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Der Unterschied zwischen Ultraschallschweißen und traditionellem Schweißen

In der Musical-Komödie „Victor Victoria“ von 1982 sang Julie Andrews am Ende der Pariser Kabarettshow ihrer Figur ein großes Profil. Sie stützte die Zettel ab, und die Sektgläser im ganzen Raum zerbrachen. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie hohe oder hochfrequente Töne Materialien trennen. Aber wussten Sie, dass Sie mit hochfrequentem Schall Materialien miteinander verbinden können? Ultraschallschweißtechnik wird in vielen Branchen zur Montage von Produkten eingesetzt – von medizinischen Geräten über Sportschuhe bis hin zu Autos.

Das Obermaterial dieses New Balance Sneakers wird durch Ultraschallschweißen anstelle traditioneller Nähmethoden zusammengefügt

Im Allgemeinen können Sie verwenden Verschlusss wie Nägel, Schrauben oder Gewinde zum Verkleben des Materials. Dies gilt für Metall, Holz, Stoff und Kunststoff. Für viele Kunststoffe wird Leim verwendet. Der Kleber bildet eine chemische Verbindung zwischen dem Kleber selbst und der Oberfläche des Kunststoffmaterials. Metalle können durch Erhitzen anderer Metalle als Klebstoffe zusammengehalten werden, wie z. B. Bleilot in elektrischen Verbindungen. Alternativ kann das Metall direkt geschmolzen (verschweißt) werden; oder das Metall kann direkt geschmolzen werden. Sobald die Oberfläche des geschmolzenen Metalls abgekühlt ist, wird das Metall zusammenkleben. Das Schweißen erfordert normalerweise eine offene Flamme oder einen Brenner, um die hohen Temperaturen zu erreichen, die zum Zusammenschmelzen der Metalloberflächen erforderlich sind. Daher kann dies für einige Fertigungsaufgaben ein teurer Prozess sein.

In den 1940er Jahren wurde ein neues, kostengünstigeres Schweißverfahren eingeführt. Die Ultraschallschweißtechnologie verwendet hochfrequente Schallwellen und Druck, um Metalle miteinander zu verbinden, und benötigt weniger Energie als herkömmliches Schweißen. Ultraschall-Metallschweißen wurde in den 1950er bis 1990er Jahren entwickelt, weil die in den Geräten verwendete elektronische Ausrüstung immer komplexer wurde und Computer den Prozess steuern konnten. Seitdem wird diese Technologie im Bereich der Kunststoffe wirklich angewendet.

In diesem Artikel untersuchen wir die Ausrüstung und den physikalischen Prozess des Ultraschallschweißens, wie New Balance damit Sportschuhe herstellt und die Vor- und Nachteile der Technologie. Schauen wir uns zunächst einmal genauer an, wie Schallwellen Materialien wie Metall und Kunststoff kombinieren.

1. Ultraschallschweißen und Reibung

Schema des Ultraschallschweißmechanismus

Reiben Sie Ihre Hände schnell aneinander. Ist Ihnen etwas aufgefallen? Wärmen sie sich auf? Wenn Sie mit einem Hammer schnell und wiederholt auf die Metalloberfläche schlagen, werden Sie feststellen, dass auch die Stelle, an der der Hammer auf das Metall trifft, heiß wird. In beiden Beispielen wird die Wärme durch Reibung verursacht. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden Ihre Hand reiben oder tausendmal pro Sekunde auf den Hammer schlagen. Die entstehende Reibungswärme kann die Temperatur in kürzester Zeit deutlich erhöhen. Grundsätzlich verursacht hochfrequenter Schall (Ultraschall) schnelle Schwingungen im Schweißgut. Durch Vibrationen reiben Materialien aneinander und Reibung erhöht die Temperatur der Kontaktfläche. Diese schnelle Reibungswärme schafft Bedingungen für die Verbindung der Materialien.

