Ultraljudsteknik

Vad är ultraljud?

Ultraljud är mekaniska svängningar med en frekvens mellan 20 kHz och 10 GHz. Det är inte hörbart för människan eftersom vår hörsel endast kan uppfatta frekvenser mellan 16 Hz och 20 kHz.

Ultraljud alstras av högfrekvent elektrisk energi och omvandlas till mekanisk energi. Ljudets mekaniska svängningar färdas i form av en tryckvåg med en viss hastighet i luft och andra medier. Frekvensen är ett mått på hur snabbt upprepningarna av ett periodiskt förlopp sker, till exempel vid expansion och kompression i våra ultraljudsverktyg. En hertz står för en svängning per sekund.

Hur fungerar fogning och skärning med ultraljud?

Vid svetsning och skärning med ultraljud används energin som omvandlats till ljudvågor för att smälta plast. Beroende på applikation används en annan frekvens. Eftersom RINCO ULTRASONICS använder en stor bandbredd av frekvenser mellan 20 och 70 kHz kan vi erbjuda den optimala och individuella ultraljudslösningen för alla svets- och skäruppgifter.

Ultraljudsbearbetning

I denna video visar vi hur hela processen går till.

Hur omvandlas strömmen från eluttaget till ultraljud?

För att omvandla elektrisk energi (ström) till mekaniska svängningar (ultraljud) krävs en generator och en konverter. Generatorn omvandlar först energin i nätspänningens 200/230 V och 50/60 Hz (eluttag) till en HF-spänning med en frekvens på minst 20 kHz. Beroende på applikation kan frekvenser mellan 20 och 70 kHz användas.

I den efterföljande konvertern alstras mekaniska svängningar ur den högfrekventa elektriska energin. I dess inre sitter piezoskivor som exciteras av den elektriska energin och som växelvis komprimeras och expanderar. Denna rörelse sätter konvertern i svängning. Ultraljudet har då en amplitud och frekvens som specificerats av generatorn och som leds vidare till den efterföljande boostern och sonotroden.

Sonotroden är det egentliga svets- eller skärverktyget som har kontakt med arbetsstycket.
Tillsammans utgör konvertern, boostern och sonotroden vibrationssystemet. Dessa komponenter måste vara noggrant akustiskt avstämda till varandra för att kunna samverka effektivt.

Hur kan plaster, textilier och livsmedel svetsas eller skäras med ultraljud?

Vid ultraljudsfogning eller ultraljudssvetsning överförs de mekaniska svängningarna från konvertern via sonotroden till materialet. De exciterar plastmolekylerna så att de börjar svänga genom friktionsvärme. Plasten smälter, plastificeras. Genom fogningstrycket som utövas kan den formas på nytt. Detta sker inte endast vid svetsning utan även vid falsning, nitning, omformning eller inneslutning eftersom grundprincipen för ultraljudssvetsning är den samma för alla fogningstyper.

Vid ultraljudsdelning eller ultraljudsskärning överförs de mekaniska svängningarna till materialet via en kniv. Med minimalt tryck och minimal ytfriktion skärs plast, textilier, gummi och olika livsmedel. Även vid ultraljudsskärning har friktionsvärmen en viktig funktion. Den underlättar skärningen så att även mjuka livsmedel behåller sin form med det minimala trycket. Dessutom erhålls särskilt fina snitt på detta sätt. Syntetiska textilier skärs inte bara till med fina snitt, friktionsvärmen förseglar även snittkanterna så att de inte fransar.

Hur ser en vanlig ultraljudsprocess ut?

För att förstå detta måste man se på detaljerna. Här förklarar vi processen med hjälp av en arbetscykel vid ultraljudssvetsning. En arbetscykel vid ultraljudssvetsning varar endast ett ögonblick. Den består som mest av sex steg som följer mycket snabbt på varandra i en slagrörelse. I det 1:a steget åker aktuatorn med vibrationssystemet från start- till bromsläget. Rörelsen i det första steget är mycket dynamiskt och saktas ner i steg 2 för att lägga an sonotroden mot arbetsstycket så skonsamt som möjligt. I steg 3 byggs trycket upp till ett fördefinierat värde (triggerpunkt) före steg 4 då ultraljudet leds in i arbetsstycket – detta är den egentliga svetsprocessen som oftast endast varar bråkdelen av en sekund. Trycket behålls under svalningsfasen (steg 5) före steg 6 då aktuatorn återgår till sitt ursprungsläge. Dessa sex lägen kan anpassas exakt till applikationen och dess material genom olika driftsätt och parametrar för att åstadkomma en perfekt fogning av alla plastdelar. Detta förlopp gäller för svetsning och omformning. Vid stansning utgår svalningsfasen under tryck. Hur det går till vid skärning förklarar vi mer ingående i undermenyn Ultraljudsskärning.

Vilka krav kan uppfyllas med ultraljudsteknik?

