La tecnología de ensamblaje de plástico ultrasónico se usa ampliamente en la conexión de los termoplásticos. Las articulaciones producidas por él no solo son fuertes y duraderas, sino también hermosas en apariencia. Esta tecnología cubre cuatro categorías principales, entre las cuales la soldadura ultrasónica es el foco de la investigación. La soldadura ultrasónica utiliza energía ultrasónica de alta frecuencia (15-50 kHz) para generar vibraciones mecánicas de baja amplitud (1-100 μm). Esta vibración actúa sobre las juntas de los componentes, derritiendo el material termoplástico a través de la generación de calor por fricción y luego formando una soldadura. Su velocidad de soldadura es extremadamente rápida, generalmente entre 0.1 segundos y 1.0 segundos.
Durante el proceso de soldadura ultrasónica, las ondas estacionarias sinusoidales se generan en termoplásticos. Debido a la fricción intermolecular, parte de la energía se convierte en energía térmica, lo que aumenta la temperatura del material. Otra parte de la energía se concentra y se transfiere a la articulación, que se calienta localmente localmente por fricción límite. Por lo tanto, la ruta de transmisión de la energía ultrasónica y el comportamiento de fusión del material se ven afectados conjuntamente por la geometría de la pieza y las características de absorción ultrasónica del material.
Cuando la fuente de vibración está cerca de la junta de soldadura, el material tiene menos pérdida de absorción de energía. Si la distancia desde la fuente de vibración hasta la junta es inferior a 6.4 mm, el proceso se llama soldadura de campo cercano, que es adecuado para materiales cristalinos con alta absorción de energía y materiales de baja rigidez. Si la distancia es mayor de 6.4 mm, se llama soldadura de campo lejano, que es adecuado para materiales amorfos con baja absorción de energía y materiales de alta rigidez.
Debido a las características "desiguales" de la superficie articular, es fácil generar alta temperatura y alta fricción, que conduce a la acumulación de energía ultrasónica. En muchas aplicaciones de soldadura ultrasónica, se diseña una protuberancia triangular en la superficie de la parte superior, llamada costilla de la guía de energía, que guía la energía de vibración para concentrarse en la articulación.
Durante el proceso de soldadura ultrasónica, la energía de vibración actúa verticalmente en la superficie de la articulación, y la punta de la costilla de la guía de energía contacta la parte soldada bajo presión. Debido a la generación de calor por fricción, se genera una gran cantidad de calor en la punta, lo que hace que la costilla de la guía de energía comience a derretirse. Todo el proceso de soldadura se puede dividir en cuatro etapas. Primero, la parte superior de la costilla de la guía de energía comienza a derretirse, y la tasa de fusión aumenta gradualmente. A medida que disminuye la brecha en ambos lados de la articulación, la costilla de la guía de energía fundida se extenderá por completo y contactará a la parte inferior, y la velocidad de fusión disminuirá en este momento. En segundo lugar, las partes superior e inferior están en contacto superficial, y el área de fusión se expande aún más. Luego, ingresa a la etapa de fusión en estado estacionario, momento en el que se forma una capa fundida de cierto espesor, acompañado de un campo de temperatura estable. Cuando se alcanza la energía de soldadura preestablecida, el tiempo u otras condiciones de control, la vibración ultrasónica se detendrá. Finalmente, se mantiene la presión, el exceso de fusión se exprimirá de la soldadura, y las partes están conectadas por enlaces moleculares y se enfrían gradualmente.
Ventajas y desventajas de la soldadura ultrasónica
Como una tecnología de unión de plástico ampliamente utilizada en el campo industrial, la soldadura ultrasónica se destaca por su integración de automatización rápida, económica y fácil para la producción en masa. Su estabilidad de soldadura es excelente, la resistencia también es alta y el tiempo de soldadura es más corto que otros procesos. Además, esta tecnología no requiere un sistema de ventilación complejo para eliminar el humo o un sistema de enfriamiento para eliminar el exceso de calor, con una alta utilización de energía, mayor eficiencia de producción y menor costo. El diseño del molde es relativamente simple y la velocidad de cambio de moho es rápida, mejorando así la tasa de utilización y la versatilidad del equipo. Vale la pena mencionar que, dado que no se introducen otros materiales de soldadura auxiliar en la soldadura, la soldadura permanece limpia y libre de impurezas, no afecta la biocompatibilidad del equipo y es muy adecuado para su uso en la industria de la salud con mayores requisitos para la limpieza.
