Индукционная сварка имплантатов термопластов - Википедия - Implant induction welding of thermoplastics

Индукционная сварка имплантата это метод соединения, используемый в производстве пластмассы. В процессе сварки используется индукционная катушка для возбуждения и нагрева электромагнитно чувствительного материала на стыке стыка и плавления термопласта. Чувствительный материал может содержаться в прокладке, помещенной между сварочной поверхностью, или в самих компонентах композитного материала. Его обычно используют для больших деталей необычной формы или хрупких деталей, которые было бы трудно сваривать другими методами.

Физические механизмы

В немагнитных электрических проводниках, таких как алюминий, никель или медь, переменное электромагнитное поле будет вызывать вихревые токи в материале. Эти токи генерируют тепловую энергию за счет Джоулевое нагревание. Ферромагнитные материалы, такие как железо и углеродистая сталь, будут нагреваться от обоих Вихревой ток формирование и Гистерезис убытки.[1]

Сварочный процесс

Существенные соображения

Индукционный нагрев это эффективный метод нагрева электропроводящих или магнитных материалов. Время прогрева минимально, и прямой контакт с деталью не требуется. К сожалению, большинство термопласты немагнитные и отличные изоляторы. Чтобы воспользоваться преимуществами индукционного нагрева для термопластической сварки, чувствительный имплантат должен использоваться в качестве промежуточного материала. Практически любой электрический провод или ферромагнитный материал может быть использован в качестве имплантата. Типы имплантатов включают сетки, волокна и мелкие порошки. Наиболее распространенная конструкция прокладки представляет собой термопластичный композит с взвешенными чувствительными волокнами. . Этой композитной прокладке можно придать любую форму, необходимую для сварки. Матрица прокладки обычно изготавливается из того же свариваемого термопласта. В ситуациях, когда необходимо сваривать два разных материала, материал прокладки обычно представляет собой смесь двух термопластов.[2]

Композитные материалы

Углеродное волокно представляет интерес тем, что широко используется в композитные материалы. При наличии замкнутых углеродных петель внутри композитной структуры в материале могут возникать вихревые токи. Однонаправленные композиты из углеродного волокна могут иметь плохую восприимчивость, когда контакт волокна с волокном ограничен.[3]

Сфокусировать тепло только в точке сварки трудно из-за чувствительных композитных волокон по всему материалу. В композитах из углеродного волокна тонкие электроизоляционные слои с невыровненными волокнами могут быть вставлены между проводящими слоями, чтобы электрически изолировать поверхность соединения от массы материала. Используя этот метод, избегают индукционного нагрева массы.[4]

Оборудование

Индукционный генератор используется для выработки высокочастотного тока в диапазоне 2-10 МГц.[5] Используемый диапазон регулируется FCC, чтобы избежать помех вещательным сигналам.

An индукционная катушка преобразует высокочастотный ток от индукционного генератора в необходимое переменное магнитное поле. Однооборотная катушка может использоваться, когда пространство ограничено, однако конструкции с многооборотной катушкой более распространены из-за создания более сильного и глубокого проникающего магнитного поля. Также доступны конструкции с раздельными змеевиками, которые можно разобрать, чтобы полностью окружить большую часть, например, пластмассовый трубопровод.[2] Высокие токи, используемые при индукционной сварке, выделяют в катушке большое количество тепла. Чтобы избежать перегрева, витки змеевика выполнены из полых труб, а во время сварки циркулирует вода. Тепло змеевика отводится прикрепленным теплообменником.[1]

Крепления используются для удержания деталей на месте во время сварки. Одно приспособление фиксировано, а другое подвижно, так что пресс может прикладывать и поддерживать давление во время нагрева и охлаждения.[1]

Шаги сварки

Этапы индукционной сварки имплантата в шип-паз.

На свариваемую поверхность помещают уплотнительную прокладку с высоким содержанием имплантата. К стыку прикладывают давление, чтобы вытеснить воздушные полости и обеспечить прочное соединение. Электромагнитное поле прикладывается индукционной катушкой для нагрева имплантатов, и к суставу прикладывается давление. Тепло проходит в окружающий термопласт, который плавит прокладку и создает слой расплава на стыковых поверхностях. Приложенное давление перемещает расплавленный термопласт и заполняет шов. Когда будет достигнуто достаточное соединение, индукционная катушка отключается и соединение охлаждается под давлением. Для больших изделий с длинными стыками стык можно сваривать непрерывно, сканируя активную катушку по длине границы раздела.[2]

Параметры

Мощность

Типичные индукционные генераторы обеспечивают выходную мощность 1-5 кВт. Высокая выходная мощность необходима для более длинных и крупных суставов. Выходная мощность также должна увеличиваться по мере увеличения расстояния катушки от соединения из-за затухания электромагнитного поля.[1]

Давление

Равномерное распределение расплавленного полимера в шве является обязательным для прочного соединения. Давление сварного шва должно быть достаточным, чтобы вызвать выжимать поток в расплавленной прокладке добиться плотного контакта с поверхностью стыка и заполнить стык.[2]

Время сварки и время охлаждения

Время сварки будет зависеть от размера соединения, объема чувствительного материала имплантата, а также мощности и частоты. Время цикла может быть очень коротким, поскольку предварительный нагрев не требуется, а тепловыделение происходит исключительно в сварном шве. Это также улучшает время охлаждения. Благодаря небольшому расходу тепла на большую часть детали охлаждение кратковременное. Менее 1 секунды для некоторых приложений.[1]

Соединение между плоскостью и канавкой, используемое при индукционной сварке имплантата.

