Ultrasoon lassen, of USW, is een lastechniek die gebruik maakt van mechanische trillingen boven het hoorbare bereik. Het proces wordt bereikt door hoogfrequente elektrische energie om te zetten in hoge mechanische beweging. De mechanische bewegingen die samen met kracht worden uitgeoefend, wekken wrijvingswarmte op in de buurt van de kunststof verbinding. Dit doet het kunststof materiaal smelten, waardoor een moleculaire verbinding tussen de delen ontstaat. Deze techniek is snel, economisch, gemakkelijk te automatiseren, en zeer geschikt voor massalassen van thermoplastische materialen.
De grondbeginselen van ultrasoon lassen
Het proces gebruikt een hoge frequentie van ultrasone trillingen, meestal rond 20 kHz tot 40 kHz, om twee plastic stukken aan elkaar te lassen. De te lassen kunststof delen worden gewoonlijk tussen het aambeeld en de sonotrode geplaatst. Deze delen zijn meestal van aluminium of titanium. Bij het lassen is de sonotrode verbonden met een omvormer, waardoor akoestische trillingen worden uitgezonden. Deze trillingen stromen dan van de omvormer via de sonotrode op de te lassen delen, met hoge frequenties van 16 kHz tot 75 kHz.
De belangrijkste onderdelen van ultrasoon lassen
Machine pers
De machine pers wordt gebruikt om het lassysteem vast te houden en kracht uit te oefenen op de werkstukken. Hij bestaat uit een grondplaat die gebruikt wordt om de koelmal vast te houden en een pneumatische cilinder om de druk te bepalen. De machine pers heeft ook een drukmeter en een regelaar om de laskracht in te stellen. De werking van de manometers varieert met de laskracht van de machine. Om de laskrachten van een machine nauwkeurig te vergelijken moet je de laskracht ervan ijken met een plaatselijke cel.
Generator
De generator van de ultrasone machine zet de elektrische stroom van de eenfasige hoofdbron om in de vereiste spanning en frequentie. De omvormer zet dan de elektrische energie om in mechanische trillingen die voor het lassen gebruikt worden. De microprocessor eenheid van de generator stuurt de lascyclus aan en verschaft de lasser via de gebruikersinterface belangrijke lascommunicatie. De gebruikersinterface is ook van nut om een operator in staat te stellen de vereiste lasparameters in te toetsen.
Lassentafel
Dit is de belangrijkste sectie in de lasmachine die verantwoordelijk is voor de ultrasone machinetrillingen. De lasstapel bestaat uit drie delen, de transducer, de booster, en de lashoorn. Al deze drie delen zijn op de lasmachine pers gemonteerd op het centrale punt van de booster. De lasstapel is gewoonlijk een afgestemde resonator voor een optimale werking. De frequentie van de lasstapel moet nauw aansluiten bij die van het elektrische signaal van de generator voor kwaliteitsresultaten.
Omvormer
Een omvormer, ook wel convertor genoemd, wordt gebruikt om de elektrische energie van de generator om te zetten in mechanische trillingen die bij het lassen gebruikt worden. De omvormer bestaat uit verscheidene piëzo-elektrische keramische schijven die ingeklemd zijn tussen twee titanium metalen blokken. Tussen de schijven zit een dunne metalen plaat die als elektrode fungeert.
Versterker
Dit gedeelte dient twee hoofddoelen: het versterkt de mechanische trillingen die aan de tip van de transducer worden opgewekt en stuurt ze door naar de lashoorn. De andere functie is dat hij als basis dient om de stapel op de laspers te monteren. Telkens wanneer de energie van de transducer de booster bereikt, doet hij hem uitzetten en inkrimpen om de trillingen te versterken.
Lashoorn
De lashoorn is behulpzaam bij het overbrengen van energie naar de werkstukken die gelast worden. De lashoorn is ook een gestemd apparaat dat mechanische versterking geeft aan de ultrasone machine. Deze onderdelen zijn gemaakt van aluminium of titanium. Aluminium is echter alleen bruikbaar in toepassingen met kleine aantallen omdat het snel slijt, wat tot vervorming van de lassen leidt. Om de slijtage van de hoorns tegen te gaan, worden de meeste met geharde punten geleverd.