Sin embargo, la soldadura ultrasónica también enfrenta algunas limitaciones. Para productos con un tamaño de más de 250 mmx300 mm, el diseño de la cabeza de soldadura se vuelve difícil, y a menudo es necesario usar múltiples cabezales de soldadura para soldadura sincrónica o un solo cabezal de soldadura para soldadura múltiple para completar. Además, los resultados de la soldadura ultrasónica están estrechamente relacionados con factores como el diseño de la estructura de soldadura, el error dimensional de la parte moldeada por inyección y la deformación. Al mismo tiempo, las vibraciones ultrasónicas pueden causar daños a los componentes electrónicos sensibles, aunque tales riesgos pueden reducirse aumentando la frecuencia y reduciendo la amplitud.
Campos de aplicación
La soldadura ultrasónica se usa ampliamente en muchas industrias. Por ejemplo, en la industria automotriz, se utiliza para conectar componentes como faros, paneles, botones e interruptores; En las industrias electrónicas y eléctricas, esta tecnología también se usa a menudo para conectar componentes como interruptores, sensores y actuadores; Además, la soldadura ultrasónica también es indispensable en el proceso de fabricación de productos como filtros, catéteres, ropa médica y máscaras en el campo de la medicina. Al mismo tiempo, la producción de productos como bolsas de ampolla, bolsas, contenedores de almacenamiento y boquillas en la industria del envasado también se beneficia de la eficiencia y la conveniencia de la soldadura ultrasónica.
La taza de café está hecha de material PS, y su diseño de soldadura combina inteligentemente el surco y la costilla de guía de energía, lo que no solo garantiza la estabilidad de la conexión, sino que también mejora la eficiencia de la producción.
El interruptor electrónico está hecho de plástico ABS y refinado por remachado ultrasónico.
El reflector está hecho de un material mixto de ABS y PC, y combina el proceso de soldadura de los pasos y las costillas de guía de energía para crear un diseño estructural único.
La lámpara electrónica utiliza un material compuesto de ABS y PMMA, combinado con el exquisito proceso de soldadura de las costillas de avión y guía de energía, presentando un estilo de diseño único.
El conector eléctrico combina los materiales sólidos de ABS y metal, y garantiza la estabilidad y durabilidad de su conexión a través de la remachado ultrasónico preciso.
La botella médica está hecha de material de PC y usa hábilmente el diseño de fusión de soldaduras de costillas en avión y guía de energía.
La botella de filtro de combustible está hecha de nylon 6-6, y su diseño combina hábilmente los procesos duales de costuras y soldaduras de corte.
El ensamblaje de la membrana del filtro y el algodón que absorbe el sonido utiliza un material compuesto de nylon dopado con 30% de fibra de vidrio, y se ensambla finamente a través de un proceso de soldadura penetrante.
La caja eléctrica utiliza un material compuesto de PS y tuercas de cobre, y está finamente hecho a través de la tecnología de incrustación ultrasónica.
El rotor utiliza material PS y combina el diseño inteligente del plano y las soldaduras de costillas que conducen energía.
Estructura de polímero
La estructura molecular de los plásticos amorfos se distribuye aleatoriamente y carece de una dirección de disposición fija. Su característica es que se suaviza gradualmente con el rango de temperatura. Cuando este tipo de material alcanza la temperatura de transición del vidrio, se suaviza gradualmente y finalmente entra en un estado fundido líquido. El proceso del material del líquido a la solidificación es gradual. Los plásticos amorfos pueden transmitir efectivamente vibraciones ultrasónicas, y debido a su amplio rango de temperatura de ablandamiento, son más fáciles de soldar y lograr el sellado.
Por otro lado, la estructura molecular de los plásticos semicristalinos está ordenada ordenada. El calor alto es clave para romper la disposición ordenada. Estos plásticos tienen puntos de fusión agudos, y una vez que la temperatura cae ligeramente, el estado líquido se solidificará rápidamente. Por lo tanto, la fusión que fluye fuera del área de fusión caliente se solidificará rápidamente. Cuando es sólido, el comportamiento molecular de los materiales semicristalinos es como un resorte, absorbiendo la mayoría de las vibraciones ultrasónicas en lugar de transmitirlas al área de la articulación. Por lo tanto, para los plásticos semicristalinos, se requiere un cabezal de soldadura de salida de alta amplitud para generar suficiente calor.
