3D打印部件可以超聲波焊接嗎？
時間：2019-07-05 15:19 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
3D打印部件可以超聲波焊接嗎？在某些情況下，是可以。材料和3D打印技術(shù)在分辨率、強度和堅固性方面差異，是影響超聲波焊接成功與否的關(guān)鍵因素。隨著3D打印（3DP）變得普及，價格合理且實用，該技術(shù)已被許多行業(yè)采用，包括汽車，航空航天，消費品和醫(yī)療。因為該技術(shù)可以對塑料部件比傳統(tǒng)制造方法（例如注塑成型）更快速和經(jīng)濟地進行評估和修改，所以許多制造商將3D打印技術(shù)積極用在產(chǎn)品開發(fā)中。
這一趨勢促使越來越多的客戶對超聲波焊接提出了新的需求和挑戰(zhàn)。那么這種常用的塑料焊接技術(shù)是否適用與3D打印制造的部件？要回答這些問題，首先要了解3D打印技術(shù)和材料的現(xiàn)狀并評估幾個問題：
超聲波焊接原理，以及它對部件尺寸和物理特性要求，3D打印工藝過程和部件特性，包括超聲波焊接所需的零件分辨率，強度和物理特性，用于制造3D打印零件的材料的可焊性。
3D打印部件可以超聲波焊接嗎？通常，答案是“有時”可以。所有3D打印部件都需要具有超聲波焊接所需的一些關(guān)鍵特性：高分辨率，強度，堅固性和可焊性。但尚無法對采用3D打印的各種零件使用超聲波焊接。然而，鑒于3D打印材料和技術(shù)的快速發(fā)展，似乎可以解決和克服這些當前的限制。
超聲波焊接的基礎(chǔ)知識
超聲波焊接是使用通常稱為“焊頭”的模具，將高頻振動（15-50Khz）傳遞到部件或者材料層。這些振動傳遞到兩個部件的界面并通過交變應(yīng)力和摩擦產(chǎn)生熱量，將材料熔化并將兩個部分粘合在一起。該技術(shù)快速有效且清潔，無消耗品。超聲波工藝還可用于螺絲嵌入、鉚接和點焊組件等。超聲波焊接十分適合熱塑性材料的焊接。熱固性材料經(jīng)歷不可逆的化學變化而不能重整，因此不能進行超聲波焊接。
其他因素可能影響材料的超聲所需能量和可焊性。主要因素包括聚合物結(jié)構(gòu)、密度、熔化溫度、粘度、剛度（彈性模量）、導熱率和化學組成。無定形和半結(jié)晶聚合物都可以焊接。然而，無定形材料通常更容易焊接，因為它們具有較寬的軟化溫度并且更容易將超聲波振動傳遞到焊接筋上。
在超聲波焊接方面，主要有兩種類型的超聲波焊筋設(shè)計：導能筋和剪切焊縫設(shè)計，如下圖1。兩者都需要3D打印零件的高分辨率，因為超聲工藝所需的零件特征公差可能非常小。
導能筋集中能量以快速軟化和熔化塑料。它通常在接合面上有一個凸起的三角結(jié)構(gòu)。在焊接過程中，尖角因較大的交變應(yīng)力和摩擦迅速產(chǎn)生熱量并熔化，軟化或流體塑料流過整個接合區(qū)域并與另一零件熔化表面混合。三角筋的結(jié)構(gòu)顯著縮短了焊接時間。導能筋設(shè)計是無定形材料最常用的焊縫設(shè)計，但它們也可用于半結(jié)晶熱塑性塑料的焊接。
導能筋的尺寸根據(jù)部件尺寸而變化，但通常在0.25mm到0.5mm高的范圍內(nèi)。對于無定形材料的夾角為90°，對于半結(jié)晶材料的夾角為60°。該導能筋設(shè)計的尖角上的點是很重要的，注塑部件的尖角半徑優(yōu)選為0.05mm或更小。紋理表面通常是設(shè)計在配合的部件上。在配合部件上模制紋理可以通過增強摩擦特性和加強熔體控制來改善整體焊接強度和質(zhì)量。通常紋理僅為0.075mm至0.15mm。這對于某些3D打印技術(shù)來說可能是不可能實現(xiàn)的。
剪切焊縫設(shè)計
