La technologie d'assemblage en plastique à ultrasons est largement utilisée dans la connexion des thermoplastiques. Les articulations produites par elle sont non seulement solides et durables, mais aussi belles en apparence. Cette technologie couvre quatre grandes catégories, parmi lesquelles le soudage à ultrasons est au centre de la recherche. Le soudage à ultrasons utilise une énergie ultrasonique haute fréquence (15-50 kHz) pour générer des vibrations mécaniques à faible amplitude (1-100 μm). Cette vibration agit sur les joints des composants, faisant fondre le matériau thermoplastique par génération de chaleur par friction, puis formant une soudure. Sa vitesse de soudage est extrêmement rapide, généralement entre 0,1 seconde et 1,0 seconde.
Pendant le processus de soudage à ultrasons, des ondes permanentes sinusoïdales sont générées dans les thermoplastiques. En raison de la friction intermoléculaire, une partie de l'énergie est convertie en énergie thermique, ce qui augmente la température du matériau. Une autre partie de l'énergie est concentrée et transférée à l'articulation, qui est davantage chauffée localement par la frottement limite. Par conséquent, le chemin de transmission de l'énergie ultrasonique et le comportement de fusion du matériau sont affectés conjointement par la géométrie de la pièce et les caractéristiques d'absorption par ultrasons du matériau.
Lorsque la source de vibration est proche de l'articulation de la soudure, le matériau a moins de perte d'absorption d'énergie. Si la distance entre la source de vibration à l'articulation est inférieure à 6,4 mm, le processus est appelé soudage en champ proche, ce qui convient aux matériaux cristallins avec une absorption d'énergie élevée et des matériaux de rigidité faibles. Si la distance est supérieure à 6,4 mm, elle est appelée soudage à champ lointain, ce qui convient aux matériaux amorphes avec une faible absorption d'énergie et des matériaux de rigidité élevés.
En raison des caractéristiques "inégales" de la surface articulaire, il est facile de générer une température élevée et une frottement élevé, ce qui est propice à l'accumulation d'énergie ultrasonique. Dans de nombreuses applications de soudage à ultrasons, une saillie triangulaire est conçue à la surface de la partie supérieure, appelée côte de guidage énergétique, qui guide l'énergie de vibration pour se concentrer sur l'articulation.
Pendant le processus de soudage à ultrasons, l'énergie de vibration agit verticalement sur la surface de l'articulation et la pointe de la côte de guidage énergétique entre en contact avec la partie soudée sous pression. En raison de la production de chaleur par friction, une grande quantité de chaleur est générée à la pointe, ce qui fait que la côte de guidage énergétique commence à fondre. L'ensemble du processus de soudage peut être divisé en quatre étapes. Premièrement, le haut de la côte de guidage énergétique commence à fondre et le taux de fusion augmente progressivement. À mesure que l'écart des deux côtés de l'articulation diminue, la côte de guidage énergétique en fusion se propagera complètement et contactera la pièce ci-dessous, et le taux de fusion diminuera à ce moment. Deuxièmement, les pièces supérieures et inférieures sont en contact de surface et la zone de fusion est encore élargie. Ensuite, il pénètre dans le stade de fusion à l'état d'équilibre, date à laquelle une couche fondante d'une certaine épaisseur se forme, accompagnée d'un champ de température stable. Lorsque l'énergie de soudage prédéfini, le temps ou d'autres conditions de contrôle sont atteintes, la vibration à ultrasons s'arrêtera. Enfin, la pression est maintenue, l'excès de fonte sera extrait de la soudure et les pièces sont reliées par des liaisons moléculaires et se refroidissent progressivement.
Avantages et inconvénients du soudage à ultrasons
En tant que technologie de jonction en plastique largement utilisée dans le domaine industriel, le soudage à ultrasons représente son intégration d'automatisation rapide, économique et facile et son aptitude à la production de masse. Sa stabilité de soudure est excellente, la résistance est également élevée et le temps de soudage est plus court que les autres processus. De plus, cette technologie ne nécessite pas de système de ventilation complexe pour éliminer la fumée ou un système de refroidissement pour éliminer l'excès de chaleur, avec une utilisation élevée d'énergie, une efficacité de production plus élevée et un coût moindre. La conception de la moisissure est relativement simple et la vitesse de changement de moisissure est rapide, améliorant ainsi le taux d'utilisation et la polyvalence de l'équipement. Il convient de mentionner que comme aucun autre matériel de soudage auxiliaire n'est introduit dans la soudure, la soudure reste propre et exempte d'impuretés, n'affecte pas la biocompatibilité de l'équipement et est très adaptée à une utilisation dans l'industrie des soins de santé avec des exigences plus élevées pour la propreté.