Ultraljudstekniken är energieffektiv, snabb och ren. Den är särskilt lämplig för korta processtider vid hög processäkerhet. Ultraljudstekniken är även lämplig vid krav som hög fogkvalitet och utseende, hög hållfasthet och exakt reproducerbarhet. Dessutom passar den perfekt till kravprofiler där inga ytterligare komponenter, extra material eller lim får eller ska användas.

Ultraljudskomponenterna kan enkelt integreras i existerande anläggningar.

Vilka krav som de olika ultraljudsprocesserna uppfyller visar vi i respektive undermeny.

Vad kan fogas eller skäras med ultraljud?

Ultraljudstekniken är en snabb och energi- och materialsparande fogningsteknik. Den är även mycket mångsidig. Den passar alltid för fogning när det gäller termoplaster. Till exempel kan formgjutna detaljer av termoplaster sammanfogas mycket enkelt med ultraljud. Denna metod används mycket inom bilindustrin, högteknologi och medicinteknik. Filmer kan svetsas eller förseglas med täta och säkra resultat. Även tekniska textilier och nonvowen som innehåller termoplaster kan fogas eller skäras effektivt.
Framför allt i livsmedelsindustrin används ultraljud för att försegla förpackningar och för att portionera och skiva livsmedel. Sötsaker, bakverk, ost, grönsaker och wraps skärs till i jämnstora portioner med ultraljud, och hamnar med rätt form och rena snittkanter i förpackningen.

Vilka material kan fogas eller skäras?

Ultraljudsfogning passar i princip för alla termoplaster. De delas in i delkristallina termoplaster – POM, CA, LCP, PEEK, PA, PBT, PE, PPS, PP, PTFE – och amorfa termoplaster. Till de amorfa termoplasterna räknas exempelvis ABS, MABS, PMMA, PC, PET, PS och PVC. Som regel kan delar av samma typ svetsas med mycket goda resultat – men det finns kombinationer av olika material som kan svetsas. Här finns mer information.

Lika lätt som plaster kan fogas, lika lätt kan ultraljud skära genom material. Förutom plast, gummi, nonwoven och tekniska textilier används ultraljudsskärning även för att skiva och portionera livsmedel. En utmärkande fördel är att snittkanterna blir mycket rena och att kniven inte behöver rengöras.

En typisk ultraljudssvets beståndsdelar

Ultraljudssvetsmaskiner består av en generator med styrning, en presspelare, en aktuator och vibrationssystemet. Det består i sin tur av konvertern, boostern och sonotroden. Dessutom finns en hållare för arbetsstycket, en grundplatta och för fristående arbetsstationer en utlösningsenhet.

Generator (1)
Ultraljudsgeneratorn uppfyller flera funktioner samtidigt. Den omvandlar växelström från eluttaget och alstrar den nödvändiga högspänningen med frekvens mellan 20 och 70 kHz. Dessutom reglerar den amplituden via spänningen och försörjer konvertern med elektrisk energi. Rinco Ultrasonics erbjuder generatorer med många olika effektsteg. Maskinstyrningen sitter vanligtvis i samma hus. Ultraljudssvetsen manövreras via en lokal eller extern pekskärm. Generatorerna finns med hus eller somultraljudsgeneratormodul utan hus.

Presspelare (2)
På presspelaren sitter aktuatorn. Den ansvarar för maskinens stabilitet.

Aktuator (3)
Aktuatorn tar emot slagrörelsen. Denna rörliga komponent kan ha antingen pneumatisk eller elektrisk drivning. På aktuatorn sitter vibrationssystemet.

Vibrationssystem (4)
Vibrationssystemet på aktuatorn är hjärtat i ultraljudsmaskinen, här uppstår ultraljudssvängningarna.
Det består av en konverter, en booster och en sonotrod.

Konverter (5)
Ultraljudskonvertern – även kallad ljudomvandlare eller transducer – konverterar den elektriska energin till mekaniska svängningar. Dessa svängningar uppstår genom att sätta piezokristallerna i piezoskivorna under högfrekvent spänning.

Booster (6)
Boostern förstärker ultraljudssvängningarna genom sin fysikaliska form. Den förstorar amplituden.
Det kompletta vibrationssystemet med boostern sitter i maskinen eller på robotarmen.

Sonotrod (7)
Sonotroden är det egentliga verktyget för svetsning eller skärning. Den leder ultraljudssvängningarna in i arbetsstycket. Den smälter materialet med ultraljudet och låter materialet stelna när det svalnar.

Sonotroden sitter på boostern och består av aluminium, titan eller stål. Varje sonotrod har sin egen form som är avstämt med arbetsstycket – de tillverkas enligt kundens specifikationer. För att åstadkomma en perfekt svetsfog måste sonotroden tillverkas med högsta noggrannhet och vara exakt avstämd med den applikationsspecifika frekvensen.

