Tworzywa sztuczne są szeroko stosowane w urządzeniach medycznych, samochodach i produktach codziennego użytku ze względu na ich liczne zalety, w tym lekkość, dobrą odporność na uderzenia, dobrą przezroczystość, dobrą izolację, dobrą plastyczność, dobrą zdolność barwienia i niskie koszty przetwarzania. Odkąd pierwsi ludzie próbowali przyczepiać włócznie do gałęzi, montaż był kluczowym obszarem ludzkich wysiłków, a ostateczne działanie części z tworzyw sztucznych w dużej mierze zależy od metod łączenia między nimi. Naukowcy i pokrewni inżynierowie opracowali wiele różnych metod łączenia tworzyw sztucznych w wyniku długoterminowych-badań i praktyki.
Artykuł ten stanowi krótkie wprowadzenie do technologii połączeń z tworzyw sztucznych, mając nadzieję, że będzie stanowić odniesienie dla projektantów z pokrewnych dziedzin przy wyborze metod połączeń z tworzyw sztucznych.
1. Klejenie
Klejenie odnosi się do techniki łączenia ze sobą powierzchni obiektów jednorodnych lub niejednorodnych za pomocą klejów. Kleje to substancje naturalne lub syntetyczne, organiczne lub nieorganiczne, które mogą łączyć ze sobą dwie lub więcej części lub materiałów poprzez przyczepność i spójność międzyfazową. Nazywa się je zbiorczo klejami, środkami wiążącymi i powszechnie określa się je skrótem klej. Krótko mówiąc, kleje to substancje, które łączą materiały poprzez wiązanie.
2. Wiązanie rozpuszczalnikowe
Odnosi się to do procesu, w którym rozpuszczalnik rozpuszcza powierzchnię plastiku, powodując wymieszanie materiałów. Po odparowaniu rozpuszczalnika tworzy się spoina.
3. Klejenie elementów złącznych
Łączenie elementów złącznych oznacza użycie elementów złącznych do łączenia części z tworzyw sztucznych, w tym elementów złącznych-na wcisk,-wkrętów samogwintujących i śrub. Łączniki pasowane-na wcisk zwykle łączą części z tworzyw sztucznych, tworząc pasowanie wciskowe pomiędzy występem na ich trzpieniu a otworem w plastiku. Wkręty-samogwintujące wykorzystują-gwinty samogwintujące do łączenia bez wiercenia otworu.
4. Klejenie zawiasów
Zawiasy plastikowe można podzielić na trzy typy: jedno-jednoczęściowe zawiasy zintegrowane, dwu-zintegrowane zawiasy i wieloczęściowe-zawiasy kombinowane. Jedno-jednoczęściowe zintegrowane zawiasy powstają poprzez formowanie dwóch części w jedną całość, bez konieczności stosowania dodatkowych elementów. Dwuczęściowe-zintegrowane zawiasy powstają poprzez formowanie dwóch oddzielnych części z tworzywa sztucznego, a następnie łączenie ich ze sobą. Wieloczęściowe zawiasy kombinowane, oprócz produkcji dwóch oddzielnych części z tworzywa sztucznego, wymagają dodatkowych elementów, takich jak pręty lub metalowe części zawiasów. Do jego zalet należy powtarzalność otwierania i zamykania, a zintegrowane zawiasy są zwykle projektowane wewnątrz lub w pobliżu wnętrza skrzynki, co zmniejsza całkowity rozmiar części. Wady obejmują wysokie wymagania dotyczące precyzji formowania, ogólnie złożone formy i potrzebę szerokiego doświadczenia rozwojowego w racjonalnym projektowaniu ruchomego zawiasu.
