การเชื่อมพลาสติกด้วยอัลตราโซนิก

การเชื่อมพลาสติกด้วยอัลตราโซนิก

ประเด็นสำคัญ

• การให้ความร้อนแบบหนืดหยุ่นที่รอยต่อ: การสั่นสะเทือน 20–40 kHz ทำให้ตัวนำพลังงานหรือรอยต่อแบบเฉือนหลอมละลายในเวลาไม่ถึงหนึ่งวินาที
• เรซินอสัณฐานเชื่อมได้ง่าย ส่วนเรซินกึ่งผลึกต้องใช้รอยต่อแบบเฉือน เรขาคณิตแบบระยะใกล้ และการควบคุมที่เข้มงวดกว่า
• โหมดระยะยุบตัวที่กำหนดช่วงค่าไว้ชัดเจนเป็นวิธีที่แข็งแรงทนทานในการเดินกระบวนการและตรวจสอบความถูกต้อง
• เป็นวิธีเชื่อมที่เร็วและประหยัดที่สุด แต่มีข้อจำกัดเรื่องอนุภาค รอยจากฮอร์น และชิ้นส่วนภายในที่ไวต่อการสั่นสะเทือน

การเชื่อมพลาสติกด้วยอัลตราโซนิก

การเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกเป็นกระบวนการต่อเทอร์โมพลาสติก โดยส่งการสั่นสะเทือนเชิงกลที่ 20–40 kHz และแอมพลิจูดจากยอดถึงยอด 20–120 µm ผ่านชิ้นงานหนึ่งไปยังรอยต่อ ซึ่งความร้อนจากความหนืดหยุ่นและแรงเสียดทานทำให้พอลิเมอร์ชั้นบางหลอมละลายและแข็งตัวภายใต้แรงกดจนเกิดเป็นรอยเชื่อม ไม่ใช้ตัวทำละลาย กาว หรือวัสดุสิ้นเปลือง

ชุดอุปกรณ์ประกอบด้วยตัวแปลงเพียโซอิเล็กทริกที่ให้ประมาณ 20 µm ที่ 20 kHz บูสเตอร์ที่มีอัตราขยาย เช่น 1:1.5 หรือ 1:2.5 และฮอร์นที่จูนให้ตรงความถี่เดียวกัน กดลงบนชิ้นงานด้วยแรงจากระบบนิวเมติกหรือเซอร์โว ความถี่ 20 kHz เหมาะกับชิ้นงานขนาดใหญ่และกำลังสูง ส่วน 30–40 kHz เหมาะกับชิ้นงานขนาดเล็ก บอบบาง หรือเน้นความสวยงาม เพราะแอมพลิจูด ความเค้น และรอยมาร์กต่ำกว่า

พอลิเมอร์มีสมบัติหนืดหยุ่น ความเครียดแบบวัฏจักรถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนบางส่วนด้วยฮิสเทอรีซิส โดยกระจุกตัวที่ส่วนที่เล็กที่สุด คือปลายตัวนำพลังงานหรือส่วนซ้อนเกยของรอยต่อแบบเฉือน ซึ่งการหลอมเริ่มภายในไม่กี่มิลลิวินาที รอยต่อที่อยู่ห่างจากหน้าฮอร์นไม่เกินประมาณ 6 mm เป็นระยะใกล้ และไกลกว่านั้นเป็นระยะไกล เรซินอสัณฐานส่งผ่านการสั่นได้โดยสูญเสียน้อยและเชื่อมในระยะไกลได้ ส่วนเรซินกึ่งผลึกและอีลาสโตเมอร์ลดทอนการสั่น จึงเชื่อมได้อย่างเชื่อถือได้เฉพาะระยะใกล้

