Имплантационная индукционная сварка термопластов

Индукционная сварка имплантатов — это метод соединения, используемый при производстве пластмасс. В процессе сварки используется индукционная катушка для возбуждения и нагревания чувствительного к электромагнитному излучению материала на границе соединения и плавления термопласта. Восприимчивый материал может содержаться в прокладке, расположенной между сварочной поверхностью, или внутри самих компонентов композитного материала. Его обычно используют для больших деталей необычной формы или деликатных деталей, которые было бы трудно сварить другими методами.

Физические механизмы

В немагнитных электрических проводниках, таких как алюминий, никель или медь, переменное электромагнитное поле вызывает вихревые токи в материале. Эти токи генерируют тепловую энергию за счет джоулева нагрева . Ферромагнитные материалы, такие как железо и углеродистые стали, будут нагреваться как из-за вихревых токов образования , так и из-за потерь на гистерезис . ^{[ 1 ]}

Процесс сварки

Материальные соображения

Индукционный нагрев — эффективный метод нагрева электропроводящих или магнитных материалов. Время прогрева минимально, прямой контакт с деталью не требуется. К сожалению, большинство термопластов немагнитны и являются отличными изоляторами. Чтобы воспользоваться преимуществами индукционного нагрева для сварки термопластов, в качестве промежуточного материала необходимо использовать чувствительный имплантат. практически любой электрический проводник или ферромагнитный В качестве имплантата можно использовать материал. Стили имплантатов включают сетки, волокна и мелкие порошки. Наиболее распространенной конструкцией прокладок является термопластичный композит с подвешенными чувствительными волокнами. . Этой композитной прокладке можно придать любую форму, необходимую для сварки. Матрица прокладки обычно изготавливается из того же самого свариваемого термопласта. В ситуациях, когда необходимо сваривать два разнородных материала, материал прокладки обычно представляет собой смесь двух термопластов. ^{[ 2 ]}

Композитные материалы

Углеродное волокно представляет интерес в связи с его широким применением в композиционных материалах . При наличии замкнутых углеродных петель внутри композитной структуры в материале могут индуцироваться вихревые токи. Композиты из однонаправленного углеродного волокна могут иметь плохую восприимчивость, когда контакт волокна с волокном ограничен. ^{[ 3 ]}

Сосредоточение тепла только в точке сварки затруднено, поскольку чувствительные композитные волокна расположены по всему материалу. В композитах из углеродного волокна между проводящими слоями могут быть вставлены тонкие электроизоляционные слои с несоосными волокнами, чтобы электрически изолировать поверхность соединения от объема материала. Используя этот метод, можно избежать индукционного нагрева массы. ^{[ 4 ]}

Оборудование

Индукционный генератор используется для получения тока высокой частоты в диапазоне от 2 до 10 МГц. ^{[ 5 ]} Используемый диапазон регулируется Федеральной комиссией по связи (FCC), чтобы избежать помех сигналам вещания.

Индукционная катушка преобразует высокочастотный ток от индукционного генератора в необходимое переменное магнитное поле. Одновитковую катушку можно использовать, когда пространство ограничено, однако конструкции с многовитковой катушкой более распространены из-за того, что они создают более сильное и глубоко проникающее магнитное поле. Также доступны конструкции с разделенными змеевиками, которые можно разобрать, чтобы полностью окружить большую часть, например пластиковый трубопровод. ^{[ 2 ]} Высокие токи, используемые при индукционной сварке, выделяют большое количество тепла в катушке. Во избежание перегрева витки змеевика выполнены из полых трубок, и во время сварки циркулирует вода. Тепло змеевика рассеивается прикрепленным теплообменником. ^{[ 1 ]}

Крепления используются для удержания деталей в нужном положении во время сварки. Одно приспособление фиксировано, а другое подвижно, так что пресс может прикладывать и поддерживать давление во время нагрева и охлаждения. ^{[ 1 ]}

Этапы сварки

На свариваемую поверхность помещается прокладка, обогащенная имплантатом. К соединению прикладывается давление, чтобы вытеснить воздушные полости и обеспечить прочное соединение. Индукционная катушка прикладывает электромагнитное поле для нагрева имплантатов и оказывает давление на сустав. Тепло передается в окружающий термопласт, который плавит прокладку и создает слой расплава на соединяемых поверхностях. Приложенное давление течет расплавленным термопластом и заполняет шов. Когда достигнуто достаточное соединение, индукционную катушку выключают и соединение охлаждают под давлением. Для крупных изделий с длинными соединениями соединение можно сваривать непрерывно, сканируя активную катушку по длине интерфейса. ^{[ 2 ]}