TG Temperatura de transición de vidrio y temperatura de fusión de TM
Al discutir la estructura del polímero, mencionamos dos conceptos de temperatura importantes: temperatura de transición de vidrio TG y temperatura de fusión de TM. TG es la temperatura a la que el material cambia de un estado vidrioso a un estado altamente elástico, momento en el que el material comienza a suavizarse gradualmente. TM es la temperatura requerida para que el material se derrita por completo en un líquido. Estas dos características de temperatura son cruciales para comprender el procesamiento y el rendimiento de los materiales de polímeros.
El lado izquierdo de la figura anterior muestra un plástico amorfo, mientras que el lado derecho muestra un plástico semicristalino. En termoplásticos, los rellenos como la fibra de vidrio, el talco y los minerales pueden mejorar o inhibir el efecto de la soldadura ultrasónica. Ciertos materiales, como carbonato de calcio, caolín, talco, alúmina, así como fibras orgánicas, sílice, bolas de vidrio, metasilicato de calcio (wollastonita) y mica, pueden aumentar la dureza de la resina. Los estudios han demostrado que cuando el contenido de relleno alcanza el 20%, puede mejorar efectivamente la eficiencia de transmisión de las vibraciones ultrasónicas en el material, especialmente para los materiales semicristalinos. Sin embargo, cuando el contenido de relleno excede el 35%, la confiabilidad del sello puede verse afectada debido al contenido de resina insuficiente en la soldadura. Cuando el contenido de relleno alcanza el 40%, las fibras de vidrio se reunirán en la posición de la articulación, lo que dará como resultado un contenido de resina insuficiente en la soldadura, lo que a su vez afecta la resistencia a la soldadura. Además, durante el proceso de moldeo por inyección, las fibras de vidrio largas tienden a acumularse en las costillas que guían la energía. Una solución efectiva es usar fibras de vidrio cortas en lugar de fibras de vidrio largas.
Además, cuando el contenido de relleno excede el 10%, las partículas abrasivas en el material pueden causar desgaste de la cabeza de soldadura. Por lo tanto, se recomienda utilizar un cabezal de soldadura de acero de carburo o un cabezal de soldadura de aleación de titanio cubierto con recubrimiento de carburo de tungsteno. Al mismo tiempo, puede ser necesario seleccionar un dispositivo ultrasónico de mayor potencia para garantizar que se genere suficiente calor en la articulación.
Por otro lado, si bien los aditivos pueden mejorar el rendimiento general o las características de moldeo por inyección del material, a menudo tienen un efecto inhibitorio sobre la soldadura ultrasónica. Los aditivos típicos incluyen lubricantes, plastificantes, modificadores de impacto, retardantes de llama, colorantes, agentes de espuma y resinas de referencia. Por ejemplo, los lubricantes como la cera, el estearato de zinc, el ácido esteárico y los ésteres de ácidos grasos reducen el coeficiente de fricción entre las moléculas de polímero, reduciendo así la generación de calor. Sin embargo, este efecto suele ser más pequeño en la articulación porque la concentración de lubricante está baja y se dispersa uniformemente. Por otro lado, los plastificantes como los líquidos orgánicos de alta temperatura o los sólidos de fusión de baja temperatura aumentan la suavidad del material y reducen la rigidez, pero reducen la atracción entre las moléculas internas del polímero e interfieren con la transmisión de energía de vibración. En particular, los materiales altamente plastificados como el vinilo son muy inadecuados como materiales de transmisión para vibraciones ultrasónicas. Además, los plastificantes como aditivos internos pueden migrar a la superficie del plástico con el tiempo, afectando aún más el efecto de la soldadura ultrasónica. Del mismo modo, los modificadores de impacto como el caucho también reducen la capacidad del material para transmitir vibraciones ultrasónicas, lo que requiere una mayor amplitud para derretir el plástico.
Los retardantes de la llama, los óxidos inorgánicos o los elementos orgánicos halogenados (como el aluminio, el antimonio, el boro, el cloro, el bromo, el azufre, el nitrógeno o el fósforo) agregados al material pueden suprimir efectivamente el punto de fuego del material o cambiar sus características de combustión. Sin embargo, estos ingredientes a menudo hacen que el material no sea posible, especialmente cuando el retardante de la llama representa el 50% o más, lo que reducirá significativamente la cantidad de material soldable. Para tales materiales, se requieren equipos ultrasónicos de alta potencia y cabezales de soldadura con grandes amplitudes, y el diseño de la junta se ajusta para aumentar la proporción de material soldable.
