Témata
Reklama

Využití ultrazvuku při svařování plastů

Ultrazvuková svařovací technika se během posledních dvaceti let prosadila jako důležitá spojovací technologie. Široké spektrum použití našla zejména při konstrukci elektrických přístrojů, domácích spotřebičů, v automobilovém a textilním průmyslu, kde se vyskytují velké výrobní série. Pro úspěšné svařování je totiž nutno pro každý spoj na míru vyrobit příslušné nástroje a přípravky. To je prakticky jediná nevýhoda této technologie. Jejími největšími přednostmi jsou naopak vysoká rychlost (desetiny, maximálně jednotky sekund), čistota a kompaktnost (zařízení zabírá málo místa a nepotřebuje speciálně upravené pracovní místo, lze jej umístit kdekoliv ve výrobní hale), nenáročnost na připojení (běžné napájení 220 V a přívod tlakového vzduchu), prakticky žádná údržba a to, že nevyžaduje žádný spotřební materiál, jako pájky apod. Velkou předností je rovněž vysoká životnost nástrojů, zpravidla statisíce svarů.

Ultrazvuk, tedy vlny kmitající na frekvencích vyšších než je maximální kmitočet slyšitelný lidským uchem, se v praxi využívá v celé řadě zařízení. Podle používaných výkonů lze aplikace lze rozdělit do dvou skupin. Ultrazvukové vlny nízkých výkonů se používají například v medicíně při zobrazování, diagnostice a terapii, v technických aplikacích pak pro přenos signálů nebo v nedestrukční defektoskopii. V těchto případech se vždy využívá pouze malá energie, která nezpůsobuje změny ozařovaných materiálů.
Druhá oblast - vysoké výkony - se používají pro čištění, obrábění, formování, letování, stříhání, svařování, šití. Oproti aplikacím v předchozích případech zde působení energie má za cíl vyvolat změny materiálů. Používají se frekvence na spodní hranici ultrazvukového spektra, tj. v oblasti 20 - 100 kHz. Důvodem pro to je skutečnost, že jsou do pohybu uváděny mechanické díly, což lze realizovat tím snadněji, čím nižší je frekvence jejich pohybu. Aby byla účinnost co nejvyšší, volí se co možná největší amplitudy. Nejčastěji se používá rozpětí 5 - 50 mikrometrů. To se na první pohled nezdá mnoho, nicméně je třeba si uvědomit, že mechanická součást kmitá frekvencí 20 kHz, tedy dvacettisíckrát za sekundu. Standardní systémy pak používají výkony od stovek do několika tisíc wattů.
Z hlediska svařovaných materiálů lze použití rozdělit na svařování kovů (bodové svary barevných kovů) a na svařování plastů. V tomto článku se budeme zabývat pouze principy a technologiemi pro svařování plastů. Zařízení pro svařování kovů se od technologií pro plasty výrazně liší a svářečky tudíž nejsou univerzálně použitelné.
Reklama
Reklama
Reklama

