Témata
Reklama

Perspektivy vysokofrekvenčního svařování termoplastů

Vysokofrekvenční (VF) svařování, nazývané též dielektrické svařování, RF (Radio Frequency) svařování, nebo také dielektrické zatavení (Dielectric sealing), je jedním z mnoha způsobů průmyslového svařování termoplastů.

Prof. Josef Steidl

Emeritní profesor ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

Využití vysokofrekvenčního ohřevu pro svařování plastů má svoje začátky ve 40. letech minulého století. Jeho rozvoj byl úzce spojen s komerční velkoobjemovou výrobou PVC, kterou zahájila firma IG Farbenindustrie v Německu v roce 1935. Shodou okolností je totiž PVC z hlediska svých dielektrických vlastností pro svařování ve vysokofrekvenčním elektrickém poli nejvhodnější. Po 2. světové válce se PVC stalo nejmasověji vyráběným plastem na světě a přibývalo i výrobků, u kterých bylo nutno více dílů (polotovarů) spojovat dohromady.

Reklama
Reklama
Reklama

VF svářečky

Podstatou VF svařování je ohřev materiálu vysokofrekvenčním proudem mezi dvěma elektrodami za současného působení tlaku. Svařovaný plast má funkci dielektrika a spolu s horní a spodní elektrodou tak tvoří kondenzátor. Generátory vysokofrekvenčních svářecích strojů pracují ve většině případů se stabilizovanou frekvencí 27,12 MHz, která vyhovuje předpisům o radiotelekomunikačním odrušení. Tato frekvence je současně i optimální pro svařování měkčeného i neměkčeného PVC, kopolymerů PVC a všech materiálů, které jsou s PVC kombinovány, jako jsou různé druhy textilií, papírová lepenka a kartony. Svářecí stroje se vyrábějí v mnoha variantách, buď jako stacionární, s posuvným dvoupolohovým stolem, na němž je upevněna spodní elektroda, s karuselovým uspořádáním apod. Elektrické příkony svařovacích strojů se pohybují od 1,5 do několika desítek kW. Základními parametry jsou doba působení elektrického pole, tlak a doba chlazení.

Dielektrické vlastnosti omezují VF svařitelnost termoplastů

Jako i ostatní metody, má VF svařování svoje výhody i nevýhody. Předně je omezeno dielektrickými vlastnostmi termoplastů. Základními charakteristikami jsou relativní permitivita ε , ztrátový činitel tg δ, z hlediska tloušťky svařovaných materiálů je důležitá i elektrická průrazná pevnost. K vyjádření vhodnosti materiálu pro VF svařování se používá ztrátový součin ε . tg δ, který je mírou energie přeměňující se v dielektriku průchodem vysokofrekvenčního střídavého proudu v teplo. Jeho hodnota má být větší než 0,01. Permitivita i ztrátový činitel jsou v přímém vztahu k elektrickému dipólovému momentu molekuly, jinými slovy, čím má molekula polárnější charakter, tím jsou větší obě hodnoty.

Použití vysokofrekvenčního svařování je tak omezeno pouze na polární polymery, které mají vysoké hodnoty ε a tg δ (viz tabulka). Je však nutno zdůraznit, že dielektrické vlastnosti jsou silně ovlivňovány různými modifikacemi základního polymeru, druhem plniv a změkčovadel. Za velmi dobře vysokofrekvenčně svařitelné lze považovat plasty s hodnotou ztrátového činitele tg δ okolo 0,1 a větším, zatímco hodnoty 0,01 a větší sice také umožňují svařování vysokofrekvenčním ohřevem, většinou je však zapotřebí větší frekvence nebo ohřevu svařovacích elektrod. Nejvhodnějším plastem pro VF svařování je PVC, vysokofrekvenčně však lze svařovat i některé další typy plastů, jako např. polyvinylidenchlorid (PVDC) a kopolymery, kopolymer etylenu s vinylacetátem (EVA), terpolymery ABS nebo PET. V posledních letech byly dokonce vyvinuty speciální technologie, které umožňují vysokofrekvenčně svařovat i polyolefiny. To by z hlediska dalších perspektiv posunulo VF svařování termoplastů výrazně dopředu.

