Implantátové indukční svařování termoplastů - Implant induction welding of thermoplastics - Wikipedia

Implantátové indukční svařování je spojovací metoda používaná při výrobě plastů. Proces svařování používá indukční cívka excitovat a ohřát elektromagneticky citlivý materiál na styčném rozhraní a roztavit termoplast. Náchylný materiál může být obsažen v těsnění umístěném mezi svařovacím povrchem nebo ve skutečných složkách kompozitního materiálu. Jeho použití je běžné u velkých, neobvykle tvarovaných nebo choulostivých dílů, které by bylo obtížné svařovat jinými metodami.

Fyzikální mechanismy

V nemagnetických elektrických vodičích, jako je hliník, nikl nebo měď, bude indukováno střídavé elektromagnetické pole Vířivé proudy v materiálu. Tyto proudy generují tepelnou energii Joule topení. Feromagnetické materiály, jako je železo a uhlíkové oceli, uvidí zahřívání z obou Vířivý proud formace a Hystereze ztráty.[1]

Proces svařování

Věcné úvahy

Indukční ohřev je efektivní metoda ohřevu elektricky vodivých nebo magnetických materiálů. Zahřívací doby jsou minimální a není nutný přímý kontakt s částí. Bohužel většina termoplasty jsou nemagnetické a vynikající izolátory. Aby bylo možné využít výhod indukčního ohřevu pro účely termoplastického svařování, musí být jako meziprodukt použit citlivý implantát. Téměř jakýkoli elektrický vodič nebo feromagnetický materiál může být použit jako implantát. Styly implantátů zahrnují oka, vlákna a jemné prášky. Nejběžnějším designem těsnění je termoplastický kompozit se suspendovanými vlákny. . Toto kompozitní těsnění může být formováno do jakéhokoli tvaru požadovaného pro svařovací aplikaci. Matice těsnění je obvykle vyrobena ze stejného termoplastu, který se svařuje. V situacích, kdy se mají svařovat dva odlišné materiály, je materiál těsnění obvykle směsí dvou termoplastů.[2]

Kompozitní materiály

Uhlíkové vlákno je zajímavé kvůli jeho širokému použití v kompozitní materiály. Pokud jsou ve složené struktuře uzavřené smyčky uhlíku, mohou být v materiálu indukovány vířivé proudy. Jednosměrné kompozity z uhlíkových vláken mohou mít špatnou citlivost, když je omezen kontakt mezi vlákny.[3]

Soustředění tepla pouze na bod svaru je u citlivých kompozitních vláken v celém materiálu obtížné. V kompozitech z uhlíkových vláken mohou být mezi vodivé vrstvy vloženy tenké elektricky izolační vrstvy s nevyrovnanými vlákny, aby se elektricky izoloval povrch spoje od objemu materiálu. Pomocí této techniky je zabráněno indukčnímu ohřevu sypkého materiálu.[4]

Zařízení

Indukční generátor se používá k výrobě vysokofrekvenčního proudu v rozsahu 2-10 Mhz.[5] Použitý rozsah je regulován FCC, aby se zabránilo rušení vysílaných signálů.

An indukční cívka převádí vysokofrekvenční proud z indukčního generátoru na potřebné střídavé magnetické pole. Jednootáčková cívka může být použita, když je omezený prostor, ale víceotáčkové konstrukce cívky jsou běžnější kvůli jejich generování silnějšího a hlubšího pronikajícího magnetického pole. K dispozici jsou také vzory dělené cívky, které lze rozložit tak, aby plně obklopily velkou část, jako je plastové potrubí.[2] Vysoké proudy používané při indukčním svařování produkují velké množství tepla v cívce. Aby se zabránilo přehřátí, jsou otáčky cívek vyrobeny z dutých trubek a během svařování cirkuluje voda. Teplo cívky je odváděno připojeným výměníkem tepla.[1]

Upevnění se používá k udržení dílů v poloze během svařování. Jedno zařízení je pevné a druhé pohyblivé, takže může během ohřevu a chlazení působit lis a udržovat tlak.[1]

Kroky svařování

Kroky indukčního svařování implantátu v peru v drážce.

