無線周波数溶接は、誘電溶接や高周波溶接とも呼ばれ、高周波電界を利用して熱可塑性ベース材料の加熱と溶融を誘発するプラスチック溶接プロセスです。 [1] 接合される部品がクランプされた後、一対の電極によって電界が適用されます。クランプ力は接合部が凝固するまで維持されます。このプロセスの利点は、サイクルタイムが速い（数秒のオーダー）、自動化、再現性、および溶接の外観が優れていることです。双極子を持つプラスチックだけが無線波を使用して加熱できるため、すべてのプラスチックをこのプロセスで溶接できるわけではありません。また、このプロセスは厚い接合部や過度に複雑な接合部には適していません。このプロセスの最も一般的な用途は、薄いプラスチックシートまたは部品の重ね接合またはシールです。
加熱機構
高周波交流電場にさらされた物質では4種類の分極が発生する可能性がある：[2]
- 電子分極または電気分極は電子の再分配である
- イオン分極とは、荷電粒子（陽イオンと陰イオン）の再分布である。
- マクスウェル・ワグナー分極は、不均質な材料の界面における電荷の蓄積である。
- 双極子分極は永久双極子の再配置である
双極子分極は、高周波プラスチック溶接、誘電加熱における加熱メカニズムの原因となる現象です。非対称な電荷分布（双極子）を持つ分子に電界が適用される場合、電気力により分子は電界と整列します。[1] 交流電界が適用される場合、分子は継続的にその整列を反転し、分子の回転につながります。このプロセスは瞬間的ではないため、周波数が十分に高いと、双極子は電界と整列したままでいるのに十分な速さで回転できず、分子が電界に従おうとしてランダムな動きをします。この動きにより分子間摩擦が発生し、熱が発生します。[3] 材料内で摩擦によって発生する熱量は、電界強度、周波数、双極子強度、および材料内の自由体積に依存します。[1] 誘電加熱の主な原動力は分子の双極子と適用された電界との相互作用であるため、RF溶接は双極子分子でのみ行うことができます。誘電加熱の典型的な周波数範囲は10～100 MHzですが、通常RF溶接は27 MHz前後で行われます。[3] 周波数が低すぎると、双極子は電界と整列し、電流と同位相を保つことができるため、発生する分子間摩擦が最小限に抑えられます。これは、分子が同位相を保ち、最小限のエネルギーを吸収するため、電界からの電力損失が最小限であるとも言えます。周波数が十分に高くなると、双極子が反転電界の速度で整列できなくなるため、電力損失が増加し始めます。双極子は位相がずれてエネルギーを吸収し、このときに加熱が発生します。ある周波数で電力損失が最大に達し、周波数が高くなるほど電力損失が減少し、加熱も少なくなります。最大誘電電力損失は材料に依存します。[4]
適合材料
高周波加熱機構は、分子内の双極子を利用して熱を発生させるため、高周波溶接に用いられるプラスチックは、分子内に電気双極子を含むものに限られる。[5]分子内の原子間の電気陰性度 の差によって、分子内に永久的な分子双極子が形成される。負電荷は電気陰性度の高い原子に偏り、その結果、電気陰性度の高い原子の周囲には負に帯電した領域が多く、電気陰性度の低い原子の周囲には正に帯電した領域が多くなる。[1]ポリエチレンは対称的なモノマー群で構成されている ため、双極子は形成されず、高周波溶接では接合できない。水と同様に、ポリ塩化ビニル（PVC）は、異なる電気陰性度の原子が非対称に分布しており、その結果、双極子モーメントが生じる。この強い双極子モーメント（およびその他の特性）により、PVCは高周波溶接に最適な材料と考えられている。極性に加えて、良好な高周波溶接性に寄与する特性として、電流抵抗を低減する高い誘電率、溶接中に接合部を介したアーク放電を防止する高い絶縁耐力が挙げられる。誘電損失が高く、電界によって発生する熱量を表す係数である。[1] [2]
誘電加熱で一般的に溶接されるプラスチックには以下のものがある：[1] [3] [6]
接合部に追加部材を追加する理由は様々です。断熱性の向上、溶接装置への部品の固着防止、アーク放電の防止、不均一なクランプ圧力や電界の緩和などです。[2] 導電性複合インプラントを使用することで、非極性プラスチックの溶接が可能になり、誘電損失を改善できます。[1]
手順とプロセス
RF溶接手順は5つのステップから構成されます。[1]
- 部品の読み込み
- 圧力をかける
- 電界を印加する
- 保持圧力
- 部品の荷降ろし
荷重負荷は、接合部材を溶接機に設置することから成ります。溶接作業は、電極から部材に圧力をかけることから始まります。通常、下部電極は固定され、アクチュエータが所定の力で上部電極を押し下げます。電極からの圧力が維持されている間、電界が部品に一定時間印加されます。誘電加熱により、密着した部品が溶融し、液状ポリマーが界面で互いに拡散します。一定時間圧力が維持されている間、接合部の拡散と固化が起こります。接合部が冷却され、上部電極が引き抜かれると、部品の荷重負荷を解除できます。[1]
溶接プロセスを制御するために使用されるパラメータは次のとおりです。[1] [2]
