A tecnologia de montagem plástica ultrassônica é amplamente utilizada na conexão de termoplásticos. As articulações produzidas por ela não são apenas fortes e duráveis, mas também de aparência bonita. Essa tecnologia abrange quatro categorias principais, entre as quais a soldagem ultrassônica é o foco da pesquisa. A soldagem ultrassônica usa energia ultrassônica de alta frequência (15-50 kHz) para gerar vibrações mecânicas de baixa amplitude (1-100μm). Essa vibração atua nas articulações dos componentes, derretendo o material termoplástico através da geração de calor por atrito e depois formando uma solda. Sua velocidade de soldagem é extremamente rápida, geralmente entre 0,1 segundos e 1,0 segundos.
Durante o processo de soldagem ultrassônica, as ondas sinusoidais são geradas em termoplásticos. Devido ao atrito intermolecular, parte da energia é convertida em energia térmica, o que aumenta a temperatura do material. Outra parte da energia é concentrada e transferida para a articulação, que é ainda mais aquecida localmente pelo atrito do limite. Portanto, o caminho de transmissão da energia ultrassônica e o comportamento de fusão do material são afetados em conjunto pela geometria da parte e pelas características de absorção ultrassônica do material.
Quando a fonte de vibração está próxima da junta de solda, o material tem menos perda de absorção de energia. Se a distância da fonte de vibração à articulação for inferior a 6,4 mm, o processo será chamado de soldagem de campo próximo, adequado para materiais cristalinos com alta absorção de energia e baixa rigidez. Se a distância for superior a 6,4 mm, é chamada de soldagem de campo distante, que é adequado para materiais amorfos com baixa absorção de energia e alta rigidez.
Devido às características "desiguais" da superfície articular, é fácil gerar alta temperatura e alto atrito, que é propício ao acúmulo de energia ultrassônica. Em muitas aplicações de soldagem ultrassônica, uma protrusão triangular é projetada na superfície da parte superior, chamada costela da guia de energia, que guia a energia de vibração para se concentrar na articulação.
Durante o processo de soldagem ultrassônica, a energia de vibração atua verticalmente na superfície articular e a ponta da costela de energia entra em contato com a parte soldada sob pressão. Devido à geração de calor de atrito, uma grande quantidade de calor é gerada na ponta, fazendo com que a costela da guia de energia comece a derreter. Todo o processo de soldagem pode ser dividido em quatro etapas. Primeiro, o topo da costela do guia de energia começa a derreter e a taxa de fusão aumenta gradualmente. À medida que a lacuna nos dois lados da articulação diminui, a nervura da guia de energia fundida se espalhará completamente e entrará em contato com a peça abaixo, e a taxa de fusão diminuirá neste momento. Em segundo lugar, as partes superior e inferior estão em contato na superfície e a área de fusão é expandida ainda mais. Em seguida, entra no estágio de fusão em estado estacionário, quando é formada uma camada fundida de uma certa espessura, acompanhada por um campo de temperatura estável. Quando a energia de soldagem predefinida, o tempo ou outras condições de controle forem atingidas, a vibração ultrassônica será interrompida. Finalmente, a pressão é mantida, o excesso de fusão será espremido da solda e as peças são conectadas por ligações moleculares e gradualmente resfriadas.
Vantagens e desvantagens de soldagem ultrassônica
Como uma tecnologia de união de plástico amplamente utilizada no campo industrial, a soldagem ultrassônica se destaca por sua integração e adequação de automação rápida, econômica e fácil para a produção em massa. Sua estabilidade de solda é excelente, a força também é alta e o tempo de soldagem é mais curto que outros processos. Além disso, essa tecnologia não requer um sistema de ventilação complexo para remover fumaça ou um sistema de resfriamento para remover o excesso de calor, com alta utilização de energia, maior eficiência de produção e menor custo. O design do molde é relativamente simples e a velocidade de mudança de molde é rápida, melhorando assim a taxa de utilização e a versatilidade do equipamento. Vale ressaltar que, como nenhum outro materiais de soldagem auxiliar é introduzido na solda, a solda permanece limpa e livre de impurezas, não afeta a biocompatibilidade do equipamento e é muito adequada para uso no setor de saúde com requisitos mais altos para limpeza.