Svařování plastů

Pro ultrazvukové svařování jsou nejvhodnější částečně krystalické (PP, PET, PE, PA) a amorfní (PC, PS, ABS a butadienové styreny) plastové materiály, někdy i jejich kombinace. Princip ultrazvukového svařování je následující: Spojované díly jsou založeny do přípravku tak, aby se navzájem svařovanými plochami dotýkaly. Generátor svářečky vytvoří elektrické kmity ultrazvukových frekvencí, které jsou transformovány na kmity mechanické a přes nástroj jsou přivedeny na místo budoucího spoje. Zde vzniká působením kmitů teplo, které spoj lokálně ohřívá. Spojované díly pak v místě styku plastifikují a jsou do sebe působením přítlačné síly natlačeny tak, že jejich molekuly do sebe navzájem zatečou. Působení kmitů i přítlačné síly se děje kolmo na spojované plochy. Směr působení kmitů je největším rozdílem oproti svařování kovů, kde ultrazvuková energie působí na spoj ve směru spojovaných ploch a ve směru kolmém působí pouze přítlačná síla. V souladu s obecnými principy využití ultrazvuku v oblasti vysokých výkonů se pro svařování nejčastěji používá frekvence 20 kHz, méně pak frekvence 10 kHz (zařízení jsou hlučná, neboť pracují ve slyšitelném frekvenčním spektru) a 35 kHz (pro malé spoje a menší série), výjimečně i jiné. Pro řízení svařovacího procesu se používají celkem čtyři metody. Jejich názvy jsou odvozeny podle toho, jaká veličina je při svařování primárně sledována a podle které je průběh procesu řízen. Jedná se tedy o metody svařování podle času, energie, relativní pozice a absolutní pozice. Od momentu nasazení nástroje na dílec (v případě času, energie, relativní pozice) nebo od předepsané pozice (při svařování podle absolutní pozice) je díl svařován až do dosažení předepsané hodnoty kontrolované veličiny. Přitom jsou samozřejmě sledovány i ostatní parametry, což slouží k detekci odchylek a chyb. Pokud by například při svařování podle absolutní pozice nebyl do přípravku založen svařovaný díl, zařízení toto odhalí, neboť zaznamená, že nebyla odebrána odpovídající energie.

Okamžitá kontrola kvality spoje

Ultrazvukové svařovací zařízení firmy Stapla Ultraschall - Technik GmbH se skládá z generátoru vytvářejícího elektrické kmity, konvertoru pro převod elektrických kmitů na mechanické, boosteru, upravujícího velikost amplitudy, a svařovacího nástroje - sonotrody. Zdrojem energie a u zařízení firmy Stapla také "mozkem" celého svařovacího zařízení je kontrolér. Ten obsahuje kromě ultrazvukového generátoru a výkonového modulu i modul řídicí, který se stará o kontrolu celého procesu. S uživatelem komunikuje v celé řadě jazyků včetně češtiny. Jeho prostřednictvím se nastavují parametry svařování, automaticky ukládané do paměti, což umožňuje na jednom pracovišti velmi rychle přecházet mezi několika výrobky. Samozřejmostí jsou rovněž rozhraní RS 232 a RS 485, která umožňují zapojení zařízení do centrálně řízeného procesu, například výrobní linky, nebo komunikaci s PC. Nadstandardní vlastností je u kontroléru firmy Stapla integrovaný systém řízení jakosti. Podle zjištěných parametrů procesu je tento sám schopen provést sigma analýzu kvalitativních parametrů a doporučit tak nastavení mezí pro kontrolu jakosti během sériové výroby. Kvalita spoje je pak podle měřených parametrů nepřímo vyhodnocována a podezřelé díly lze vyřadit bezprostředně po svařovací operaci, což šetří náklady a zvyšuje spolehlivost procesu.
Konstrukce vlastní svařovací jednotky je modulární, a proto ji lze podle požadavků technologie dodávat v nejrůznějších konfiguracích. Nejběžnější je provedení stojanové, které zpravidla slouží pro manuálně obsluhované nebo poloautomatické pracovní místo. Základem je pevný, houževnatý a vysoce stabilní ocelový rám, na kterém je upevněn statický mechanický polohovací systém. Až na něm je umístěna svařovací hlava s pneumatickým válcem zajišťujícím její pohyb před a po operaci a přítlak nástroje na dílec během svařování. Upevnění svařovacího modulu je rovněž řešeno tak, aby jejich výměna byla co nejjednodušší a aby nebylo po každé výměně nástroje nutné provádět nové seřizování. Existuje samozřejmě i provedení svařovací hlavy K1 určené pro automatové systémy. V takovém případě je oproti stojanové konstrukci využita pouze pracovní část, tj. ultrazvukový modul s pneumatickým posunem a kontrolér s upraveným softwarem. Charakteristickým rysem všech zařízení Stapla je skutečnost, že svařovací jednotka obsahuje pouze akční prvky a senzory a veškerá řídicí činnost je prováděna programem kontroléru. To umožňuje velkou variabilitu a přizpůsobení požadavkům zákazníka. Existuje zde rovněž možnost aktualizování řídicího programu včetně implementace nových svařovacích metod nebo kontroly procesu, což prodlužuje morální životnost zařízení.