La mayoría de los colorantes, incluidos los pigmentos y los tintes, no obstaculizan la transmisión de vibraciones ultrasónicas. Sin embargo, pueden reducir la cantidad de material soldable en el área de la articulación. En particular, cuando el contenido de dióxido de titanio (TiO2) excede el 5%, su efecto lubricante se volverá evidente, lo que tendrá un efecto inhibitorio sobre la soldadura ultrasónica. Al mismo tiempo, el negro de carbono interferirá con la propagación de la energía ultrasónica en el material.
Los agentes de espuma reducen la capacidad del material para transmitir vibraciones ultrasónicas porque su baja densidad y su gran cantidad de poros en la estructura molecular evitan la transmisión de energía efectiva.
Cuando la resina molida (regreso) se mezcla con el material, su adición y volumen deben evaluarse y controlarse cuidadosamente para optimizar el efecto de soldadura. En algunos casos, el regreso no puede usarse en absoluto y se requiere 100% de material virgen.
Además, mientras que los agentes de liberación de moho como el estearato de zinc, el estearato de aluminio, los fluorocarbonos y las siliconas pueden ayudar a liberar piezas moldeadas por inyección, pueden transferir a la superficie de la articulación y reducir el coeficiente de fricción del material, reduciendo así la generación de calor e inhibiendo la soldadura ultrasónica. Al mismo tiempo, los agentes de liberación de moho también pueden causar contaminación química a la resina y afectar la formación de enlaces químicos adecuados. Las siliconas, en particular, tienen el impacto más significativo. Por lo tanto, al usar agentes de liberación de moho, es necesario seleccionar cuidadosamente el grado apropiado y tomar medidas para evitar que se transfiera a la superficie de la pieza.
Además, los diferentes grados de materiales pueden tener diferentes temperaturas de fusión e índices de flujo, lo que también puede afectar el efecto de la soldadura ultrasónica. Por ejemplo, los grados fundidos de PMMA pueden ser más difíciles de soldar que los grados de inyección/extrusión debido a su mayor peso molecular y temperatura de fusión. Por lo tanto, para obtener el mejor efecto de soldadura, intente seleccionar materiales de la misma calificación para soldadura y asegúrese de que el índice de flujo de los dos materiales sea similar y la diferencia de temperatura de fusión está dentro de 22 grados.
El contenido de humedad de un material tiene un efecto significativo en su resistencia a la soldadura. Los materiales hidroscópicos como PBT, PC, PSU y Nylon absorben fácilmente la humedad del aire. Durante el proceso de soldadura, esta humedad absorbida hervirá a altas temperaturas, y el gas generado, si está atrapado en la soldadura, formará poros y degradará el plástico, afectando así la estética, la resistencia y el sellado de la soldadura. Para evitar esto, los materiales hidroscópicos deben soldar inmediatamente después del moldeo por inyección. Si no es posible soldadura inmediata, las piezas secas deben almacenarse en una bolsa de educación física seca o colocarse en un horno a 80 grados durante 3 horas antes de la soldadura.
Además, al soldar diferentes tipos de materiales, se debe prestar especial atención a la temperatura de fusión y la estructura molecular de los dos materiales. La condición de soldadura ideal es que la diferencia de temperatura de fusión de los dos materiales no excede los 22 grados y la estructura molecular es similar. Si la diferencia de temperatura de fusión es demasiado grande, el material con un punto de fusión más bajo se derretirá y fluirá primero, y no proporcionará suficiente calor para derretir el material con un punto de fusión más alto. Por ejemplo, al soldar PMMA de alto punto de fusión con PMMA de bajo punto de fusión, si el conductor de energía se encuentra en la PMMA de alto punto de fusión, la articulación del material de bajo punto de fusión se derretirá y fluirá primero, lo que hace que el conductor de energía se ablande, lo que a su vez afecta la resistencia de la soldadura.
Además, la compatibilidad del material también es un factor clave para la soldadura exitosa. Solo los materiales químicamente compatibles, es decir, los materiales con estructuras moleculares similares, pueden soldarse. Vale la pena señalar que la compatibilidad del material existe principalmente entre materiales amorfos, como ABS y PMMA, PC y PMMA, y PS y PPO modificado. Sin embargo, los plásticos semicristalinos como PP y PE, aunque tienen propiedades físicas similares, tienen diferentes estructuras moleculares y, por lo tanto, no tienen compatibilidad de material y no pueden soldarse.
