塑膠部件連接技術的最新發展
K 2016展會上展示了一系列連接技術解決方案。無論是何種工藝，都正朝著靈活性方向發展，重心則是連接過程的數位化和自動化。
除了更新、更靈活的連接技術，展會還推出了連接工藝視覺化以及輕量化的設計主題。本文將圍繞對超聲波、鐳射、紅外和高頻焊接的亮點和趨勢以及適用於輕量化設計的創新機械解決方案進行探討。
不只是一個發生器
熱塑性塑膠的超聲波焊接是一個成熟的行業技術，其特點是焊接時間短、能耗低。超聲波焊接單元的核心是發出高頻電振盪的超聲波發生器。
最新的發生器實現了生產網路之間的通信，可監控焊接工藝並動態地回應工藝變化。此外，全部工藝資料均可用於連接工藝的檔編制、評估和視覺化。總部位於德國卡羅維發利的Herrmann Ultraschalltechnik GmbH Co. KG公司在K 2016上推出了Ultraplast AMG——專為自動化領域開發的超聲波發生器(圖1)，適合集成到特殊工程應用中的大型多頭超聲波焊接系統上。作為生產網路的數位介面，AMG具有複合控制和自動化過程的額外優勢，因此可用作智慧的網路元件，而普通發生器只能用作超聲源。關鍵工藝狀態可焊接期間被識別，並且由於控制演算法的原因，焊接參數能夠根據環境條件變化。據稱，該單元並不複雜，而且可進行資料互換而不造成資料丟失。
圖1 DataRecorder軟體可實現工藝監控並將之視覺化，以持續跟蹤零件資料( Herrmann Ultraschalltechnik)
乙太網通信介面(HCI Herrmann通信介面)的安裝簡化了發生器和機器控制單元之間的通信，實現了與不同供應商之間可程式設計邏輯控制器的快速、無干擾的資料和信號交換。可選擇具有即時能力的現場匯流排界面用於記錄更多的工藝資料和測量資料，它能夠在與智慧感測器聯網的同時實現AMG和機器控制系統之間的通信，從而有選擇性地識別缺陷部件並將其從生產過程中排除。AMG發生器的超聲波頻率是20、30和35kHz，功率譜範圍是700-2000瓦。
DataRecorder軟體
開發全新的DataRecorder軟體(可用作目前的超聲波系列機器和自動化系統的資料庫輔助軟體)的關鍵因素包括工藝監控、視覺化和優化以及完整的零件資料跟蹤。焊接工藝記錄可通過資料匯出介面以CSV或ASCII格式輸出最多166個參數。在資料庫系統中，記錄的資料均以清晰的資料夾結構自動存儲。
如果生產期間經由乙太網的資料傳輸中斷，多達10,000個獨立焊接操作的工藝資料可在每分鐘30個焊接點的迴圈頻率下，暫時存儲在超聲波發生器中。緩衝時間約為6小時。網路恢復連接之後，資料庫將自動更新，因此不會造成資料丟失。
實用焊接試樣
觀眾在一個可進行生產相關焊接試驗的創新試樣上看到了超聲波焊接工藝的演示。樣本焊接試驗可使用不同的材料或材料組合，使新部件的超聲波焊接在早期經過評估，從而獲得理想的焊接品質。為了將振動能量集中在焊接區域，與工藝相關的接頭設計對超聲波焊接來說至關重要。Herrmann Ultraschall公司與Barlog集團一起開發了一種多功能的試樣，它可通過常用的舌槽接頭生產，也可採用壓邊接頭設計。此外，最新設計的試樣還可進行近場或遠場焊接。出於巧妙的試樣概念，焊縫可用機械載荷來表現，例如張力和扭力。此外還可進行破裂壓力和密封性試驗。
