超音波应用原理

.,超音波應用原理,.,原理,利用超音波振動頻率,接觸摩擦產生熱能使塑膠熔融而結合，依目前較普遍的，即為每秒振動二萬次(20khz)與每秒振動1.5萬次(15khz)二種，另外尚有數種特殊振動頻率，因受限於篇幅，僅介紹15khz和20khz二種較為普遍性之熔接。而依其方式又可分為直接與傳導二種熔接法。直接熔接：即先使材質如線或帶相互重疊(例：鉚合、埋植等)，固定於塑膠熔接機上之治具，讓其能量轉換器(horn)直接在上面產生音波振動效能而熔接。傳導熔接：即熔接時，離超音波振動，隔一段距離，藉其音波振動傳導熔接(例：塑膠殼熔接等)。,.,特點,a.可熔接除鐵氟龍以外的熱可塑性塑膠。b.熔接時間極為短暫，通常範圍0.05秒1秒。c.可經由介質如水、油等熔接於接合面。d.熔接效果，可達實用程度。e.可做直接與傳導熔接。f.熔接能量因塑膠材質而異，而且並非超音波振動全部材質，只選擇適合發生的振動面生熱，所以產品表面無傷痕之顧慮，此為傳導熔接之特色。在較硬的塑膠材質熔接時，更能發揮其熔接效果。g.超音波熔接不會產生如化學藥劑之毒性，為一安全性的熔接加工。,.,應用,超音波應用範圍極廣，一般我們均熟悉被應用於醫學上，而於工業領域中，大家對本身之產品，或可發現超音波也是本身所屬產品的應用範圍內，能讓超音波提高您的效率與品質，也將是我們共同的願望。其應用範圍有：1.熔接。2.埋植。3.成型。4.鉚合。5.點焊。6.振落(切除)。7.熱熔。除第七項熱熔為超音波熔接變化外，其餘均屬超音波主要功能。,.,模具的架设,1放松机台升降把手，升高到一定程度（视模具而定）。2放松微动升降调整螺丝至最低。3将选择开关于手动位置。4双手按下下降开关，（此时内部熔接位置线对应于外线下方）。5装上HORN后旋紧（注意HORN的螺丝是否旋紧，4个平衡螺丝是否旋紧）约1000KG-CM之力扭紧。6放置底模。7放松4个平衡螺丝，调整HORN方向。8转动下降手轮，接触熔接物品后继续下降使面板上之熔接线降至二线重叠。如果没有熔接线以再下降2MM为宜。9固定4个调整螺丝，下降手轮。10按上升开关，再1-2次下降，确定模具架设准确后，固定下模。11下模固定后，按上升开关，使上下模分开。12此时检波观看检波电流是否正常（1.5A)，正常后将开关置于自卫动位置。,.,超音波熔接強度不佳,問題一：超音波模治具架設不準確，受力不平均。解析：在一般認為超音波作業時，產品與模具表面只要接觸準確就可以得到應該的熔接效果，其實這只是表面的看法，超音波既然是摩擦振，就會產生音波傳導的現象，我們如果單只觀察硬體(模治具)的穩合程度，而忽略了整合型態的超音波作業方式，必定會產生捨本逐末或誤判的後果，所以在此必須先強調超音波熔接的作業方式是傳導音波，使成振動摩擦轉為熱能而熔接。這時候超音波模治具的穩合程度、產品截面的高低、肉厚、深淺、材質的組織，必定無法是百分之百承受相同的壓力。另一方面上模(Horn)輸出的能量，每一點都有其誤差值，並非整個面發出的能量都相同。就這整體而言，勢必產生產品熔接線熔接程度的差異。所以也就必須作修正，如何修正，那就是靠超音波熔接機本身的水平螺絲，或是貼較薄的膠帶或鋁箔來克服了。,.,問題二：超音波熔接條件配合不當。,解析：超音波作業的條件是指機台的輸出功率(段數)、壓力(動態壓力與靜態壓力)、熔接時間、硬化時間、延遲時間等諸元的設定。我們依超音波導熔線為例來說明。在我們實施超音波熔接時，如果壓力太大，氣缸下降緩衝太快，易把超音波導熔線壓平，雖然看似產品已經密合，但因導熔線，已經受擠壓而下陷，失去了導熔效果，形成塑膠面與面的強迫熔接，而非三角形點的導引熔接，所以產生假象的熔接。,.,問題三：塑膠產品材質配合不當,解析：每一種塑膠材質的熔點，各有不同，例如：ABS塑膠材質的熔點約115；耐隆約175；PC之145以上；PE約85。