5. Włóż listwę
Formowanie wkładkowe odnosi się do procesu formowania, podczas którego-wcześniej przygotowana wkładka z innego materiału jest wkładana do formy wtryskowej, a następnie następuje wtrysk żywicy. Stopiony materiał wiąże się z wkładką i zestala, tworząc-jednoczęściowy produkt. Wkładki gwintowane to podstawowa metoda tworzenia gwintów w częściach z tworzyw sztucznych, zapewniająca lepszą wytrzymałość połączenia niż-gwinty samogwintujące. Wkładki nie ograniczają się do metalu; mogą być również wykonane z tkaniny, papieru, drutu, plastiku, szkła, drewna, cewek, elementów elektrycznych i innych. Formowanie wtryskowe wykorzystuje połączenie właściwości izolacyjnych żywicy i właściwości przewodzących metalu w celu stworzenia formowanych produktów spełniających podstawowe funkcje produktów elektrycznych. Dekoracja w-formie (IMD) to popularna międzynarodowa technologia dekoracji powierzchni. Jest szeroko stosowany w dekoracyjnych i funkcjonalnych panelach sterowania sprzętu gospodarstwa domowego, deskach rozdzielczych samochodów, panelach klimatyzacji, obudowach/obiektywach telefonów komórkowych, pralkach, lodówkach i innych. IMD polega na umieszczeniu-wstępnie zadrukowanego arkusza dekoracyjnego w formie wtryskowej, a następnie wstrzyknięciu żywicy na tylną stronę arkusza, co pozwala żywicy związać się z arkuszem i utwardzić.
Główną zaletą formowania wtryskowego jest połączenie łatwości formowania i elastyczności żywicy ze sztywnością, wytrzymałością i odpornością na ciepło metalu, co pozwala na solidne tworzenie złożonych i skomplikowanych zintegrowanych produktów metalowych-z tworzyw sztucznych.
6. Formowanie-wieloczęściowe
Formowanie-wieloczęściowe, zwane także formowaniem wtryskowym-dwukolorowym, odnosi się do metody formowania, która polega na wtryskiwaniu dwóch różnych kolorowych tworzyw sztucznych do tej samej formy. Pozwala na użycie dwóch różnych kolorów uformowanej części i umożliwia tworzenie regularnych wzorów lub nieregularnych wzorów-podobnych do chmur, poprawiając zarówno praktyczność, jak i estetykę części.
Poniższy diagram ilustruje zasadę dwukolorowego formowania wtryskowego. Wykorzystuje dwie beczki, każda o tej samej konstrukcji i działaniu, co standardowa beczka do formowania wtryskowego. Każda beczka ma swój własny kanał łączący się z dyszą, a w kanale dyszy zainstalowany jest zawór włączający/wyłączający. Podczas formowania, po uplastycznieniu stopionego materiału w cylindrze, zawór włączający/wyłączający kontroluje kolejność, w jakiej stopiony materiał wpływa do dyszy oraz ilość odprowadzanego materiału, zanim zostanie on wtryśnięty do gniazda formy. W rezultacie powstają różne produkty z tworzyw sztucznych o różnych efektach mieszania kolorów.
7. Formowane połączenia gwintowe
Formowane połączenia gwintowe odnoszą się do bezpośredniego formowania gwintów na częściach z tworzywa sztucznego podczas projektowania formy wtryskowej, uzyskując w ten sposób połączenia z innymi gwintami o tym samym profilu zęba, średnicy nominalnej i innych parametrach.
Gwinty w wyrobach z tworzyw sztucznych dzielą się na gwinty zewnętrzne i gwinty wewnętrzne. Gwinty zewnętrzne są zwykle demontowane za pomocą suwaka, natomiast gwinty wewnętrzne są demontowane za pomocą połączenia gwintowego. Gwinty zewnętrzne mają prostszą konstrukcję, ale po uformowaniu na wyrobie z tworzywa sztucznego pozostają linie podziału. Jeśli linie podziału są oczywiste, będą miały wpływ na wygląd produktu i dopasowanie gwintów. Zasada jest taka, że nachylony słupek prowadzący rozsuwa się, a następnie kołek wypychający wypycha produkt na zewnątrz. Formy z gwintem wewnętrznym można dalej podzielić na: 1. Strukturę z wymuszonym gwintowaniem (nie-obrotowym). 2. Nie-wymuszonym gwintowaniem (obrotowy). Obecnie gwinty formowane są stosowane głównie w produkcji zakrętek do butelek.