No entanto, a soldagem ultrassônica também enfrenta algumas limitações. Para produtos com um tamanho superior a 250mmx300mm, o design da cabeça de soldagem se torna difícil e geralmente é necessário usar várias cabeças de solda para soldagem síncrona ou uma única cabeça de solda para que a soldagem múltipla seja concluída. Além disso, os resultados da soldagem ultrassônica estão intimamente relacionados a fatores como projeto da estrutura da solda, erro dimensional e deformação da peça moldada por injeção. Ao mesmo tempo, as vibrações ultrassônicas podem causar danos a componentes eletrônicos sensíveis, embora esses riscos possam ser reduzidos aumentando a frequência e reduzindo a amplitude.
Campos de aplicação
A soldagem ultrassônica é amplamente utilizada em muitas indústrias. Por exemplo, na indústria automotiva, é usado para conectar componentes como faróis, painéis, botões e interruptores; Nas indústrias eletrônicas e elétricas, essa tecnologia também é frequentemente usada para conectar componentes como interruptores, sensores e atuadores; Além disso, a soldagem ultrassônica também é indispensável no processo de fabricação de produtos como filtros, cateteres, roupas médicas e máscaras no campo médico. Ao mesmo tempo, a produção de produtos como bolsas de bolha, sacos, recipientes de armazenamento e bicos na indústria de embalagens também se beneficia da eficiência e conveniência da soldagem ultrassônica.
A xícara de café é feita de material PS, e seu design de solda combina inteligentemente a ranhura e a costela que guia de energia, o que não apenas garante a estabilidade da conexão, mas também melhora a eficiência da produção.
O interruptor eletrônico é feito de plástico ABS e refinado por rebitagem ultrassônica.
O refletor é feito de um material misto de ABS e PC e combina o processo de soldagem de etapas e costelas de guia de energia para criar um design estrutural exclusivo.
A lâmpada eletrônica usa um material composto de ABS e PMMA, combinado com o requintado processo de soldagem de costelas de avião e de energia, apresentando um estilo de design exclusivo.
O conector elétrico combina os materiais sólidos de ABS e metal e garante a estabilidade e a durabilidade de sua conexão através de rebitagem ultrassônica precisa.
A garrafa médica é feita de material para PC e usa inteligentemente o design de fusão de soldas de costelas de avião e de guia de energia.
A garrafa de filtro de combustível é feita de nylon 6-6, e seu design combina inteligentemente os processos duplos de costuras e soldas de cisalhamento.
A montagem da membrana do filtro e o algodão absorvente de som usa um material composto de nylon dopado com fibra de vidro a 30% e é montado finamente através de um processo de soldagem de perfuração.
A caixa elétrica usa um material composto de PS e nozes de cobre e é feito com a tecnologia de incrustações ultrassônicas.
O rotor usa o material PS e combina o design inteligente do plano e as soldas de costelas condutores de energia.
Estrutura de polímero
A estrutura molecular dos plásticos amorfos é distribuída aleatoriamente e carece de uma direção de arranjo fixo. Sua característica é que ele amolece gradualmente com a faixa de temperatura. Quando esse tipo de material atinge a temperatura de transição vítrea, ele amolece gradualmente e, eventualmente, entra em um estado fundido líquido. O processo do material do líquido à solidificação é gradual. Os plásticos amorfos podem efetivamente transmitir vibrações ultrassônicas e, devido à sua ampla faixa de temperatura de amolecimento, eles são mais fáceis de soldar e alcançar a vedação.
Por outro lado, a estrutura molecular dos plásticos semi-cristalinos é organizada em ordem. Alto calor é essencial para quebrar o arranjo ordenado. Esses plásticos têm pontos de fusão acentuados e, uma vez que a temperatura cai levemente, o estado líquido se solidificará rapidamente. Portanto, o derretimento que flui para fora da área de fusão a quente se solidificará rapidamente. Quando sólido, o comportamento molecular dos materiais semi-cristalinos é como uma mola, absorvendo a maioria das vibrações ultrassônicas em vez de transmiti-las para a área articular. Portanto, para plásticos semi-cristalinos, é necessária uma cabeça de soldagem de saída de alta amplitude para gerar calor suficiente.
Temperatura de transição vítrea de TG e temperatura de fusão da TM
Ao discutir a estrutura do polímero, mencionamos dois conceitos importantes de temperatura: temperatura de transição vítrea de TG e temperatura de fusão da MT. TG é a temperatura na qual o material muda de um estado vítreo para um estado altamente elástico, quando o material começa a suavizar gradualmente. TM é a temperatura necessária para que o material derreta completamente em um líquido. Essas duas características de temperatura são cruciais para entender o processamento e o desempenho dos materiais de polímero.