Совместное проектирование

При индукционной сварке имплантата возможны нестандартные конструкции швов. Самым простым является соединение от плоского до плоского, когда между двумя пластинами из термопласта помещается прокладка. Это соединение является обычным для процессов непрерывной сварки или длинных линий сварки, когда активная катушка сканируется вдоль границы стыка. В стыке "плоское - паз" используется пластина с каналом для точного совмещения сварного шва по сравнению с плоским стыком. Соединение "гребень в паз" аналогично соединению "плоскость-паз", но имеет преимущество в виде полной герметизации прокладки и герметичного уплотнения.[2]

Приложения

Упаковка для еды

Контейнеры Tetra Pak запломбированы индукционной сваркой имплантата.

Индукционная сварка имплантатов широко используется при производстве Тетра Пак контейнеры 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 от 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

В автомобильной промышленности индукционная сварка имплантатов широко используется для производства крупных пластмассовых изделий, таких как бамперы, пластиковые панели кузова и топливные баки.[7] Затраты на производство компонентов со сложной геометрией снижаются за счет изготовления деталей отдельными частями, которые позже собираются с помощью индукционной сварки.[8]

Упаковка с защитой от несанкционированного доступа

Алюминиевая фольга с полиэтиленовым покрытием приваривается индукционной сваркой к верхней части многих контейнеров для пищевых продуктов, пищевых добавок и лекарств. Печать помогает сохранить качество продукции и свидетельствует о подделке.[9]

Преимущества и недостатки

Преимущества

  • Индукционная сварка имплантата не требует физического контакта с источником тепла, поэтому она полезна для соединения компонентов необычных размеров или хрупких поверхностей.[2]
  • Индукционную катушку можно непрерывно перемещать для нагрева всей поверхности длинных стыков. С помощью этого метода можно эффективно сваривать очень большие детали.[5]
  • Выделение тепла ограничено точно той областью, где оно требуется для соединения, поэтому термическое напряжение, создаваемое сваркой, невелико.[2]
  • Шов можно снова открыть с помощью индукционного нагрева для ремонта или переработки.[2]
  • Этапы нагрева и соединения выполняются одновременно, поэтому время цикла короткое.[5]

Недостатки

  • Есть дополнительные расходы из-за материала имплантата и прокладки. Для некоторых конструкций деталей могут также потребоваться специальные инструменты. Это может сделать метод недоступным для небольших и простых предметов.[1]
  • Нагрев ограничен глубиной проникновения электромагнитного поля. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать неравномерного нагрева в сложных конструкциях швов.[1]
  • Материал имплантата в суставе может влиять на прочность.[5]
  • Электромагнитное поле может повлиять на металлические или электронные компоненты детали.[10]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Grewell, David A .; Бенатар, Авраам; Пак, Джун Бу, ред. (2003). Справочник по сварке пластмасс и композитов. Мюнхен: Hanser Gardener. ISBN  1569903131. OCLC  51728694.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Тротон, Майкл Джон, изд. (2008). Справочник по соединению пластмасс: практическое руководство (2-е изд.). Норвич, Нью-Йорк: Уильям Эндрю. ISBN  9780815519768. OCLC  302420421.
  3. ^ Рудольф, Р .; Mitschang, P .; Neitzel, M. (ноябрь 2000 г.). «Индукционный нагрев непрерывных термопластов, армированных углеродным волокном». Композиты Часть A. 31 (11): 1191–1202. Дои:10.1016 / S1359-835X (00) 00094-4.
  4. ^ Worrall, C.M .; Мудрый, Р.Дж. (Июнь 2014 г.). «Новая технология индукционного нагрева для соединения композитов из углеродного волокна» (PDF). Европейская конференция по композитным материалам.
  5. ^ а б c d Баник, Набанита (октябрь 2018 г.). «Обзор использования термопластичных композитов и их эффектов в методе индукционной сварки». Материалы сегодня: Материалы. 8 (9, пт. 3): 20239–20249. Дои:10.1016 / j.matpr.2018.06.395.
  6. ^ Бабини, А. (2003). «3D FEM-модели для численного моделирования индукционной запайки упаковочного материала». КОМПЕЛ. 22 (1): 170–180. Дои:10.1108/03321640310452268.
  7. ^ Уотсон, Мартин Н. (1986). «Сварка пластмасс для автомобильной промышленности». Транзакции SAE. 95 (§3): 659–667. JSTOR  44725420.
  8. ^ "Emabond Solutions - Электромагнитная сборка-склеивание". www.emabond.com. Получено 2019-02-25.
  9. ^ «Техника сварки и соединения полимерных медицинских изделий». twi-global.com. Получено 2019-02-25.
  10. ^ Аманат, Негине; Джеймс, Натали Л .; Маккензи, Дэвид Р. (апрель 2010 г.). «Методы сварки для соединения термопластичных полимеров для герметизации медицинских изделий» (PDF). Медицинская инженерия и физика. 32: 690–699 - через Elsevier ScienceDirect.