Nadstandardní příslušenství

Zařízení byla navržena s důrazem na jednoduchost, uživatelskou přívětivost, spolehlivost a modifikovatelnost. Výrazným způsobem se zde projevily zkušenosti z výroby zařízení pro svařování kovů, kde jsou nároky na mechanickou preciznost zařízení daleko vyšší. Praktickou vlastností je například možnost programovatelného nastavování amplitudy kmitů nástroje v rozmezí 30 - 100 %, což je užitečné při ladění parametrů svařování, neboť odpadá častá výměna boosterů. Oproti běžným provedením byly svářečky rozšířeny o celou řadu nadstandardních prvků. Jedná se již o dříve zmíněný modul Sigma QC pro kontrolu kvality nebo motorické stavění koncové polohy při svařování relativní pozicí, kdy servomotor nastaví pro každý svar relativní dráhu podle polohy svařovaného dílu v přípravku. Autodiagnostický systém SDS monitoruje činnost zařízení a případná rušení signalizuje spolu se srozumitelným návodem na odstranění problému na displeji kontroléru. Automatická kontrola nástroje ATP chrání prostřednictvím automaticky nastaveného dorazu nástroj (sonotrodu) před jeho kolizí s přípravkem, která může vést k poškození celé řady prvků svářečky. Veškerá tato vylepšení vedou k rychlejšímu odstranění rušení a zabraňují poškození zařízení.

Další možnosti použití

Kromě klasického spojování jsou svářečky často využívány například k inzertování, kde jsou do plastových dílců vtlačovány inzerty s vnitřním závitem umožňující rozebíratelnost dílů. Setkáváme se rovněž s nýtováním, při kterém jsou svářečkami "rozklepávány" plastové nýty sloužící ke spojení plastových a kovových konstrukcí. Při použití speciálních svářeček se dále ultrazvuk používá pro svařování plastových dílců s fóliemi nebo k řezání a kontinuálnímu svařování syntetických látek. Firma Stapla disponuje speciálními zařízeními i pro tyto aplikace. Jedná se například o zařízení Adler, které bylo konstruováno pouze pro potřeby svařování plastových tub. Slouží pro umístění do plnicí linky a je schopno zpracovávat i poměrně velké spojované plochy včetně značení šarží nebo uvedení doby použitelnosti v ploše svaru. Možné je i vytvoření normovaných "eurootvorů" pro zavěšování tub na prodejní stojany. Dalšími specialitami jsou svářečky pro zmíněné kontinuální svařování Lizard, použitelné pro průběžné svařování syntetických látek, nebo Monofil pro svary malých umělých vláken. Zástupcem firmy Stapla u nás je společnost Schunk Praha, s. r. o.
Reklama
Vydání #6
Kód článku: 20645
Datum: 12. 06. 2002
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
Žíhání termoplastů

Moderní nauka o plastech v mnoha směrech vychází z nauky o kovech. Příkladem je žíhání, jeden ze způsobů tepelného zpracování. Společným účelem žíhání kovů i plastů je pomocí řízených teplotních změn dosáhnout rovnovážných stavů struktury a tím i cíleně ovlivňovat vlastnosti.

Makroplasty versus mikroplasty

Plasty se staly nenahraditelným materiálem sloužícím téměř všem oblastem lidské činnosti. V poslední době se pozornost odborníků i veřejnosti soustřeďuje na zcela nový ekologický fenomén, zvaný mikroplasty. Ve smyslu ekologické terminologie je pak možné výrobky z plastů označovat jako makroplasty.