O lado esquerdo da figura acima mostra um plástico amorfo, enquanto o lado direito mostra um plástico semi-cristalino. Nos termoplásticos, cargas como fibra de vidro, talco e minerais podem melhorar ou inibir o efeito da soldagem ultrassônica. Certos materiais, como carbonato de cálcio, caulina, talco, alumina, bem como fibras orgânicas, sílica, bolas de vidro, metassilicato de cálcio (wollastonite) e mica, podem aumentar a dureza da resina. Estudos mostraram que, quando o conteúdo do enchimento atinge 20%, ele pode efetivamente aumentar a eficiência da transmissão de vibrações ultrassônicas no material, especialmente para materiais semi-cristalinos. No entanto, quando o conteúdo de preenchimento excede 35%, a confiabilidade do selo pode ser afetada devido ao conteúdo insuficiente de resina na solda. Quando o conteúdo do enchimento atingir 40%, as fibras de vidro se reunirão na posição articular, resultando em conteúdo insuficiente de resina na solda, o que, por sua vez, afeta a força da solda. Além disso, durante o processo de moldagem por injeção, as fibras de vidro longas tendem a se acumular nas costelas de guia de energia. Uma solução eficaz é usar fibras de vidro curtas em vez de fibras de vidro longas.
Além disso, quando o conteúdo de enchimento excede 10%, partículas abrasivas no material podem causar desgaste da cabeça de solda. Portanto, é recomendável usar uma cabeça de soldagem de aço de carboneto ou uma cabeça de soldagem de liga de titânio coberta com revestimento de carboneto de tungstênio. Ao mesmo tempo, pode ser necessário selecionar um dispositivo ultrassônico de maior potência para garantir que o calor suficiente seja gerado na junta.
Por outro lado, embora os aditivos possam melhorar as características gerais de desempenho ou moldagem por injeção do material, eles geralmente têm um efeito inibitório na soldagem ultrassônica. Os aditivos típicos incluem lubrificantes, plastificantes, modificadores de impacto, retardadores de chama, corantes, agentes de espuma e resinas de re -fundamento. Por exemplo, lubrificantes como cera, estearato de zinco, ácido esteárico e ésteres de ácidos graxos reduzem o coeficiente de atrito entre as moléculas de polímero, reduzindo assim a geração de calor. No entanto, esse efeito é geralmente menor na articulação porque a concentração do lubrificante é baixa e dispersa uniformemente. Por outro lado, plastificantes, como líquidos orgânicos de alta temperatura ou sólidos de fusão de baixa temperatura, aumentam a suavidade do material e reduzem a rigidez, mas reduzem a atração entre as moléculas internas do polímero e interferem na transmissão da energia de vibração. Em particular, materiais altamente plastificados, como o vinil, são muito inadequados como materiais de transmissão para vibrações ultrassônicas. Além disso, os plastificantes como aditivos internos podem migrar para a superfície do plástico ao longo do tempo, afetando ainda mais o efeito da soldagem ultrassônica. Da mesma forma, modificadores de impacto como a borracha também reduzem a capacidade do material de transmitir vibrações ultrassônicas, exigindo uma amplitude maior para derreter o plástico.
Retardadores de chama, óxidos inorgânicos ou elementos orgânicos halogenados (como alumínio, antimônio, boro, cloro, bromo, enxofre, nitrogênio ou fósforo) adicionados ao material podem efetivamente suprimir o ponto de incêndio do material ou alterar suas características de combustão. No entanto, esses ingredientes geralmente tornam o material indesejável, especialmente quando o retardador de chama representa 50% ou mais, o que reduzirá significativamente a quantidade de material soldável. Para esses materiais, são necessários equipamentos ultrassônicos de alta potência e cabeças de soldagem com grandes amplitudes, e o projeto da junta é ajustado para aumentar a proporção de material soldável.
A maioria dos corantes, incluindo pigmentos e corantes, não impede a transmissão de vibrações ultrassônicas. No entanto, eles podem reduzir a quantidade de material soldável na área conjunta. Em particular, quando o conteúdo do dióxido de titânio (TiO2) exceder 5%, seu efeito de lubrificante se tornará aparente, o que terá um efeito inibitório na soldagem ultrassônica. Ao mesmo tempo, o carbono preto interferirá na propagação da energia ultrassônica no material.
