ULTRALJUDSVETSNING Vanligaste metoden fogar med vibrationer FOGNINGSMETODER DEL 1 Formsprutgodset är vanligen en del av en färdig produkt. Plastdetaljen fogas till en annan plastdetalj eller till en detalj tillverkad i ett annat material. Sammanfogningen sker vanligen vid en efterföljande operation hos plastbearbetaren eller utförs av beställaren av formgodset. En vanlig fogningsmetod är ultraljudsvetsning. FOTO: SONIC TOOLS/PROCAM NORDIC Ultraljudsvetsning används för sammanfogning inom bland annat fordonsindustrin, vid tillverkning av vita varor, hushållsartiklar, leksaker och förpackningar. En standardmaskin kan foga 30 detaljer per minut och mer än 60 detaljer per minut kan fogas i automatiska anläggningar. Till formsprutningens fördelar hör att man kan framställa mycket komplicerade former med integrerade funktioner. Vid framställning av en hålkropp eller en detalj med omfattande underskärningar har emellertid metoden sina begränsningar. Hålkroppar framställs visserligen genom formblåsning och rotationsgjutning men precisionen är sämre än vid formsprutning. Komplicerade underskärningar kan införas vid formsprutning med hjälp av kärnor men kan leda till mycket dyra lösningar. Gas- och vattenformsprutning är en annan möjlighet, som snarare ger kanaler i formgodset än egentliga hålkroppar. VID FORMSPRUTNING kan man åstadkomma ett ihåligt gods med en smältkärna. Man kan också foga ihop två formsprutade halvor med svetsning eller limning. Tekniken med smältkärna har fördelen att både formsprutning av termoplaster och härdplaster kan komma ifråga för att åstadkomma en ihålig kropp. Om två plasthalvor ska svetsas ihop måste de bestå av termoplaster, som smälter ihop i fogen. Om halvorna består av härdplast fungerar ej svetsning utan man måste tillgripa limning eller mekanisk fogning med skruv- eller snäppförband. Limning och mekaniska förband används också för fogning av termoplastdetaljer. Tekniken med smältkärna innebär att man först gjuter en kärna av lättsmält metall. Gjutgodset omsprutas med en termoplast eller härdplast varefter smältkärnan avlägsnas genom ursmältning. Tekniken medger underskärningar, som är omöjliga att åstadkomma med konventionell formsprutning. TEKNIKEN MED SMÄLTKÄRNA har använts vid framställning av ventilhus, pumphus, tennisrackets och grenrör på inloppsidan av bilmotorer. Till fördelarna hör att man kan åstadkomma mycket komplicerade formsprutgods med ytterst fina inre ytor men metoden är dyr eftersom den omfattar både gjutning och smältning av metallkärnan samt formning av plasten. Svetsning av formsprutgods av termoplast innebär att man smälter ihop två parter i en gemensam smältzon, som bildas genom friktions- och skjuvkrafter eller annan uppvärmning. METODERNA OMFATTAR ultraljudsvetsning, vibrationssvetsning, friktionssvetsning, spegelsvetsning och lasersvetsning. I detta avsnitt och det som publiceras i nästa nummer redogörs för ultraljudsvetsning, som är den populäraste metoden. Övriga svetsmetoder berörs i Fogningsmetoder 2. Snäpp, skruvförband och limning behandlas i Fogningsmetoder 3. Lars-Erik Edshammar 50 PLASTFORUM Nr 4 2005
Ultraljudssvetsning en utbredd metod Ultraljudsvetsning är en mycket vanlig metod för fogning av plastdetaljer vid tillverkning av vita varor, fordonskomponenter samt medicinska apparater och används även inom leksaksindustrin. Processen använder låga vibrationsamplituder med hög energi som höjer temperaturen i kontaktytan mellan två plastdelar på grund av friktion. På grund av molekylernas rörlighet under den skjuvning som uppstår bildas dessutom värme en bit in i materialet så att de två plastparterna smälter ihop inom en smält zon. Den ena parten är stadigt fäst i en fixtur medan motparten utför en sinusformad vibration, som huvudsakligen verkar normalt mot kontaktytan mellan hornet och den övre parten. ULTRALJUDSVETSNINGEN är allmänt förekommande hos formsprutare och är en ekonomisk process vid sammanfogning av små och medelstora detaljer även i långa serier. Ultraljud används även vid fogning av stora detaljer, nitning av plast, införande av metallinsatser i plast