試樣還可對膜焊接進行試驗。製造商表示，用作過濾介質或壓力補償元件的集成膜在眾多行業應用的比例正在不斷增長，例如汽車和醫療技術行業。成品膜的加工不僅複雜而且昂貴，因此Herrmann Ultraschall推出了MPW系統，它能夠在一道工序中完成薄膜的衝壓和超聲波焊接。無需再預切單層膜，而且週期時間顯著減少。
虛擬焊接工藝
在Emerson Technologies GmbH Co. OHG子公司Branson Ultraschall的展位上，觀眾目睹了其在鐳射、超聲波和振動焊接方面的創新。除了用於塑膠超聲波焊接的發生器和系統，他們還推出了用於焊接結構複雜的大型塑膠部件的GLX-3鐳射系統和GVX-3振動焊接機。新型振動焊接機的操作模式通過基於平板電腦的“MagicLens”應用程式視覺化，其原理是增強現實技術(圖2)。通過這一方式，觀眾可通過3D動畫模型來實際觀察焊接過程以及技術元件和可配置可選附件。MagicLens不僅是一個展會的吸睛工具，而且可以在客戶來訪時演示如何操作機器。
圖2 MagicLens：該應用程式使觀眾能夠以3 D動畫的形式觀看焊接機中的焊接過程以及技術元件和可選附件( BransonUltraschall)
基於鐳射的紅外焊接
接頭部件的光學性能在鐳射傳輸焊接過程中發揮著重要作用。一個接頭部件必須能夠透射鐳射，才能使引入的輻射穿透到接頭區域。另一個接頭部件則吸收激光輻射來加熱和熔化塑膠。在K 2016展會上，總部位於德國諾伊芬的bielomatik Leuze GmbH + Co. KG公司首次推出了基於鐳射的紅外焊接技術。該技術結合了機械工程的兩步式紅外焊接和虛擬同步鐳射焊接技術的特點。在不同時間段進行加熱和焊接。待焊接表面通過兩個固定的鐳射掃描器加熱後，接頭部件再在透射之後被施加壓力進行焊接(圖3)。掃描器的高掃描速度可靈活調節。基於鐳射的紅外焊接的概念體現在了LasIR K3650新型系統上。
圖3 鐳射掃描器和接頭部件支架：兩個固定的鐳射掃描器對LasIR K3650中的接頭表面進行加熱，然後施加壓力進行焊接(bielomatik)
與鐳射透射焊接相比，該技術無需使用鐳射透明塑膠或採用特殊的接頭區域設計。基於鐳射的紅外焊接技術的其他優勢是沒有顆粒產生和高焊接強度。製造商表示，後者還適用於帶有關鍵元件和嵌件的殼體部件，以及目前為止無法用鐳射焊接的特殊部件結構。此外，部件修改和公差調整也變得更為簡單。
Bielomatic還展示了尿素箱在可直接與輸送系統集成的自動化系統中的焊接，該方法適用于接合箱體部件。從簡單的手動進料單元、半自動單元到複雜的全自動生產線，工廠配置可單獨定制。
高頻焊接單元用於血袋生產
血袋和輸液袋一般用高頻焊接技術進行生產。塑膠的高頻激發通過聚合物材料中的分子振動而產生用於焊接的熱量。到目前為止，管式發生器一直用於產生振動。最新一代用於加工醫用塑膠薄膜的發生器採用數位化操作。借助于半導體技術的振動激發具有的優勢諸如緊湊設計、避免磨損和易於維護。
圖4 僅需一根電焊條： 用KIR Swifter單元生產血袋(Kiefel)
除了固態發生器，觀眾還目睹了Kiefel GmbH公司用新型KIR Swifter系統生產血袋的過程(圖4)。與傳統的系統不同，該系統只需一根電焊條用於血袋的高頻焊接，省卻了之前所需的第二根電焊條。它通過特殊的電焊條結構來實現，該結構能夠產生高頻雜散場來加熱和塑化接頭區域中的聚合物。雜散場技術減少了系統集成的工作量，並使血袋產量提升了約三分之一。此外，在製造過程中，衝壓可在頭部區域進行，並且還可單獨設計進行焊接。極其緊湊的血袋系統還降低了潔淨室中昂貴的空間需求。