8. Stukanie w połączenie gwintowe
Połączenie gwintu z tworzywa sztucznego oznacza wiercenie otworów w części z tworzywa sztucznego, a następnie gwintowanie w celu utworzenia gwintu, który następnie łączy się z innymi częściami. Metoda ta jest podobna do tej stosowanej w przypadku części metalowych.
Jego zaletami są: proces ten nie ma wymagań co do kształtu części z tworzywa sztucznego, a precyzyjne otwory pozycjonujące można uzyskać za pomocą precyzyjnych narzędzi mechanicznych.
9. Dopasowanie ciśnieniowe
Pasowanie wciskowe, znane również jako pasowanie wciskowe, pasowanie wciskowe i pasowanie skurczowe, obejmuje montaż wału i otworu z pasowaniem wciskowym pod pewnym ciśnieniem. Alternatywnie, otwór można powiększyć poprzez jego podgrzanie lub wał można zmniejszyć poprzez jego ochłodzenie. Po złożeniu obie części powracają do tej samej temperatury, co powoduje pasowanie z wciskiem. Wykorzystuje elastyczne odkształcenie otworu i wału w połączonych częściach z tworzywa sztucznego, aby przenieść określony moment obrotowy lub siłę osiową po montażu. Połączenie. 10. zatrzaskowe-pasowane
Połączenia zatrzaskowe-to mechanizmy stosowane do blokowania lub blokowania jednej części z drugą, zwykle używane do łączenia części z tworzyw sztucznych. Materiałem jest zwykle elastyczny plastik. Największą zaletą połączeń zatrzaskowych-fit jest łatwość montażu i demontażu, umożliwiająca demontaż-bez użycia narzędzi.
Ogólnie rzecz biorąc, zatrzask-składa się z elementu pozycjonującego i zapięcia. Element pozycjonujący prowadzi zatrzask-do pozycji montażowej płynnie, prawidłowo i szybko. Zapięcie mocuje zatrzask-do podstawy i zapobiega jej wypadaniu podczas użytkowania. W zależności od zastosowania i wymagań elementy złączne dzielą się na elementy złączne rozłączne i nierozłączne. Odłączane elementy złączne są zwykle zaprojektowane w taki sposób, że zatrzask-rozłącza się pod wpływem określonej siły rozdzielającej, oddzielając dwie łączące części. Te zatrzaski-są często używane do łączenia dwóch części, które trzeba często demontować. Nierozłączne elementy mocujące wymagają ręcznego przechylania w celu oddzielenia dwóch części i są najczęściej używane do łączenia i zabezpieczania części, których nie trzeba demontować podczas użytkowania.
11. Nitowanie tworzyw sztucznych
Nitowanie to proces stosowany szczególnie w celu łączenia części wykonanych z różnych materiałów (np. tworzyw sztucznych i metalu). Jedna część ma nit, który wchodzi w otwór w innej części. Nit jest następnie odkształcany pod wpływem zimnego płynięcia lub topienia tworzywa sztucznego, tworząc łeb nitu, który mechanicznie łączy ze sobą obie części. Zmieniając konstrukcję głowicy spawalniczej, można uzyskać różne konstrukcje łbów nitów.
Nitowanie na zimno: Podczas nitowania na zimno nit ulega odkształceniu pod wysokim ciśnieniem. Płynięcie na zimno powoduje duże naprężenia w obszarze nitu, dlatego nadaje się tylko do tworzyw sztucznych o dobrej ciągliwości.
Nitowanie na gorąco: Podczas nitowania na gorąco głowica spawalnicza nagrzewa się poprzez ściskanie, więc do uformowania łba nitu na nitie potrzebny jest mniejszy nacisk, a w łbie nitu powstają mniejsze naprężenia szczątkowe. Można go stosować do znacznie szerszej gamy materiałów termoplastycznych niż nitowanie na zimno, w tym do materiałów-wypełnianych szkłem. Jakość złącza zależy od kontroli parametrów procesu: temperatury, ciśnienia i czasu.
