Materialen i den övre delen av denna New Balance -atletisk sko monterades genom ultraljudssvetsning snarare än traditionell sömnad. Foto med tillstånd av Kenneth Straka, Ny balans I den musikaliska komedin "Victor Victoria" från 1982 "Julie Andrews sjunger en hög ton i slutet av hennes karaktärs parisiska kabarettakt. Hon upprätthåller noten och champagneglasen i rummet krossas. Detta demonstrerade briljant hur högt eller högfrekvent ljud kan bryta sönder material. Men visste du att högfrekventa ljud kan användas för att binda ihop material? En teknik som kallas ultraljudsvetsning används för att montera produkter från många branscher-allt från medicintekniska produkter till sportskor till bilar.
Vanligtvis, du kan binda material med hjälp av fästelement som naglar, skruvar eller gänga. Detta är lämpligt för metaller, trä, tyger och plaster. För många plaster, lim används; lim bildar kemiska bindningar mellan själva limet och ytorna på de bundna plastmaterialen. Metaller kan hållas ihop genom att värma andra metaller som bindemedel, såsom blylödning i elektriska anslutningar. Alternativt, metaller kan smältas direkt (svetsning); när de smälta metallytorna svalnat, metaller binder samman. Svetsning kräver vanligtvis en öppen låga eller brännare för att uppnå de höga temperaturer som är nödvändiga för att smälta metallytorna tillsammans. Så, det kan vara en dyr process för vissa tillverkningsjobb.
En ny, mer kostnadseffektiv svetsmetod introducerades på 1940 -talet. Tekniken, ultraljudssvetsning, använde högfrekventa ljudvågor och tryck för att binda metaller samman och krävde mindre energi än konventionell svetsning. Ultraljuds metallsvetsning utvecklades under 1950 -talet till 1990 -talet när elektroniken som användes i utrustningen blev mer sofistikerad och datorer kunde styra processen. Sedan denna tid, tekniken har tillämpats på plast, där det verkligen har blivit populärt.
I den här artikeln, vi kommer att titta på utrustningen och den fysiska processen för ultraljudssvetsning, hur New Balance har använt det för att göra atletiska skor, och fördelarna och nackdelarna med denna teknik. Först, låt oss titta närmare på hur ljudvågor binder ihop material, både metall och plast.
Speciellt tackVi vill tacka Kenneth Straka, Senior produktutvecklare för New Balance, för hans hjälp med denna artikel.
Innehåll
Diagram över ultraljudsvetsmekanism Bildkredit HowStuffWorks Gnid ihop händerna snabbt. Märker du något? De värmde upp, höger? Om du tar en hammare och slår en metallyta snabbt och upprepade gånger, du kommer att upptäcka att platsen där hammaren slår mot metallen värms upp, för. I båda dessa exempel, värmen beror på friktion. Tänk dig nu att gnugga händerna eller slå den där hammaren tusentals gånger per sekund. Friktionsvärmen som genereras kan höja temperaturen avsevärt på mycket kort tid. I grund och botten, högfrekvent ljud (ultraljud) gör att snabba vibrationer i materialen svetsas. Vibrationerna får materialen att gnugga mot varandra och friktionen höjer temperaturen vid ytorna i kontakt. Denna snabba friktionsvärme är det som sätter förutsättningarna för att materialen ska binda ihop.
Ultraljudsvetsutrustning har fyra huvuddelar. En strömförsörjning omvandlar lågfrekvent elektricitet (50-60 Hz) till högfrekvent elektricitet (20-40 kHz; 1 kHz =1000 Hz). Nästa, en givare eller omvandlare ändrar högfrekvent elektricitet till högfrekvent ljud (ultraljud). En booster gör ultraljudsvibrationerna större. Till sist, ett horn eller sonotrode fokuserar ultraljudsvibrationerna och levererar dem till de material som ska svetsas. Förutom dessa bitar, det finns ett städ på vilket det svetsade materialet staplas och hålls. Det finns också en metod för att utöva kraft (vanligtvis lufttryck från en pneumatisk kolv) för att hålla ihop materialen under svetsning.