Ondersteunend gereedschap
De basis van de machine pers wordt gebruikt om het gereedschap te ondersteunen dat de werkstukken bij het lassen ondersteunt. De ondersteunende gereedschappen zijn ontworpen om de onderste werkstukken stevig vast te houden terwijl de ultrasone druk wordt uitgeoefend. De ondersteunende gereedschappen zijn ook zo ontworpen dat ze passen bij de contouren van de werkstukken.
Toepassingen van ultrasoon lassen
Ultrasoon lassen wordt in vele industrieën op grote schaal gebruikt omdat het kwaliteitslassen kan maken zonder direct hitte toe te passen. Hier volgt een overzicht van de toepassingen van ultrasoon lassen.
Ruimtevaart en auto-industrie
In de auto-industrie wordt ultrasoon lassen gebruikt om grote kunststoffen en elektrische onderdelen samen te voegen. Deze onderdelen zijn onder meer deurpanelen, instrumentenpanelen, stuurwielen, luchtkanalen, bekleding, en motoronderdelen. In deze industrie verkiezen lassers het ultrasoon lassen wegens de lage kapitaalkosten, de flexibiliteit, de lage cyclustijden en de automatisering. De methode beschadigt ook het oppervlaktemeubilair niet. Dit komt doordat de hoogfrequente trillingen de vorming van sporen op de gemaakte delen verhinderen.
In de lucht- en ruimtevaart wordt ultrasoon lassen gebruikt om peilmetalen en andere lichte vliegtuigonderdelen, zoals de lampen, samen te voegen. Ultrasoon lassen is ook nuttig bij het lassen van aluminium, dat veel gebruikt wordt bij de fabricage van verschillende onderdelen van een vliegtuig.
Computer en elektrische industrie
Ultrasoon lassen wordt in de computerindustrie gebruikt om bedradingverbindingen samen te voegen tot kleine en delicate schakelingen. De methode wordt ook gebruikt om knooppunten van draadbomen, die gebruikt worden bij de verdeling van elektrische stroom en signalen, te zekeren. Ultrasoon lassen is ook behulpzaam bij het samenstellen van transformatoren, elektromotoren, condensatoren, en veldspoelen.
Ultrasoon lassen wordt gebruikt bij de assemblage van opslagmedia zoals flash drives en computerschijven, vanwege de grote hoeveelheden die nodig zijn. De cyclustijd van een ultrasoon gelaste computerschijf is geschat op minder dan 300 milliseconden.
De methode wordt toegepast bij onderzoek en experimenten gericht op microschakelingen. De bindingen die bij dit proces ontstaan zijn betrouwbaar en voorkomen onzuiverheden of thermische vervorming op de componenten. De methode is ook toepasbaar bij het lijmen van draden, linten en chips bij de produktie van microschakelingen.
Medische Industrie
Ultrasoon lassen wordt in de medische industrie gebruikt omdat het degradatie van de lassen voorkomt. Daarom wordt de methode gebruikt bij de fabricage van gespecialiseerde machines die gebruikt worden voor het schoonmaken van kamers. De automatisering van het ultrasoon lassen biedt strikte controle over de maattoleranties die de biocompatibiliteit van de lasdelen verhinderen. Dit verlaagt de productiekosten zonder afbreuk te doen aan de kwaliteit van de onderdelen.
Ultrasoon lassen wordt gebruikt voor de fabricage van medische voorwerpen zoals intraveneuze spiesen of filters, gezichtsmaskers, bloed- en gasfilters, dialyseslangen, cardiometrie reservoirs, arteriële en anesthesiefilters. De methode is ook behulpzaam bij de fabricage van medisch textiel zoals transdermale pleisters, weefsels voor reiniging, steriele kledingstukken, en ziekenhuisjassen. Ultrasoon lassen is efficiënt in het naaien van medisch textiel omdat het besmetting voorkomt en het risico van infecties vermindert.
