Spojování a řezání ultrazvukem

Rozsah mechanických vibrací, které slyší lidské ucho, leží mezi frekvencemi 20 Hz a 20 kHz. Neslyšitelné frekvence pod 20 Hz jsou známé jako infrazvuk a ty nad 20 kHz jako ultrazvuk. V závislosti na oblasti užití ultrazvukového svařování využíváme vybavení pracující mezi frekvencemi 20 až 100 kHz s amplitudou 5 až 40 mikronů.

U výrobního a procesního strojírenství rozlišujeme mezi lineárním a torzním principem. Vibrace lineární technologie působí kolmo ve směru přítlačné síly na spojované části, zatímco u torzní technologie jsou díly přitlačeny k sobě, ale horní díl vibruje rotačně až do bodu svaření.

Torzní technologie, nezbytná pro nízkovibrační svařování kovů, se užívá především u zdravotnických potřeb nebo u komponent, které obsahují části snadno poškoditelné vibracemi. Podle druhu užití rozlišujeme mezi molekulárním svařováním jako u bodových svárů (plast-plast), nýtováním/zvlněním (plast-jiný materiál) a zapuštěním kovových průchodek v plastových formách (např. v injekčních stříkačkách).

Ke svařování pomocí ultrazvuku dochází za pomoci tepla, které vzniká z vysokofrekvenčních mechanických kmitů. Nejprve se však musí elektrická energie přeměnit na vysokofrekvenční mechanický pohyb. Tento mechanický pohyb spolu s působící přítlačnou silou vytváří frikční teplo na rozhraní spojovaných součástí (plocha svaru). Materiál nejprve taje a poté při tuhnutí tvoří molekulový svar mezi částmi.

Bodové svařování, nýtování a zvlnění se uplatňuje u spojů na vnitřním obložení, přístrojových deskách, sedadlech, náraznících atd. Stejně jako u ultrazvukového svařování slouží při nýtování sonotroda k přenášení energie mechanickými vibracemi k nýtu. Jedná se o nýtovací nástroj vyrobený v souladu s požadovaným designem nýtu, který může být upraven pro nýtování více nýtů jedním úderem. Vícehlavé instalace jsou užívány při nýtování velkých částí (např. přístrojové desky v automobilovém průmyslu a jiné).

Stejně jako při práci s kovem mohou být lisované části spojovány přírubou. Tímto způsobem mohou být plastové části spojeny dohromady i v kombinaci s jinými materiály. Podle materiálu, který potřebujeme spojit, se sonotroda přizpůsobí své práci na povrchu, aby zplastičtěla materiál, formovala okraje, čepy, výčnělky nebo jiné upevňovací pomůcky.

Ultrazvukem vytvářené příruby jsou obzvláště úsporné. Čas cyklu je podobný jako u  ostatních aplikací ultrazvukového tvarování. Do příruby se mohou zapracovat skleněné části, ty ale nesmí přijít do kontaktu se sonotrodou.

Součástky opatřené závitem, silné šrouby nebo jiné kovové části mohou být ultrazvukově usazeny do termoplastů. Podle velikosti a tvaru kovových částí může být dosaženo vysoké torzní tuhosti a stability. Máme-li příznivé rozdíly ve výšce mezi vrutovanými úrovněmi, může být několik částí vrutováno současně během jedné operace s jednou montážní sonotrodou.

Ultrazvukové bodové svařování je užíváno především tam, kde musejí být svařeny ploché části k sobě (polotovary, teplem formované, foukané, lisované a velké plochy). Hrot sonotrody pronikne skrz svrchní část do spodní části. Teplo je dodáno na kontaktní místo plochy. Výsledkem toho je zplastičtění a spojení materiálu. Vytlačený plast vyteče nahoru a zformuje výstupek ve tvaru zvonku. Zadní strana spodní části zůstává nedotčena. Plochy mohou být připevněny svorkami nebo kleštěmi. Síla tvarované plochy přiléhající k sonotrodě by neměla přesáhnout 8 mm. Bodové sváření může být rovněž provedeno s přenosným ultrazvukovým svářecím aparátem (tzv. svářecí pistole).