Så vilka material och branscher drar fördel av denna smarta process? Ultraljudssvetsning av plast används i stor utsträckning vid tillverkning av elektronik, medicintekniska produkter och bildelar. Till exempel, ultraljudssvetsning används för att göra elektriska anslutningar på datorns kretskort, och montera elektroniska komponenter som transformatorer, elmotorer och kondensatorer. Medicinska apparater, såsom katetrar, ventiler, filter och ansiktsmasker monteras också med ultraljudssvetsning. Förpackningsindustrin använder denna teknik för att göra filmer, montera rör och blisterförpackningar. Även Ford Motor Company har undersökt med hjälp av ultraljudssvetsning för att göra aluminiumchassi i bilar.
Nu när du känner till grunderna bakom ultraljudssvetsning, låt oss titta på själva svetsprocessen.
Diagram över ultraljudsvetsningsprocessen Bildkredit HowStuffWorks Grundprocessen för ultraljudssvetsning kan beskrivas med följande steg:
Svetsningstiderna, applicerade tryck och temperaturer styrs av en dator eller mikroprocessor i svetsapparaten. Och vad som faktiskt händer under svetsprocessen beror på materialens art. I metaller, ultraljudsvibrationerna levereras parallellt med materialplanet. Friktionsvärmen ökar temperaturen på metallytorna till ungefär en tredjedel av smälttemperaturen, men smälter inte metallerna. Istället, värmen tar bort metalloxider och filmer från ytorna. Detta gör att metallatomerna kan röra sig mellan de två ytorna och bilda bindningar som håller ihop metallerna.
När det gäller plast, vibrationerna är vinkelräta mot materialplanet och friktionsvärmen ökar temperaturen tillräckligt för att smälta plasten. Plastmolekylerna blandas ihop och bildar bindningar. Vid kylning, plastytorna är svetsade ihop. Svetsningstiderna kan variera, men svetsarna kan bildas på så lite som 0,25 sekunder.
Faktorerna som varierar vid ultraljudssvetsning är ljudvågornas frekvens (vanligtvis 20, 30 eller 40 kHz), trycket som appliceras för att hålla ihop materialen, och den tid under vilken ultraljudet appliceras (fraktioner av en sekund till mer än en sekund).
De ultraljudssvetsningstekniker som beskrivits hittills är bra för material (metaller, plast) som liknar varandra. Men hur är det med material som inte liknar varandra. Låt oss ta upp denna fråga genom att titta på hur New Balance har använt ultraljudssvetsning för att montera atletiska skor.
Atletisk skoenhet:Efter smältfilm har applicerats på syntetisk mocka, filmen pressas. Foto med tillstånd av Kenneth Straka, Ny balans Titta på ett par atletiska skor. Även om traditionella skor kan vara tillverkade av ett enda material som tyg eller canvas i mocka, många atletiska skor har flera material som lätta plastpolymerer, mocka eller syntetmocka, och nät kombinerat. Dessa kompositmaterial gör skorna lätta, flexibel, hållbart och andas. Till exempel, en stil av New Balance atletisk sko har en övre del som består av tre delar.
Men hur sätter du ihop dessa material? Vanligast, skoföretag syr ihop materialen. För ungefär två till tre år sedan, dock, New Balance försökte göra den övre delen av en sko utan att sy. Efter att ha experimenterat med polymerhäftande filmer och strykjärn, de kom på ett sätt att göra denna del av skon med ultraljudssvetsning.
