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Aug 07, 2023

超音波溶接のさらなる制御

In mezzo secondo possono succedere molte cose, soprattutto nel mondo dell’assemblaggio. uno o più

特に組み立ての世界では、0.5 秒の間に多くのことが起こります。 1 つ以上のリベットを同時に挿入できます。 接着剤の複数のビーズを接着できます。

分配された。 また、2 つの熱可塑性プラスチック片を超音波溶接して使用可能な部品にすることができます。

30 年以上にわたり、超音波溶接は、アモルファスまたは半結晶性の熱可塑性プラスチックまたは熱可塑性複合材料で作られた部品を組み立てる一般的な方法です。 超音波溶接は、部品を互いに振動させて接合する摩擦溶接の一種です。

すべての超音波溶接機には、電源 (発電機)、コンピューター コントローラー、アクチュエーター (空気圧シリンダーまたはサーボ駆動のボールねじで駆動)、トランスデューサー、ブースター、およびソノトロード ホーンが備えられています。 トランスデューサー、ブースター、ホーンが超音波スタックを構成します。

電力は、伸縮する圧電結晶を含むトランスデューサーに送られます。 この動作により機械的振動が発生し、ブースターが増大してホーンに伝達され、ホーンが超音波エネルギーをジョイント界面に伝達します。

摩擦とヒステリシスの組み合わせにより、ジョイントで熱が発生します。 熱により各部品の少量のプラスチックが溶けます。 超音波振動が止まると、溶融材料が凝固し、溶接が完了します。 実際の溶接時間は通常 200 ～ 400 ミリ秒です。

メーカーは、速度に加えて、特に小型部品の場合、超音波溶接がクリーンで経済的であることを気に入っています。 また、サプライヤーがプロセス制御を強化し、複雑なプラスチック部品を溶接できる機械を開発していることも気に入っています。

たとえば、ハーマン ウルトラソニックス社は、ヨーロッパの自動車サプライヤーが 3D 形状のデイタイム ランニング ライトを超音波溶接できるようにする複合材ソノートライトを開発しました。 複合ソノトロードは、ソノトロード キャリアといくつかのソノトロード チップで構成されており、それぞれがスタンドアロン ユニットとして設計および調整されています。

先端は異なる高さで、溶接中に部品の輪郭に一致するように設計されています。 各チップの正しい振動を保証するために、チップはキャリアに取り付けられ、手動で周波数を調整および測定されます。 複合ソノトロードの正確な振動を保証するために、周波数、最小アイドリング電力、均一な振幅分布が調整されています。 次に、複合ホーンは負荷シミュレーションの下でレーザー測定されます。 必要な修正は機械で行います。

「超音波溶接の本当の成長期は 1980 年代と 1990 年代に来ました」と、超音波溶接機を統合し、スピン、赤外線、ホットプレート溶接システムも製造している Extol Inc. のセールスおよびマーケティング ディレクターである Bill Reed 氏は述べています。 「今日、私たちは洗練の時代にいます。」

メーカーは、振幅、溶接時間、保持時間、エネルギー、電力、距離など、超音波溶接プロセスのすべての重要なパラメータを制御できます。 現在の技術により、オペレータはこれらのパラメータをハンドヘルド、ベンチトップ、自動およびロボット システムのコントローラに正確にプログラムすることができます。

振幅は、ホーンの面でのピークからピークまでの動きです。 Branson Ultrasonics Corp. は、ユーザーが溶接中にホーンの振幅を瞬時に増減できる振幅プロファイリング システムを備えています。

「溶接時間が 250 ミリ秒で、溶融温度に達するまでに 150 ミリ秒かかるとしましょう」と、Branson Ultrasonics Corp のマーケティングおよび製品開発ディレクターの Jeff Frantz 氏は言います。「振幅プロファイリングを使用すると、その時点での振幅を下げることができ、溶融温度をさらに 100 ミリ秒保持することで、バリや部品マーキングが少なく、分子レベルでより強力な溶接が行われます。この機能はあらゆる業界で使用されていますが、特に医療メーカーや家庭用電化製品メーカーのハイエンド製品で使用されています。」

Branson X-Port は、オペレーターが溶接プロセスをリアルタイムで追跡できる Windows アプリケーションです。 詳細なデータが提供されるため、溶接の変動を即座に認識して修正できます。 表示されるパラメータには、溶接時間、エネルギー、力が含まれます。 絶対距離; 速度; 全体崩壊と溶接崩壊。 そしてピークパワー。

同社は、DCX や 2000X シリーズなどのハイエンド マシンでも Start Ramp 機能を提供しています。 この機能により、エンジニアはスループットを向上させるためのランプアップ時間とランプダウン時間を簡単にプログラムできます。

Dukane Corp. は、空気圧式およびサーボ式超音波溶接システムの両方を製造しています。 同社のサーボ溶接機はすべて、オペレータが 10 個の溶接パラメータを制御できる HMI を備えています。 溶接機には、Melt Detect および Melt-Match テクノロジーも装備されています。