Cependant, le soudage à ultrasons fait également face à certaines limites. Pour les produits avec une taille de plus de 250 mmx300 mm, la conception de la tête de soudage devient difficile, et il est souvent nécessaire d'utiliser plusieurs têtes de soudage pour le soudage synchrone ou une seule tête de soudage pour un soudage multiple à terminer. De plus, les résultats du soudage à ultrasons sont étroitement liés à des facteurs tels que la conception de la structure de soudure, l'erreur dimensionnelle de la pièce moulée par injection et la déformation. Dans le même temps, les vibrations ultrasoniques peuvent endommager les composants électroniques sensibles, bien que de tels risques puissent être réduits en augmentant la fréquence et en réduisant l'amplitude.
Champs d'application
Le soudage à ultrasons est largement utilisé dans de nombreuses industries. Par exemple, dans l'industrie automobile, il est utilisé pour connecter des composants tels que les phares, les tableaux de bord, les boutons et les commutateurs; Dans les industries électroniques et électriques, cette technologie est également souvent utilisée pour connecter des composants tels que les commutateurs, les capteurs et les actionneurs; De plus, le soudage à ultrasons est également indispensable dans le processus de fabrication des produits tels que les filtres, les cathéters, les vêtements médicaux et les masques dans le domaine médical. Dans le même temps, la production de produits tels que des sacs à blister, des sacs, des conteneurs de stockage et des buses dans l'industrie des emballages bénéficie également de l'efficacité et de la commodité du soudage à ultrasons.
La tasse de café est faite de matériau PS, et sa conception de soudure combine intelligemment la rainure et la côte de guidage de l'énergie, ce qui assure non seulement la stabilité de la connexion, mais améliore également l'efficacité de la production.
L'interrupteur électronique est en plastique ABS et affiné par rivetage à ultrasons.
Le réflecteur est composé d'un matériau mixte d'ABS et de PC, et combine le processus de soudage des étapes et des côtes de guidage d'énergie pour créer une conception structurelle unique.
La lampe électronique utilise un matériau composite d'ABS et de PMMA, combiné avec le processus de soudage exquis des côtes planes et de guidage d'énergie, présentant un style de conception unique.
Le connecteur électrique combine les matériaux solides de l'ABS et du métal et assure la stabilité et la durabilité de sa connexion grâce à un rivetage ultrasonique précis.
La bouteille médicale est faite de matériau PC et utilise intelligemment la conception de fusion des soudures de côtes de la fusion et de l'énergie.
La bouteille de filtre à carburant est en nylon 6-6, et sa conception combine intelligemment les deux processus des coutures de cisaillement et des soudures.
L'assemblage de la membrane filtrante et du coton absorbant le son utilise un matériau composite dopé en nylon avec une fibre de verre à 30% et est finement assemblé à travers un processus de soudage de perçage.
La boîte électrique utilise un matériau composite de PS et de noix de cuivre, et est finement fabriqué par la technologie d'incrustation à ultrasons.
Le rotor utilise le matériau PS et combine la conception intelligente du plan et les soudures de côtes conducteurs d'énergie.
Structure en polymère
La structure moléculaire des plastiques amorphes est distribuée au hasard et manque de direction d'arrangement fixe. Sa caractéristique est qu'il adoucit progressivement la plage de température. Lorsque ce type de matériau atteint la température de transition du verre, il adoucit progressivement et éventuellement pénétrer dans un état de fusion liquide. Le processus du matériau du liquide à la solidification est progressif. Les plastiques amorphes peuvent transmettre efficacement les vibrations ultrasoniques, et en raison de leur large plage de température de ramollissement, ils sont plus faciles à souder et à obtenir le scellement.
D'un autre côté, la structure moléculaire des plastiques semi-cristallins est disposée de manière ordonnée. La chaleur élevée est la clé pour briser la disposition ordonnée. Ces plastiques ont des points de fusion nets, et une fois que la température baisse légèrement, l'état liquide se solidifie rapidement. Par conséquent, la fusion qui s'écoule de la zone de fusion chaude se consolidera rapidement. Lorsqu'il est solide, le comportement moléculaire des matériaux semi-cristallins est comme un ressort, absorbant la plupart des vibrations ultrasoniques au lieu de les transmettre à la zone articulaire. Par conséquent, pour les plastiques semi-cristallins, une tête de soudage de sortie de haute amplitude est nécessaire pour générer suffisamment de chaleur.