自動管道加工
總部位於德國巴德利本策爾的Eugen Riexinger GmbH Co. KG公司以T形管道接頭為例展示了用於柔性管道加工的自動化系統。首先，接頭區域經過第一次加工。隨後，自動進行刀具更換，用焊接擠出機替換銑削工具(圖5)來演示管道接頭的焊接。使用的焊接擠出機來自於德國的Munsch Kunststoff-Schweisstechnik GmbH公司，它還為機器人應用提供了必要介面。除了為各個部件的焊接做準備，它還可以隨後加工組件。
圖5 適用于機器人的焊接擠出機( Munsch)
熱空氣回收
總部位於瑞士Kaegiswil的Leister Technologies AG公司的研發重心在於優化鐳射焊接生產線，提高其靈活性。因此，該公司的塑膠鐳射焊接部門提出了一個包含兩個基本光學系統的最新光學概念——基礎技術(BT)和高級技術(AT)。BT僅由光學部件組成，但AT光學包括具有過程監控功能的集成電子。兩個光學系統均可安裝不同的光束成形模組來產生點狀、環形和線性光束結構。因此，該系統能夠輕鬆地完成特定的焊接任務，並可用單個設備來生產各種產品。觀眾可以在手動操作站試用這兩種鐳射焊接概念，還有機會用BT光學將放大鏡焊接在Novolas Tabletop System(TTS)上。此外，在配備多個鐳射和光學模組的Novolas WS-AT系統上，觀眾還能夠生產氣球並當場看到焊接品質。
圖6 徑流式風機再迴圈：熱空氣再迴圈的優勢從爆米花生產中可見一斑( Leister Technologies)
餘熱部門展示了用於工業餘熱回收的熱空氣系統(圖6)。徑流吹風再迴圈(RBR)風機可承受最高350 的入口溫度，可用於配套的雙法蘭空氣加熱器的空氣供應，使系統能夠利用熱廢氣操作，從而節省能源和成本。
輕量化設計中的緊固螺釘連接
總部位於德國巴德貝爾萊堡的Ejot GmbH Co. KG公司以輕量化設計的主題產生極大的吸引力。具有良好機械性能的混合部件結構越來越多地用於最新應用。這些結構包括由泡沫塑料(如：EPP、PVC和PU)或高剛度蜂窩結構(例如：PP和紙)作為芯層的夾芯材料。表層通常由木材、GRP或CRP材料製成。目前，各種材料組合通常由粘合劑直接粘合，但也可能需要其他的輔助連接元件。其缺點是粘合表面需要經過精細而又耗時的製備。一些粘合劑較長的固化時間還會耽擱下一步加工或連接點能夠承受機械載荷的時間。
為了解決這個問題，Ejot推出了一種緊固解決方案，該方案不需要特殊的部件製備。TSSD熱粘合螺轂使輕量化材料組合能夠可靠地粘合(圖7)。TSSD是一種特殊的熱塑性連接元件。螺轂安裝在待連接的部件元件上，然後在施以特定壓力的同時加速到指定的旋轉速度。摩擦效應使複合材料的表層持續加熱，熔融的TSSD組分再滲透到芯層。通過滲透到中間層的中空空間並凝固，塑膠熔體產生了互鎖連接。
圖7 接合熱粘合螺轂(TSSD)的工藝流程( Ejot)
此外，當到達末端時，外層材料的纖維組分被嵌入TSSD的熔融邊緣區域。當它固化時，它們被牢牢地固定在熱塑性螺轂上，產生額外的摩擦、粘合和互鎖連接。熱粘合螺轂既可用作與對應的Ejot Delta PT螺釘配套的螺轂，也可用作直接連接元件。根據設計和客戶意願的不同，可拆卸或永久連接均可實現。
結語
本文介紹了一些塑膠部件連接的最新發展。大部分公司不僅關注連接工藝和相關設備技術，而且越來越重視焊接工藝和生產環境的集成以及工藝資料和虛擬工藝建模的充分利用。