samt mekanisk förbindning av termoplast till komponenter, som består av andra material. I den vanligaste tillämpningen koncentreras den högfrekventa vibrationsenergin till det område där plastdelarna berör varandra när de förs samman. Den övre parten vibrerar medan den undre är infäst i en fixtur. Vid beröringen uppstår friktion och kraftiga molekylrörelser, som får plasten att smälta på grund av vibrationen. Parterna trycks ihop av svetsmaskinen och trycket kvarstår då vibrationerna upphört och plastfogen kallnar och stelnar. Huvudregel för fogens utformning Utformning av olika fogtyper VID ULTRALJUDSSVETSNING använder man sig av mekaniska svängningar som har så hög frekvens och därmed liten våglängd att de ej uppfattas av det mänskliga örat. Frekvensen ligger mellan 20 khz och 50 khz och motsvarande amplituder i området 15 60 mm. Högsta gränsen för unga människors hörsel ligger vid 20 khz. Högfrekvent ljud används också i andra sammanhang än svetsning av plast. Höga frekvenser ger en välriktad stråle, som indikerar hinder på sin väg genom vatten. I hydrofoner används principen för att upptäcka ubåtar och fiskstim. Fladdermöss sänder på liknande sätt ljudimpulser med höga frekvenser för att orientera sig i mörkret. Den höga intensiteten i svängningarna används också för att åstadkomma kemiska och fysikaliska förändringar, som utnyttjas vid lödning och rengöring av metalldelar. Ultraljud används också vid medicinsk behandling och för att ställa medicinska diagnoser. Med ett mycket kraftigt ultraljud krossas njur- och gallstenar. ULTRALJUDSVETSNING används som antytts i otaliga sammanhang inom fordonsindustrin, vid tillverkning av vita varor, hushållsartiklar, leksaker och förpackningar. Även engångsartiklar (rakhyvlar, cigarrettändare etc) svetsas med metoden. En standardmaskin kan foga 30 detaljer per minut och mer än 60 i automatiska anläggningar. Vid svetsning av stora detaljer som stötfångare samverkar flera svetsmaskiner. Huvudregeln är att delkristallina plaster fogas med en så kallad klämfog som fungerar med material, som har snäva smältintervall. Amorfa plaster har breda smältintervall och smältan breder ut sig långsammare varför man inför en energiriktare med V-form (takform) i en stumfog. TILL NACKDELARNA med högfrekvenssvetsningen hör att det lätt uppkommer ett obehagligt ljud på grund av resonanseffekter men oljudet går att åtgärda. Andra besvärligheter är krav på en löpande kontroll av inställda parametrar, dyrbar utrustning och att endast kompatibla material kan fogas. Utformningen av svetsverktyget (booster och horn) måste göras av en fackman och avstämmas med instrument. PLASTFORUM Nr 4 2005 51
Utrustning för ultraljudssvetsning Omvandling av elektrisk till mekanisk energi Metallblock Metallblock Boostern, mellankopplingen som förstärkare Hornets geometri, standardhorn Rektangulära och cylindriska horn Svetsmaskinens uppbyggnad Svetsmaskinen är uppbyggd kring ett stadigt stativ med en fixtur för montering av den undre plastdel, som ska svetsas mot en överliggande. En pneumatisk tryckcylinder påverkar ett vibrationsalstrande paket, som är rörligt i vertikal led. Paketet består av en generator, omvandlare (transducer), en mellankoppling (booster) och själva verktyget, som kallas horn eller sonotron. Rörelsen styrs vanligen med en dator så att den övre parten kommer i kontakt med den undre. Ultraljudet alstrar värme i kontaktytan där parterna smälter ihop. Hornet är så utformat att det vid en viss vibrationsfrekvens smälter plasten i kontaktytan mellan de parter som ska fogas. Processen startas för hand eller med en fotpedal. Rörelsens längd och hastighet, hornets tryck mot arbetsstycket och sammantryckningstiden styrs från en kontrollpanel eller av datorn. Det normala trycket är 20 1800 N och svetstiden varierar mellan 0,5 till 1,5 sekunder under tryck. GENERATORN UTGÖR kraftkällan i systemet och omvandlar 50 60 Hz växelström till en högfrekvent elkraft i området 20 40 khz. Den högfrekventa elektriska energin omvandlas därefter i transducern eller konvertern till mekanisk energi. Omvandlingen sker med hjälp av