V technologii VF svařování mají však i některé nepolární polymery významnou pomocnou úlohu. Slouží jako bariérové materiály zabraňující např. elektrickému průrazu při svařování velmi tenkých fólií, mají funkci distanční podložky pro omezení hloubky provaření, slouží jako izolace proti rychlému odvodu tepla svařovacími elektrodami nebo jako příložky ke svařovacím elektrodám napomáhají tvarovat svar. Tyto materiály nesmí degradovat a být lepivé při teplotách svařování a musejí mít vysokou odolnost proti elektrickému průrazu. Pro tyto účely se používá např. PTFE vyztužený skleněnou tkaninou nebo silikonový kaučuk.

Výhody vysokofrekvenčního svařování

Vysokofrekvenční svařování se vyznačuje několika zásadními výhodami. Zdrojem tepla je vlastní svařovaný materiál a teplo tedy není přiváděno zvenčí. Svařovací proces je tak velmi rychlý, na úrovni sekund. Spojení obou svařovaných dílů probíhá bez přídavku dalšího materiálu. Teplo se koncentruje pouze do místa svaru (je dáno tvarem elektrod), materiál mimo svar tak není tepelně zatěžován. Nejvíce tepla se vyvíjí uprostřed ve styčné ploše mezi oběma materiály, zatímco nejnižší teplota je na povrchu svařovaných materiálů. Ohřev svařovaného materiálu okamžitě ustává, jakmile se vypne vysokofrekvenční proud. To umožňuje, aby místo svaru bylo nadále pod tlakem studených elektrod a svar mohl rychle vychladnout. Rovněž to umožňuje lepší kontrolu energie vznikající ve svaru a zabraňuje to přehřátí v místě svaru, degradačním procesům a tím i zhoršení mechanických vlastností svarů. Svary mají vysokou pevnost, a to až na úrovni svařovaného materiálu. Po estetické stránce jsou svary velmi kvalitní, lze vytvořit svary s různými reliéfy, např. s tvarem šicího stehu apod. Vysokofrekvenční svařování velmi efektivně nahrazuje šití v případech, kdy je požadována nepropustnost pro vodu, lze hovořit o „vysokofrekvenčním šití“. Je možné vytvořit dva rovnoběžné svary najednou v jedné operaci, např. při svařování obrub u plošných materiálů. Účinnějšího chlazení svarů lze dosáhnout chlazením elektrod pomocí chladicích kanálků.

Perspektivy VF svařování ve vazbě na PVC

PVC a jeho modifikace jsou stále klíčovým materiálem pro výrobní technologie spojené s VF svařováním. Zatímco materiály na bázi PVC nabízejí velmi čistý, ekologický a bezodpadový způsob spojování vysokofrekvenčním ohřevem, paradoxně samotný PVC je materiál, který je v očích ekologických aktivistů a organizací velmi nežádoucí. Ze všech hromadně používaných plastů má PVC nejmenší toleranci ekologů, výhrady jsou ke všem stadiím životního cyklu, jak se snaží prokázat některé analýzy LCA (Life Cycle Assessment). Přitom z hlediska jeho praktického využití jde o plast s univerzálními vlastnostmi, velmi široký rozsah aplikací umožňuje jeho existence v měkčené i neměkčené formě. Pokud jde o celosvětové objemy výroby, je na třetím místě po polyetylenu a polypropylenu. V současné době se ho ve světě vyrábí okolo 35 mil. tun s předpokladem progresivního růstu až na 55 mil. tun v roce 2020. Vývoj výroby PVC ve světě tak nenaznačuje, že by se uplatnění tohoto plastu omezovalo. Svědčí o tom i rostoucí požadavky na vysokofrekvenční svařovací zařízení a jejich stále se rozvíjející výroba. Přístupy jednotlivých zemí jsou ovšem velmi diferencované, v celosvětové výrobě současně dominuje Asie, jmenovitě Čína. Výrobci se přirozeně snaží reagovat na hygienické a ekologické výhrady, např. náhradou změkčovadel na bázi ftalátů jinými, ekologicky přijatelnými typy.