Sonotroda a lůžko jsou nastaveny s tolerancí pouhých pár mikronů k rychlému a přesnému stlačení vrstev. Díky pohybu fólií mezi nástroji je vytvořena frikční energie mezi vrstvami. Tato technologie vytváří intermolekulární tření. Vazby mezi molekulami jsou přerušeny a vzniknou nové konstelace. Svary mají vysokou pevnost okamžitě po svaření a ihned chladnou. Pro nejnovější balicí linky, které balí výrobky do hermeticky uzavřených obalů a v pohybu, je ultrazvuková technologie klíčová. Jejím užitím uspoříme až 40 % materiálu a energie.

Co dělá ultrazvuk tak efektivní? Díky inovativnímu procesu hermetického svařování je potřeba menší plochy v oblasti svaru. Svary jsou tenké a je k nim zapotřebí méně materiálu. Tato technologie umožňuje snížení nároků na složení obalových materiálů, které jsou stále zdokonalovány, což zajišťuje neustálý vývoj v této oblasti. Jejím užitím je dosaženo zkrácení času svařování a přítlaku, což má přímý vliv na energetické náklady.

Při zastavení výroby není riziko přehřátí výrobku nebo fólie, což vede ke snížení zmetkovitosti. Také produkty, které se zastaví například v místě podélného sváření fólie, zůstávají nedotknuté nástroji nebo teplem. Vzhledem k tomu, že sonotroda a lůžko vždy zůstávají chladné, je možné provádět údržbu kdykoliv a okamžitě. Tento proces spojování je mimořádně hygienický a nástroje není třeba udržovat a čistit tak často, jako tomu bývá u standardních technologií. Další výhodou je okamžitá připravenost systému při jeho spouštění, která nevyžaduje žádnou fázi zahřívání svářecích nástrojů a v této fázi nevytváří žádný odpad ani zmetky.

Ultrazvukový proces svařování fólií je vhodný pro široké množství aplikací a produktů. Jeho užitím je možné vytvářet nové, atraktivní designy obalů s flexibilní a variabilní geometrií řezu a svaru.

Švýcarská společnost Telsonic, která je v Čechách zastoupena společností FineTec Systems, nabízí unikátní know-how založené na tradici, inovacích a globálních referencích z mnoha průmyslových odvětví. Společnost je aktivní na trhu průmyslových ultrazvukových prostředků od roku 1966 a nabízí produkty pro zpracování plastů nebo kovů, potravinářství a obalový průmysl, zpracování textilií, třídění částic podle velikosti (screening) a čištění. Schopnost firmy a jejich zaměstnanců přicházet s inovativními řešeními je potvrzena mnoha patenty.

Značnou výhodou ultrazvukového svařování je možnost spojování na špatně přístupných místech, absence užívání pojiv, rozpouštědel a lepidel, bezproblémová integrace do výrobních linek stejně jako možnost kvalitní kontroly ověřováním svařovacích parametrů a nastavení mezí tolerance. V porovnání s ostatními spojovacími a svářecími technologiemi nabízí ultrazvukové sváření atraktivní poměr nákladů a výnosů.

Šetrnost k životnímu prostředí – teplo, které je zapotřebí, je generováno skrz vysokofrekvenční mechanické kmitání, jež je produkováno mezi svářenými díly jako výsledek tření částic a povrchů.

Úspora energie – ultrazvukové zařízení nevyžaduje žádné přídavky v místě spoje. Přesné zaměření energie znamená, že její využití může být optimalizováno a tím jsou minimalizovány energetické ztráty.

Efektivní náklady – hospodárný proces, náklady na energii a relativní přiměřenost počátečních investic umožňují skutečné úspory ihned od začátku.

Rychlost – díky rychlé přeměně energie ze zvuku na teplo, což trvá podstatně méně než jednu vteřinu, může být výrobní čas významně zkrácen v porovnání s běžnými tepelnými metodami.

Ekonomická výhodnost – díky zkrácenému času sváření a vysoké efektivitě nákladů. Zvukově aktivní komponenty nejsou vystaveny v podstatě žádnému opotřebení, což udržuje servisní náklady a náklady na údržbu na minimu.

Adam Palma

FineTec Systems

palma@fine-tec.cz
www.fine-tec.cz