TG VERRE TEMPÉRATURE DE TRANSITION ET TEMPÉRATION DE MELTING TM
Lors de la discussion de la structure du polymère, nous avons mentionné deux concepts de température importants: la température de transition du verre TG et la température de fusion TM. TG est la température à laquelle le matériau passe d'un état vitreux à un état très élastique, date à laquelle le matériau commence à s'adoucir progressivement. La TM est la température requise pour que le matériau se fonde complètement en liquide. Ces deux caractéristiques de température sont cruciales pour comprendre le traitement et les performances des matériaux polymères.
Le côté gauche de la figure ci-dessus montre un plastique amorphe, tandis que le côté droit montre un plastique semi-cristallin. Dans les thermoplastiques, les charges telles que les fibres de verre, le talc et les minéraux peuvent améliorer ou inhiber l'effet du soudage à ultrasons. Certains matériaux, tels que le carbonate de calcium, le kaolin, le talc, l'alumine, ainsi que les fibres organiques, la silice, les boules de verre, le métasilicate de calcium (wollastonite) et le mica, peuvent augmenter la dureté de la résine. Des études ont montré que lorsque la teneur en remplissage atteint 20%, elle peut améliorer efficacement l'efficacité de transmission des vibrations ultrasoniques dans le matériau, en particulier pour les matériaux semi-cristallins. Cependant, lorsque le contenu de la charge dépasse 35%, la fiabilité du joint peut être affectée en raison de la teneur en résine insuffisante à la soudure. Lorsque la teneur en remplissage atteint 40%, les fibres de verre se rassembleront à la position articulaire, entraînant une teneur en résine insuffisante à la soudure, ce qui affecte à son tour la résistance à la soudure. De plus, pendant le processus de moulage par injection, les longues fibres de verre ont tendance à s'accumuler sur les côtes de gardien d'énergie. Une solution efficace consiste à utiliser des fibres de verre courtes au lieu de longues fibres de verre.
De plus, lorsque la teneur en remplissage dépasse 10%, les particules abrasives dans le matériau peuvent provoquer une usure de la tête de soudage. Par conséquent, il est recommandé d'utiliser une tête de soudage en acier en carbure ou une tête de soudage en alliage en titane recouvert d'un revêtement en carbure de tungstène. Dans le même temps, il peut être nécessaire de sélectionner un dispositif à ultrasons supérieur pour s'assurer qu'une chaleur suffisante est générée à l'articulation.
D'un autre côté, bien que les additifs puissent améliorer les performances globales ou les caractéristiques de moulage par injection du matériau, ils ont souvent un effet inhibiteur sur le soudage à ultrasons. Les additifs typiques comprennent les lubrifiants, les plastifiants, les modificateurs d'impact, les retardateurs de flamme, les colorants, les agents moussants et les résines redémarrées. Par exemple, des lubrifiants tels que la cire, le stéarate de zinc, l'acide stéarique et les esters d'acide gras réduisent le coefficient de frottement entre les molécules de polymère, réduisant ainsi la production de chaleur. Cependant, cet effet est généralement plus petit à l'articulation car la concentration de lubrifiant est faible et uniformément dispersée. D'un autre côté, des plastifiants tels que des liquides organiques à haute température ou des solides de fusion à basse température augmentent la douceur du matériau et réduisent la rigidité, mais ils réduisent l'attraction entre les molécules internes du polymère et interfèrent avec la transmission de l'énergie de vibration. En particulier, les matériaux hautement plastifiés tels que le vinyle sont très inadaptés comme matériaux de transmission pour les vibrations à ultrasons. De plus, les plastifiants en tant qu'additifs internes peuvent migrer vers la surface du plastique au fil du temps, affectant davantage l'effet du soudage à ultrasons. De même, les modificateurs d'impact tels que le caoutchouc réduisent également la capacité du matériau à transmettre des vibrations à ultrasons, nécessitant une plus grande amplitude pour faire fondre le plastique.
Les retardateurs de flamme, les oxydes inorganiques ou les éléments organiques halogénés (tels que l'aluminium, l'antimoine, le bore, le chlore, le brome, le soufre, l'azote ou le phosphore) ajouté au matériau peuvent supprimer efficacement le point de feu du matériau ou changer ses caractéristiques de combustion. Cependant, ces ingrédients rendent souvent le matériau indésirable, en particulier lorsque le retardateur de flamme représente 50% ou plus, ce qui réduira considérablement la quantité de matériel soudable. Pour ces matériaux, des équipements ultrasoniques à haute puissance et des têtes de soudage avec de grandes amplitudes sont nécessaires, et la conception conjointe est ajustée pour augmenter la proportion de matériaux soudables.
