Συγκόλληση των πολυμερών με υπερήχους

Abstract

Η συγκόλληση με υπέρηχους είναι μια από τις δημοφιλέστερες τεχνικές συγκόλλησης που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Είναι γρήγορη, οικονομική, αυτοματοποιείται εύκολα, και ευνοεί τη μαζική παραγωγή, με ποσοστά παραγωγής που φτάνουν μέχρι και 60 τεμάχια ανά λεπτό. Παράγει συνεπώς, υψηλής αντοχής ενώσεις με τη χρήση σχετικά πολύ μικρού εξοπλισμού συγκριτικά με τις άλλες τεχνικές συγκόλλησης. Οι χρόνοι συγκόλλησης είναι πιο σύντομοι απ' ότι σε οποιαδήποτε μέθοδο συγκόλλησης, και δεν υπάρχει καμία ανάγκη για τα επιμελημένα συστήματα εξαερισμού να αφαιρέσουν καπνό ή θερμότητα. Η διαδικασία είναι ενεργειακά αποδοτική και οδηγεί σε υψηλή παραγωγικότητα με το χαμηλότερο κόστος σε σχέση με πολλές άλλες μεθόδους συγκόλλησης. Τα εργαλεία και ο εξοπλισμός της συγκόλλησης με υπέρηχους λόγω του μικρού όγκου που έχουν μπορούν να αλλαχτούν γρήγορα, σε αντίθεση με πολλές άλλες μεθόδους συγκόλλησης, με συνέπεια την αύξηση της ευελιξίας και της μεταβλητότητας. Χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία υγειονομικής περίθαλψης επειδή δεν εισάγει τους μολυσματικούς παράγοντες ή τις πηγές υποβάθμισης στη συγκόλληση που μπορεί να έχει επιπτώσεις στη βίο-συμβατότητα της ιατρικής συσκευής. Ένας περιορισμός της συγκόλλησης με υπέρηχους είναι πως με την τρέχουσα τεχνολογία, μεγάλες ενώσεις ( μεγαλύτερες από 250*300mm; 10*12 ίντσες) δεν μπορούν να ενωθούν και να συγκολλούνται σε μια ενιαία φάση. Επιπλέον, για τον καλό σχεδιασμό των ενώσεων ιδιαίτερα για τις λεπτομέρειες της χρειάζεται να ξέρουμε σε κάθε θερμοπλαστικό υλικό και εφαρμογή ποια θα είναι η καλύτερη ένωση που θα χρησιμοποιηθεί για να επιτύχουμε και να έχουμε καλές και δυνατές συγκολλήσεις. Οι υπερηχητικές δονήσεις μπορούν επίσης να βλάψουν τα ηλεκτρικά συστατικά, αν και η χρήση του εξοπλισμού υψηλότερης συχνότητας μπορεί να μειώσει ή και να εξαφανίσει αυτή την πιθανότητα και ύστερα και αυτήν την ζημιά. Επίσης ανάλογα με τα μέρη που θα συγκολληθούν, οι δαπάνες σχεδίασης ενώσεων μπορούν να είναι υψηλές. Η συγκόλληση με υπέρηχους χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλες τις σημαντικές βιομηχανίες στις οποίες θερμοπλαστικά πλαστικά φορμάρονται και συγκολλούνται μαζικά. Μερικά παραδείγματα των βιομηχανιών αυτών και των εφαρμογών τους είναι τα εξής: Αυτοκινητοβιομηχανία: μέρη προβολέων, ταμπλό, κουμπιά και διακόπτες, φίλτρα καυσίμων, φίλτρα υγρών, δοχεία ρευστών, κλειδαριές ζωνών καθισμάτων, ηλεκτρονικά κουμπιά, συναρμολόγηση λαμπτήρων, αεραγωγοί… Ηλεκτρονική και βιομηχανία συσκευών: διακόπτες, αισθητήρες, USB… Ιατρική βιομηχανία: φίλτρα, καθετήρες, ιατρικά ενδύματα, μάσκες…. Βιομηχανία συσκευασίας: προστατευτικά πακέτα (με φουσκάλες), σακούλες, σωλήνες, εμπορευματοκιβώτια αποθήκευσης….. Είδαμε πως και για τα δυο θερμοπλαστικά τα άμορφα και τα ημικρυστάλλινα πλαστικά ήταν δυνατόν να συγκολληθούν χρησιμοποιώντας την τεχνική της υπερηχητικής συγκόλλησης. Είδαμε επίσης ότι τα άμορφα θερμοπλαστικά παίρνουν λιγότερο χρόνο να συγκολλούνται και να ενωθούν από τα ημικρυστάλλινα πλαστικά. Οι παράμετροι των υλικών, ο συντελεστής αποθήκευσης (E’) και ο συντελεστής απώλειας (E”) για ταr ABS, PS, PP, και PE χρησιμοποιήθηκαν για να προβλέψουμε τον ενεργειακό διασκορπισμό στο πλαστικό κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης με υπέρηχους. Βρέθηκε επίσης ότι η αύξηση της πίεσης συγκόλλησης δεν είχε καμία σημαντική επίδραση στη δύναμη συγκόλλησης επειδή το χάσμα είναι μια πολύ αδύνατη λειτουργία της δύναμης. Για τα άμορφα θερμοπλαστικά, παρατηρήθηκε πως η αύξηση του χρόνου συγκόλλησης βελτιώνει τον ενεργειακό διασκορπισμό καθώς επίσης και τη δύναμη της συγκόλλησης. Για τα ημικρυστάλλινα πλαστικά η αντοχή και ο διασκορπισμός της ανεργίας μες το πλαστικό, κατά την συγκόλληση με υπέρηχους, περνούν μια αύξουσα πορεία από την αρχή της συγκόλλησης μέχρι το πέρασμα 1.5s, μετά από αυτό ξανά πέφτουν. Αυξάνοντας τον χρόνο συγκόλλησης πάνω από 1.5s δεν είχε επιπτώσεις στην βελτίωση της δύναμης και της αντοχής της ένωσης. Δεδομένου ότι η αντοχή συγκόλλησης και ο ενεργειακός διασκορπισμός ακολούθησαν τις παρόμοιες τάσεις με το χρόνο, είχαμε το συμπέρασμα ότι το ποσό ενέργειας που παραδίδεται στο θερμοπλαστικό έχει σημαντική σχέση στη δύναμη συγκόλλησης.