「超音波スタックの制御された一定の速度により、安定した溶融速度が生成され、均一な分子構造、より強力な溶接、および

溶接アセンブリの応力が軽減されました」と Dukane Corp のエンジニアリング担当ディレクター、レオ・クリンシュタイン氏は述べています。

溶融の開始を確実に完了するために、溶融検出は溶接の開始時に有効になります。 ホーンは、設定されたトリガー力が登録されるまで下降します。 次に、超音波検査が開始されます。 トリガー力の望ましい低下が検出されると、部品が溶けて崩壊し始めたことを示し、ホーンは下向きの動きを再開し、プログラムされた溶接のために部品を圧縮します。

この機能は、部品を溶解するために必要な振幅を達成することが難しい用途に推奨されます。 これらには、幅 4 インチを超える部品、ポリアミドまたはポリオキシメチレンの半結晶部品、および接合部の初期接触面積が小さい部品が含まれます。

メルトマッチは溶接中に有効になるため、超音波スタック速度はプラスチック材料のメルトフロー速度と正確に一致します。 クリンシュタイン氏は、この技術によりオペレーターは 0.0001 インチまでの正確な制御が可能になると述べています。

「当社の顧客はますます実践的になり、多くのプロセス変数をより詳細に制御することを望んでいます」とハーマン・ウルトラソニックスのゼネラルマネージャー、ウーヴェ・ペレジ氏は述べています。 「彼らはまた、類似した部品と異なる部品の溶接を迅速に比較できるようにしたいと考えています。」

Herrmann のハイブリッド (空​​気圧およびサーボ) HiQ 速度制御ダイアログ溶接機のユーザーは、機械のインターフェースで溶接情報を表示できます。 溶接サイクル全体を視覚的に表すデータまたはグラフが表示されます。 溶接データは、現場で表示、分析、収集、ダウンロードすることも、分析のために複数の工場や企業オフィスに継続的に送信することもできます。

同社は、モジュラー パンチ ウェルディング (MPW) システムなどの空気圧溶接機も製造しています。 この多目的機械は、複数の米国および欧州の自動車メーカーによって使用され、膜ディスク (直径 6 ～ 22 ミリメートル) を継続的に打ち抜き、それを LED ライト ハウジングの内側に溶接します。 この膜は圧力平衡要素とも呼ばれ、ハウジング内部への結露の侵入を防ぎ、空気を逃がして内部を涼しく保ちます。

ダイパンチアセンブリによってディスクが切り取られた後、ディスクは真空によってハウジングに搬送されます。 サイクルタイムは2秒未満です。

MPW システムが登場する前は、自動車メーカーは接着剤またはヒートシールを使用して膜を固定していました。 どちらの方法も労働集約的で、時間がかかり、プレカットされたディスクが必要で、高度なプロセス制御は不可能でした。 作業員は小さなディスクに接着剤を塗布し、慎重に配置してハウジングに押し込みました。 あるいは、作業者は、軟化したプラスチックに膜を押し込む前に、特定のハウジング領域に熱を加えました。 残念ながら、残留熱により膜繊維が損傷することがよくありました。

メーカーは動作周波数をほとんど制御できず、超音波スタックを変更することによってのみ変更できます。 長年にわたり、最も一般的なシステム周波数は 20 kHz でした。 もうそんなことはありません。

Dukane Corp.の販売およびマーケティング担当副社長であるマイク・ジョンストン氏は、より大きな部品を溶接する必要があるため、15キロヘルツのシステムを使用する顧客が増えていると述べています。 Dukane は、空圧またはサーボ アクチュエータと、同社史上最大の 4,800 ワットの発電機を備えた 15 キロヘルツおよび 20 キロヘルツのシステムを提供しています。

「有限要素解析は、より大きな部品を溶接するためのより優れたホーンを設計するのに役立ちます」とジョンストン氏は言います。 「しかし実際的に言えば、ホーンは10×8インチを超えてはなりません。」

30 キロヘルツ、35 キロヘルツ、40 キロヘルツのより高い周波数システムは、より小さく繊細な部品に引き続き使用されます。 Dukane は、ミニコンポーネントを溶接するための 50 キロヘルツおよび 70 キロヘルツのシステム (空気圧またはサーボ) を製造しています。

あるヨーロッパの医療機器メーカーは、70 キロヘルツのサーボ システムを使用して、非常に薄い検査装置 (300 マイクロメートル) の内側に超薄型コンポーネント (100 マイクロメートル) を溶接しています。 溶接距離は50μm、タクトタイムは0.5秒以内です。 このシステムは数か月間稼働し続けていますが、コンポーネントやデバイスに損傷はありません。

家電メーカーや自動車メーカーは、極端な動作条件下でも過熱しないため、Ultraplast デジタル発電機を気に入っています。 Herrmann 製の発電機は、35 キロヘルツで最大 1,200 ワット、20 キロヘルツで最大 6,200 ワットを出力します。 中型および大型部品の高速断続溶接用に構成できます。 この発電機は、20、30、および 35 キロヘルツの HiQ 溶接機で使用できます。