Параметры

Власть

Типичные индукционные генераторы обеспечивают выходную мощность от 1 до 5 кВт. Высокая выходная мощность необходима для более длинных и крупных соединений. Выходную мощность также необходимо увеличивать по мере увеличения расстояния катушки от соединения из-за затухания электромагнитного поля. ^{[ 1 ]}

Давление

Равномерное распределение расплавленного полимера в шве является обязательным условием прочного соединения. Давление сварки должно быть достаточным для того, чтобы вызвать сжатие потока в расплавленной прокладке, обеспечить плотный контакт с поверхностью соединения и заполнить соединение. ^{[ 2 ]}

Время сварки и время охлаждения

Время сварки будет варьироваться в зависимости от размера соединения, объема чувствительного материала имплантата, а также мощности и частоты. Время цикла может быть очень коротким, поскольку предварительный нагрев не требуется, а выделение тепла происходит исключительно в сварном соединении. Это также увеличивает время охлаждения. Поскольку на основную часть детали тратится мало тепла, охлаждение является кратковременным. Менее 1 секунды для некоторых приложений. ^{[ 1 ]}

Совместный дизайн

Необычные конструкции соединений возможны с помощью индукционной сварки имплантатов. Самым простым является соединение плоскостей с плоскими, при котором прокладка помещается между двумя термопластическими пластинами. Это соединение обычно используется для непрерывных сварочных процессов или длинных линий сварки, где активная катушка сканируется вдоль поверхности соединения. Для соединения плоскость с канавкой используется пластина с каналом для точного выравнивания сварного шва по сравнению с соединением плоскость с плоским. Соединение «шип в пазу» похоже на соединение «плоская поверхность с пазом», но имеет то преимущество, что обеспечивает полную герметизацию прокладки и герметичное уплотнение. ^{[ 2 ]}

Приложения

Пищевая упаковка

Индукционная сварка имплантатов широко используется при производстве контейнеров Tetra Pak для таких продуктов, как коробки для сока. ^{[ 1 ]} Использование индукционного нагрева сокращает время сварки по сравнению с другими методами соединения, в которых используется внешнее тепло, и позволяет избежать повреждения слоя картона в результате прямого контакта с горячими инструментами. Слой алюминиевой фольги используется для блокировки диффузии кислорода в упаковку, поэтому дополнительный материал для имплантата не требуется. ^{[ 6 ]}

Автомобильное производство

Автомобильная промышленность широко использует индукционную сварку с имплантатами для изготовления крупных пластиковых изделий, таких как бамперы, пластиковые панели кузова и топливные баки. ^{[ 7 ]} Затраты на производство компонентов сложной геометрии снижаются за счет изготовления деталей отдельными частями, которые позже собираются с помощью индукционной сварки. ^{[ 8 ]}

Упаковка с защитой от несанкционированного доступа

Алюминиевую фольгу с полиэтиленовым покрытием приваривают индукционной сваркой к верхней части многих контейнеров с пищевыми продуктами, добавками и лекарствами. Пломба помогает сохранить качество продукции и обеспечивает доказательство фальсификации. ^{[ 9 ]}

Преимущества и недостатки

Преимущества

Индукционная сварка имплантатов не требует физического контакта с источником тепла, поэтому полезна для соединения деталей необычных размеров или деликатных поверхностей. ^{[ 2 ]}
Индукционную катушку можно непрерывно перемещать для нагрева всей поверхности длинных соединений. Этим методом можно эффективно сваривать очень большие детали. ^{[ 5 ]}
Выделение тепла ограничено той областью, где оно необходимо для соединения, поэтому термическое напряжение, создаваемое сваркой, является низким. ^{[ 2 ]}
Соединение можно снова открыть с помощью индукционного нагрева для ремонта или переработки. ^{[ 2 ]}
Этапы нагрева и соединения выполняются одновременно, поэтому время цикла короткое. ^{[ 5 ]}