Nitowanie gorącym gazem: Podczas nitowania gorącym gazem nit jest podgrzewany przez strumień przegrzanego powietrza, a ciepło jest przenoszone przez rury powietrzne wokół nitu. Następnie opuszczana jest niezależna głowica do spawania na zimno w celu dociśnięcia nitu.
Nitowanie ultradźwiękowe: Podczas nitowania ultradźwiękowego energia ultradźwiękowa wytwarzana przez głowicę spawalniczą topi nit. Podczas ciągłego nacisku głowicy zgrzewającej stopiony materiał nitu wpływa do wnęki wewnątrz głowicy zgrzewającej, tworząc pożądany kształt łba nitu.
Proces spawania części z tworzyw sztucznych
Zasada spawania jest taka sama: po pierwsze, współpracujące powierzchnie dwóch spawanych części z tworzywa sztucznego są podgrzewane do stopienia; następnie zwiększa się nacisk współpracujący na powierzchnie zgrzewane i ciśnienie to utrzymuje się przez pewien czas, aż powierzchnie zgrzewane stwardnieją, co wskazuje na pomyślne zgrzewanie.
12. Spawanie indukcyjne
Wykorzystuje się tu głównie sprzęt-o wysokiej częstotliwości z prostowaniem-wysokiego napięcia w celu wygenerowania pola elektrycznego prądu fali elektromagnetycznej poprzez chwilowe oscylacje lampy elektronowej-o wysokiej częstotliwości. Wewnętrzne cząsteczki przetworzonego PVC, TPU, EVA, PET i innych materiałów z tworzyw sztucznych generują spolaryzowane tarcie i ciepło w polu elektrycznym fali elektromagnetycznej. W połączeniu z pewnym ciśnieniem pozwala to uzyskać efekt stapiania produktów z tworzyw sztucznych, które mają być-zgrzewane na gorąco.
13. Spawanie rotacyjne
Obrotowe zgrzewarki tarciowe są zwykle używane do spawania dwóch okrągłych elementów termoplastycznych. Podczas spawania jeden przedmiot jest mocowany na formie podstawowej, a drugi obraca się po powierzchni nieruchomego przedmiotu. Ze względu na ciśnienie działające na dwa przedmioty obrabiane, ciepło wytwarzane w wyniku tarcia pomiędzy przedmiotami topi powierzchnie stykowe, tworząc solidne i szczelne połączenie. Pozycjonowanie spawania obrotowego polega na obracaniu się przez zadany czas, a następnie chwilowym zatrzymaniu w zadanej pozycji, co skutkuje trwałym zgrzaniem.
14. Spawanie gorącą płytą
Spawanie płytą grzejną polega na umieszczeniu krawędzi dwóch łączonych części z tworzywa sztucznego na-sterowanej termostatem płycie grzejnej i podgrzewaniu ich do momentu stopienia powierzchni. Następnie za pomocą niewielkiej siły dociska się zmiękczone powierzchnie do siebie, aby uzyskać połączenie (patrz rysunek). Inny powszechnie stosowany proces zgrzewania za pomocą gorącej płyty polega na ułożeniu w stos dwóch łączonych części, użyciu elementów grzejnych do podgrzania płyty zgrzewającej, opuszczeniu jej do górnej części dwóch części i wywarciu nacisku na płytę zgrzewającą. Płyta zgrzewająca topi obszar styku dwóch części, a następnie zestala się, łącząc je ze sobą. Proces ten stosowany jest głównie do uszczelniania i łączenia folii z żywicy polimerowej i części z tworzyw sztucznych.
15. Spawanie gorącym gazem
Istnieją trzy metody spawania gorącym gazem: zgrzewanie punktowe, trwałe spawanie gorącym gazem i zgrzewanie ekstruzyjne. Ich podstawowa zasada jest taka sama: powietrze wytwarzane przez silnik odprowadza ciepło wytwarzane przez drut grzejny, tworząc przepływające gorące powietrze, które podgrzewa dwie części z tworzywa sztucznego przeznaczone do zespawania za pomocą pręta spawalniczego do stanu stopionego, łącząc je w ten sposób i osiągając cel spawania. Zgrzewanie punktowe służy do łączenia części przed trwałym spawaniem.