Ultraschallschweißgeräte bestehen aus vier Hauptteilen. Das Netzteil wandelt niederfrequenten Strom (50-60 Hz) in hochfrequenten Strom (20-40 kHz; 1 kHz = 1000 Hz) um. Als nächstes wandelt der Wandler oder Wandler hochfrequenten Strom in hochfrequenten Schall (Ultraschall) um. Der Booster erhöht die Ultraschallschwingung. Schließlich fokussiert das Horn oder der Ultraschallgenerator die Ultraschallschwingung und überträgt sie auf das zu schweißende Material. Zusätzlich zu diesen Teilen gibt es einen Amboss, auf dem das Schweißmaterial gestapelt und fixiert wird. Es gibt auch Methoden zum Aufbringen von Kraft (normalerweise Luftdruck durch einen pneumatischen Kolben) während des Schweißprozesses, um das Material zusammenzuhalten.

Der Unterschied zwischen Ultraschallschweißen und traditionellem Schweißen

Welche Materialien und Branchen können also von diesem intelligenten Verfahren profitieren? Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen wird häufig bei der Herstellung von Elektronik, medizinischen Geräten und Automobilteilen eingesetzt. Ultraschallschweißen wird beispielsweise verwendet, um elektrische Verbindungen auf Computerplatinen herzustellen und elektronische Komponenten wie Transformatoren, Motoren und Kondensatoren zu montieren. Medizinische Geräte wie Katheter, Ventils werden auch Filter und Masken mittels Ultraschallschweißen montiert. Die Verpackungsindustrie nutzt diese Technologie zur Herstellung von Folien, zur Konfektionierung von Reagenzgläsern und Blisterverpackungen. Sogar die Ford Motor Company erforscht den Einsatz von Ultraschallschweißen zur Herstellung von Aluminiumchassis von Automobilen.

2. Ultraschallschweißen Schritt für Schritt

Ultraschallschweißprozessdiagramm

Der grundlegende Prozess des Ultraschallschweißens kann durch die folgenden Schritte beschrieben werden:

1. Legen Sie die zu schweißenden Teile in den Amboss oder die Vorrichtung.

2. Das Horn berührt die zu schweißenden Teile.

3. Üben Sie Druck aus, um das Horn in Kontakt mit dem Schweißmaterial zu halten und befestigen Sie es zusammen.

4. Das Horn sendet Ultraschallschwingungen aus, um das Material zu erhitzen. Die Vibration bewegt sich um weniger als einen Millimeter nach oben und unten bzw. nach links und rechts.

5. Diese Materialien werden zusammengeschweißt.

6. Der Schweißkopf wird eingefahren und das Schweißmaterial kann vom Amboss entnommen werden.

Schweißzeit, angelegter Druck und Temperatur werden vom Computer oder Mikroprozessor in der Schweißanlage gesteuert. Was beim Schweißen tatsächlich passiert, hängt von der Beschaffenheit des Materials ab. Bei Metallen werden Ultraschallschwingungen parallel zur Materialebene übertragen. Die Reibungswärme erhöht die Temperatur der Metalloberfläche auf etwa ein Drittel der Schmelztemperatur, schmilzt das Metall jedoch nicht. Stattdessen entfernt Hitze Metalloxide und dünne Filme von der Oberfläche. Dadurch können sich Metallatome zwischen den beiden Oberflächen bewegen und Bindungen bilden, die das Metall zusammenhalten.

Bei Kunststoffen ist die Schwingung senkrecht zur Materialebene und die Reibungswärme erhöht die Temperatur ausreichend, um den Kunststoff zu schmelzen. Kunststoffmoleküle vermischen sich und bilden Bindungen. Nach dem Abkühlen werden die Kunststoffoberflächen miteinander verschweißt. Die Schweißzeit kann variieren, aber die Schweißung kann in nur 0.25 Sekunden gebildet werden.

Zu den Faktoren, die beim Ultraschallschweißen variieren, gehören die Frequenz der Schallwelle (normalerweise 20, 30 oder 40 kHz), der Druck, der aufgebracht wird, um das Material zusammenzuhalten, und die Dauer der Ultraschallanwendung (ein Bruchteil einer Sekunde oder mehr). Eine Sekunde).