Na svařovaný povrch je umístěno těsnění bohaté na implantáty. Na spoj je vyvíjen tlak, aby se vytlačily vzduchové dutiny a zajistila se dobrá vazba. Indukční cívka aplikuje elektromagnetické pole k zahřátí implantátů a tlak působí na kloub. Teplo vede do okolního termoplastu, který roztaví těsnění a vytvoří vrstvu taveniny na povrchech spojů. Použitý tlak protéká roztaveným termoplastem a vyplňuje spáru. Po dosažení dostatečného spojení se indukční cívka vypne a spoj se ochladí pod tlakem. U velkých předmětů s dlouhými spoji lze spoj svařovat kontinuálně skenováním aktivní cívky po celé délce rozhraní.[2]

Parametry

Napájení

Typické indukční generátory poskytují výkon 1-5 kW. Vysoký výkon je nezbytný pro delší a větší klouby. Výstup energie musí být také zvýšen s rostoucí vzdáleností cívky od kloubu v důsledku rozpadu elektromagnetického pole.[1]

Tlak

Rovnoměrná distribuce roztaveného polymeru ve spoji je nezbytná pro silné spojení. Tlak svaru musí být dostatečný k vyvolání stlačit tok v roztaveném těsnění dosáhněte těsného kontaktu s povrchem spoje a spoj vyplňte.[2]

Doba svaru a doba chlazení

Doba svaru se bude lišit v závislosti na velikosti kloubu, objemu náchylného materiálu implantátu a síle a frekvenci. Doby cyklu mohou být velmi rychlé, protože není nutné žádné předehřívání a ke generování tepla dochází výhradně ve svarovém spoji. To také prospívá době chlazení. S malou ztrátou tepla na převážné části dílu je chlazení krátké. U některých aplikací méně než 1 s.[1]

Plochý a plochý drážkový spoj používaný při indukčním svařování implantátu.

Společný design

Neobvyklé návrhy kloubů jsou možné pomocí indukčního svařování implantátu. Nejjednodušší je plochý spoj, kde je mezi dvě termoplastické desky umístěno těsnění. Tento spoj je běžný pro kontinuální svařovací procesy nebo dlouhé svařovací linky, kde je aktivní cívka skenována podél rozhraní spoje. Spoj plocho-drážkový používá desku s kanálem k přesnému vyrovnání svaru oproti spoji plocho-plochý. Spoj pero v drážce je podobný plochému kloubu, ale má výhodu úplného zapouzdření těsnění a těsného těsnění.[2]

Aplikace

Balení potravin

Nádoby Tetra Pak uzavřené indukčním svařováním implantátů.

Implantátové indukční svařování se hojně používá při výrobě Tetra Pak nádoby na výrobky, jako jsou krabice na džus.[1] Použití indukčního ohřevu zkracuje dobu utěsnění oproti jiným způsobům spojování, které používají vnější teplo, a zabrání poškození vrstvy lepenky přímým kontaktem s horkými nástroji. K blokování difúze kyslíku do obalu se používá vrstva hliníkové fólie, takže není potřeba žádný další materiál implantátu.[6]

Automobilová výroba

Automobilový průmysl ve velkém rozsahu využívá indukční svařování implantátů k výrobě velkých plastových předmětů, jako jsou nárazníky, plastové panely karoserie a palivové nádrže.[7] Výrobní náklady komponentů se složitou geometrií se snižují výrobou dílů v samostatných kusech, které se později sestaví pomocí indukčního svařování.[8]