Zgrzewanie punktowe to tymczasowy proces spawania, który nie wymaga prętów spawalniczych, ale wymaga dyszy do zgrzewania punktowego.
Spawanie trwałe wykorzystuje pręty spawalnicze z tego samego materiału, co spawane części. Dysza spawalnicza porusza się szybko tam i z powrotem w kształcie wachlarza po obszarze spawania, aż rowek V- i pręt spawalniczy zmiękną na tyle, aby umożliwić spawanie. Zazwyczaj do ich dociskania stosuje się gorący wałek. Spawanie ekstruzyjne odnosi się do procesu, w którym żywica wypełniająca, podawana z lejka w postaci granulatu lub w postaci prętów spawalniczych na cylindrze, jest wytłaczana z wytłaczarki jednoślimakowej napędzanej silnikiem elektrycznym. Ogrzewanie odbywa się za pomocą cewek grzejnych lub gorącego gazu, a powierzchnie spajające są wstępnie podgrzewane gorącym gazem podłączonym do wytłaczarki. Na koniec żywica wypełniająca i elementy obrabiane stapiają się ze sobą, tworząc pojedyncze wiązanie.
16. Zgrzewanie ultradźwiękowe
Spawanie ultradźwiękowe wykorzystuje generator ultradźwiękowy do konwersji prądu 50/60 Hz na energię elektryczną 15, 20, 30 lub 40 kHz. Ta energia elektryczna-o wysokiej częstotliwości jest następnie przekształcana przez przetwornik z powrotem w ruch mechaniczny o tej samej częstotliwości. Ten ruch mechaniczny jest następnie przekazywany do głowicy spawalniczej za pośrednictwem przetwornika amplitudy. Głowica spawalnicza przekazuje otrzymaną energię drgań na złącze spawanych elementów. W tym obszarze energia wibracji jest przekształcana w energię cieplną poprzez tarcie, co powoduje szybkie stopienie powierzchni styku obu tworzyw sztucznych. Pod presją łączą się ze sobą. Po ustaniu fal ultradźwiękowych ciśnienie utrzymuje się przez kilka sekund, aby zestalić się i utworzyć mocny łańcuch molekularny, osiągając cel spawania. Wytrzymałość spoiny może zbliżyć się do wytrzymałości pierwotnego materiału. Fale ultradźwiękowe można wykorzystać nie tylko do zgrzewania twardych tworzyw termoplastycznych, ale także do obróbki tkanin i folii.
Główne elementy systemu zgrzewania ultradźwiękowego obejmują generator ultradźwiękowy, zespół przetwornika/wzmacniacza/głowicy spawalniczej, formę i ramę.
Jakość ultradźwiękowego zgrzewania tworzyw sztucznych zależy od trzech czynników: amplitudy przetwornika/głowicy zgrzewającej, zastosowanego ciśnienia i czasu zgrzewania. Czas zgrzewania i docisk głowicy zgrzewającej można regulować, natomiast amplitudę ustala się za pomocą przetwornika i transformatora amplitudy.
17. Zgrzewanie wibracyjne
Zgrzewanie wibracyjne obejmuje sześć parametrów procesu: czas zgrzewania, czas przetrzymywania, ciśnienie zgrzewania, amplitudę, częstotliwość i napięcie.
Zgrzewanie wibracyjne dzieli się na: zgrzewanie wibracyjne liniowe, zgrzewanie wibracyjne na torze i zgrzewanie wibracyjne pod kątem.
Liniowe zgrzewanie wibracyjne i tarciowe wykorzystuje ciepło tarcia powstające na powierzchniach styku dwóch elementów do topienia tworzywa sztucznego. Energia cieplna jest wytwarzana w wyniku ruchu posuwisto-zwrotnego jednego przedmiotu obrabianego na innej powierzchni z określonym przemieszczeniem lub amplitudą pod ciśnieniem. Po osiągnięciu pożądanego stopnia zgrzewania wibracje ustają, ale do obu przedmiotów obrabianych pozostaje wywierany nacisk w celu ochłodzenia i zestalenia spawanej części, tworząc szczelne połączenie.
