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Aug 06, 2023

超音波プラスチック溶接の最適化

Non c'è niente di meglio che iniziare con le applicazioni di saldatura della plastica a ultrasuoni.

超音波プラスチック溶接アプリケーションを開始して、すぐにプロセスの「ウィンドウ」、つまり人、部品、機器、プロセスがスムーズに稼働し、高い歩留まりとタイムリーで効率的な生産が得られるスイートスポットを見つけることほど良いことはありません。

ただし、場合によっては、まだ完全に調整されていない新しいプロセスや新しいマシンを導入する必要がある場合があります。 おそらく、新しい超音波溶接ユニット (または数十台) が工場から到着したばかりかもしれません。 既存の機械が別のプロセスから移設されたばかりで、他の溶接機と一致するように構成する必要がある可能性があります。 あるいは、1 台か 2 台のマシン、または 1 台か 2 人のオペレーターが、まったく適切ではない場合もあります。

このような場合、エンジニアは超音波溶接プロセスを調整し、プロセスが適切になるまで振幅、力、速度、その他のパラメータを調整する必要があります。 この記事では、そのプロセスについて説明します。

ただし、最初にいくつかの仮定を立てます。

良い溶接とは何かを理解することから始めましょう。 良好な溶接により、寸法公差、強度要件、シール要件、および外観要件を満たす完成したアセンブリが生成されます。 これらの作業を許容可能なサイクル タイム内で許容可能な歩留まりで実行します。 「不良」溶接とは、これらの要件の 1 つ以上を満たしていない溶接のことです。

悪い溶接を説明するために、「アンダーウェルド」と「オーバーウェルド」といういくつかの用語を使用し、「適切な」状態になるまで溶接を最適化する方法を提案します。 溶接が不十分なアセンブリには、不十分な溶解や不均一またはオフレベルの接合の兆候が見られます。 強度試験や密閉試験に合格しません。 過剰溶接されたアセンブリでは、過剰なバリ、部品の曲がりやたわみ、部品のマーキングやエンボスが発生します。

適切に設計された部品は通常、ある種のエネルギー ディレクタ (溶接エネルギーを集中させて最初に溶融するように設計された構造) を含む接合部を使用して設計されています。 エネルギーディレクターは超音波エネルギーの焦点を提供します。 振動と下向きの力が加わると、部品が溶けて溶融プラスチックのプールが形成され、冷却後に部品がしっかりと溶接され、十分な強度と密閉性が得られます。 エネルギーディレクタが溶融するときに発生する「崩壊」は、溶接アセンブリの重要な寸法公差の一部となることが多く、特にそのアセンブリが周囲の部品またはアセンブリに適合または一体化する必要がある場合に当てはまります。 たとえば、エネルギー ディレクタの高さが 0.02 インチの場合、溶接の崩壊深さは 0.018 インチ程度に設定され、残りの作業は高温のプラスチックと下向きの力で行うことができます。

例として、プラスチック製の飲料ピッチャーのハンドルを見てみましょう (図 1 を参照)。 ハンドルの下側には、ハンドルの上部と下部の両方に一対のエネルギー ディレクターがあります。 各エネルギー ディレクターは三角形のプラスチックのビーズで、ハンドルをピッチャー自体に溶接するのに役立ちます。

工場出荷時のパラメータを入力し、いくつかのサンプルを溶接した後、アンダーウェルドというパターンに気づきました (図 2 を参照)。 アンダーウェルドは深刻です。エネルギー ディレクターは右側で溶け始めていますが、左側はほとんど溶けていません。 お客様が良好な部品を使用していることはわかっているため、この欠陥には 2 つの原因が考えられます。 まず、溶接機のベース (ピッチャーを保持する「金床」) が水平から外れている可能性があり、そのためホーンが作動したときに、溶接の開始時にハンドルが均等に押されません。 あるいは、エネルギー ダイレクタ全体を溶かすのに十分なエネルギーが溶接部に供給されていない可能性もあります。

溶接を修正するには、溶接テーブルのレベルを検査して調整することから始め、次にホーンが目的の溶接の全長にわたって一貫して接触していることを確認します。 次に、溶接に費やす時間またはエネルギーの量を増やします。