La plupart des colorants, y compris des pigments et des colorants, ne gênent pas la transmission des vibrations à ultrasons. Cependant, ils peuvent réduire la quantité de matériel soudable dans la zone commune. En particulier, lorsque la teneur en dioxyde de titane (TiO2) dépasse 5%, son effet lubrifiant deviendra apparent, ce qui aura un effet inhibiteur sur le soudage ultrasonique. Dans le même temps, le noir de carbone interférera avec la propagation de l'énergie ultrasonique dans le matériau.
Les agents moussants réduisent la capacité du matériau à transmettre des vibrations ultrasoniques car leur faible densité et leur grand nombre de pores dans la structure moléculaire empêchent une transmission d'énergie efficace.
Lorsque la résine sol (Regrind) est mélangée dans le matériau, son ajout et son volume doivent être soigneusement évalués et contrôlés pour optimiser l'effet de soudage. Dans certains cas, Regrind peut ne pas être utilisé du tout et un matériau vierge à 100% est nécessaire.
De plus, alors que les agents de libération de moisissure tels que le stéarate de zinc, le stéarate en aluminium, les fluorocarbures et les silicones peuvent aider à libérer des pièces moulées par injection, ils peuvent transférer à la surface articulaire et réduire le coefficient de frottement du matériau, réduisant ainsi la génération de chaleur et inhibant le soudage ultrasonique. Dans le même temps, les agents de libération de moisissure peuvent également provoquer une contamination chimique à la résine et affecter la formation de liaisons chimiques appropriées. Les silicones, en particulier, ont l'impact le plus significatif. Par conséquent, lorsque vous utilisez des agents de libération de moule, il est nécessaire de sélectionner soigneusement la note appropriée et de prendre des mesures pour l'empêcher de transférer à la surface de la pièce.
De plus, différents grades de matériaux peuvent avoir différentes températures de fusion et indices d'écoulement, ce qui peut également affecter l'effet du soudage à ultrasons. Par exemple, les grades de moulage de PMMA peuvent être plus difficiles à souder que les grades d'injection / extrusion en raison de leur poids moléculaire plus élevé et de leur température de fusion. Par conséquent, afin d'obtenir le meilleur effet de soudage, essayez de sélectionner des matériaux de la même note pour le soudage et garantissez que l'indice d'écoulement des deux matériaux est similaire et que la différence de température de fusion est à 22 degrés.
La teneur en humidité d'un matériau a un effet significatif sur sa résistance à la soudure. Les matériaux hydroscopiques tels que le PBT, le PC, le PSU et le nylon absorbent facilement l'humidité de l'air. Pendant le processus de soudage, cette humidité absorbée bouillera à des températures élevées, et le gaz généré, s'il est piégé dans la soudure, formera les pores et dégradera le plastique, affectant ainsi l'esthétique, la résistance et le scellement de la soudure. Pour éviter cela, les matériaux hydroscopiques doivent être soudés immédiatement après le moulage par injection. Si le soudage immédiat n'est pas possible, les pièces séchées doivent être stockées dans un sac PE sèche ou placées dans un four à 80 degrés pendant 3 heures avant le soudage.
De plus, lors du soudage de différents types de matériaux, une attention particulière doit être accordée à la température de fusion et à la structure moléculaire des deux matériaux. La condition de soudage idéale est que la différence de température de fusion des deux matériaux ne dépasse pas 22 degrés et que la structure moléculaire est similaire. Si la différence de température de fusion est trop grande, le matériau avec un point de fusion inférieur se fonde et s'écoulera d'abord et ne fournira pas suffisamment de chaleur pour faire fondre le matériau avec un point de fusion plus élevé. Par exemple, lors du soudage du PMMA à pointe de montage élevé avec un PMMA à faible point de fusion, si le conducteur d'énergie est situé sur le PMMA à point de montage élevé, l'articulation du matériau à faible point de fusion fonde et s'écoule d'abord, provoquant un adoucissement du conducteur d'énergie, ce qui affecte à son tour la résistance à la soudure.
De plus, la compatibilité des matériaux est également un facteur clé pour le soudage réussi. Seuls les matériaux chimiquement compatibles, c'est-à-dire les matériaux avec des structures moléculaires similaires, peuvent être soudés. Il convient de noter que la compatibilité des matériaux existe principalement entre les matériaux amorphes, tels que l'ABS et le PMMA, PC et PMMA, et PS et PPO modifié. Cependant, les plastiques semi-cristallins tels que PP et PE, bien qu'ils aient des propriétés physiques similaires, ont des structures moléculaires différentes et n'ont donc pas de compatibilité des matériaux et ne peuvent pas être soudées.