Conclusion Ultrasonic welding is one of the most popular welding techniques used in industry. It is fast, economical, easily automate, and well-suited for mass production, with production rates up to 60 parts per minute being possible. It produces consistent, high-strength joints with compact equipment. Welding times are shorter than in any other welding method, and there is no need for elaborate ventilation systems to remove fumes or heat. The process is energy efficient and results in higher productivity with lower costs than many other assembly methods. Tooling can be quickly changed, in contrast to many other welding methods, resulting in increased flexibility and versatility. It is commonly used in the healthcare industry because it does not introduce contaminants or sources of degradation to the weld that may affect the biocompatibility of the medical device. A limitation of ultrasonic welding s that with current technology, large joints (i.e. greater than around 250*300mm; 10*12 inches) cannot be welded in a single operation. In addition, specifically designed joint details are required. Ultrasonic vibrations can also damage electrical components, although the use of higher frequency equipment can reduce this damage. Also depending on the parts to be welded, tooling costs for fixtures can be high. Ultrasonic is used in almost all major industries in which thermoplastic parts are assembled in high volumes. Some examples are as follow: Automotive: headlamp parts, dashboards, buttons and switches, fuel filters, fluid filters, fluid vessels, seat-belt locks, electronic key fobs, lamp assemblies, air ducts. Electronic and appliances: switches, sensors, data storage keys. Medical: filters, catheters, medical garments, masks. Packaging: blister packs, pouches, tubes, storage containers, cartoon spouts We saw that thermoplastics both amorphous and semi-crystalline plastics were weldable in the near and far field techniques. We saw also that amorphous thermoplastics take less time to weld than semi-crystalline plastics. The material parameters, the storage modulus (E’) and the loss modulus (E”) for ABS, PS, PP, and PE were used to predict energy dissipation in the plastic during ultrasonic welding. We found also that increasing the weld pressure had no significant effect on weld strength because the gap is a very weak function of force. For amorphous thermoplastics, increasing the weld time improved energy dissipation as well as strength. In the semi-crystalline plastics weld strength and energy dissipation increased up to 1.5s and then leveled off. Increasing the weld time further will not result in any improvement in strength. Since the energy dissipation and weld strength followed similar trends with time, it was concluded that the amount of energy delivered to the thermoplastic has an important bearing on the weld strength. In general, the weld strength, and the energy dissipated increased with increasing amplitude of vibration. It was shown that energy dissipated and collapse provide valuable information for closed loop control in ultrasonic welding. The work done here allowed a better understanding of the ultrasonic welding process. It was found that ultrasonic welding in her near and far field techniques could be successfully used to weld both amorphous and semi-crystalline thermoplastics.