesa. Si la distància és superior a 6,4 mm, s’anomena soldadura de camp llunyà, adequat per a materials amorfs amb baixa absorció d’energia i materials d’alta rigidesa.
A causa de les característiques "desiguals" de la superfície articular, és fàcil generar temperatura alta i fricció alta, cosa que propicia l'acumulació d'energia ultrasònica. En moltes aplicacions de soldadura per ultrasons, una protuberància triangular està dissenyada a la superfície de la part superior, anomenada costella de guia energètica, que guia l’energia de vibració per concentrar -se a l’articulació.
Durant el procés de soldadura d’ultrasons, l’energia de vibració actua verticalment a la superfície de l’articulació i la punta de la guia energètica es posa en contacte amb la part soldada sota pressió. A causa de la generació de calor de fricció, es genera una gran quantitat de calor a la punta, fent que la costella de la guia energètica comenci a fondre's. Tot el procés de soldadura es pot dividir en quatre etapes. En primer lloc, la part superior de la guia energètica comença a fondre's i la taxa de fusió augmenta gradualment. A mesura que la bretxa a banda i banda de l’articulació disminueix, la costella de la guia d’energia fos s’estendrà completament i es posarà en contacte amb la part inferior i la velocitat de fusió disminuirà en aquest moment. En segon lloc, les parts superiors i inferiors estan en contacte superficial i la zona de fusió s’amplia encara més. A continuació, entra a l’etapa de fusió en estat estacionari, moment en què es forma una capa fos d’un cert gruix, acompanyat d’un camp de temperatura estable. Quan s’assoleix l’energia de soldadura preestablerta, el temps o altres condicions de control, la vibració d’ultrasons s’aturarà. Finalment, es manté la pressió, l’excés de fusió s’estrenarà de la soldadura i les parts estan connectades per enllaços moleculars i es refreden gradualment.
Avantatges i desavantatges de la soldadura per ultrasons
Com a tecnologia d’unió de plàstic àmpliament utilitzada en el camp industrial, la soldadura ultrasònica destaca per la seva integració ràpida, econòmica i fàcil d’automatització i idoneïtat per a la producció massiva. La seva estabilitat de soldadura és excel·lent, la força també és alta i el temps de soldadura és més curt que altres processos. A més, aquesta tecnologia no requereix un sistema de ventilació complex per eliminar el fum o un sistema de refrigeració per eliminar l’excés de calor, amb una gran utilització d’energia, una major eficiència de producció i un menor cost. El disseny de motlles és relativament senzill i la velocitat de canvi de motlle és ràpida, millorant així la taxa d’utilització i la versatilitat dels equips. Val la pena esmentar que, ja que no s’introdueixen altres materials de soldadura auxiliars a la soldadura, la soldadura es manté neta i lliure d’impureses, no afecta la biocompatibilitat dels equips i és molt adequada per al seu ús a la indústria sanitària amb requisits més elevats per a la neteja.
Tot i això, la soldadura ultrasònica també afronta algunes limitacions. Per a productes amb una mida de més de 250mmx300mm, el disseny del cap de soldadura es fa difícil, i sovint és necessari utilitzar múltiples capçals de soldadura per soldar síncron o un cap de soldadura únic per completar -se múltiples soldadura. A més, els resultats de la soldadura d’ultrasons estan estretament relacionats amb factors com el disseny de l’estructura de la soldadura, l’error dimensional de la part modelada per injecció i la deformació. Al mateix temps, les vibracions d’ultrasons poden causar danys als components electrònics sensibles, tot i que aquests riscos es poden reduir augmentant la freqüència i reduint l’amplitud.
Camps d'aplicació
La soldadura ultrasònica s’utilitza àmpliament en moltes indústries. Per exemple, a la indústria de l’automoció, s’utilitza per connectar components com ara fars, taulers, botons i interruptors; A l’electrònica i a les indústries elèctriques, aquesta tecnologia també s’utilitza sovint per connectar components com interruptors, sensors i actuadors; A més, la soldadura ultrasònica també és indispensable en el procés de fabricació de productes com filtres, catèters, roba mèdica i màscares en l’àmbit mèdic. Al mateix temps, la producció de productes com ara bosses, bosses, contenidors d’emmagatzematge i broquets de la indústria dels envasos també es beneficia de l’eficiència i la comoditat de la soldadura d’ultrasons.
