振動溶接は変化する需要に適応します

多くの自動車エンジニアは、騒音、振動、ハーシュネス (NVH) の問題について悪夢を見ています。 皮肉なことに、それらの有害物質の 1 つである振動は、さまざまな種類のプラスチック自動車部品の組み立てに広く使用されています。

超音波溶接の親戚である振動溶接は、多くの利点があるため、一般的な組み立てプロセスです。 類似した熱可塑性プラスチックと異なる熱可塑性プラスチックを接合できます。 振動溶着では、ブロー成形、射出成形、3D プリンティングなど、さまざまな方法で製造された部品を組み立てることもできます。

さらに、振動溶着は複雑な形状の大型部品を溶着することができます。 これは、大きなプラスチック部品を接合するための比較的高速なプロセスです。 また、熱を加える前に圧力をかけるため、多少の部品の反りは許容できます。

振動溶着機は、多くの種類のナイロン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリプロピレンなど、事実上すべての熱可塑性プラスチックを接合できます。 50 年にわたる接合プロセスでは、添加剤、着色剤、充填剤、汚染物質も許容されます。

現在、ほとんどの振動溶接機は電気サーボとリニア電磁駆動システムを使用しています。 サーボ作動によりメンテナンスが軽減され、稼働時間が増加し、油圧機械に比べてエネルギー使用量が 30% 以上削減されます。

「線形振動溶接は、圧力下で 2 つの部品のうちの 1 つを物理的に水平に移動させ、表面摩擦によって熱を発生させ、部品を溶かして溶接します」と、全製品を提供する Telsonic Ultrasonics Inc. の販売およびマーケティング担当副社長の Phil Sandow 氏は述べています。高周波および低周波振動溶着機。

「超音波溶接と比較して、振動溶接ははるかに低い周波数、より高い振幅、より大きなクランプ力で動作し、大きな密閉された溶接領域が形成されます」と Sandow 氏は説明します。 「電磁ヘッドにより、ベアリング表面に関連する摩耗と潤滑が排除されます。電気サーボにより、圧力を制御し、メルトダウン中のより厳しい公差を達成することができます。」

振動溶着は、幅広い部品の形状や材料に適用できる確立された組立プロセスであり、自動車から洗濯機に至るまであらゆるものに使用される部品の製造に最適です。

「振動溶接の主な利点の 1 つは、非常に大きな部品にも使用できることです」と EWI のポリマー接合担当シニア エンジニアのミランダ マーカスは言います。 「最大 6 フィートの長さの部品を接合できます。これに比べ、超音波溶接は通常、約 12 インチ四方 [立方体サイズ] に制限されており、それでも連続的な溶接は行われません。」

「溶接できる部品のサイズに対する唯一の本当の制限は、より大型の機械を構築する場合の費用対効果です」とマーカス氏は説明します。 「現在製造されている機器の限界は 5 ～ 6 フィートです。現時点では、振動溶着の恩恵を受ける 2 × 5 フィートを超えるプラスチック アセンブリはほとんどないため、より大きなものを構築する経済的インセンティブはありません。

「ホットプレート溶接、レーザー溶接、赤外線溶接など、他の多くのプロセスでも大型部品を溶接できますが、通常、振動溶接の方がはるかに高速です」とマーカス氏は指摘します。 「マイナス面としては、粒子（プラスチックの粉塵）が発生する傾向があり、これは一部の用途では許容できません。さらに、振動溶接では、ホットプレート、レーザー、赤外線溶接よりも平坦な表面が必要です。」

振動溶着の平均溶着時間は 10 ～ 15 秒、保持時間は約 15 秒です。 マーカス氏によると、ホット プレートや赤外線など、ほぼ同じサイズの部品を溶接できる組み立てプロセスの全体のサイクル タイムは 45 秒以上です。 レーザー溶接は振動溶接と同じくらい速くできますが、大型部品の場合はコストが大幅に高くなります。

「振動溶着は、かなり硬く、表面摩擦係数が高い材料で最も効果的です」とマーカス氏は言います。 「例としては、アクリロニトリル ブタジエン スチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブタジエン テレフタレートが挙げられます。部品の壁が厚い場合、またはガラス充填物が追加されている場合、ポリプロピレンは良好に振動溶接できます。

「ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）は摩擦係数が低いため、振動溶着には適していません」とマーカス氏は警告します。 「あるいは、熱可塑性ウレタンは摩擦係数が高いですが、振動溶着するには柔らかすぎるのです。

