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Aug 08, 2023

プラスチック組立のためのスピンウェルディング

La teoria e la pratica del management non necessariamente coincidono; poche persone lo sanno.

経営理論と実践は必ずしも一致するとは限らず、組立ラインを監督する個人以上にこのことをよく知っている人はほとんどいません。 彼らは実世界の経験から、成功を達成するための最良の方法は常にアプリケーション固有のいくつかの要因に依存することを学びました。 その中には、部品のサイズと形状、利用可能な自動化、必要なサイクル タイム、接合される材料などが含まれます。

たとえば、プラスチック部品は、さまざまな溶接技術を使用して組み立てられます。 ただし、部品が半結晶材料で作られており、接合界面が円形の複雑な形状をしている場合には、摩擦溶接の一種であるスピン溶接が最適な方法となります。

「超音波溶接はプラスチック部品の溶接に最適ですが、部品がポリプロピレンのような半結晶性材料でできている場合は、スピン溶接を使用する方が良いでしょう」とエマソンの組立および溶接担当シニアプロジェクトエンジニアであるエリック・クズニアは説明します。 「その理由は、ポリプロピレンポリマーは急激に凝固し、超音波によるエネルギーの伝達が不十分なため、その有効性が制限されるためです。」

スピン溶接のこのユニークな機能により、プラスチック断熱カップ、フィルター、フィルターハウジング、ハウジングへのフィッティング、ハウジングへのキャップ、および結合パイプの組み立てだけでなく、パッケージングにも広く使用されています。 クズニアル氏によると、こうした製品は冷蔵庫、蛇口、産業機器、内燃機関、医療機器などで頻繁に使用されているという。

ここ数年、アイオワ州ガルナビロに本拠を置くグッテンバーグ インダストリーズ社は、医療機器会社向けにフィルター キャニスターの上部と下部のセクションを成形し、それらをスピン溶接してきました。 グッテンブルクのエンジニアは当初、電磁溶接を使用することを計画していましたが、この技術が成形機の生産速度の 2 倍でアセンブリを溶接できることが判明したため、スピン溶接 (Dukane SVB マシンを使用) に切り替えました。 完成した各キャニスターは、最大 350 psi の水圧に耐えられるよう漏れテストも行われます。

スピン溶接はもともと 1960 年代に金属部品を接合するために開発されましたが、1970 年代から熱可塑性プラスチックの組み立てに使用されるようになり、それ以来ますます人気が高まっています。 なんと、マテル社は 1970 年代半ばに、若者がバッテリー駆動の手工具を使って複数のプラスチック部品で構成される自動車、飛行機、ヘリコプターを溶接できるスピンウェルダー キットを販売していました。

産業レベルでは、プラスチック組み立て用のスピン溶接技術は近年大きな進歩を遂げています。 ある部品を別の部品に対して回転させるためにボール盤を使用する必要はもうありません。 メーカーは現在、速度、加速と減速、溶接と保持時間を完全に制御できるサーボモーターとセンサーを備えた最先端の機械を使用して、超強力な溶接を備えた高品質の部品を一貫して生産しています。

スピンウェルダーには卓上バージョンとインラインバージョンがあります。 前者のタイプは超音波溶接機に非常によく似ており、リニア アクチュエータ (空気圧シリンダまたはサーボ駆動のボールねじ) がツール ベースに対して垂直に取り付けられています。 後者は、より困難または厳密なアプリケーションに推奨されます。

溶接される部品は、1 つはドライブ ヘッド (ラムの端に取り付けられている) 上で回転し、もう 1 つは固定されます。 慣性タイプの溶接機では、ドライブ ヘッドはエア モーターとフライホイールによって駆動されます。 連続駆動溶接機は、ダイナミック ブレーキ付きのダイレクトドライブ電気モーターまたはサーボモーターを備えています。

スピン溶接では、多くの場合、溶接機が回転部品をグリップする手段が必要です。 部品が大きい場合は、リブまたは歯付き面が駆動治具と嵌合する可能性があります。 小さな部品の場合は、摩擦だけで効果が得られる場合があります。