除了更新、更靈活的連接技術，展會還推出了連接工藝視覺化以及輕量化的設計主題。本文將圍繞對超聲波、鐳射、紅外和高頻焊接的亮點和趨勢以及適用於輕量化設計的創新機械解決方案進行探討。
不只是一個發生器
熱塑性塑膠的超聲波焊接是一個成熟的行業技術，其特點是焊接時間短、能耗低。超聲波焊接單元的核心是發出高頻電振盪的超聲波發生器。
最新的發生器實現了生產網路之間的通信，可監控焊接工藝並動態地回應工藝變化。此外，全部工藝資料均可用於連接工藝的檔編制、評估和視覺化。總部位於德國卡羅維發利的Herrmann Ultraschalltechnik GmbH Co. KG公司在K 2016上推出了Ultraplast AMG——專為自動化領域開發的超聲波發生器(圖1)，適合集成到特殊工程應用中的大型多頭超聲波焊接系統上。作為生產網路的數位介面，AMG具有複合控制和自動化過程的額外優勢，因此可用作智慧的網路元件，而普通發生器只能用作超聲源。關鍵工藝狀態可焊接期間被識別，並且由於控制演算法的原因，焊接參數能夠根據環境條件變化。據稱，該單元並不複雜，而且可進行資料互換而不造成資料丟失。
圖1 DataRecorder軟體可實現工藝監控並將之視覺化，以持續跟蹤零件資料( Herrmann Ultraschalltechnik)
乙太網通信介面(HCI Herrmann通信介面)的安裝簡化了發生器和機器控制單元之間的通信，實現了與不同供應商之間可程式設計邏輯控制器的快速、無干擾的資料和信號交換。可選擇具有即時能力的現場匯流排界面用於記錄更多的工藝資料和測量資料，它能夠在與智慧感測器聯網的同時實現AMG和機器控制系統之間的通信，從而有選擇性地識別缺陷部件並將其從生產過程中排除。AMG發生器的超聲波頻率是20、30和35kHz，功率譜範圍是700-2000瓦。
DataRecorder軟體
開發全新的DataRecorder軟體(可用作目前的超聲波系列機器和自動化系統的資料庫輔助軟體)的關鍵因素包括工藝監控、視覺化和優化以及完整的零件資料跟蹤。焊接工藝記錄可通過資料匯出介面以CSV或ASCII格式輸出最多166個參數。在資料庫系統中，記錄的資料均以清晰的資料夾結構自動存儲。
如果生產期間經由乙太網的資料傳輸中斷，多達10,000個獨立焊接操作的工藝資料可在每分鐘30個焊接點的迴圈頻率下，暫時存儲在超聲波發生器中。緩衝時間約為6小時。網路恢復連接之後，資料庫將自動更新，因此不會造成資料丟失。
實用焊接試樣
觀眾在一個可進行生產相關焊接試驗的創新試樣上看到了超聲波焊接工藝的演示。樣本焊接試驗可使用不同的材料或材料組合，使新部件的超聲波焊接在早期經過評估，從而獲得理想的焊接品質。為了將振動能量集中在焊接區域，與工藝相關的接頭設計對超聲波焊接來說至關重要。Herrmann Ultraschall公司與Barlog集團一起開發了一種多功能的試樣，它可通過常用的舌槽接頭生產，也可採用壓邊接頭設計。此外，最新設計的試樣還可進行近場或遠場焊接。出於巧妙的試樣概念，焊縫可用機械載荷來表現，例如張力和扭力。此外還可進行破裂壓力和密封性試驗。
試樣還可對膜焊接進行試驗。製造商表示，用作過濾介質或壓力補償元件的集成膜在眾多行業應用的比例正在不斷增長，例如汽車和醫療技術行業。成品膜的加工不僅複雜而且昂貴，因此Herrmann Ultraschall推出了MPW系統，它能夠在一道工序中完成薄膜的衝壓和超聲波焊接。無需再預切單層膜，而且週期時間顯著減少。