Недостатки

Существуют дополнительные расходы, связанные с материалом имплантата и прокладки. Для некоторых конструкций деталей также может потребоваться специальная оснастка. Это может сделать метод непомерно дорогостоящим для небольших и простых предметов. ^{[ 1 ]}
Нагрев ограничен глубиной проникновения электромагнитного поля. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать неравномерного нагрева в сложных конструкциях соединений. ^{[ 1 ]}
Материал имплантата в суставе может влиять на прочность. ^{[ 5 ]}
Электромагнитное поле может воздействовать на металлические или электронные компоненты детали. ^{[ 10 ]}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гревелл, Дэвид А.; Бенатар, Авраам; Пак, Джун Бу, ред. (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов . Мюнхен: Хансер Гарденер. ISBN 1569903131 . OCLC 51728694 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Тротон, Майкл Джон, изд. (2008). Справочник по соединению пластмасс: практическое руководство (2-е изд.). Норидж, Нью-Йорк: Уильям Эндрю. ISBN 9780815519768 . OCLC 302420421 .
^ Рудольф Р.; Митчанг, П.; Нейцель, М. (ноябрь 2000 г.). «Индукционный нагрев непрерывных термопластов, армированных углеродным волокном». Композиты Часть А. 31 (11): 1191–1202. дои : 10.1016/S1359-835X(00)00094-4 .
^ Уорролл, CM; Уайз, Р.Дж. (июнь 2014 г.). «Новая технология индукционного нагрева для соединения композитов из углеродного волокна» (PDF) . Европейская конференция по композитным материалам .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Баник, Набанита (октябрь 2018 г.). «Обзор применения термопластичных композитов и их воздействия при методе индукционной сварки». Материалы сегодня: Труды . 8 (9, ч. 3): 20239–20249. дои : 10.1016/j.matpr.2018.06.395 .
^ Бабини, А. (2003). «3D FEM-модели для численного моделирования индукционной запайки упаковочного материала». COMPEL — Международный журнал по вычислениям и математике в электротехнике и электронике . 22 (1): 170–180. дои : 10.1108/03321640310452268 .
^ Уотсон, Мартин Н. (1986). «Сварка пластмасс для автомобильной промышленности». Сделки SAE . 95 (§3): 659–667. JSTOR 44725420 .
^ «Emabond Solutions — Электромагнитная сборка-склеивание» . www.emabond.com . Проверено 25 февраля 2019 г.
^ «Техника сварки и соединения полимерных медицинских изделий» . twi-global.com . Проверено 25 февраля 2019 г.
^ Аманат, Негин; Джеймс, Натали Л.; Маккензи, Дэвид Р. (апрель 2010 г.). «Методы сварки для соединения термопластичных полимеров для герметичности медицинских устройств» (PDF) . Медицинская инженерия и физика . 32 (7): 690–699. doi : 10.1016/j.medengphy.2010.04.011 . PMID 20570545 . S2CID 1199689 . Архивировано из оригинала (PDF) 2019-04-08-через Elsevier ScienceDirect.

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Гревелл, Дэвид А.; Бенатар, Авраам; Пак, Джун Бу, ред. (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов . Мюнхен: Хансер Гарденер. ISBN 1569903131 . OCLC 51728694 .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Тротон, Майкл Джон, изд. (2008). Справочник по соединению пластмасс: практическое руководство (2-е изд.). Норидж, Нью-Йорк: Уильям Эндрю. ISBN 9780815519768 . OCLC 302420421 .

[3] Рудольф Р.; Митчанг, П.; Нейцель, М. (ноябрь 2000 г.). «Индукционный нагрев непрерывных термопластов, армированных углеродным волокном». Композиты Часть А. 31 (11): 1191–1202. дои : 10.1016/S1359-835X(00)00094-4 .

[4] Уорролл, CM; Уайз, Р.Дж. (июнь 2014 г.). «Новая технология индукционного нагрева для соединения композитов из углеродного волокна» (PDF) . Европейская конференция по композитным материалам .

[:3-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Баник, Набанита (октябрь 2018 г.). «Обзор применения термопластичных композитов и их воздействия при методе индукционной сварки». Материалы сегодня: Труды . 8 (9, ч. 3): 20239–20249. дои : 10.1016/j.matpr.2018.06.395 .

[:2-6] Бабини, А. (2003). «3D FEM-модели для численного моделирования индукционной запайки упаковочного материала». COMPEL — Международный журнал по вычислениям и математике в электротехнике и электронике . 22 (1): 170–180. дои : 10.1108/03321640310452268 .

[7] Уотсон, Мартин Н. (1986). «Сварка пластмасс для автомобильной промышленности». Сделки SAE . 95 (§3): 659–667. JSTOR 44725420 .

[8] «Emabond Solutions — Электромагнитная сборка-склеивание» . www.emabond.com . Проверено 25 февраля 2019 г.

[9] «Техника сварки и соединения полимерных медицинских изделий» . twi-global.com . Проверено 25 февраля 2019 г.

[10] Аманат, Негин; Джеймс, Натали Л.; Маккензи, Дэвид Р. (апрель 2010 г.). «Методы сварки для соединения термопластичных полимеров для герметичности медицинских устройств» (PDF) . Медицинская инженерия и физика . 32 (7): 690–699. doi : 10.1016/j.medengphy.2010.04.011 . PMID 20570545 . S2CID 1199689 . Архивировано из оригинала (PDF) 2019-04-08-через Elsevier ScienceDirect.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]