以ABS與PE二種材質為例，其熔點差距太大，超音波熔接勢必困難。而ABS與PC二種材質，亦有差距，但已非前項差距如此之大，是以尚可熔接，但在超音波功率相同，能量擴大相同的情況下，相異的塑膠材質，絕無法比相同材質的熔接效果好。,.,問題四：超音波機台輸出能量不足,解析：客戶在購買超音波熔接機時，通常較難預料未來產品發展的規格，所以會遇到較大產品物件超出超音波標準熔接的情形。此時在不增加成本的預算下，只得以現有設備來作業生產。碰到此種用小機台作大物件的情形，通常採取的方式有分好幾次熔接、增加超音波輸出功率(增加段)或增加熔接時間、壓力等。然而這也產生了品質不穩定的現象，因為電壓與氣壓直接影響到超音波輸出功率的穩定性。也就是說上班或尖峰時間，使用超音波作業的產品品質，與大家都下班後的品質穩定是不相同的。然而大家都下了班再使用超音波，那就不是工作效率了。所以這時採取的對策就是氣壓源採取獨立方式；要求在0.02m/m以下之產品在超音波機台加裝穩壓設備；調整出力段數、增加功率，但一般狀況超音波作業時功率輸出最好能掌握在24段之間，如一定要在56段作業，則生產作業時間必須盡量縮短，以避免零件、振動子的損耗。增加能量擴大器(Horn上模)的擴大，但擴大程度如果超出4:1，將對Horn本身、音波、電流有極大的影響。,.,傷痕(斷、震裂、燙傷),解析：因機台功率或HORN(上模)輸出能量不足，在能量轉換為熱能時，需用長時間熔接來累積熱,以彌補輸出功率的不足，此種方式不是在瞬間達到的振動熱能，而需靠熔接時間來累積熱能使塑膠產品之熔點達到成為熔接效果，如此將造成熔接時間停留在產品表面太長，其累積的溫度與壓力將造成產品的燙傷、震斷或裂痕，是以此時必須考慮功率輸出(段數)，熔接時間.動態壓力等配合因素。,.,對策：1.降低壓力.2.減少熔接時間.3.減少延遲時間(提早發振).4.模治具表面處理(硬化或鍍鉻).5.引用介質覆蓋(如PE袋).6.機台段數降低或減少上模擴大比.7.易震裂或斷之產品，治具宜製成緩衝，如軟性樹脂或覆蓋軟木塞等.(此項指不影響熔接強度).,.,.品質無法穩定,解析：品質無法穩定最主要因素是輸出功率不能穩定，以導致無法形成穩定的摩擦熱能。而如何讓功率輸出穩定？此乃決定於(壹)機台輸出功率、(貳)HORN擴大比、(參)氣壓源、(肆)電壓源等四項。(壹)機台輸出功率+HORN擴大比率=實際可用功率。由此可知在一定產品實施超音波熔接時，於規劃與設計的觀點而言，機台輸出功率愈強，相對HORN的擴大比所設計的也愈小；反之機台輸出功率愈小，HORN設計的擴大比也愈大。例如：2200W的超音波熔接機，HORN的擴大比是2.5倍；換成3200W超音波熔接機時，HORN的擴大比可能只要1.5倍即可.然而並非強調超音波熔接機輸出的功率要大，而是要對一項塑膠產品實施超音波熔接時，給予最適合的環境作業，其間尚需考慮成本的預算，產品的功能需求，熔接標準等考量再來規劃出完整的工作設備與超音波使用技巧。,.,(貳)在瞭解上述各種影響超音波熔接品質的關鍵性原因後，工程師在設計，首當熟悉並評估：1.產品品質要求功能、標準。2.現有超音波設備。3.決定產品設計的形態、技巧如超音波導熔線、產品定位、材質。因為既然可用設備資源已經固定，那就必須用產品設計的技巧來配合現有可用的設備才是正確的。,.,(參)在我們確定人為因素(12項)都無問題時，會發生品質不穩定現象，那肯定一個事實：即氣壓與電壓產生的影響。在我們多年來處理品質不能穩定現象時，也同時發現，在工作時間內無法達到的品質標準，卻在大家都下班，停止電壓、氣壓多數同時使用時，意外的達到品質要求標準。