Hållare (8)
För att arbetsstycket inte ska glida vid ultraljudssvetsningen och för optimalt stöd sätts det fast i en hållare. Denna hållare kallas även städ.

Grundplatta (9)
Arbetsstyckets hållare sitter på grundplattan. Denna kan ställas in i höjdled för noggrann inriktning av sonotroden för att åstadkomma en svetsfog med hög precision.

Utlösningsenhet (10)
Utlösningsenheten används för att starta den egentliga ultraljudssvetsprocessen. För att säkerställa maximal säkerhet för maskinoperatören kan ultraljudssvetsprocessen endast startas med två händer. För ytterligare säkerhet finns en nödstoppsknapp på utlösningsenheten.

Vilka fördelar har ultraljudsfogning och ultraljudsskärning i drift?

Både ultraljudsfogning och ultraljudsskärning kan användas i många olika applikationer och är både kostnadseffektiva och ekologiska.

Hållfasta förband

Med ultraljudssvetsning kan särskilt hållfasta förband utföras.

Eftersom termoplasten binder på molekylär nivå uppstår ett mekaniskt hållfast förband. Detta är formstabilt och/eller hermetiskt tätt.

Effektivt, kostnadseffektivt och korta cykeltider

Ultraljudstekniken är materialeffektiv, tidseffektiv och kostnadseffektiv. Cykeltiderna är mycket korta. Det är alltid möjligt att uppnå mycket korta fogningstider eller snabba skärhastigheter med ultraljudstekniken. Själva fogningstiden tar som mest bråkdelen av en sekund. Därför behöver ultraljudsmaskinen inte mycket energi.

Exakt teknik

Fogning och skärning med ultraljud är en mycket exakt teknik. Svetsparametrarna kan ställas in exakt för ultraljudsfogning. I synnerhet kan eldrivna ultraljudssvetsar åstadkomma mycket exakta svetsresultat.

Även vid ultraljudsskärning imponerar ultraljudsteknikens precision. Snitten blir exakta och snittkanterna är som regel mycket rena.

Estetiska svetsresultat

Precisionen vid ultraljudssvetsning går hand i hand med imponerande estetiska resultat. Tack vare den exakta tekniken kan alla estetiska krav uppfyllas oavsett om det gäller estetiska fogar och nitförband eller ytor utan några märken.

Att ultraljud levererar mycket estetiska resultat visar sig även vid skärning av livsmedel. Med ultraljudsskärning kan livsmedel skäras utan deformering, även sådana – som exempelvis bakelser – som består av olika mjuka och hårda lager.

Kostnadseffektivt och snabbt redo för drift

Korta processtider sparar pengar. Maskinerna för ultraljudssvetsning och ultraljudsskärning är redo för drift utan uppvärmningstid. Detta är en viktig skillnad jämfört med termiska fogningstekniker som varmnitning eller varmsvetsning.

Eftersom arbetsstycket endast värms upp minimalt krävs mindre än en sekund efter svetscykeln innan svetsfogen har stelnat och kan belastas.

Skonsam bearbetning för känsliga produkter

Ultraljudsteknik är perfekt för temperaturkänsliga produkter.
Eftersom endast svetsfogen blir varm vid ultraljudssvetsning av plast och snittytan vid ultraljudsskärning är denna teknik perfekt för en mängd olika applikationer.

Ultraljudsförsegling rekommendera särskilt för förpackningar till värmekänsliga produkter som kosmetika, mediciner och livsmedel.

Ren, miljövänlig och hållbar fogning och skärning

Ultraljudsfogning och ultraljudsskärning räknas som hållbara och miljövänliga fog- och skärtekniker.
För fogning av två termoplastiska delar behöver ultraljudstekniken inga extra material. Inget lim eller skruvförband behövs. Eftersom inga extra material eller extra komponenter används underlättar ultraljudssvetsning av plast sorteringen för materialåtervinning och sparar på resurserna på lång sikt.
Eftersom värme endast uppstår där den behövs kan energiförbrukningen reduceras till ett minimum. Och själva plastdetaljerna behöver ingen förbehandling. Även det är miljövänligt. Eftersom inga extra material krävs är hanteringen ren och enkel.

Ultraljud är principen för en mångsidig teknik

Med ultraljudstekniken kan många olika typer av bearbetning utföras: Svetsning, skärning och svetsning med försegling, stansning, försegling, omformning, nitning, falsning och inneslutning.

Vilka olika typer av ultraljudsbearbetning finns det?

Ultraljudstekniken passar för många olika tillverknings- och bearbetningsprocesser. En mängd olika plaster, textilier och livsmedel kan bearbetas.

Det som efterfrågas mest hos Rinco Ultrasonics är maskiner för ultraljudssvetsning. Tack vare de korta cykeltiderna används ultraljudssvetsning av plast framför allt i produktionen och bearbetningen av delar för bilindustrin.

Frågor och svar om ultraljudsteknik