Verpakkingsindustrie
In de verpakkingsindustrie wordt ultrasoon lassen vaak gebruikt bij het maken, verpakken en verzegelen van blisterverpakkingen, tubes, en containers. De methode is ook van cruciaal belang bij het verpakken van gevaarlijke materialen die hermetisch afgesloten moeten worden en niet aan hoge temperaturen blootgesteld kunnen worden. Tot deze voorwerpen behoren vuurwerk, explosieve en reactieve chemicaliën zoals kalium. Ultrasoon lassen wordt ook gebruikt bij het verpakken van munitie en drijfgassen. Van deze verpakkingen is bekend dat ze druk en spanning kunnen weerstaan en zo de consument beschermen tegen onnodige ongelukken bij het aanbrengen.
Ook de levensmiddelenindustrie gebruikt ultrasoon lassen voor het verpakken omdat het snel is en er hermetische verzegelingen mee gemaakt kunnen worden. Papieren zegels die voor verpakking gebruikt worden, worden gewoonlijk bekleed met plastic materiaal zoals polypropyleen voordat ze met ultrasoon lassen versmolten worden om een luchtdichte afsluiting te maken. Ultrasoon lassen wordt ook gebruikt om levensmiddelen te verzegelen, zoals diepvriesverpakkingen, drankverpakkingen, en wikkels voor snoeprepen.
De voordelen van ultrasoon lassen
Ultrasoon lassen heeft zijn relevantie gevonden in de meeste industrieën en toepassingen, omdat het zich goed laat mengen met thermoplasten en andere lasmaterialen zoals polypropyleen. Hier zijn enkele voordelen van ultrasoon lassen:
De snelheid
Ultrasoon lassen maakt gebruik van de transmissie van hoogfrequente ultrasone akoestische trillingen om te verhitten, te lassen en te koelen. Al deze processen verlopen heel snel en stellen je in staat om binnen enkele minuten meer producten te lassen. Je ervaart een hoge verwerkingscapaciteit en korte doorlooptijden als je ultrasoon lassen gebruikt.
Ongeëvenaarde veiligheid
Het is heel veilig om met de ultrasone lastechniek te lassen. De procedure gebruikt zeer gerichte energie, en dit vermindert verwondingen bij de lassers. De hitte die tijdens het lassen wordt geproduceerd is plaatselijk, minimaal, en wordt snel afgevoerd naar de vereiste lasverbindingen en materialen. Dit proces veroorzaakt geen schade aan de lasnaden en de omgeving.
Betrouwbaarheid
Ultrasone machines en apparatuur staan bekend als duurzaam. Als ze eenmaal in elkaar gezet en getest zijn, kun je massa-lassen doen met minimale defecten en storingen. Afhankelijk van je lasproject kun je het proces automatiseren om menselijke tussenkomst te verminderen. Dit vermindert de werkingskosten en verhoogt de kwaliteit van de lassen.
Flexibiliteit
Je kunt ultrasone lastechnieken gebruiken om verschillende materialen te lassen. Of je nu thermoplasten of metalen wilt lassen, je kunt de methode gebruiken zonder bang te hoeven zijn voor ongelijkmatige verbindingen. De techniek geniet ruime voorkeur voor het lassen van ongelijksoortige materialen.
Minimale materiaalkosten
Omdat het proces snel gaat, kost het minder tijd, geld en middelen om een lasproject te voltooien. Het lasproces vereist geen verbindingsbouten, soldeer, en hechtmiddelen. Als zodanig realiseer je veel besparingen in materiaalkosten. Met hoge precisies geeft ultrasoon lassen je een gladde afwerking met minimale verspilling.
Verbindingskwaliteit
De precisie bij ultrasoon lassen garandeert verbindingen van hoge kwaliteit. Deze verbindingen vertonen geen plastische flitsen, vervormingen, of fouten. Het resultaat is een schone en bijna onzichtbare naad die nul retouches nodig heeft.