ความเหมาะสมของวัสดุ

พารามิเตอร์กระบวนการและการออกแบบรอยต่อ

การออกแบบรอยต่อมีผลมากกว่าการตั้งค่าใด ๆ ตัวนำพลังงานคือสันสามเหลี่ยมบนหน้าประกบด้านหนึ่ง มุมรวม 60–90° สูง 0.2–0.6 mm ฐานกว้างประมาณสองเท่าของความสูง สำหรับเรซินกึ่งผลึกให้ใช้มุม 60° และด้านที่สูงกว่า และกำหนดตำแหน่งชิ้นงานด้วยขั้นหรือลิ้นและร่อง รอยต่อแบบเฉือนใช้การซ้อนเกยแนวรัศมี 0.2–0.4 mm ระหว่างขอบกับผนัง มุมนำเข้า 30–45° ความลึกการเชื่อมประมาณ 1.25 เท่าของความหนาผนัง และแท่นรองที่ต้านแรงดึงตามเส้นรอบวง รอยต่อแบบเฉือนให้รอยเชื่อมที่แข็งแรงและปิดผนึกสนิทที่สุดในเรซินกึ่งผลึก

การแก้ปัญหารอยเชื่อมอัลตราโซนิก

อัลตราโซนิกเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ การเชื่อมแบบสั่น และการเชื่อมด้วยแผ่นความร้อน

อัลตราโซนิกแทบไม่มีวิธีใดเอาชนะได้ด้านเวลารอบและต้นทุนแม่พิมพ์ แต่แทบไม่เหมาะกับชิ้นงานขนาดใหญ่ ชิ้นงานที่เน้นความสวยงาม ชิ้นงานที่มีอิเล็กทรอนิกส์ หรือชิ้นงานที่ไวต่ออนุภาค ทางเลือกที่พบบ่อยคือการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่าน ซึ่งต้องใช้คู่เรซินที่เข้ากัน (ดูการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านอธิบายอย่างละเอียดและการเลือกคู่เรซินและสารให้สี) และผิวรอยต่อที่ห่างกันไม่เกินประมาณ 0.1 mm ขณะที่อัลตราโซนิกยอมรับการประกอบที่หลวมกว่าและใช้ได้กับทุกสี วิศวกรของ Sabreen พัฒนากระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ไม่จำหน่ายอุปกรณ์ และใช้การเปรียบเทียบนี้ก่อนแนะนำวิธีใดวิธีหนึ่ง

การกำหนดและการตรวจสอบรอยเชื่อมอัลตราโซนิก

การระบุเพียง “เชื่อมด้วยอัลตราโซนิก” บนแบบไม่ได้กำหนดสิ่งใดเลย ต้องระบุข้อกำหนดสมรรถนะ ช่วงค่าระหว่างกระบวนการ และหลักฐานว่าช่วงค่านั้นให้ผลตามที่ต้องการ

• ความแข็งแรง: ความแข็งแรงในการดึงของชิ้นประกอบ หรือชิ้นทดสอบรูปตัว I ตาม AWS G1.2M/G1.2 สำหรับคัดกรองคู่วัสดุ รอยเชื่อมระยะใกล้ของเรซินอสัณฐานให้ความแข็งแรง 70–100% ของวัสดุต้นแบบ ต้องระบุค่าขั้นต่ำและรูปแบบการแตกหัก
• แรงดันแตกและการรั่ว: ระบุแรงดันแตกขั้นต่ำ และขีดจำกัดเชิงตัวเลขของการตกของแรงดันหรือการรั่วด้วยฮีเลียม ไม่ใช่เพียง “ไม่รั่ว” รอยเชื่อมที่แข็งแรงแต่ข้ามไป 2 mm ก็ยังรั่ว
• ช่วงระยะยุบตัว: เช่น 0.35 ± 0.05 mm โดยมีพลังงานและกำลังสูงสุดเป็นขีดจำกัดรอง บันทึกทุกรอบ ชิ้นงานที่อยู่นอกช่วงต้องถูกคัดทิ้ง
• IQ/OQ/PQ: ภายใต้ ISO 13485 และข้อบังคับระบบคุณภาพของ FDA โดย IQ ยืนยันเครื่องเชื่อม ชุดอุปกรณ์ ฟิกซ์เจอร์ และแอมพลิจูดที่วัดได้ OQ ทำแผนที่ช่วงค่าด้วยการออกแบบการทดลองครอบคลุมแอมพลิจูด แรง และการยุบตัว PQ เดินสามล็อตที่ค่าปกติด้วยผู้ปฏิบัติงานและเรซินจริงในการผลิต ต้องรับรองคุณสมบัติใหม่เมื่อเปลี่ยนฮอร์น บูสเตอร์ หรือเรซิน ส่วน DVS 2216 ครอบคลุมการออกแบบรอยต่อ

คำศัพท์และบทความที่เกี่ยวข้อง

• การเชื่อมพลาสติกด้วยเลเซอร์
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่าน
• บริการเชื่อมด้วยเลเซอร์
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบส่งผ่านอธิบายอย่างละเอียด
• การเลือกคู่เรซินและสารให้สี
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบใสต่อใส

การประยุกต์ใช้ในการผลิตจริง

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการพัฒนากระบวนการเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกและเลเซอร์ การออกแบบรอยต่อ และการตรวจสอบความถูกต้องของรอยเชื่อม หากอยู่ระหว่างการกำหนดกระบวนการ การรับรองคุณสมบัติวัสดุ หรือการแก้ปัญหาในสายการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมพร้อมให้ความช่วยเหลือ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งานดังกล่าว

คำถามที่พบบ่อย

ควรเชื่อมที่ 20 kHz หรือ 40 kHz

ใช้ 20 kHz สำหรับชิ้นงานที่ใหญ่กว่าประมาณ 50 mm ผนังหนา เรซินกึ่งผลึก และรอยต่อระยะไกล ซึ่งต้องการแอมพลิจูดและกำลังมากกว่า ใช้ 30–40 kHz สำหรับชิ้นงานขนาดเล็ก ผนังบาง เน้นความสวยงาม และชิ้นงานที่มีอิเล็กทรอนิกส์ เพราะแอมพลิจูดและความเค้นที่ส่งผ่านลดลงครึ่งหนึ่ง รอยมาร์กลดลง และฮอร์นสั้นลงครึ่งหนึ่ง

พอลิโพรพิลีนและพลาสติกกึ่งผลึกอื่นเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกได้หรือไม่

ได้ แต่ช่วงค่าแคบกว่า เพราะลดทอนการสั่น รอยต่อจึงต้องอยู่ห่างจากฮอร์นไม่เกินประมาณ 6 mm ที่แอมพลิจูด 60–120 µm และควรเป็นรอยต่อแบบเฉือนหรือตัวนำพลังงานมุม 60° ที่แหลมคม ไม่ใช่ตัวนำพลังงานมุม 90° แบบ ABS จุดหลอมที่ชัดเจนของวัสดุเหล่านี้ทำให้แรงค้างมีความสำคัญมากขึ้น

เหตุใดรอยเชื่อมจึงผ่านการทดสอบแรงดึงแต่ยังรั่ว

เพราะความแข็งแรงกับความต่อเนื่องเป็นคนละเรื่อง การทดสอบแรงดึงเป็นค่าเฉลี่ยของรอยเชื่อมทั้งหมด และผ่านได้หากรอยต่อสมบูรณ์ 90% ขณะที่การข้ามไป 2 mm เพียงจุดเดียวจากชิ้นงานบิดเบี้ยวหรือฮอร์นที่ไม่ได้ระดับก็รั่วได้ ควรกำหนดการรั่วเป็นขีดจำกัดเชิงตัวเลข เดินโหมดระยะยุบตัวเพื่อคัดชิ้นงานที่เชื่อมไม่เพียงพอออก และตรวจความขนานของฮอร์นเมื่อการรั่วกระจุกตัว

เมื่อใดการเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นทางเลือกที่ดีกว่า

เมื่อชิ้นงานเน้นความสวยงาม มีอิเล็กทรอนิกส์ ต้องการทางไหลของของไหลที่ปราศจากอนุภาค มีแนวเชื่อมยาวหรือสามมิติ หรืออยู่เกินระยะเอื้อมของฮอร์น เลเซอร์ไม่มีการสั่นสะเทือน รอยฮอร์น หรืออนุภาค แลกกับเงินลงทุนที่สูงกว่า คู่เรซินที่เข้ากัน และผิวรอยต่อที่ห่างกันไม่เกินประมาณ 0.1 mm ส่วนอัลตราโซนิกยังชนะด้านเวลารอบและต้นทุน

---