piezoelektriska eller magnetostriktiva oscillatorer till mekaniska svängningar i området 15 70 khz. Det vanligaste området är 20 40 khz. Vid 20 khz är rörelsens amplitud (halva rörelselängden) mellan 0,013 och 0.02 mm. I den piezoelectriska oscillatorn ändrar två plattor, som består av piezokeramer, sin tjocklek vid pålagd spänning. Blyzirkoniumtitanat är en vanligt förekommande piezokeram. Den tillförda frekvensen får keramskivorna att expanderar och krympa då det elektriska fältet ändrar riktning. Därmed övergår den elektriska energin i en mekanisk rörelse. De keramiska plattorna har en omvänd polarisation så att de tillsammans ger dubbelt så stor rörelse som en ensam platta. Metallblocken på var sida dimensioneras så att enheten får önskad frekvens. Det förekommer också att magnetostriktiva oscillatorer ingår i omvandlaren. De är uppbyggda av magnetiska stavar, som ändrar längd vid ett pålagt magnetiskt fält. Längdändringen kan var 1:1000. Vibrationerna måste ytterligare förstärkas i en booster (mellankoppling) och hornet (verktyget). Det går alltid att konstruera ett horn som på en gång har en lämplig form och ger rätt amplitud. Man måste emellertid införa mellankopplingar mellan omvandlaren och hornet i form av boosters enligt figur. Mellankopplingarna kan vara utformade så att de ökar eller minska amplituden i hornets verksamma yta eller helt enkel fungera som en passiv kopplingsenhet. Standardboosters med olika effekt är ofta färgkodade. De är vanligen tillverkade av aluminium eller titan. HORNET ÄR LIKSOM BOOSTERN en halvvågsresonator och ska avge rätt avpassade ultraljudvibrationer till arbetsstycket. Hornet utsätts för mycket kraftiga påkänningar och tillverkas därför av höghållfasta material, som är slitstarka och överför vibrationer utan effektförluster. Titan har de bästa egenskaperna i detta avseende men höghållfast aluminium (duraluminium), stål och aluminiumbrons används också. Karbidbelagd titan används vid höga amplituder mot nötande plastmaterial medan värmebehandlat stål används vid låga amplituder till exempel vid införing av bussningar. Låga amplituder motsvarar höga frekvenser. Amplituden vid frekvensen 40 khz, är hälften av den vid 20 khz. Låga amplituder passar fogning av mindre komponenter och. de höga frekvenserna minskar risken för obehagligt resonansljud och skadade plastkomponenter. Å andra sidan kräver höga frekvenser en noggrann driftskontroll och avståndet mellan hornets anliggningsyta och själva fogen ska vara kort. Vid höga amplituder kan fixturen utsättas för kraftiga påfrestningar men den kan infodras med polyuretan för att dämpa svängningarna och minska risken för skador. HORNEN FINNS i olika standardutföranden, som är anpassade olika amplituder och materialbelastningar. Då hornet är rektangulärt och långt införs spalter med ett avstånd av 90 mm mellan spalterna för att minska de mekaniska påfrestningarna. Större rektangulära s k barhorn är upp till 300 mm långa och längre kan beställas. Standardhorn tillverkas även i cylindriska former med en inre diameter av upp till 280 mm. Väggtjockleken hos cylindriska horn bör ej underskrida 6 mm. 52 PLASTFORUM Nr 4 2005
Svetsning i när- och fjärrfält Svetsledarens ungefärliga geometri Fogens utformning beroende på svetsparametrar Ytstruktur i undre parten kan förstärka en stumfog Svetstekniska tips Hornet ska vara i intim kontakt med den övre parten. När det gäller de flesta plaster bör avståndet mellan hornets kontaktyta och svetssömmen vara mindre än 6 mm. Svetsningen sker då i närfält och vid längre avstånd > 6 mm sker svetsningen i så kallade fjärrfält. Amorfa plaster kan svetsas i fjärrfältet om de är nödvändigt. De är nämligen lättare att svetsa än delkristallina plaster som svetsas i närfältet. Att konstruera horn som klarar svetsning i båda fälten är möjligt men rekommenderas inte. DÅ PARTERNA inledningsvis kommer i kontakt med varandra bör energin vara koncentrerad i en så liten kontaktyta som möjligt. Stumfogning genom att två flata ytor trycks ihop förekommer ej vid svetsning av plast. Denna stumfogen kräver alltför höga energier och det kryper ut