De nadelen van ultrasoon lassen
Hoewel ultrasoon lassen zijn voordelen heeft, heeft het ook nadelen die de doeltreffendheid van een lasproject kunnen belemmeren. Hieronder staan enkele van de nadelen van de methode:
Beperkt materiaal
Hoewel ultrasoon lassen soepel en effectief is voor de meeste materialen, werkt het niet goed met bepaalde thermoplasten. Als je van plan bent thermoplasten met een hoog vochtgehalte te gebruiken, wordt ultrasoon lassen ondoeltreffend. De techniek is ook niet bruikbaar bij het lassen van harde en sterke thermoplasten zoals polypropyleen.
Beperkt de afmetingen
Hoewel de techniek bruikbaar is voor een groot aantal metalen, kan ze niet gebruikt worden voor producten met verbindingen groter dan 150 mm, omdat het vermogen van de transducer tussen 100-150 mm ligt. Ook het lassen van dikkere materialen zoals polypropyleen vormt een uitdaging omdat ze veel energie nodig hebben om de moleculaire bindingen te verbreken.
Een hoge initiële investering
Basis uitrusting en gereedschap voor ultrasoon lassen zijn kostbaar. De prijzen stijgen nog verder voor de geautomatiseerde ultrasone lasmachines.
Beperkt de soorten verbindingen
Ultrasoon lassen kan alleen gebruikt worden voor overlapverbindingen. Deze verbindingen overlappen elkaar met behulp van een vlak oppervlak. De techniek is ongeschikt voor lasverbindingen zoals een hoek-, stoot-, T-, en randverbinding.
Doorlooptijd
Ultrasoon lassen vereist een reeks van apparatuur, gereedschap en processen om te lassen. Een ander onderdeel of uitrusting aan het proces toevoegen zal zich vertalen in een totale verlenging van de doorlooptijd. Extra gereedschap of uitrusting vereisen een op maat gemaakte gereedschapsopstelling.
Veelgestelde vragen
Wat is de Minimum Frequentie die ik bij Ultrasoon Lassen kan gebruiken?
De minimale frequentie die bij ultrasoon lassen nodig is, is 20.000 Hz.
Hoe verbreek je een ultrasone las?
Je kunt breken door vanuit de tegenoverliggende hoeken in de las te knijpen om hem langs de gelaste lijnen te kraken en open te maken. Dit proces is meestal lastig door de moleculaire bindingen die door het lassen ontstaan. Je kunt de las ook kraken door er met een hamer op te meppen.
Welke elektronische componenten zijn het meest gevoelig voor schade door ultrasoon lassen, en waarom?
Bij het lassen met de ultrasone methode trillen meestal de bovenste delen die met de sonotrode verbonden zijn. Als andere elektronische componenten mechanisch aan de trillende delen bevestigd zijn, zal het trillingspatroon veranderen en de lassen beschadigen. De schade zal zich waarschijnlijk voordoen op plaatsen met hoge spanningsconcentraties, zoals die met kleine dwarsdoorsnede of die met scherpe hoeken. Om dit probleem gemakkelijk op te lossen, isoleer je de elektrische onderdelen van het bovenste deel van de trillende delen van de assemblage.
Wat is de juiste lasspleet voor het ultrasoon lassen van polycarbonaat?
Een lasspleet is het verschil in hoogte tussen het lasmateriaal en de uiteindelijke lasnaden. Lassers geven meestal een geschatte lasspleet van ongeveer 0.025 mm om de smeltlaag op te vangen. Je kunt deze spleet echter controleren door een energiedirector op de te ultrasonisch lassen delen aan te brengen. De functie van de energiedirector is het regelen van het vermogen dat nodig is om de lassen te maken en vorm te geven.
Wanneer je het lasproces met energiedirectors opzet, zorg er dan voor dat ze bij het lassen niet volledig gesmolten zijn. Een volledig smelten van deze energieregisseurs zal het gesmolten materiaal uit de verbinding doen vloeien, wat leidt tot een flash die de verbindingen van de las verzwakt.
Om een perfecte precisie te bereiken moet je een ultrasoon machine kiezen die tot op de precieze afstand kan lassen, terwijl de uiteindelijke lengte van de las automatisch wordt bepaald. Het gebruik van een kleine energiedirector is ook een perfect alternatief, omdat die vergroot kan worden als de behoefte zich voordoet.