La tassa de cafè està feta de material de PS i el seu disseny de soldadura combina de manera intel·ligent la ranura i la costella que suposa l’energia, que no només garanteix l’estabilitat de la connexió, sinó que també millora l’eficiència de la producció.
L’interruptor electrònic està fabricat en plàstic ABS i refinat mitjançant la rebleria d’ultrasons.
El reflector està fabricat amb un material mixt d’ABS i PC i combina el procés de soldadura dels passos i les costelles que guarden l’energia per crear un disseny estructural únic.
La làmpada electrònica utilitza un material compost de ABS i PMMA, combinat amb el procés de soldadura exquisit del pla i les costelles que guarden l’energia, presentant un estil de disseny únic.
El connector elèctric combina els materials sòlids de l’ABS i el metall, i garanteix l’estabilitat i la durabilitat de la seva connexió mitjançant un rebliment d’ultrasons precisos.
L’ampolla mèdica està fabricada amb material de PC i utilitza de forma intel·ligent el disseny de fusió de les soldadures de costelles de pla i energia.
L’ampolla de filtre de combustible està feta de niló 6-6 i el seu disseny combina de manera intel·ligent els processos dobles de costures i soldadures de cisalla.
El muntatge de la membrana del filtre i el cotó que absorbeix el so utilitza un material compost de niló dopat amb un 30% de fibra de vidre i es munta finament mitjançant un procés de soldadura per penetració.
La caixa elèctrica utilitza un material compost de fruits secs de PS i coure, i es fa finament mitjançant la tecnologia d’incrasions d’ultrasons.
El rotor utilitza material de PS i combina el disseny intel·ligent del pla i les soldadures de costelles que condueixen energia.
Estructura de polímer
L’estructura molecular dels plàstics amorfs es distribueix aleatòriament i no té una direcció d’arranjament fixa. La seva característica és que es suavitza gradualment amb el rang de temperatures. Quan aquest tipus de material arriba a la temperatura de transició del vidre, es suavitza gradualment i finalment entra en un estat fos líquid. El procés del material de líquid a solidificació és gradual. Els plàstics amorfs poden transmetre eficaçment les vibracions d’ultrasons i, a causa del seu ampli rang de temperatura de suavització, són més fàcils de soldar i aconseguir el segellat.
D'altra banda, l'estructura molecular dels plàstics semi-cristal·lins està ordenada ordenada. La calor elevada és clau per trencar l’ordenació ordenada. Aquests plàstics tenen punts de fusió afilats i, un cop la temperatura baixa lleugerament, l’estat líquid es solidificarà ràpidament. Per tant, la fosa que surt de la zona de fusió calenta es solidificarà ràpidament. Quan és sòlid, el comportament molecular dels materials semi-cristal·lins és com una molla, absorbint la majoria de les vibracions ultrasòniques en lloc de transmetre-les a la zona articular. Per tant, per als plàstics semi-cristal·lins, es necessita un cap de soldadura de sortida d’alta amplitud per generar calor suficient.
Temperatura de transició de vidre TG i temperatura de fusió TM
Quan es parla de l'estructura del polímer, es van esmentar dos conceptes importants de temperatura: la temperatura de transició del vidre TG i la temperatura de fusió de TM. TG és la temperatura a la qual el material canvia d’un estat de vidre a un estat altament elàstic, moment en què el material comença a suavitzar gradualment. TM és la temperatura necessària perquè el material es fongui completament en un líquid. Aquestes dues característiques de temperatura són crucials per comprendre el processament i el rendiment dels materials de polímer.