plast i skarven i form av ett kraftigt skägg. Därför införs enenergiriktare med V-form företrädesvis i den övre partens yta. Genom att införa energiriktaren eller svetsledaren går svetsningen snabbt och ger hög styrka i fogen. Energiriktarens höjd är högst 0,6 mm för amorfa plaster och 1 mm för delkristallina. Energiriktaren har en spetsigare form (<90 ) för amorfa plaster än delkristallina (=90 ). Den är således något högre och bredare för de mer svårsvetsade delkristallina plasterna. De flesta delkristallina plaster kan ej fogas med svetsledare om man vill åstadkomma en fullständigt tät fog. EN KORREKT KONSTRUERAD svetsledare behöver inte leda till att fogen har hög hållfasthet. Meningen med svetsledaren är att den ska mjukna så att den gränsar till ett flytande tillstånd och därefter under tryck spridas i fogen för att därefter stelna då vibrationsenergin upphör. Men både otillräcklig och överdriven energi reducerar fogens styrka. Materialet i energiriktaren kan smälta lokalt eller flyta ut så häftigt att det bildas skägg. Fogen styrka kan förbättras om energiriktaren trycks mot en texturerad yta. En viktig regel är att den övre parten ska vara så kraftigt dimensionerad att den kan överföra hornets svängningar till energiriktaren. Energiövergången dämpas nämligen om hornets yta ligger an mot tunt gods enligt vidstående figur. Hörn konstrueras enligt regler med radier i formsprutgods. På motsvarande sätt ska energiriktaren beskriva en krökt övergång vid ett hörn. Eventuellt kan kröken uteslutas om en otät fog kan tolereras. Svetssömmar med längder av cirka 120 mm kan utföras i standardutrustningar. Längre sömmar är möjliga i specialanläggningar eller hopkopplade system. Fogens kvalitet är beroende av att följande parametrar är optimalt inställda: Amplituden Hornets anliggningsyta Svetstiden Hålltiden = avkylningstiden VALET AV materialkombinationer är viktigt. Parterna bör vara av samma basplast. Det är ytterst få kombinationer av olika material som är möjliga. Vanligen fungerar plaster som är blandbara som ABS och legeringen (ABS+PC), PMMA och PC samt PS och PPE. När det gäller materialens sammansättning och tillsatser gäller följande: Varje plastkvalitet har sin optimala inställning beroende på smältindex Pigment kan vid höga halter försämra fogens styrka Glasfibrer försämrar fogens styrka Slagsega kvaliteter, som innehåller elaster har dålig svetsbarhet Släppmedel och smörjmedel kan omöjliggöra svetsning FORMSPRUTGODSET ska ha god måttnoggrannhet och vara spänningsfritt. Man undviker att svetsa detaljer direkt efter det att de formsprutats. Svetsningen bör ske efter minst 24 timmar efter avformningen. Vattenabsorberade detaljer av polyamid måste torkas för att därefter förvaras i slutna plastpåsar för att efterkrympa. I övrigt optimeras svetsbetingelserna genom följande försök: Amplituden avstäms mot olika boosters Presstrycket anpassas amplituden Svetstiden fastläggs Hålltiden = avkylningstiden utprovas FÖR LÅNG SVETSTID, högt tryck och dålig passning mellan parterna leder till deformation och den behöver ej uppträda omedelbart utan efter en 54 PLASTFORUM Nr 4 2005
Hornets anliggningsyta viss tid. En god passning mellan parterna kan upprätthållas med hjälp av hornets form, som ger stöd åt den övre parten medan den nedre parten stöds av fixturen. Det går också att införa en tapp eller ribba i ena parten, som styrs in i en urholkning i den andra parten. Svetstiden för att svetsa ett lock på en behållare är cirka tre minuter enligt exemplet nedan. Behållaren är placerad i en delad fixtur som öppnas och sluts pneumatiskt och är monterade på ett rundbord. Iläggning och urtagning sker automatiskt. Se tabell nedan. Fortsättning i nästa nummer Energiriktaren skall bilda en radie i hörnet Moment Tid i sekunder Behållaren placeras i fi xturen som sluts 1,5 Locket placeras på behållaren 1,0 Locket fastsvetsas 0,5 Fixturen plundras < 0,5 Summa cirka 3 sekunder Alternativ beräkning Tid i sekunder Rundbordets vridning 0,5 Hornets nedsänkning 0,5 Svetstid 0,5 Hålltid 1,0 Hornets återgång 0,5 Summa cirka 3 sekunder 56 PLASTFORUM Nr 4 2005