「振動溶接は、他のプロセスよりも異なる部品間の接合を実現するのに優れていることがよくあります」とマーカス氏は説明します。 「これは、溶接面を横切る高振幅の振動により、プロセス中に溶融物の機械的破壊が増加するためである可能性があります。しかし、一般に、半結晶性プラスチックは、異なる半結晶性プラスチックとは接着しません。

「通常、振動溶接には突き合わせ式ジョイントが使用されます」とマーカス氏は言います。 「溶接中に発生する振動に対応するために、接合部とクリアランスに十分なランド領域があることが重要です。

「接合部の幅が振動の振幅より狭い場合、溶接中のある時点で部品の接触が失われる可能性があり、変形や損傷の可能性が生じます」とマーカス氏は付け加えます。 「外観が懸念される場合は、溶接中に押し出される溶融物を隠すためにフラッシュ トラップを追加できます。」

振動溶着は多くの業界でさまざまなプラスチック製品の組み立てに使用されていますが、伝統的に自動車用途と関連付けられてきました。

「このプロセスは、エアバッグのシュートとフレーム、ヘッドライト、テールライト、インストルメントクラスター、およびインストルメントパネルを量産するために、OEM および Tier 1 サプライヤーによって使用されています」と、エマソン オートメーション ソリューションズの非超音波部門グローバル プロダクト マネージャーのプリヤンク キショール氏は述べています。 「フィルター、液体タンク、マニホールドなど、多くの種類のボンネット下の部品も振動溶着で組み立てられています。」

特に、エアインテークマニホールド、カーボンキャニスター、レゾネーターは、数十年にわたって振動溶接機の需要を押し上げてきました。 実際、振動溶着は、新しい排出要件を満たすカーボン キャニスターを大量生産するために 1970 年代初頭に実際に開発されました。

現在、Mann+Hummel や Marelli などの一部の大手自動車サプライヤーは、内燃エンジン (ICE) パワートレインをサポートする部品を大量生産するために数千台の振動溶接機を使用しています。

しかし、自動車業界が電動ドライブトレインに向けて進化し続けるにつれ、マニホールドやその他の ICE 部品の従来の生産量は今後 20 年間で減少すると予想されます。 驚くことではないが、これまで振動溶着に大きく依存してきた多くのメーカーが現在、バッテリーや燃料電池などのeモビリティ技術に注目を移している。

「従来の市場の成長は停滞していますが、当社は依然として多くの振動溶接機と工具を販売しています」と、Dukane Corp.のワールドワイド自動車マーケティングマネージャー、レイ・ラフラム氏は述べています。「また、電気自動車は振動溶接にいくつかの新しい用途を提供します。

「バッテリーの筐体は新興市場を代表するものです」とラフラム氏は指摘します。 「冷却ダクトも用途の一つです。ICE の吸気マニホールドと同じように、電気自動車も冷却する必要があります。振動溶接は同じ理由で理想的です。気密封止が必要な大型部品を大量生産するのに効果的な方法です。 、ほとんどのアプリケーションでは半結晶材料が使用されます。

「現在、多くのインストルメントパネルは低周波振動溶接機で組み立てられており、この傾向は電気自動車でも続くはずです」とラフラム氏は説明する。 「実際、軽量化の取り組みにより、将来のインストルメントパネルでは金属部品が少なくなることが予想されます。自動車エンジニアは、衝突や衝撃の要件に対処するために、より多くのプラスチック構造を使用したいと考えています。」

「自動車業界では、軽量化の取り組みにより、より大きなプラスチック部品を使用する傾向もあります」とラフラム氏は言います。 「将来的には金属の使用量が減少するため、ボディパネルやその他の構造部品の組み立てに振動溶接が一般的になる可能性があります。」

自動車用途を超えて、家電メーカーはプラスチック食器洗い機のスプレーアームから洗濯機の槽に至るまであらゆるものを組み立てるための振動溶着技術への投資を続けています。

「シースルー ドアを使用する用途が増え始めています」と Laflamme 氏は説明します。 「エンジニアがファスナーやガスケットを使って組み立てることができない場合は、気密シールを得るために振動溶接を利用します。

「また、カテーテル、フィルター、体液を収集する容器など、医療機器業界でもいくつかの興味深い応用例が見られます」と Laflamme 氏は付け加えます。 「もう 1 つの新興市場は包装業界です。一部の新しいタイプの再利用可能なプラスチック容器やスキッドは大きいため、振動溶着技術を使用して製造されています。」