プラスチックの超音波溶接入門

超音波溶接は、同じまたは化学的に適合性のある材料で作られた2つの部品を、高周波超音波振動を使用して結合し、それらの間にソリッドステート溶接を作成する方法です。 プラスチックでこの技術を使用する利点は、数秒以内に、ネジ、接着剤、ねじ山、はんだ、またはその他の種類の接着剤を使用せずに、高強度の気密接着が形成されることです。溶接された部品は、硬化のために治具に残しておく必要がないため、自動化ラインですぐに使用できます。プラスチックの超音波溶接は環境にやさしいプロセスであり、エネルギーをほとんど消費せず、費用効果が高く、永続的でクリーンな溶接を実現します。このプロセスは、いくつか例を挙げると、電気、コンピューター、自動車、航空宇宙、医療、および包装業界で使用されています。

超音波溶接機は、スタックと呼ばれるトランスデューサーアセンブリで構成されています。 これは、ソノトロード、ブースター、溶接ホーンの3つのコンポーネントで構成されています。ソノトロードは振動の源です。その中には、チタンシリンダーにしっかりと固定された金属板の周りに挟まれた圧電セラミックディスクがあります。次に、高周波電気がシステム電源モジュールからのケーブルを介して供給されます。これではほとんどの熱可塑性樹脂の溶融温度を得るのに十分な振動が発生しないため、ブースターを使用して、溶接プロセスに必要な比率まで入力振動を増幅します。溶接ホーンは、振動のエネルギーを熱可塑性のワークピースに伝達します。溶接ホーンは、特定のワークピースの輪郭に一致するように設計されています。振動を特定の値に減衰させ、プロセスを機能させるために必要な力を加えます。

この溶接プロセスは、使用するプラスチックが軟化するが溶融しないことに依存するため、熱硬化性ポリマーではなく熱可塑性樹脂に最適です。 ほとんどの熱可塑性プラスチックは、ある程度の結晶化度を持つアモルファス構造を持っています。つまり、規則正しい構造を持つ領域がいくつかあります。熱可塑性プラスチックは広範囲の温度で軟化し、ガラス転移温度を持ちます。熱硬化性ポリマーは結晶性であり、明確な融点を持っています。結晶性ポリマーは、融点に達するまで固体のままで、その後一度に溶けます。アモルファス熱可塑性プラスチックは、ほとんどの結晶性ポリマーと比較して、比重が低く、引張強度と引張弾性率が低く、延性と衝撃強度が高く、耐クリープ性が低くなっています。たとえば、ABS、アクリル、ポリカーボネート、PVCは、結晶構造がほとんどまたはまったくないアモルファスポリマーです。これらのプラスチックは超音波溶接に適しています。同じプラスチック材料で作られた2つの部品の超音波溶接は、通常、最良の結果をもたらします。ただし、場合によっては、2つの異なる熱可塑性プラスチックを超音波を使用して溶接できます。たとえば、材料が化学的に適合性があり、融点が類似している場合などです。 この種の溶接に最適なプラスチックの組み合わせの1つは、ABSとアクリルです。

PE、PP、PE、PIAなどのポリマーは結晶性であり、超音波溶接機からのエネルギーが溶接部位に伝わる前に振動を吸収する傾向があります。したがって、この種の溶接を使用してこれらのいずれかを結合することは困難です。 最も一般的に要求される組み合わせの1つはポリエチレンとポリプロピレンですが、これらは両方とも結晶性であり、化学的に互換性がありません。

ソニック溶接は、ブタンライター、おもちゃ、ピペット、静脈内カテーテルの製造に使用されます。運動靴の上部は、ステッチや接着ではなく、超音波溶接を使用して作られることがよくあります。 家電製品の製造工程では、多くのプラスチック部品を接合する必要があります。このプロセスの例には、洗濯機のフロントパネルの表示画面とポンプホイールの2つの半分が含まれます。自動車産業では、テールライト、インストルメントクラスター、バンパーの部品を溶接するなど、音波溶接には何百もの用途があります。 Appleが他の製品のいくつかでこのプロセスをうまく使用して、イヤフォンを作るためにこの技術を使用しようとしているという報告があります。これにより、イヤフォンの外観がより合理化されます。

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