因此也發現多人或多單位使用共同的氣壓與電壓源時，由於空氣壓縮機，通常我們會設定空氣儲存筒裡面的氣壓低於24kg的情況時，再自動打氣充填，這是一項形成的誤差原因。而氣壓源經過管路到達熔接機時，由於熔接速度快，第一次超音波熔接的氣壓與第二次或第三次存留於管路的氣壓亦形成誤差，如此將形成週期性或非週期性的品質異動。而電壓也由於電力公司輸出同時供數百萬人都有機會同時使用，此時產生的電壓降也不是我們所能控制，如此氣壓與電壓的變數，確確實實的造成能量輸出的變化，而影響精密品質的重要因素，當然必須列為診斷項目。,.,對策：欲需求較高之品質,如產品對需求0.02m/m以下，或熔接線熔合狀況需在90%以上，設計工程師依其規劃順序，必須1.熟悉超音波熔接設備。2.決定產品功能。3.熟悉超音波與塑膠熔接對應關係。4.儘可能增添穩壓設備。,.,超音波熔接要領經驗解析*當我們在超音波熔接作業時，就其製品的要求程度而言通常最容易發生的幾種狀況如下：1.強度無法達到欲求標準.2.製品表面產生傷痕或裂痕.3.製品產生扭曲變形或白色狀(打白).4.製品內部零件破壞.5.製品產生溢料或毛邊.6.製品熔接後尺寸無法控制於公差內.,.,1.強度無法達到欲求標準.當然我們必須瞭解超音波熔接作業的強度絕不可能達到一體成型的強度，只能說接近於一體成型的強度，而其熔接強度的要求標準必須仰賴於多項的配合，這些配合是什麼呢？塑膠材質：ABS與ABS相互相熔接的結果肯定比ABS與PC相互熔接的強度來的強，因為兩種不同的材質其熔點也不會相同，當然熔接的強度也不可能相同。雖然我們探討ABS與PC這兩種材質可否相互熔接？我們的答案是絕對可以熔接，但是否熔接後的強度就是我們所要的？那就不一定了！而從另一方面思考假使ABS與耐隆、PP、PE相熔的情形又如何呢？如果超音波HORN瞬間發出150度的熱能，雖然ABS材質己經熔化，但是耐隆、PVC、PP、PE只是軟化而已。我們繼續加溫到270度以上，此時耐隆、PVC、PP、PE已經可達於超音波熔接溫度，但ABS材質已解析為另外分子結構了。由以上論述即可歸納出三點結論：a.相同熔點的塑膠材質熔接強度愈強。b.塑膠材質熔點差距愈大，熔接強度愈小。c.塑膠材質的密度愈高(硬質)會比密度愈低(韌性高)的熔接強度高。,.,2.製品表面產生傷痕或裂痕：在超音波熔接作業中，產品表面產生傷痕、結合處斷裂或有裂痕是常見的。因為在超音波作業中會產生兩種情：1.高熱能直接接觸塑膠產品表面。2.振動傳導：所以超音波發振作用於塑膠產品時，產品表面就容易發生燙傷，而1m/m以內肉厚較薄之塑膠柱或孔，也極易產生破裂現象，這是超音波作業先決現象是無可避免的。而在另一方面，有因超音波輸出能量的不足(分機台與HORN上模)，在振動摩擦能量轉換為熱能時需要用長時間來熔接，以累積熱能來彌補輸出功率的不足。此種熔接方式，不是在瞬間達到的振動摩擦熱能，而需靠熔接時間來累積熱能，期使塑膠產品之熔點到達成為熔接效果，如此將造成熱能停留在產品表面過久，而所累積的溫度與壓力也將造成產品的燙傷、震斷或破裂。是以此時必須考慮功率輸出(段數)、熔接時間、動態壓力等配合因素，來克服此種作業缺失。,.,3.製品產生扭曲變形。發生這種變形我們規納其原因有三：a.本體與欲熔接物或蓋因角度或弧度無法相互吻合。b.產品肉厚薄(2m/m以內)且長度超出60m/m以上。c.產品因射出成型壓力等條件導致變形扭曲。4.製品內部零件破壞:超音波熔接後發生產品破壞原因如下：a.超音波熔接機功率輸出太強。b.超音波能量擴大器能量輸出太強。c.底模治具受力點懸空，受超音波傳導振動而破壞。d.塑膠製品高、細成底部直角，而未設緩衝疏導能量的R角。e.不正確的超音波加工條件。f.塑膠產品之柱或較脆弱部位，開置於塑膠模分模線上。,.,5.產品產生溢料或毛邊：超音波熔接後產品發生溢料或毛邊原因如下：a.超音波功率太強。b.超