Os agentes de espuma reduzem a capacidade do material de transmitir vibrações ultrassônicas porque sua baixa densidade e grande número de poros na estrutura molecular impedem a transmissão efetiva de energia.
Quando a resina terrestre (relembiliza) é misturada no material, sua adição e volume precisam ser cuidadosamente avaliados e controlados para otimizar o efeito de soldagem. Em alguns casos, o REGRING pode não ser usado e é necessário 100% de material virgem.
Além disso, enquanto agentes de liberação de fungos como estearato de zinco, estearato de alumínio, fluorocarbonetos e silicones podem ajudar a liberar peças moldadas por injeção, eles podem se transferir para a superfície articular e reduzir o coeficiente de atrito do material, reduzindo assim a geração de calor e inibindo a soldagem ultrassônica. Ao mesmo tempo, os agentes de liberação de moldes também podem causar contaminação química na resina e afetar a formação de ligações químicas adequadas. Os silicones, em particular, têm o impacto mais significativo. Portanto, ao usar agentes de liberação de moldes, é necessário selecionar cuidadosamente o grau apropriado e tomar medidas para impedir que ele se transfira para a superfície da peça.
Além disso, diferentes graus de materiais podem ter diferentes temperaturas de fusão e índices de fluxo, o que também pode afetar o efeito da soldagem ultrassônica. Por exemplo, os graus fundidos do PMMA podem ser mais difíceis de soldar do que os graus de injeção/extrusão devido ao seu peso molecular mais alto e temperatura de fusão. Portanto, para obter o melhor efeito de soldagem, tente selecionar materiais da mesma nota para soldagem e verifique se o índice de fluxo dos dois materiais é semelhante e a diferença de temperatura de fusão está dentro de 22 graus.
O teor de umidade de um material tem um efeito significativo sobre sua força de solda. Materiais hidroscópicos como PBT, PC, PSU e nylon absorvem facilmente a umidade do ar. Durante o processo de soldagem, essa umidade absorvida ferverá em altas temperaturas, e o gás gerado, se preso na solda, formará os poros e degradará o plástico, afetando assim a estética, a força e a vedação da solda. Para evitar isso, os materiais hidroscópicos devem ser soldados imediatamente após a moldagem por injeção. Se não for possível soldagem imediata, as peças secas devem ser armazenadas em um saco seco de PE ou colocadas em um forno a 80 graus por 3 horas antes da soldagem.
Além disso, quando soldando diferentes tipos de materiais, atenção especial deve ser dada à temperatura de fusão e estrutura molecular dos dois materiais. A condição ideal de soldagem é que a diferença de temperatura de fusão dos dois materiais não exceda 22 graus e a estrutura molecular é semelhante. Se a diferença de temperatura de fusão for muito grande, o material com um ponto de fusão mais baixo derreterá e fluirá primeiro e não fornecerá calor suficiente para derreter o material com um ponto de fusão mais alto. Por exemplo, ao soldagem PMMA de alto ponto de fusão com PMMA de baixo ponto de fusão, se o condutor de energia estiver localizado no PMMA de alto ponto de fusão, a articulação do material do ponto de baixo ponto de fusão irá derreter e fluir primeiro, fazendo com que o condutor de energia amolece, o que, por sua vez, derreterá e fluirá primeiro, fazendo com que o condutor de energia suavize, o que, por sua vez, a articulação do material derreterá e fluirá primeiro, fazendo com que o condutor de energia amolece, que, por sua vez, a articulação do material do ponto de fusão derreterá e fluirá primeiro, fazendo com que o condutor energético amacie, que por sua vez afeta a resistência da soldagem.
Além disso, a compatibilidade do material também é um fator -chave para soldagem bem -sucedida. Somente materiais quimicamente compatíveis, ou seja, materiais com estruturas moleculares semelhantes, podem ser soldadas. Vale a pena notar que a compatibilidade do material existe principalmente entre materiais amorfos, como ABS e PMMA, PC e PMMA e PS e PPO modificado. No entanto, os plásticos semi-cristalinos, como PP e PE, embora tenham propriedades físicas semelhantes, têm estruturas moleculares diferentes e, portanto, não têm compatibilidade material e não podem ser soldadas.