Aplikační oblasti VF svařování

Vysokofrekvenčním způsobem se svařují zejména plošné polotovary, jako jsou fólie nebo tkané či netkané textilie, nejčastěji z polymerních vláken (polyesterových nebo polyamidových), laminované PVC nebo PUR. Tyto materiály splňují požadavky na vysokou pevnost a nepropustnost vody a tomu musí odpovídat i kvalita spojů.

Obr. 1. Do kategorie tarpaulin patří zejména nepromokavé plachty nákladních aut a kamionů.

Nejdůležitější aplikační oblastí jsou vysoce pevné, nepromokavé, ohebné a snadno skládací krycí potahy z polyamidových nebo polyesterových tkanin s nánosem termoplastu. Takovýto výrobek se obecně nazývá tarpaulin. Slovo je odvozeno od anglického slova tar – dehet a palling – krytí. Plátno napuštěné dehtem se v minulosti používalo k povětrnostní ochraně zboží a jiných předmětů přepravovaných na lodích.

Do kategorie tarpaulin (obr. 1) patří zejména nepromokavé plachty nákladních aut a kamionů a krycí potahy motorových vozidel, člunů a letadel. Množství těchto aplikací se uplatňuje ve vojenské technice. Příklad VF svařovacího zařízení těchto velkoplošných výrobků ukazuje obr. 2. Další využití má VF svařování ve výrobě mobilních a nafukovacích hal a velkostanů, bilboardů a velkoplošných transparentů, geomembrán, zemědělských plachtovin a fóliové techniky. Spojování termoplastů VF ohřevem je součástí výrobních technologií nafukovacích výrobků (hračky, čluny, matrace apod.), ochranných nepromokavých oděvů, autočalounění, galanterních výrobků ze syntetických usní, dopravníkových pásů z PVC a PUR, výrobků pro lékařskou techniku, stavebnictví i architekturu.

Obr. 2. VF svařovací zařízení velkoplošných výrobků

Krátký pohled do historie VF svařování plastů v Českých zemích

Československo se v minulosti výrazně podílelo na vývoji technologie vysokofrekvenčního svařování plastů. Zájem o tuto technologii byl vyvolán nejen poválečným rozvojem výroby PVC, ale i zavedením domácí výroby ve slovenských Novákách v roce 1951. Vývoj VF svařování termoplastů byl soustředěn v historickém zámečku v Praze-Záběhlicích (obr. 3), kde sídlil výzkumný ústav Závodů elektrotepelných zařízení (ZEZ). Za připomenutí stojí alespoň jedna z etap – 60. a začátek 70. let minulého století. V té době zde vznikala řada originálních, patentově chráněných technologií. Rozsáhlý technologický vývoj VF svařování byl v podniku ZEZ umožněn vlastním vývojem vysokofrekvenčních generátorů a svařovacích lisů a jejich výrobou v pobočce ZEZ v Rychnově u Jablonce nad Nisou. Významnou úlohu ve vývoji zařízení pro vysokofrekvenční ohřev sehrál již od poválečných let Jiří Stivín, mimořádně inventivní vynálezce a vlastník desítek patentů. Pro zajímavost čtenáře, byl to otec rovněž neobyčejně vynalézavého a světově uznávaného hudebníka Jiřího Stivína a také herečky a zpěvačky Zuzany Stivínové. V 60. a 70. letech měl vývoj vysokofrekvenční svařovací techniky v podniku ZEZ světovou úroveň. Do průmyslového provozu byla uvedena řada poloautomatických i automatických svařovacích linek. Jako příklady podniků, kde se realizovalo VF svařování, lze uvést Škodu Mladá Boleslav (potahy sedadel, výplně dveří a protisluneční clony), Kozak Klatovy (koženková galanterie), Kazeto Přerov (kufry), Technolen Lomnice nad Popelkou (nafukovací haly), Fatru Napajedla (nafukovací hračky), Rakonu Rakovník (tzv. polštářky na detergenty), Jitex Písek (silonové košile). Čistě technickou aplikací bylo například VF svařování pneumatických prvků z PVC fólie pro řízení obráběcích strojů. Uvedený výčet dokumentuje šíři a variabilitu použití VF svařování.