サプライヤーが発電機の出力を向上させた理由は、より大きな部品を溶接する必要性だけではありません。 もう 1 つの理由は、熱可塑性プラスチック材料がメーカー向けにカスタムブレンドされることが増えていることです。

「新しいベース樹脂または樹脂混合物を使用した熱可塑性プラスチックで作られた部品は、サプライヤーにとって課題となります」とフランツ氏は言います。 「これらの部品は耐熱性が高く、溶接にはより多くの電力が必要です。家電製品のメーカーでは、これらの熱可塑性プラスチックがよく使用されています。」

Branson は、20 キロヘルツ システムで使用される電源の容量を大幅に増加しました。 2008 年には、このシステムは 1,000 ワット、2,000 ワット、および 3,000 ワットの電源で利用できるようになりました。 現在では、1,250、2,500、4,000、および 5,500 ワットの電源で使用できます。

Sonobond Ultrasonics Inc. は、幅広い部品サイズを溶接できる 20 キロヘルツ システムである Standard 3000 を提供しています。 Sonobond Ultrasonics Inc. の社長であるジャネット・ディヴァイン氏は、このシステムには最大 3,000 ワットの発電機で使用できるコンバーターが搭載されていると述べています。 完全なプロセス制御に必要なすべての機能を提供します。

サプライヤーによると、プラスチックの超音波ロボット溶接は近年増加していないという。 彼らはその理由を 2 つ挙げています。

「多くのエンドユーザーは、スタックが重すぎてロボットのアームの速度が低下しすぎるため、大型部品の場合はロボットではなく作動システムを使用することを好みます」とペレジ氏は言います。 「15 キロヘルツまたは 20 キロヘルツのシステムと統合された 6 軸ロボットの減少が見られます。メーカーは、35 キロヘルツまたは 40 キロヘルツのシステム用に、より軽量なスタックを備えたロボットを使用することを好むようです。」

ロボットに関するもう 1 つの問題は、一般に反発やたわみが生じることだとリード氏は言います。 さらに、ロボットの動きでは、高品質の超音波溶接に必要な動的フォロースルーを実現することが困難です。

「その結果、ロボットは従来の溶接ではなく、超音波スポット溶接やかしめに最適です」とリード氏は言います。 「ステーキングまたはスポット溶接は、接触時に表面を意図的に乱すもので、通常は部品の B 面で行われます。従来の超音波溶接は、ホーン接触が目に見えない溶接です。」

超音波ロボット溶接は、ドアパネルなど、複数の溶接が必要な大型のプラスチック部品に使用される傾向があります。 多くの場合、これらのロボット システムには、簡単にプログラムおよび変更できる複数の溶接ホーンが組み込まれています。 溶接パラメータもプログラムして必要に応じて変更できます。

非ロボット自動化アプリケーションには、多くの場合、複数の超音波スタックが含まれます。 Dukane の iQ シリーズには、メーカーがマルチスタックまたはロボットアプリケーションで各スタックの力を制御できるようにするトリガーバイパワー機能があります。 ジョンストン氏は、この技術により費用対効果と溶接の再現性が向上すると述べています。

一部の自動化アプリケーションは、サプライヤーに、エンジニアのサイクルタイムの短縮による生産性の向上を支援する機会を提供します。 たとえば、クリンシュタイン氏は、見込み顧客が超音波溶接機をガントリー クレーンに取り付けて、溶接場所間を素早く移動できるようにしたと述べています。

顧客は競合他社の空気圧溶接機を使用しており、各溶接に 1.20 秒かかります。 クリンシュタイン氏によれば、サーボ溶接機はサイクル時間を 0.25 秒短縮して 0.95 秒にできるという。

自動車メーカーと同様に、家具メーカーも、1 つの部品に複数の溶接を実行したり、複数の部品を同時に溶接したりする自動システムを使用することがよくあります。 リード氏によると、これは超音波溶着が布地とプラスチックの接合に最適だからだという。

「私たちが取引しているある米国のオフィス家具メーカーでは、18 個のアクチュエーターを備えた 20 キロヘルツの自動システムを使用して、布地を椅子の背もたれにスポット溶接しています」とリード氏は言います。 「超音波を検討する前、同社の組み立てオプションは、ステープル、接着剤、または生地を保持するために別途成形された複雑なコンポーネントでした。」

リード氏は、自動化アプリケーションを成功させるには、メーカーは超音波機器のサプライヤーやインテグレーターと緊密に連携する必要があると述べています。 同氏はまた、自動化されたアプリケーションがインテグレータにとって大きな課題となることをメーカーに理解してもらいたいと考えています。

「私たちは、エンドユーザーがプロジェクトの開発段階で使用したのと同じレベルの自動化プロセスで溶接制御を行えるようにしたいと考えています。場合によっては、自動化用に超音波溶接サプライヤーから提供されるコンポーネントの機能が同じではないことがあります。洗練されたベンチトップユニットとして。三者間の意図的な対話により、これらの課題に対処できます。」