虛擬焊接工藝
在Emerson Technologies GmbH Co. OHG子公司Branson Ultraschall的展位上，觀眾目睹了其在鐳射、超聲波和振動焊接方面的創新。除了用於塑膠超聲波焊接的發生器和系統，他們還推出了用於焊接結構複雜的大型塑膠部件的GLX-3鐳射系統和GVX-3振動焊接機。新型振動焊接機的操作模式通過基於平板電腦的“MagicLens”應用程式視覺化，其原理是增強現實技術(圖2)。通過這一方式，觀眾可通過3D動畫模型來實際觀察焊接過程以及技術元件和可配置可選附件。MagicLens不僅是一個展會的吸睛工具，而且可以在客戶來訪時演示如何操作機器。
圖2 MagicLens：該應用程式使觀眾能夠以3 D動畫的形式觀看焊接機中的焊接過程以及技術元件和可選附件( BransonUltraschall)
基於鐳射的紅外焊接
接頭部件的光學性能在鐳射傳輸焊接過程中發揮著重要作用。一個接頭部件必須能夠透射鐳射，才能使引入的輻射穿透到接頭區域。另一個接頭部件則吸收激光輻射來加熱和熔化塑膠。在K 2016展會上，總部位於德國諾伊芬的bielomatik Leuze GmbH + Co. KG公司首次推出了基於鐳射的紅外焊接技術。該技術結合了機械工程的兩步式紅外焊接和虛擬同步鐳射焊接技術的特點。在不同時間段進行加熱和焊接。待焊接表面通過兩個固定的鐳射掃描器加熱後，接頭部件再在透射之後被施加壓力進行焊接(圖3)。掃描器的高掃描速度可靈活調節。基於鐳射的紅外焊接的概念體現在了LasIR K3650新型系統上。
圖3 鐳射掃描器和接頭部件支架：兩個固定的鐳射掃描器對LasIR K3650中的接頭表面進行加熱，然後施加壓力進行焊接(bielomatik)
與鐳射透射焊接相比，該技術無需使用鐳射透明塑膠或採用特殊的接頭區域設計。基於鐳射的紅外焊接技術的其他優勢是沒有顆粒產生和高焊接強度。製造商表示，後者還適用於帶有關鍵元件和嵌件的殼體部件，以及目前為止無法用鐳射焊接的特殊部件結構。此外，部件修改和公差調整也變得更為簡單。
Bielomatic還展示了尿素箱在可直接與輸送系統集成的自動化系統中的焊接，該方法適用于接合箱體部件。從簡單的手動進料單元、半自動單元到複雜的全自動生產線，工廠配置可單獨定制。
高頻焊接單元用於血袋生產
血袋和輸液袋一般用高頻焊接技術進行生產。塑膠的高頻激發通過聚合物材料中的分子振動而產生用於焊接的熱量。到目前為止，管式發生器一直用於產生振動。最新一代用於加工醫用塑膠薄膜的發生器採用數位化操作。借助于半導體技術的振動激發具有的優勢諸如緊湊設計、避免磨損和易於維護。
圖4 僅需一根電焊條： 用KIR Swifter單元生產血袋(Kiefel)
除了固態發生器，觀眾還目睹了Kiefel GmbH公司用新型KIR Swifter系統生產血袋的過程(圖4)。與傳統的系統不同，該系統只需一根電焊條用於血袋的高頻焊接，省卻了之前所需的第二根電焊條。它通過特殊的電焊條結構來實現，該結構能夠產生高頻雜散場來加熱和塑化接頭區域中的聚合物。雜散場技術減少了系統集成的工作量，並使血袋產量提升了約三分之一。此外，在製造過程中，衝壓可在頭部區域進行，並且還可單獨設計進行焊接。極其緊湊的血袋系統還降低了潔淨室中昂貴的空間需求。
自動管道加工