El costat esquerre de la figura de dalt mostra un plàstic amorf, mentre que el costat dret mostra un plàstic semi-cristal·lí. En termoplàstics, els càrrecs com la fibra de vidre, el talc i els minerals poden millorar o inhibir l'efecte de la soldadura d'ultrasons. Alguns materials, com ara carbonat de calci, caolí, talc, alúmina, així com fibres orgàniques, sílice, boles de vidre, metasilicat de calci (wollastonita) i mica, poden augmentar la duresa de la resina. Els estudis han demostrat que quan el contingut de farciment arriba al 20%, pot millorar eficaçment l'eficiència de transmissió de les vibracions d'ultrasons en el material, especialment per a materials semi-cristal·lins. No obstant això, quan el contingut de farciment supera el 35%, la fiabilitat del segell es pot veure afectada a causa del contingut de resina insuficient a la soldadura. Quan el contingut de farciment arriba al 40%, les fibres de vidre es reuniran a la posició articular, donant lloc a un contingut de resina insuficient a la soldadura, que al seu torn afecta la força de la soldadura. A més, durant el procés de modelat per injecció, les fibres de vidre llargs solen acumular-se a les costelles que guarden l’energia. Una solució eficaç és utilitzar fibres de vidre curt en lloc de fibres de vidre llargs.
A més, quan el contingut de farciment supera el 10%, les partícules abrasives del material poden causar desgast del cap de soldadura. Per tant, es recomana utilitzar un capçal de soldadura d’acer de carbur o un cap de soldadura d’aliatge de titani cobert de revestiment de carbur de tungstè. Al mateix temps, pot ser necessari seleccionar un dispositiu d’ultrasons de potència superior per assegurar -se que es genera calor suficient a l’articulació.
D'altra banda, mentre que els additius poden millorar el rendiment general o les característiques de modelat per injecció del material, sovint tenen un efecte inhibidor sobre la soldadura d'ultrasons. Els additius típics inclouen lubricants, plastificants, modificadors d’impacte, retardants de la flama, colorants, agents d’escuma i resines replegades. Per exemple, lubricants com la cera, l’estearat de zinc, l’àcid esteàric i els èsters d’àcids grassos redueixen el coeficient de fricció entre les molècules de polímer, reduint així la generació de calor. Tot i això, aquest efecte sol ser menor a l’articulació perquè la concentració de lubricant és baixa i es dispersa uniformement. D'altra banda, els plastificants com els líquids orgànics a alta temperatura o els sòlids de fusió a baixa temperatura augmenten la suavitat del material i redueixen la rigidesa, però redueixen l'atracció entre les molècules internes del polímer i interfereixen amb la transmissió d'energia de vibració. En particular, els materials altament plastificats com el vinil són molt inadequats com a materials de transmissió per a vibracions d’ultrasons. A més, els plastificants com a additius interns poden migrar a la superfície del plàstic amb el pas del temps, afectant encara més l'efecte de la soldadura d'ultrasons. De la mateixa manera, els modificadors d’impacte com el cautxú també redueixen la capacitat del material de transmetre vibracions d’ultrasons, que requereixen una amplitud més gran per fondre el plàstic.
Els retardants de la flama, els òxids inorgànics o els elements orgànics halogenats (com l’alumini, l’antimoni, el bor, el clor, el brom, el sofre, el nitrogen o el fòsfor) afegits al material poden suprimir eficaçment el punt de foc del material o canviar les seves característiques de combustió. Tot i això, aquests ingredients sovint fan que el material sigui desitjable, sobretot quan la retardant de la flama representa el 50% o més, cosa que reduirà significativament la quantitat de material soldable. Per a aquests materials, es requereixen equips d’ultrasons d’alta potència i capçals de soldadura amb grans amplituds i el disseny articular s’ajusta per augmentar la proporció de material soldable.
La majoria dels colorants, inclosos els pigments i els colorants, no dificulten la transmissió de vibracions d’ultrasons. Tot i això, poden reduir la quantitat de material soldable a la zona articular. En particular, quan el contingut de diòxid de titani (TiO2) supera el 5%, el seu efecte lubricant es farà evident, cosa que tindrà un efecte inhibidor sobre la soldadura ultrasònica. Al mateix temps, el carboni negre interferirà amb la propagació de l’energia d’ultrasons al material.