Die bisher beschriebenen Ultraschallschweißtechniken sind für ähnliche Materialien (Metalle, Kunststoffe) geeignet. Aber was ist mit unterschiedlichen Materialien? Lassen Sie uns dieses Problem lösen, indem wir uns ansehen, wie New Balance Ultraschallschweißen verwendet, um Sportschuhe zu montieren.

3, die Rolle des Ultraschallschweißens

Die Montage von Sportschuhen: Nachdem Sie den Hotmelt-Film auf das künstliche Wildleder aufgetragen haben, drücken Sie ihn

Schau dir ein Paar Turnschuhe an. Herkömmliche Schuhe können aus einem einzigen Material (z. B. Canvas oder Wildleder) bestehen, während viele Sportschuhe aus mehreren Materialien bestehen, z. B. aus leichten Kunststoffpolymeren, Wild- oder synthetischem Wildleder und Mesh. Diese Verbundmaterialien machen die Schuhe leicht, flexibel, langlebig und atmungsaktiv. Zum Beispiel hat ein Stil von New Balance Sneakers ein Obermaterial, das aus drei Teilen besteht.

1. Ein synthetisches Wildledermuster, das als Obermaterial bezeichnet wird – das Obermaterial macht den größten Teil des Obermaterials des Schuhs aus, einschließlich der Spitze des Schnürsenkels, der Zunge und der Augen.

2. Ein synthetisches Wildledermuster namens Sattelaugenreihe-Sattelaugenreihe enthält die oberen beiden Löcher, um die Schnürsenkel zu verstärken und den Verschleiß zu reduzieren.

3. Eine Lage Netzstoff – der Netzstoff umgibt den Fersenteil des Obermaterials und den oberen Teil der Öffnung um den Knöchel.

Aber wie setzt man diese Materialien zusammen? Am häufigsten nähen Schuhfirmen Materialien zusammen. Vor etwa zwei bis drei Jahren machte sich New Balance jedoch daran, den oberen Teil des Schuhoberteils ohne Nähte herzustellen. Nachdem sie mit Polymerklebefolien und Bügeleisen experimentiert hatten, schlugen sie eine Methode vor, um diesen Teil des Schuhs mithilfe von Ultraschallschweißen herzustellen.

Um den oberen Teil des Schuhs zu montieren, muss das Personal zunächst ein Stück künstliches Wildleder verwenden. Mit einer Eisenpresse haben sie eine dünne Schicht Hotmelt-Folie auf die Rückseite des Materials geklebt. Als nächstes drückt die Ultraschallschweißanordnung das gemusterte Obermaterial in das Wildledermaterial. In ähnlicher Weise drückte eine ähnliche Ultraschallschweißmaschine auch die sattelförmige Augenreihe aus einem anderen Stück künstlichen Wildleders. Die Form des Obermaterials ist aus dem Wildleder geschnitten. Die Sattelaugenreihe und das Netzmaterial werden per Ultraschall mit dem Schuhoberteil verschweißt. Bei diesen Verfahren schmilzt die Reibungswärme der Ultraschall-Schweißmaschine den Hotmelt-Film, wodurch die Sattelaugenreihe und das Netzmaterial mit dem Schaft verbunden werden. Anschließend wird das fertige Schuhoberteil geformt und mit einem wässrigen Lösungsmittel mit Sohle und Ferse verklebt.

Kenneth Straka (Kenneth Straka), leitender Produktentwickler von New Balance, sagte, dass das Ultraschallschweißverfahren die Produktivität durch Zeitersparnis erhöht. Ultraschallschweißgeräte leiten die Wärme nicht nur gleichmäßiger ab als Eisenpressen, sondern heizen und kühlen auch schneller ab. Daher erfordert der Montageprozess weniger Schritte und ist schneller als herkömmliche Nähmethoden.