Plasty a kompozity v inovaci strojírenských výrobků

Plasty a kompozity s polymerní matricí přinesly revoluci v materiálových přístupech ke konstrukci strojírenských výrobků a zařízení. Nepřetržitě probíhající materiálové inovace v oblasti plastů a kompozitů spoluvytvářejí inovativní řešení ve strojírenství. Reagují na potřeby strojírenského průmyslu a stávají se kontinuálním procesem s jasnou perspektivou do budoucna.

Související články
Horké trysky jako nový standard

Studené plnicí kanály doprovázejí odvětví vstřikování plastů od prvopočátku. I dnes často vypadá tento způsob plnění dutiny jako ten nejjednodušší a nejelegantnější. Proč má tedy smysl zabývat se aplikací horkých trysek i do malých sérií a malých forem? Srovnejme oba způsoby plnění a porovnejme ekonomické přínosy.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Optimalizace plastových výlisků s obsahem přírodních vláken

V průmyslové výrobě, především v automobilovém průmyslu, se začíná prosazovat trend nasměrovaný k využívání obnovitelných materiálů, ke kterým mj. patří přírodní vlákna. Vývojáři nových výrobků se setkávají s požadavky na aplikační využití plastových materiálů vyztužených přírodními vlákny, jako jsou sisal, konopí, len atd.

Inteligentní řešení pro vstřikování plastů

Automatizace, výrobní technologie, optimalizace procesů a služby jsou nedílnou součástí filozofie rakouské společnosti Engel. Ta svá systémová řešení v oblasti zpracování plastů představila v říjnu pod mottem „více než stroj“ na veletrhu Fakuma 2015 v německém Friedrichshafenu.

Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

S pokračujícím vývojem nových materiálů se mění i materiálová skladba strojírenských výrobků a zařízení. V současné době si již nelze rozvoj téměř všech strojírenských odvětví bez použití plastových materiálů představit. Vývoj pak ukazuje, že plasty budou hrát ve strojírenství stále významnější úlohu.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Absorbér energie, izolace nebo kreativní materiál?

Vypadá jako polystyren, ale není to polystyren. Rozdíl poznáte nejpozději ve chvíli, kdy jej vezmete do ruky. Řeč je o expandovaném polypropylenu, materiálu, který pod obchodním názvem Arpro vyrábí globálně působící japonská společnost JSP. Vnitřní struktura dílů z něj vyrobených na první pohled připomíná díly z pěnového polystyrenu, ale jejich vlastnosti jsou zcela rozdílné.

Nové vstřikovací jednotky pro vstřikovací stroje

Společnost Engel Austria od základu přepracovala své hydraulické vstřikovací jednotky a na veletrhu K 2016 od 19. do 26. října v Düsseldorfu představila novou generaci úspěšných řad vstřikovacích strojů Engel victory a Engel duo, které díky inovativním funkcím dosahují vyšší přesnosti, ergonomie a účinnosti.

Výroba stavebnic leteckých modelů

Pamětníci si možná vzpomenou na reportáž o výrobě plastikových leteckých modelů, která vyšla v MM Průmyslovém spektru 1, 2/2004. Když jsem loni na setkání uživatelů softwaru NX potkal pana Vladimíra Šulce, jednoho ze zakladatelů společnosti Eduard – Model Accessories, pozval mě, ať se k nim do Obrnic přijedu znovu podívat, protože za tu dobu se mnohé změnilo.

Igráček slaví 40. narozeniny

Generace Husákových dětí si jistě dobře vzpomíná na malou plastovou figurku představující různá povolání. Igráček letos oslaví 40. narozeniny, a tak určitě stojí za to, podívat se důkladněji na jeho osud i na jeho výrobu.

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.

Jedině CO2 laser pro opracování plastů? Dnes už ne

Implementace a nahrazování mechanických střihadel funkčními celky s CO2 lasery je již dlouhou dobu etablovaný proces pro odstraňování vtokových soustav. Ale co když chceme výrobek z plastu kompletně opracovat? Zjednodušit tvar formy a snížit tak náklady ve výrobě? Musíme kupovat drahé 3D CO2 laserové celky? Není možné laserovou technologii integrovat do technologie stávající?

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