Zgrzewanie tarciowe wibracyjne jest metodą wykorzystującą energię cieplną tarcia. Podczas orbitalnego spawania wibracyjnego i tarciowego górny przedmiot porusza się po orbicie ze stałą prędkością-kolistą we wszystkich kierunkach. Ruch ten generuje energię cieplną, powodując, że zespawane części dwóch plastikowych części osiągają temperaturę topnienia. Gdy tworzywo sztuczne zacznie się topić, ruch zatrzymuje się, a zespawane części dwóch elementów twardnieją i są trwale połączone ze sobą. Małe siły mocowania powodują minimalne odkształcenia detali, a elementy o średnicy do 10 cali można spawać metodą orbitalnego zgrzewania wibracyjnego.
Spawanie wibracyjne kątowe polega na obracaniu się przedmiotu wokół punktu podparcia; dostępne na rynku zgrzewarki wibracyjne kątowe są obecnie rzadkością.
18. Spawanie laserowe
Spawanie laserowe to technologia wykorzystująca ciepło wytwarzane przez wiązkę lasera do topienia powierzchni stykowych tworzyw sztucznych, łącząc w ten sposób arkusze, folie lub wypraski termoplastyczne.
Po raz pierwszy pojawił się w latach 70. XX wieku, ale ze względu na wysoki koszt nie mógł konkurować z wcześniejszymi technologiami łączenia tworzyw sztucznych, takimi jak zgrzewanie wibracyjne i zgrzewanie płytą grzejną. Jednak od połowy lat 90-tych, wraz ze spadkiem kosztów sprzętu potrzebnego do spawania laserowego, technologia ta stopniowo zyskiwała na popularności.
Spawanie laserowe jest szczególnie przydatne, gdy łączone części z tworzyw sztucznych są materiałami bardzo precyzyjnymi (np. komponenty elektroniczne) lub wymagają sterylnego środowiska (np. urządzenia medyczne i opakowania żywności). Spawanie laserowe jest szybkie, dzięki czemu szczególnie nadaje się do obróbki linii montażowych samochodowych części z tworzyw sztucznych. Ponadto spawanie laserowe można rozważyć w przypadku złożonych geometrii, które są trudne do połączenia innymi metodami spawania.
Do zalet spawania laserowego należą przede wszystkim: sprzęt spawalniczy nie musi stykać się z łączonymi częściami z tworzywa sztucznego; jest szybki; sprzęt ma wysoki stopień automatyzacji, co ułatwia obróbkę skomplikowanych części z tworzyw sztucznych; nie tworzy zadziorów; spoina jest mocna; może wytwarzać spoiny-o wysokiej precyzji; jest to technologia-wolna od wibracji; może wytwarzać konstrukcje hermetyczne lub próżniowe-; minimalizuje uszkodzenia termiczne i odkształcenia termiczne; i może łączyć ze sobą żywice o różnym składzie i kolorze.
19. Spawanie gorącym drutem
Spawanie gorącym drutem, znane również jako zgrzewanie oporowe, wykorzystuje metalowy drut do połączenia dwóch plastikowych części.
Ciepło przekazywane jest pomiędzy plastikowymi częściami, topiąc ich powierzchnie, a następnie wywierany jest nacisk, aby je połączyć.
Na jednej powierzchni łączonych części umieszcza się metalowy drut. Gdy prąd przepływa przez drut, jego opór wytwarza ciepło, które następnie jest przekazywane do plastikowych części. Po spawaniu drut pozostaje wewnątrz produktu z tworzywa sztucznego, a część wystająca poza złącze jest odcinana. W częściach zwykle projektuje się rowki lub inne struktury pozycjonujące, aby zapewnić prawidłowe położenie drutu.