Nachdem wir nun verstanden haben, wie das Ultraschallschweißen zum Verbinden verschiedener Materialien verwendet wird, wollen wir uns die Vor- und Nachteile dieser Technologie ansehen.

4, warum verwenden Sie die Ultraschallschweißmethode?

Montage von Sportschuhen: geklebtes synthetisches Wildleder

Gegenüber herkömmlichen Verfahren hat das Ultraschallschweißen viele Vorteile. Erstens wird im Vergleich zu anderen Verfahren bei niedrigen Temperaturen geschweißt. Daher müssen Hersteller nicht viel Kraftstoff oder andere Energie aufwenden, um hohe Temperaturen zu erreichen. Dadurch wird das Verfahren kostengünstiger. Es ist auch schneller und sicherer.

Dieser Vorgang dauert nur den Bruchteil einer Sekunde bis zu wenigen Sekunden. Daher kann es schneller abgeschlossen werden als andere Methoden. Tatsächlich kann es Kunststoffe schneller verkleben als Leim. Beispielsweise wird ein Transponderchip in einen neuen Smart Key in einem Auto eingebaut. Das Auto kann nur starten, nachdem der Chip erkannt wurde. Um den Schlüssel herzustellen, stecken Sie ein Ende des Metallschlüsselrohlings und den Chip in die Hälfte der Kunststoffoberseite. Die andere Hälfte darauf legen und auf die untere Hälfte kleben. Diese Verklebung erfolgt normalerweise mit Leim, der einige Zeit zum Aushärten benötigt. Ultraschallschweißen kann die gleiche Aufgabe in weniger als einer Sekunde erledigen.

Ultraschallschweißen erfordert keinen brennbaren Brennstoff und keine offenen Flammen und ist daher im Vergleich zu anderen Schweißverfahren ein sicherer Prozess. Arbeiter dürfen nicht mit entzündlichen Gasen oder giftigen Lösungsmitteln in Kontakt kommen. In elektronischen Produkten werden Kupferdrähte üblicherweise durch Lötzinn mit elektrischen Kontakten auf der Leiterplatte verbunden. Die Verwendung von Ultraschallschweißen kann die gleiche Aufgabe in kurzer Zeit erledigen, ohne dass die Arbeiter den Dämpfen des negativen Bleilots ausgesetzt werden. Obwohl die Exposition gegenüber hochfrequenten Geräuschen das Gehör der Arbeiter schädigen kann, kann diese potenzielle Gefahr leicht reduziert werden, indem das Ultraschallschweißgerät in einer Sicherheitsbox oder einem Käfig installiert und/oder Gehörschutz verwendet wird.

Schließlich ist das Ultraschallschweißen genauso stark und haltbar wie das traditionelle Schweißen desselben Materials – dies ist nur einer der Gründe, warum dieses Verfahren im Automobilbau eingesetzt wird. Um Autos leichter und kraftstoffsparender zu machen, verwenden Autohersteller Aluminium als Hauptgehäusemetall. Im Vergleich zum herkömmlichen Schweißen können mit dem Ultraschallschweißen Metalle in kürzerer Zeit und bei niedrigerer Temperatur verbunden werden.

Aber Ultraschallschweißen hat seine Grenzen. Erstens beträgt die Schweißtiefe weniger als einen Millimeter, daher eignet sich dieses Verfahren am besten für dünne Materialien wie Kunststoffe, Metalldrähte oder Bleche. Es ist unpraktisch, Stahlträger von Gebäuden mit Ultraschall zu schweißen. Zweitens funktioniert es am besten beim Schweißen ähnlicher Materialien (z. B. ähnlicher Kunststoffe oder ähnlicher Metalle). Wie Sie bei New Balance-Schuhen sehen können, erfordert das Ultraschallschweißen unterschiedlicher Materialien zusätzliches Material – bei New Balance-Schuhen ist dies eine Folie, die zwischen dem künstlichen Wildleder und dem Netz geklebt werden kann.

Trotz dieser Einschränkungen wächst die Popularität und das Potenzial des Ultraschallschweißens immer noch.

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