- 溶接時間 – 電界が印加される時間
- 電力 - 関節への電界電力
- クランプ圧力（または圧縮距離） - 部品が押し付けられる際の圧縮圧力の限界（または圧縮距離の限界）
- 保持時間 - 電源を切った後に圧力が加えられる時間
- ダイ温度 – ダイの温度
- サイクル数/順序 – 溶接品質を最大化するために、複数のサイクルを連続して実行するように溶接プロセスを変更します。
リストされているパラメータは相互に依存していることが多く、許容できる溶接品質を得るためにプロセスを調整するためのプロセスウィンドウを開発する必要がある。[2]
溶接機器
高周波溶接装置は、一般的に、RF 電源、制御ユニット、プレス、筐体、電極、および場合によってはハンドリング機構で構成されます。[1] [2] [3] RF 電源は、ライン電力を溶接用の高周波、高電圧電力に変換します。一般的な電圧は、周波数 27.12 MHz で 1kVAC ～ 1.5kVAC です。[1]溶接に必要な電力は、溶接面積、厚さ、および材料によって異なります。[2] 制御ユニットは、機械を操作するために使用されるシステムです。制御ユニットは、力、電力、加熱時間などの必要な溶接入力に関する情報を処理し、これらのプロセスパラメータを満たすように機械の他のコンポーネントに指示する役割を担っています。一部のコントローラは、出力を監視し、パラメータを調整して、良好な溶接を保証することができます。[1]プレス（またはアクチュエータ）は、空気圧または油圧でクランプ力を供給します。[2] 電極は、接合される部材に電界を伝達する一対の導電性構造です。電極は部品に接触し、溶接前、溶接中、そして凝固中に保持圧力を加えます。一般的に、上部電極は上部治具表面から突出し、下部電極は平坦な導電性表面です。場合によっては、形状に適合させるため、または漂遊電界を低減して溶融をより局所的にするため、下部電極が下部治具より上に突出することもあります。どちらの電極も、溶接面の仕上がりを変えるための特徴を持たせて製作できます。これらは通常、真鍮、銅、または青銅で作られています。[1] 作業者を無線周波数放射を含む傷害から保護するために、電極と開口部を囲むRFエンクロージャまたはケージが使用されます。[1] 自動化機械には、半自動（作業者が部品を操作する必要がある）または全自動（機械が部品の装填、搬送、および操作を担当する）があります。[2]
アプリケーション
RF溶接の最も一般的な用途は、PVCなどの極性熱可塑性プラスチックの薄板のシーリングです。RF溶接が一般的に使用される製品には、ビーチボール、エアベッド、ライフジャケット、ブックカバー、ルーズリーフバインダーなどがあります。また、RF溶接は、血液バッグ、使い捨て衣類、血圧計、特定の製品の包装などの医療用品にも広く使用されています。[3] RF溶接は、水密または気密シールを必要とする製品の製造に最も一般的に使用されます。溶接シームまたは挿入チューブのシーリングプロセスにより、特定の液体タイプまたは空気圧のさまざまな要件に耐えられるシールが作成されます。この例としては、シールの気密性と液密性の確保が重要な医療業界が挙げられます。[7]
参照
参考文献
- ^ abcdefghijklmno プラスチックおよび複合材料溶接ハンドブック. Grewell, David A., Benatar, Avraham., Park, Joon Bu. ミュンヘン: Hanser Gardener. 2003. ISBN 1569903131OCLC 51728694 。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク) - ^ abcdefghi 医療材料および機器の接合と組み立て. Zhou, Y., Breyen, Mark D. Cambridge: Woodhead Publishing Limited. 2013. ISBN 978-0857096425. OCLC 859582129。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク) - ^ abcde Troughton, MJ (2008).プラスチック接合ハンドブック：実用ガイド. ノーウィッチ、ニューヨーク州: ウィリアム・アンドリュー.
- ^ Naylon, J., et al. 「マイクロ流体システムの効率的なマイクロ波加熱と誘電特性評価」MicroTAS Proceedings . 2010.
- ^ Leighton, J., Brantley, T., & Szabo, E. (1993年9月1日). PVCおよびその他の熱可塑性化合物のRF溶接. Journal of Vinyl Technology, 15, 3, 188-192.
- ^ 「FAQ：どの熱可塑性材料がRF（無線周波数）溶接できますか？」twi-global.com . 2019年4月8日閲覧。
- ^ 「無線周波数溶接 - RF溶接サービス」。