Els agents d’escuma redueixen la capacitat del material de transmetre vibracions d’ultrasons perquè la seva baixa densitat i gran nombre de porus en l’estructura molecular impedeixen una transmissió efectiva d’energia.
Quan la resina mòlta (regrind) es barreja en el material, cal avaluar i controlar acuradament el seu volum i controlar per optimitzar l'efecte de soldadura. En alguns casos, es pot utilitzar en absolut i es requereix un material verge al 100%.
A més, mentre que els agents d’alliberament de motlles com l’estearat de zinc, l’estearat d’alumini, els fluorocarburs i les silicones poden ajudar a alliberar parts modelat per injecció, poden transferir -se a la superfície de l’articulació i reduir el coeficient de fricció del material, reduint així la generació de calor i inhibint la soldadura d’ultrasons. Al mateix temps, els agents d’alliberament de motlles també poden causar contaminació química a la resina i afectar la formació d’enllaços químics adequats. Les silicones, en particular, tenen l’impacte més significatiu. Per tant, quan s’utilitzen agents d’alliberament de motlles, cal seleccionar detingudament la nota adequada i prendre mesures per evitar que es transfereixi a la superfície de la part.
A més, diferents graus de materials poden tenir diferents temperatures de fusió i índexs de flux, cosa que també pot afectar l'efecte de la soldadura d'ultrasons. Per exemple, els graus de PMMA poden ser més difícils de soldar que les notes d’injecció/extrusió a causa del seu pes molecular més elevat i la temperatura de fusió. Per tant, per obtenir el millor efecte de soldadura, intenteu seleccionar materials del mateix grau per a la soldadura i assegurar -vos que l’índex de flux dels dos materials és similar i la diferència de temperatura de fusió és de 22 graus.
El contingut d’humitat d’un material té un efecte significatiu en la seva resistència a la soldadura. Materials hidroscòpics com PBT, PC, PSU i Nylon absorbeixen fàcilment la humitat de l’aire. Durant el procés de soldadura, aquesta humitat absorbida bull a temperatures elevades i el gas generat, si està atrapat a la soldadura, formarà porus i degradarà el plàstic, afectant així l’estètica, la força i el segellat de la soldadura. Per evitar -ho, els materials hidroscòpics s’han de soldar immediatament després del modelat per injecció. Si no és possible soldadura immediata, les parts seques s’han d’emmagatzemar en una bossa de PE seca o col·locar -les en un forn a 80 graus durant 3 hores abans de la soldadura.
A més, quan es soldrien diferents tipus de materials, s’ha de prestar una atenció especial a la temperatura de fusió i a l’estructura molecular dels dos materials. La condició de soldadura ideal és que la diferència de temperatura de fusió dels dos materials no superi els 22 graus i l'estructura molecular és similar. Si la diferència de temperatura de fusió és massa gran, el material amb un punt de fusió inferior es fon i fluirà primer i no proporcionarà calor suficient per fondre el material amb un punt de fusió més elevat. Per exemple, quan la soldadura PMMA de fusió elevada amb PMMA de baix punt, si el conductor d’energia es troba al PMMA de gran punt de fusió, l’articulació de material de baix punt es fonrà i fluirà primer, provocant que el conductor d’energia es suavitzi, que a la vegada afecta la força de soldadura.
A més, la compatibilitat de material també és un factor clau per a la soldadura amb èxit. Només es poden soldar materials compatibles químicament, és a dir, materials amb estructures moleculars similars. Val la pena assenyalar que la compatibilitat material existeix principalment entre materials amorfs, com ABS i PMMA, PC i PMMA i PS i PPO modificat. Tanmateix, els plàstics semi-cristal·lins com PP i PE, tot i que tenen propietats físiques similars, tenen diferents estructures moleculars i, per tant, no tenen compatibilitat material i no es poden soldar.