För att montera den övre delen av skon, arbetare börjar med en bit syntetiskt mockamaterial. De använder en järnpress för att binda ett tunt ark smältfilm på materialets baksida. Nästa, en ultraljudsvetsning pressar en mönstervamp i ett mockamaterial. Likaså, en liknande ultraljudsvetsmaskin pressar sadelögonraden från en annan bit syntetisk mocka. Vampformen skärs ur mockan. Sadelögonraden och nätmaterialet svetsas ultraljud till vampen. I processerna, friktionsvärmen från ultraljudsvetsaren smälter smältfilmen, som binder sadelögonraden och nätmaterialet till vampen. Den färdiga vampen blir sedan formad och bunden till sul- och hälbitarna med hjälp av vattenbaserade lösningsmedel.
Enligt Kenneth Straka, Senior produktutvecklare för New Balance, ultraljudsvetsmetoderna har ökat produktiviteten genom att spara tid. Ultraljudsvetsarna fördelar inte bara värmen jämnare än järnpressar, de värms också upp och svalnar snabbare. Så, monteringsprocessen kräver färre steg och är snabbare än traditionella sömmetoder.
Nu när vi har sett hur ultraljudssvetsning används för att binda olika material, låt oss titta på fördelarna och nackdelarna med denna teknik.
Atletisk skonhet:bindning av syntetisk mocka Foto med tillstånd Kenneth Straka, Ny balans Ultraljudssvetsning har många fördelar jämfört med traditionella metoder. För en, svetsning sker vid låga temperaturer i förhållande till andra metoder. Så, tillverkaren behöver inte använda stora mängder bränsle eller annan energi för att nå höga temperaturer. Detta gör processen billigare. Det är också snabbare och säkrare.
Processen sker i bråkdelar av en sekund till sekunder. Så, det kan göras snabbare än andra metoder. Faktiskt, det kan binda plast bättre och snabbare än lim. Till exempel, de nya smarta nycklarna i bilar har ett transponderchip i sig. Bilen kan bara starta när den känner av chipet. För att göra nyckeln, ena änden av metallnyckelämnet och chipet placeras i hälften av plastytan. Den andra halvan placeras över dem och bindas till bashalvan. Denna bindning skulle vanligtvis göras med lim, vilket tar tid att bota. Samma uppgift kan utföras med ultraljudssvetsning på mindre än en sekund.
Ultraljudssvetsning kräver inte brandfarliga bränslen och öppen låga, så jämfört med andra svetsmetoder, det är en säkrare process. Arbetstagare utsätts inte för brandfarliga gaser eller skadliga lösningsmedel. Inom elektronik, koppartrådar är vanligtvis bundna till elektriska kontakter på kretskort med lödning. Samma uppgift kan utföras med ultraljudssvetsning på en bråkdel av tiden och utan att utsätta arbetare för ångor från lödning av blylödning. Även om arbetarnas hörsel kan skadas av exponering för högfrekvent ljud, denna potentiella fara minskar enkelt genom att innesluta ultraljudsvetsmaskinen i en säkerhetslåda eller bur och/eller använda hörselskydd.
Till sist, ultraljudssvetsar är lika starka och hållbara som konventionella svetsar av samma material - vilket bara är en av anledningarna till att metoden används vid biltillverkning. För att göra bilar lättare och mer bränsleeffektiva, biltillverkare vänder sig till aluminium som huvudmetall i bilkarosserier. Ultraljudssvetsning kan användas för att binda metallen på kortare tid och vid lägre temperaturer än traditionell svetsning.
Ultraljudsvetsning har sina begränsningar, fastän. Först, svetsarnas djup är mindre än en millimeter, så processen fungerar bäst på tunna material som plast, trådar eller tunna metallplåtar. Ultraljudsvetsning av en stålbalk för en byggnad skulle inte vara praktiskt. Andra, det fungerar bäst när man svetsar liknande material som liknande plast eller liknande metaller. Som du såg med New Balance -skor, ultraljudssvetsning av olika material kräver ytterligare material - för New Balance -skor, det är en film som kan bindas mellan syntetmockan och nätet.
Trots dessa begränsningar, Populariteten och potentialen för ultraljudsvetsning fortsätter att växa.