サイクルの開始時に、モーターがヘッドの回転を開始します。 目標速度に達するとヘッドが下降し、パーツが押し付けられます。 結果として生じる摩擦により、プラスチックを溶かすのに十分な熱が発生します。

溶融状態では、各部品の材料が界面で混ざり合い、溶接部が形成されます。 次に、部品に圧力を短時間かけて維持し、プラスチックを固化させます。 クズニアル氏によれば、全体のサイクル時間は 2 ～ 6 秒であり、部品のロードとアンロードの時間は考慮されていません。

「慣性溶接機を使用すると、プラスチック部品間の摩擦がフライホイールを停止させるブレーキとして機能します」と Dukane の北東部地域セールスマネージャーである Mark Iannantuoni 氏は説明します。 「電気モーターを備えた機械はドライブヘッドを停止するために別のブレーキを使用しますが、サーボモーターを備えた機械はその機能を利用して固定された半径方向の方向で正確に停止します。」

電動モーター駆動のヘッドを使用する利点の 1 つは多用途性です。 回転が始まる前に上部パーツに接触する以外に、ヘッドは下降してパーツを回収し、上昇して回転を開始し、その後再び下降して溶接を行うことができます。 あるいは、上部に接触してから回転を始めることもあります。

Iannantuoni 氏は、サーボモーターはドライブ ヘッドを最もよく制御できると述べています。 部品が接触するとヘッドが回転し始め、特定の崩壊距離まで溶接したり、溶接中に特定の点で部品を停止したりすることもできます。

Dukane は、Servo Weld Plus スピン溶接機に 2 つのサーボモーター (1 つはドライブ ヘッド用、もう 1 つは Z 軸用) を装備し、正確な角度方向とアセンブリ全体の高さを一貫して保証します。 さらに、Melt-Match モードは、溶接中の Z 軸とスピン軸の動きを調整して、溶接される材料の溶融速度と一致させます。

2015 年以来、大手医療機器メーカーは Servo Weld Plus を使用して、ポリカーボネートのプラスチック キャップを中空のステンレス鋼チューブの端に接合しています。 Iannantuoni 氏によると、同社にとっての最大の課題は、キャップが小さなローレットのあるチューブの端に正確に位置合わせすることです。

「チューブの長さは 18 インチですが、溶接界面はわずか約 0.002 インチです」と Iannantuoni 氏は説明します。 「当社のデュアルサーボ溶接機のことを知り、この機械で各部品の高さを正確に調整できることを期待して当社に相談に来ました。過去 8 年間、この機械は高品質部品の高生産溶接の必要に応じて継続的に実行してきました。」 。」

プラスチックと金属部品を接合するためにスピン溶接を使用することはまれである、と Iannantuoni 氏は認めます。 その成功のレベルは、プラスチックが完全に溶けて強力に結合できるイオンを含む金属を使用するかどうかに大きく依存します。 一部の眼鏡メーカーでは、スピン溶接を使用して金属製のヒンジをプラスチック フレームに接合しています。

理論上、スピンウェルディングで接合できる部品のサイズに制限はありません。 この方法を使用すると、肉厚が 0.4 ミリメートル、厚さが 10 ミリメートルの部品を溶接できます。 超音波と同様に、気密シールを作成するためにいくつかのジョイント設計が利用可能です。 これらには、さねはぎ構造、せん断ジョイント、スカーフ ジョイントが含まれます。

多くのアプリケーションでは部品の最終的な方向を正確に指定する必要があるため、溶接サイクルが完了したときに位置合わせする小さなタブを追加することをお勧めします。 これにより、溶接のセットアップと検査が大幅に簡素化されます。 オペレータは、2 つのタブが一直線に並んでいる場合、部品の向きが正しいことがわかります。