Obr. 3. Historický Záběhlický zámek v Praze

Slovo na závěr

VF svařování je pro svoje specifické výhody perspektivní technikou spojování termoplastů, a to i přesto, že největší podíl této techniky se využívá při svařování PVC. Nicméně výrobci PVC se snaží o odstranění nálepky „neekologický materiál“, což otevírá další možnosti této technice. Mimoto celosvětový vývoj VF svařovacích zařízení směřuje i k větším možnostem svařování termoplastů s méně příznivými dielektrickými vlastnostmi, než má PVC. VF svařování je nepostradatelnou technikou spojování plošných polotovarů při přesně definované geometrii a tvaru svaru, což je dáno konstrukčním řešením svařovací elektrody.

Prof. Ing. Josef Steidl, CSc.

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

jose.steidl@gmail.com

Tab. Vztah polarity vybraných polymerů a jejich dielektrických vlastností

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 120408
Datum: 11. 04. 2012
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Firmy
Související články
Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Související články
Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Letošní rok v oblasti laserových technologií byl neobyčejně bohatý na nové poznatky a přinesl i řadu nových jevů v metodice dalšího vývoje. Vznikala nová komplexní střediska laserového výzkumu a nás může těšit, že ani Česká republika nezůstala pozadu. Rozvíjí se program HiLASE, zaměřený na laserové technologie a vývoj optických komponentů, a nedávno bylo slavnostně otevřeno i středisko ELI Beamlines – Extreme Light Infrastructure – jako součást evropského plánu budování center nové generace vybavených nejvýkonnější technikou vhodnou pro naplnění programu bádání až na samé hranici poznání.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Podnikové výzkumné centrum formuje budoucnost vývoje materiálů

Eureka je aplikační laboratoř společnosti JSP, výrobce materiálu Arpro, která nabízí vývoj a výrobu prototypů, jejich testování a ověřování prvních sériových výrobků. Umožňuje dokonce experimenty s technologiemi, jako je například laminace či zalisovávání vkládaných dílů s možností ověření 3D tolerancí.

Průmyslové lepení není jen spojování materiálů – jak to vidí Kaletech

Představujeme vám dodavatele nejkvalitnějších technologií pro průmyslové lepení, českou společnost Kaletech, která dodává technologie švýcarského výrobce Robatech. Svým klientům nabízí mnohaleté zkušenosti při aplikacích průmyslových lepidel napříč různými odvětvími průmyslu.Jedná se zejména o technologie pro aplikaci lepidla s možností sprejování, nanášení v housenkách, bodech, nebo celoplošným nánosem.

Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Moderní výukové systémy a laboratoře

O školství se traduje, že je velmi rigidní a rychlý rozvoj nových technologií lze jen velmi obtížně promítnout do současné výuky. Vše je ale nakonec hlavně o lidech. Jak se se současnými trendy v oblasti spojování materiálů vypořádává výuka na Ústavu strojírenské technologie na Fakultě strojní na ČVUT v Praze, a ne jen na to, jsme se ptali vedoucího tohoto ústavu docenta Ladislava Kolaříka.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Formárenský veletrh se blíží

Již třetí ročník formárenského veletrhu Moulding Expo v druhé polovině května bude hostit výrobce forem a nástrojů a dodavatelé potřebných technologií ve Stuttgartu. Pořadatelé sezvali novinářskou obec do slovinské Lublaně, kde prozradili několik detailu o blížícím se veletrhu. Součástí tiskové konference byla také návštěva místních nástrojáren a výzkumného centra pro formárenství.

Česko a Sasko společně pro plasty

Pracovní skupina zabývající se technologiemi plastů a vláknových kompozitů se na Vysoké škole v Žitavě/Zhořelci (Hochschule Zittau/Görlitz) začala postupně ustavovat v zimním semestru roku 2015.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit