超音波による溶着 | Ultrasonic Japan

超音波とは何ですか?

鳥のさえずりからガラスを砕く音まで、音は耳で感じる以上のものです。それは体の機械的振動から生じます。たとえば、ギターの弦を叩くと、その振動によって空気中の圧力や密度が変動し、音源を起点にしてあらゆる方向に波状が広がっていきます。これは、空気中だけでなく、あらゆる弾性媒体、つまり気体、流体、固体でも機能します。

人間があらゆる音を聞き分けることができないことを示す例が、超音波と言えるでしょう。その高周波音波は、産業や医療で目立つことなく使用されています。

音波は周波数 (1秒あたりの波数) によって分類されます。たとえば、超音波の範囲は20 kHz～1 GHzです。超音波溶着では、20 kHz～70 kHzの周波数が使用されます。これは人間の耳は、最も低い範囲でほとんど認識できません。これは、可聴音が16 Hz～20 kHzまでしかないからです。これ以上の振動は、せいぜい振動としてしか認識されません。

超音波溶着はどのように機能しますか?

超音波が材質 (プラスチックなど) に当たると、その中の分子鎖が振動します。分子は動き始め、互いにこすり合います。これにより、エネルギー (いわゆる摩擦熱) が発生します。熱可塑性プラスチックの場合、これにより熱可塑性プラスチックが溶け始めます。この原理を利用したのが超音波溶着です。追加の圧力下での短いホールド時間の後、接合エリアで異なる材料 (構成部品) を分子レベルで溶着することができます。

利点

超音波溶着には、接着やガス溶着などの従来の接合方法に比べて多くの利点があります。

超高速:瞬時に材料を溶かして接合します。
常に高い品質を維持:精密な制御技術により、再現性が高く、正確で魅力的な結果が得られます。
柔軟性: さまざまな材料、形状、プロセスに適応できます。
環境への配慮:超音波溶着は、クリーンで省エネ、廃棄物も出しません。
コスト効率の良さ: 短いプロセス時間、低エネルギー消費、ネジや接着剤などの追加ツールなし。

超音波溶着システム

超音波溶着システムは、さまざまなコンポーネントで構成されています。アクティブコンポーネントは、音を発生させ、それを伝達し、アプリケーションに伝えます。受動部品はその結果生じる力を吸収し、アプリケーションを所定の位置に保持し、特に溶着シーム (構成部品が接合される箇所) をサポートします。

エネルギーフォーカスの原理

構成部品を正確に溶かすためには、振動エネルギーを一点に集中させる必要があります。これをエネルギーフォーカスといいます。この特定のポイントで、熱の発生が最も強く、溶けるようになります。これは、エネルギー消費量の少ない定義済みの溶着プロセスの場合です

エネルギーフォーカスのタイプ

すべて形状の問題です。振動エネルギーを適切な場所に集中させるには、溶着するパーツやツールのジオメトリをそれに応じて設計する必要があります。コンポーネント統合フォーカシングにより、エネルギーダイレクタ (略してERG) は素材自体にエネルギーを束ねます。フォーカシングツールの形状により、ツールは特別な形状になります。

ジョイントデザインによるエネルギーフォーカス

ジョイントデザインでは、構成部品の形状によってエネルギーを集中させます。2つのパーツを接続する面積、範囲は特別な形状になっています。大抵、その箇所には先端やエッジがあります。これがまさにエネルギーフォーカスが発生する場所であり、それがエネルギーダイレクタ (略してERG) と呼ばれます。

ホーンデザインによるエネルギーフォーカス

エネルギーは、溶着ツールを介して集中させることもできます。ホーンの輪郭は、いわゆる溶融助剤として機能します。エネルギーは先端に集中しており、そこが最も暖かくなります。このタイプのエネルギーフォーカスは、たとえば超音波カシメで使用されます。

アンビル構造によるエネルギーフォーカス

ここでも、ツールの形状が決定的な役割を果たします。アンビルは構造が盛り上がっています。これが構成部品との接点になります。この箇所にエネルギーが集中し、融解につながります。これは主にフィルムや不織布などのウェブ材料、または段ボールに使用されます。

超音波溶着で最も重要なプロセスパラメータ

タイトで力強く、視覚的にも魅力的 – 完璧な溶着シームを実現するためには、溶着ツール、材料、溶着プロセスを調整する必要があります。セッティングについて:適切なプロセスパラメータにより、最適で再現性の高い結果を得ることができます。

肉眼では見えませんが、溶着ツールは5～50 μmの振幅で振動しています。必要な出力を得るために、振動子で生成される機械的振動を振幅変換で変化させます。

トリガー位置は、溶着のスタートを定義します。ホーンは、トリガー圧力と呼ばれる力で構成部品を押します。これが一定時間内に最小限の収量しか得られない場合、超音波がトリガーされ、トリガー圧力が溶着圧力に変わります。このようにして、溶着の開始点は常に同じで、結果の品質は常に高いものになります。

均一でタイトな溶着シームの場合、音を構成部品に加圧力を加えて導入する必要があります。この加圧力をどれだけ大きくするかは、出力、接合面、およびパーツサイズなどによって異なります。

瞬時に接続完了:トリガー位置に到達して超音波がトリガーされた後、実際の溶着プロセスはほんの一瞬で完了します。溶着時間は、以前定義されたスイッチオフのクライテリアに達すると終了します。

溶着時間の終了後、構成部品は短時間圧力下に保持されます。これにより、それらを均一に冷却して固化させることができます。溶着ツールはプロセス全体で加熱されないため、冷却プロセスもサポートします。

超音波で溶着できる材料は何ですか?

原則的には、ほとんどの熱可塑性プラスチック (熱成形可能なプラスチック) を超音波で溶着することができます。「素材は硬い方がいい」。超音波溶着には、プラスチックに加えて、アルミニウム、ニッケル、真ちゅう、銅などのさまざまな非鉄金属が適しています。

プラ溶着

不織布

包装材の溶着

金属

お客様の成功事例

お客様と連携しながら、毎年1,500件以上のアプリケーションを世界中で解決しています。安全かつ効率的でサステナブルな生産を実現する超音波ソリューションの顧客事例を紹介します。

Apra-plast

小ロットを素早く生産。18個の真鍮製メス型コネクタをコントロールユニットのプラスチックフレームに挿入する場合、すべて手作業なので、生産者にとって手間とコストのかかる作業でした。超音波溶着は、サイクルタイムを大幅に短縮する効率的な代替手段であり、ユニット数が少ないにもかかわらず、経済的な面でも有効です。

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Bosch FreshUp

強度が高く、かつ美しい仕上がりの接合：いずれも、新しい電子ファブリックリフレッシャー「FreshUp」の製造の決定要因となるものでした。二つのニーズを満たす接合法として、BSH Hausgeräte GmbHが選んだのが超音波技術です。

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CUSTOMCELLS®

CUSTOMCELLS®は、世界有数のカスタムメイドのリチウムイオンバッテリーの開発企業として、バッテリー生産における不良品率を可能な限り低く抑え、プロセスの信頼性を最大限に高めることを追求しています。溶着アプリケーションについては、同社の生産ラインの一つで超音波技術が採用されています。生産ラインに導入されたHerrmann Ultraschallの超音波溶着システムは、不良率を最小限に抑え、生産効率を最適化しています。

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ZLÍN Robotics

より強く、より安定した、環境に優しいABSシートの接合プロセス：それが、協働ロボットを使用して芝刈り機のエンジンボンネットを組み立てるプロセスを自動化するという目標でした。

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