スピンウェルディングの制限としては、すべての部品が丸い境界面を持ち、平らである必要があります。 このプロセスでは、超音波溶接よりも多くのバリと粒子状物質が生成されますが、フラッシュ トラップを使用すると、より美しい溶接を作成できます。

プロセス中の一般的な課題は、特に慣性溶接機の場合、溶接が確立された後の 2 つの部品の最終的な向きを制御することです。 サーボモーター駆動モデルは最も制御性が高くなりますが、コストは慣性スピン溶接機の約 3 倍になります。

他の溶接技術と同様に、スピン溶接にもニッチ市場があります。 Tier 1 自動車サプライヤーとフィルターとフィルターハウジングのメーカーが、依然としてこのプロセスの最大のユーザーです。

スピン溶接された自動車部品には、マニホールドの小さなエルボ、バルブ、タンク、ボトルなどの耐久性のあるボンネット下の部品が含まれます。 別の用途は、燃料フィルターライン用の成形アタッチメントに押出成形チューブを溶接することです。

自動車以外の部品には、配管フロート、塗料缶の蓋、タンブラーなどがあり、内側ライナーが外側本体に溶接されています。 Iannantuoni 氏によると、スピン溶接の最も注目されている成長分野の 1 つは、ハイブリッド車や電気自動車で使用されるバッテリーを囲む円形の熱可塑性ハウジングの組み立てです。

白物家電メーカーは、掃除機のハウジングと分流器を組み立てるためにスピン溶接を利用しています。 医療分野では、流体回収やその他のデバイスがスピン溶接されることがよくありますが、超音波溶接と比較すると、粒子の発生によりこの市場でのプロセスの魅力が多少制限されます。

「スピン溶接に最適なプラスチックアセンブリアプリケーションは、両方の部品が化学的に適合し、ほぼ同じ温度で溶けるアプリケーションです」と、Forward Technology の地域セールスマネージャー、Dan Schewe 氏は述べています。 「同様に重要なのは、スピン溶接がより安全で簡単な組み立て方法を提供するアプリケーションです。」

シェヴェ氏によれば、これらの用途の例としては、有毒な接着剤が使用される場合や、2 つの部品を保持するためにホース クランプなどの追加のハードウェアが必要な場合が挙げられます。 有毒な接着剤を使用しないことで作業者の安全性が向上し、煙を排気するための通気フードや硬化中の部品の準備が不要になります。

シェヴェ氏は、組み立てプロセスからクランプを取り除くことは、クランプを締め付けるための高価なトルク駆動装置の必要性を取り除くだけではない、と述べています。 また、クランプを締める前に部品を位置合わせするために必要な関連機器や固定具も不要になります。

Forward Technology は、基本的な PSW (スピン機能用の空圧プレスとモーターを備えたもの)、中レベルの HD-OSW (スピン機能用の完全にプログラム可能なサーボ モーターを備えた空圧プレス)、およびトップレベルの HD2X の 3 つのスピン溶接機を製造しています。 -OSW、プログラム可能なサーボプレスの作動とスピン機能用のサーボモーターを提供します。 Schewe 氏は、HD-OSW 溶接機が同社の最大の売り手であると指摘しています。

「ミッドライン溶接機は、さまざまなポリマー材料や部品直径に対して高速かつ強力なパフォーマンスを提供するため、私たちのデスクを横切るスピン溶接アプリケーションの 90% に役立ちます」と Schewe 氏は説明します。 「時間、高さ、移動量、完成品の方向によって溶接を可能にするモードが特徴です。さらに、自動化に簡単に統合でき、イーサネット接続を介して溶接データを制御および共有する機能もあります。」

「スピンウェルダーのエンドユーザーは、1990 年代とは今では異なるものを求めています」と、このテクノロジーに関して 25 年以上の経験を持つクズニアル氏は言います。 「当時は、制御を改善するための常時監視や機械装置が必要であっても、主に強力な溶接を作成することに重点が置かれていました。今日、顧客は、トレーサビリティのために各溶接に関する広範なデータと、現地との通信を可能にする高度な自動化機能を求めています。」最適なプロセス制御と再現性を実現する PLC。」