Balení odolné proti neoprávněné manipulaci

Polyethylenem potažená hliníková fólie je indukčně svařena na horní část mnoha nádob na potraviny, doplňky a léky. Těsnění pomáhá udržovat kvalitu produktu a poskytuje důkazy o nedovolené manipulaci.[9]

Výhody a nevýhody

Výhody

  • Indukční svařování implantátu nevyžaduje fyzický kontakt se zdrojem tepla, takže je užitečné ke spojování součástí neobvyklých rozměrů nebo choulostivých povrchů.[2]
  • Indukční cívkou lze kontinuálně pohybovat, aby se ohřál celý povrch dlouhých spojů. Touto metodou lze účinně svařovat extrémně velké díly.[5]
  • Vytváření tepla je omezeno na přesnou oblast, kde je pro spojení potřebné, takže tepelné napětí vznikající při svařování je nízké.[2]
  • Spoj lze znovu otevřít pomocí indukčního ohřevu pro opravy nebo recyklaci.[2]
  • Kroky ohřevu a spojování probíhají současně, takže doby cyklů jsou krátké.[5]

Nevýhody

  • Existují další náklady v důsledku materiálu implantátu a těsnění. U některých konstrukcí dílů může být také zapotřebí vlastní nástroj. Díky tomu může být metoda pro malé a jednoduché položky neúnosná.[1]
  • Ohřev je omezen hloubkou průniku elektromagnetického pole. Je třeba dbát na to, aby se zabránilo nerovnoměrnému zahřívání u složitých návrhů spár.[1]
  • Implantátový materiál ve spoji může mít vliv na pevnost.[5]
  • Elektromagnetické pole může ovlivnit kovové nebo elektronické součásti součásti.[10]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h Grewell, David A .; Benatar, Avraham; Park, Joon Bu, eds. (2003). Příručka pro svařování plastů a kompozitů. Mnichov: Hanser Gardener. ISBN  1569903131. OCLC  51728694.
  2. ^ A b C d E F G h Troughton, Michael John, ed. (2008). Příručka pro spojování plastů: praktický průvodce (2. vyd.). Norwich, NY: William Andrew. ISBN  9780815519768. OCLC  302420421.
  3. ^ Rudolf, R .; Mitschang, P .; Neitzel, M. (listopad 2000). „Indukční ohřev kontinuálních termoplastů vyztužených uhlíkovými vlákny“. Kompozity, část A.. 31 (11): 1191–1202. doi:10.1016 / S1359-835X (00) 00094-4.
  4. ^ Worrall, C.M .; Wise, R.J. (Červen 2014). „Nová technika indukčního ohřevu pro spojování kompozitů z uhlíkových vláken“ (PDF). Evropská konference o kompozitních materiálech.
  5. ^ A b C d Baník, Nabanita (říjen 2018). „Přehled použití termoplastických kompozitů a jejich účinků při metodě indukčního svařování“. Materiály dnes: sborník. 8 (9, bod 3): 20239–20249. doi:10.1016 / j.matpr.2018.06.395.
  6. ^ Babini, A. (2003). "3D modely FEM pro numerickou simulaci indukčního utěsnění obalového materiálu". PŘINUTIT. 22 (1): 170–180. doi:10.1108/03321640310452268.
  7. ^ Watson, Martin N. (1986). „Svařování plastů pro automobilový průmysl“. Transakce SAE. 95 (§3): 659–667. JSTOR  44725420.
  8. ^ „Řešení Emabond - elektro-magnetické lepení sestav“. www.emabond.com. Citováno 2019-02-25.
  9. ^ „Techniky svařování a spojování polymerních zdravotnických prostředků“. twi-global.com. Citováno 2019-02-25.
  10. ^ Amanat, Negine; James, Natalie L .; McKenzie, David R. (duben 2010). „Metody svařování pro spojování termoplastických polymerů pro hermetické uzavření zdravotnických prostředků“ (PDF). Lékařské inženýrství a fyzika. 32: 690–699 - prostřednictvím Elsevier ScienceDirect.