超音波溶着

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。

超音波溶着中の音波振動

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。

超音波溶着はどのような用途に適していますか?

超音波溶着は、接着剤やネジなどのツールを使わずに、一瞬で行うことができます。パッケージ、自動車部品、おもちゃなどの製造に超音波が使用されます。例:

  • 射出成型によって製作されたパーツの組み立て (例: おもちゃ用)
  • 薄膜の埋め込み (例: 医療用構成部品のフィルター薄膜用)
  • レザー、不織布、繊維製品 (例: 車のエアフィルター) の引っかき
  • 異種材料をリベットで結合する (例:エアバッグ用)
  • 成形技術を用いてフォームフィット・ジョイント接続の確立 (例: 充電器の磁気接点用)
  • メス側のコネクターと磁石 (例: センサーを作動させるためのカプセル化された磁石)
超音波溶着された象の子供のおもちゃ
薄膜医療用アプリケーションの超音波溶着
電子構成部品の超音波溶着、シートヒーティング
エアフィルター 自動車産業 超音波-アプリケーション

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。

アクティブ:

超音波発振器

振動子

振幅変換 (ブースターまたはアンプリチュードカプラー)

ホーン (溶着ツール)

振動子、ブースター、ホーンが一体となって、いわゆるスタックを形成しています。

受動:

冶具

アンビル

ultrasonic welding system components sonotrode amplitude

プロセス技術: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。

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。

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。

超音波溶着アプリケーションの例

自動車産業向け超音波アプリケーションエクステリアミラー
車のキーの超音波溶着、プラスチックパーツの結合
超音波アプリケーションソリューション ボタン電池 非鉄金属
パウチセル 超音波溶着、金属および電池の管理
子供用おもちゃの超音波溶着、プラスチックの安全接合
超音波による電子構成部品の安全溶着
動物飼料の超音波密封、パッケージの安全な密閉
サラダパウチの超音波密封、安全な食品パッケージのシーム
超音波アプリケーションソリューションに布をあてる、弾性固定
サージカルマスクの超音波ラミネート、医療分野のアプリケーション
薄膜の超音波溶着、プラスチック接合
アプリケーション-ソリューション、超音波歯ブラシヘッド 消費財

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。

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プラスチック溶着の基礎
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