總部位於德國巴德利本策爾的Eugen Riexinger GmbH Co. KG公司以T形管道接頭為例展示了用於柔性管道加工的自動化系統。首先，接頭區域經過第一次加工。隨後，自動進行刀具更換，用焊接擠出機替換銑削工具(圖5)來演示管道接頭的焊接。使用的焊接擠出機來自於德國的Munsch Kunststoff-Schweisstechnik GmbH公司，它還為機器人應用提供了必要介面。除了為各個部件的焊接做準備，它還可以隨後加工組件。
圖5 適用于機器人的焊接擠出機( Munsch)
熱空氣回收
總部位於瑞士Kaegiswil的Leister Technologies AG公司的研發重心在於優化鐳射焊接生產線，提高其靈活性。因此，該公司的塑膠鐳射焊接部門提出了一個包含兩個基本光學系統的最新光學概念——基礎技術(BT)和高級技術(AT)。BT僅由光學部件組成，但AT光學包括具有過程監控功能的集成電子。兩個光學系統均可安裝不同的光束成形模組來產生點狀、環形和線性光束結構。因此，該系統能夠輕鬆地完成特定的焊接任務，並可用單個設備來生產各種產品。觀眾可以在手動操作站試用這兩種鐳射焊接概念，還有機會用BT光學將放大鏡焊接在Novolas Tabletop System(TTS)上。此外，在配備多個鐳射和光學模組的Novolas WS-AT系統上，觀眾還能夠生產氣球並當場看到焊接品質。
圖6 徑流式風機再迴圈：熱空氣再迴圈的優勢從爆米花生產中可見一斑( Leister Technologies)
餘熱部門展示了用於工業餘熱回收的熱空氣系統(圖6)。徑流吹風再迴圈(RBR)風機可承受最高350 的入口溫度，可用於配套的雙法蘭空氣加熱器的空氣供應，使系統能夠利用熱廢氣操作，從而節省能源和成本。
輕量化設計中的緊固螺釘連接
總部位於德國巴德貝爾萊堡的Ejot GmbH Co. KG公司以輕量化設計的主題產生極大的吸引力。具有良好機械性能的混合部件結構越來越多地用於最新應用。這些結構包括由泡沫塑料(如：EPP、PVC和PU)或高剛度蜂窩結構(例如：PP和紙)作為芯層的夾芯材料。表層通常由木材、GRP或CRP材料製成。目前，各種材料組合通常由粘合劑直接粘合，但也可能需要其他的輔助連接元件。其缺點是粘合表面需要經過精細而又耗時的製備。一些粘合劑較長的固化時間還會耽擱下一步加工或連接點能夠承受機械載荷的時間。
為了解決這個問題，Ejot推出了一種緊固解決方案，該方案不需要特殊的部件製備。TSSD熱粘合螺轂使輕量化材料組合能夠可靠地粘合(圖7)。TSSD是一種特殊的熱塑性連接元件。螺轂安裝在待連接的部件元件上，然後在施以特定壓力的同時加速到指定的旋轉速度。摩擦效應使複合材料的表層持續加熱，熔融的TSSD組分再滲透到芯層。通過滲透到中間層的中空空間並凝固，塑膠熔體產生了互鎖連接。
圖7 接合熱粘合螺轂(TSSD)的工藝流程( Ejot)
此外，當到達末端時，外層材料的纖維組分被嵌入TSSD的熔融邊緣區域。當它固化時，它們被牢牢地固定在熱塑性螺轂上，產生額外的摩擦、粘合和互鎖連接。熱粘合螺轂既可用作與對應的Ejot Delta PT螺釘配套的螺轂，也可用作直接連接元件。根據設計和客戶意願的不同，可拆卸或永久連接均可實現。
結語
本文介紹了一些塑膠部件連接的最新發展。大部分公司不僅關注連接工藝和相關設備技術，而且越來越重視焊接工藝和生產環境的集成以及工藝資料和虛擬工藝建模的充分利用。