Branson SW300 は、手動、半自動、また​​は完全自動の製造アプリケーション向けに構成できるサーボ駆動のスピン溶接システムです。 サーボモータの精度は±0.1度で、アクチュエータの外側にメカニカルストップインジケータがあります。

機械の標準イーサネット ポートにより、溶接機とリモート PC の間で最終サイクルのライブ データ転送が可能になります。 ケーブル接続により、I/O を使用して溶接機とオートメーション/PLC 間の通信が可能になります。

「オペレーターは、過去最大 15 サイクルの溶接データ情報をインターフェース上で利用できます」と Kuzniar 氏は言います。 「このデータは、ユーザーが過去 250 サイクルまで選択でき、USB スティック経由で PC に出力できます。これには、レシピ名、モード、スピン方向、溶接前およびピーク溶接速度、回転数、最終方向、絶対値が含まれます」位置、ピークトルク、崩壊距離、トリガーモードとセットポイント、サイクルカウント、ドウェル、ホールド、サイクル、溶接時間。

ある消費者向け包装製品のメーカーは、キャップの上部「カプセル」部分 (添加剤粉末を含む) とキャップのねじ込みベースの間に気密および防水シールを作成するために SW300 を数年間使用してきました。 この設計により、ユーザーは飲む前にシールに穴を開け、添加物を水の中に直接放出できます。

「リザーバー部分をベースに密閉するという顧客の最初の努力は効果がありませんでした」とクズニアル氏は思い出します。 「シールが漏れて粉末に湿気が吸収され、ユーザーがキャップのベースに穴を開ける前に粉末の完全性が損なわれました。」

エマソンのエンジニアはエンドユーザーと緊密に連携して、低密度ポリエチレン部品をグリップし、スピン溶接中の滑りを防ぐローレットを使用するカスタムツールを設計しました。 チームはまた、溶接機の全体的なサイクルを最適化するために、接合部にきれいな気密シールを確実に作成するためのプロトタイプの治具とカスタム ソフトウェア プログラムも開発しました。

「スピンウェルダーの売上高はここ数年安定していますが、顧客は繰り返して強力な溶接を行うウェルダーをますます求めています」と Iannantuoni 氏は述べています。 「一部のメーカーは、より厳しい要件に基づいて部品の半径方向領域を設計しています。これらの傾向は、プロセスから不一致を排除したいという願望の結果であり、サーボモーターベースの機械の人気が高まっている理由です。」

「私の見通しでは、スピン溶接の使用によって目立った上昇も下降もないようです」と Schewe 氏は言います。 「しかし、労働力不足のせいもあって、製造現場では効率化と自動化へのパラダイムシフトが起こっています。これにより、一部のスピンウェルダーのパッケージング方法が変わりつつあります。」

メーカーはプロセス設定と溶接データを収集して保存したいと彼は付け加えました。 このようなデータにより、エンドユーザーは機械プログラムに対する無許可または望ましくない変更を追跡し、予防保守をスケジュールし、部品の品質とトレーサビリティを維持することができます。

Sonics & Materials Inc. は、さまざまな球形および円筒形の部品を接合できる 2 台の高トルク スピン溶接機を製造しています。 どちらのモデルも PLC 制御されており、スタンドアロンの溶接機として使用することも、自動インライン組立システムと統合することもできます。 デュアルコラムのパワーヘッド、マルチ馬力電気モータードライブ、ダイナミックブレーキが標準装備されています。

モデル 1010 には、10 インチのスペースを持つ固定垂直開口部があります。 モデル 1020 の開口部は 10 インチから 20 インチまで調整可能です。

用途に関係なく、エンジニアは設計プロセスのできるだけ早い段階、できれば金型を切断する前に溶接装置のサプライヤーに連絡することをお勧めします。 この協力的なアプローチは、メーカーがあらゆる設計上の制約に対処し、理想的なジョイント設計を作成するのに役立ちます。

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前は、PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。