必要に応じて装置のレベルを修正し、溶接エネルギーを調整すると、商業的に許容される溶接が生成されます (図 3 を参照)。 これらの良好な溶接では、エネルギー ディレクタは本質的に消失し、接合部の全長に沿って溶融材料の一貫した「水たまり」に広がります。 この溶けた素材がハンドルとピッチャーをしっかりと接着します。

次に、同じアセンブリを見てみましょう。今回は過溶接が問題です (図 4 を参照)。 過剰な溶接エネルギーと力が部品に加えられ、その結果、アセンブリにはホーンによるひどい痕跡、つまりエンボス加工が施されています。

図5は別の例である医療器具用のプラスチックハンドルを示しています。 ハンドルは 2 ピースのアセンブリで、上部の内面にエネルギー ディレクタが付いています。 接合部はきれいに溶けているように見え、強力な接合部のように見えます。 ただし、アセンブリには外観上の問題があります。ホーンがパーツの湾曲したエッジに跡を付け、テクスチャーのある表面に損傷を与え、光沢のある領域が残ります。

これらの問題はどちらも過溶接であり、通常、部品に過度に下向きの力が加わったり、部品に過度のエネルギーが加わったりした結果発生します。 エネルギーディレクタが溶けると、余分なエネルギーは行き場がないため、マーキングが行われる部品表面に集中します。

医療用ハンドルの溶接部を最適化するには、まず引っ張り試験を行って溶接部の強度を確認します。 次に、部品を切り開き、内部の溶接部を検査します。 部品にマークが付いているが、内部に余分なフラッシュが見られない場合は、振幅をわずかに下げるなどの控えめな調整が必要です。 溶接の外側に跡があり、内部接合部に激しいバリが見られる場合は、より大幅な調整が必要です。 溶接時間、溶接エネルギー、下向きの力、またはこれら 3 つの組み合わせを減らしてみてください。

別の例、医療機器用の 2 ピースのフィルター アセンブリを見てみましょう (図 6)。 この部品の溶接強度は良好ですが、パーティング ラインにうっすらとしたバリが生じます。 この過剰溶接は、プロセスでプラスチックが過剰に溶けているか、下向きの力が強すぎてバリが絞り出されているか、あるいはその両方であることを示しています。 この溶接を修正するには、あまり多くの変更は必要ありません。溶接の振幅またはダウンフォースを少し減らすだけでよいでしょう。

溶接を最適化するには、溶接制御モード、溶接パラメータ、およびそれらの調整によって溶接プロセスがどの程度変化するかを理解することが重要です。 これらの調整の中には、かなり大規模または「粗い」調整もあれば、プロセスに微妙な影響を与える「細かい」調整もあります。

システムとツールのレベルと位置合わせの調整は、粗調整の例です。 アンビルがホーンと同じ高さであり、ホーンが部品と一直線に並んでいることを確認します。 必要に応じて溶接テーブルとツールを調整します。

溶接モードのパラメータも粗調整を表します。 通常、溶接の最適化には溶接モードを変更する必要はありません。溶接モードは通常、特定の用途や部品に関連付けられた製造パラメータの基本セットの一部として溶接ベンダーによって推奨されます。 ただし、これらの各モードには、重大なオーバーウェルドおよびアンダーウェルドの最適化プロセスの一部として変更できるパラメーターがあります。 3 つの最も重要な制御モードは、時間、エネルギー、崩壊です。

過剰溶接の修正には、溶接時間、エネルギー、または崩壊距離の削減が含まれる場合があります。 同様に、アンダー溶接を最適化するには、溶接時間、エネルギー、または崩壊距離を増やす必要がある場合があります。 パラメータを変更する場合は、変更の影響を評価できるように、一度に 1 つのパラメータを操作してください。

プロセスで詳細な実験計画法のアプローチが許可されていない場合は、別の最適化方法として、おそらく 20 ～ 30% の大幅なパラメーター変更を行って、逆の失敗を引き起こすことが必要です。 言い換えれば、溶接が過剰な場合は、溶接が不十分になるようにしてください。 そうすれば、解決策がその中間にあることがわかり、後続の溶接を通じて最適な結果を絞り込むことができます。 パラメーターを非常に小さな増分で調整することもできますが、小さな変化が発生すると最適な結果を認識することが難しくなる可能性があることに注意してください。

軽度のパーツのマーキングやバリの問題など、溶接の問題が比較的小さい場合、溶接の最適化には溶接プロセスで使用される他のパラメータを比較的細かく調整する必要があります。 これらには次のものが含まれます。

ゲージ圧、ダウンスピード、トリガー力。 これらのパラメータは、超音波溶接前および超音波溶接中に部品にかかる下向きのクランプ力に影響します。 ゲージ圧は、アクチュエータ内のエアシリンダを作動させるエア圧力のレベルです。 下降速度は、ホーンが部品に係合してクランプ力を増大させるために下降する速度を調整します。 トリガー力は、溶接を開始するために必要な部品上のホーン接触の力です。

これらの力が大きすぎると、工具の衝撃で部品がたわんだり曲がったり、マーキングやバリのある過剰溶接が発生したりする可能性があります。 部品を「叩く」または「絞る」のが速すぎたり、強すぎたりすると、部品にマーキングが発生する可能性があるため、下降速度を調整して、工具の下降と部品上のクランプ力の蓄積を遅くすることができます。 同様に、トリガー力が大きすぎると部品にマーキングが発生する可能性があり、小さすぎると接合部のラインに沿ったエネルギー ディレクタの接触や溶接が不均一または不完全になる可能性があります。 ダウンスピードとトリガー力はゲージ圧とは別に調整できることに注意してください。 ただし、これらの調整を行わないと、ゲージ圧が増加すると、ダウン速度とトリガー力が適用される速度が増加します。 サイクルタイムも短縮されます。

振幅。 良好な溶接に近づいている場合、最適化には振幅またはダウン速度のいずれかを微調整するだけで済む場合があります。 振幅は、部品の材質に適した振動運動の範囲です。 たとえば、ポリカーボネートの振幅範囲は 50 ～ 100 ミクロンです。 軽度のオーバーウェルドの場合は、振幅を 20% 程度減少させてアンダーウェルド状態を誘発することを検討してください。 次に、最適な設定が見つかるまで振幅を徐々に増加させます。

ピーク電力出力。 これは、溶接部で使用されている電源の総出力の割合を示します。 溶接機のサイズが適切に設定されている場合、読み取り値が非常に高い (90 ～ 100%) 場合は、おそらく危険信号です。これは、部品の位置がずれており、溶接機がトリガーの力に到達しようとして強く押しすぎていることを示しています。

このアドバイスは、日々の超音波溶接の課題を解決し、生産を円滑に進めるのに役立ちます。 もちろん、問題が発生し、より詳細なサポートが必要な場合は、超音波溶接ベンダーがいつでも対応いたします。

溶接の最適化はプロセスではなく、問題解決の演習です。 この段階的なプロセスに従って、超音波溶接プロセスを最適化します。

工場推奨の溶接設定を確認します。

部品の溶接を開始します。 溶接過多または溶接不足の状態を判断します。

溶接位置は適切に調整されていますか? そうでない場合は、レベルとアライメントを調整します。 それとも成形品に歪みがあるのでしょうか？

部品の潰れを確認します。 それが正しいか？ そうであれば、その部品は寸法、強度、密閉性のテストに合格しますか? 過剰溶接がある場合は、崩壊高さを減らします。

部品が他のテストに合格している場合、外観上またはマーキング上の問題はありますか? マーキングの問題がある場合は、ダウン速度とトリガー力を調整してください。 高-中-低のアプローチで作業し、ゲージ圧とトリガー力の両方を調整して、部品にかかる下向きの力を軽減します。

それでもマーキングが解決しない場合は、振幅を調整します。 材料が溶け始めたら、振幅ステッピングを使用して振幅をさらに小さくすることを検討してください。

最後にダウンスピードを調整します。 ホーンが部品に下降するときにホーンの速度を上げると、サイクル タイムが短縮されます。 ただし、ダウンスピードが速すぎると、過溶接が発生する可能性もあります。

Eddie RosenHanst、音響工具エンジニア、エマーソン、コネチカット州ダンベリー、[email protected]