半結(jié)晶樹脂通常采用剪切型的焊縫設(shè)計會具有更好的焊接強度。半結(jié)晶樹脂具有相對較窄的溫度范圍，從固態(tài)快速變?yōu)槿蹜B(tài)并變回固態(tài)。采用切剪焊縫設(shè)計，可以讓熔融材料保留在焊接區(qū)域并防止與周圍空氣接觸，防止熔融塑料過早凝固。當采用導能筋的焊縫時，加熱流出的熔融塑料在與鄰近塑料表面熔融塑料混合之前便重新固化了，降低了焊接強度和氣密。
超聲波焊接原理，以及它對部件尺寸和物理特性要求，3D打印工藝過程和部件特性，包括超聲波焊接所需的零件分辨率，強度和物理特性，用于制造3D打印零件的材料的可焊性。
3D打印部件可以超聲波焊接嗎？通常，答案是“有時”可以。所有3D打印部件都需要具有超聲波焊接所需的一些關(guān)鍵特性：高分辨率，強度，堅固性和可焊性。但尚無法對采用3D打印的各種零件使用超聲波焊接。然而，鑒于3D打印材料和技術(shù)的快速發(fā)展，似乎可以解決和克服這些當前的限制。
超聲波焊接的基礎(chǔ)知識
超聲波焊接是使用通常稱為“焊頭”的模具，將高頻振動（15-50Khz）傳遞到部件或者材料層。這些振動傳遞到兩個部件的界面并通過交變應(yīng)力和摩擦產(chǎn)生熱量，將材料熔化并將兩個部分粘合在一起。該技術(shù)快速有效且清潔，無消耗品。超聲波工藝還可用于螺絲嵌入、鉚接和點焊組件等。超聲波焊接十分適合熱塑性材料的焊接。熱固性材料經(jīng)歷不可逆的化學變化而不能重整，因此不能進行超聲波焊接。
其他因素可能影響材料的超聲所需能量和可焊性。主要因素包括聚合物結(jié)構(gòu)、密度、熔化溫度、粘度、剛度（彈性模量）、導熱率和化學組成。無定形和半結(jié)晶聚合物都可以焊接。然而，無定形材料通常更容易焊接，因為它們具有較寬的軟化溫度并且更容易將超聲波振動傳遞到焊接筋上。
在超聲波焊接方面，主要有兩種類型的超聲波焊筋設(shè)計：導能筋和剪切焊縫設(shè)計，如下圖1。兩者都需要3D打印零件的高分辨率，因為超聲工藝所需的零件特征公差可能非常小。
圖1.導能筋（左）和剪切焊縫設(shè)計（右）的示例。
導能筋的焊縫設(shè)計導能筋集中能量以快速軟化和熔化塑料。它通常在接合面上有一個凸起的三角結(jié)構(gòu)。在焊接過程中，尖角因較大的交變應(yīng)力和摩擦迅速產(chǎn)生熱量并熔化，軟化或流體塑料流過整個接合區(qū)域并與另一零件熔化表面混合。三角筋的結(jié)構(gòu)顯著縮短了焊接時間。導能筋設(shè)計是無定形材料最常用的焊縫設(shè)計，但它們也可用于半結(jié)晶熱塑性塑料的焊接。
導能筋的尺寸根據(jù)部件尺寸而變化，但通常在0.25mm到0.5mm高的范圍內(nèi)。對于無定形材料的夾角為90°，對于半結(jié)晶材料的夾角為60°。該導能筋設(shè)計的尖角上的點是很重要的，注塑部件的尖角半徑優(yōu)選為0.05mm或更小。紋理表面通常是設(shè)計在配合的部件上。在配合部件上模制紋理可以通過增強摩擦特性和加強熔體控制來改善整體焊接強度和質(zhì)量。通常紋理僅為0.075mm至0.15mm。這對于某些3D打印技術(shù)來說可能是不可能實現(xiàn)的。
剪切焊縫設(shè)計
半結(jié)晶樹脂通常采用剪切型的焊縫設(shè)計會具有更好的焊接強度。半結(jié)晶樹脂具有相對較窄的溫度范圍，從固態(tài)快速變?yōu)槿蹜B(tài)并變回固態(tài)。采用切剪焊縫設(shè)計，可以讓熔融材料保留在焊接區(qū)域并防止與周圍空氣接觸，防止熔融塑料過早凝固。當采用導能筋的焊縫時，加熱流出的熔融塑料在與鄰近塑料表面熔融塑料混合之前便重新固化了，降低了焊接強度和氣密。
剪切焊縫設(shè)計在兩個部件之間有小的過盈配合。焊接從一個很小的接觸區(qū)域開始，一旦熔化開始，便沿著部件的垂直壁繼續(xù)向下，以獲得較好的焊接強度和氣密密封。剪切量的大小：對于尺寸小于20mm的零件，剪切量0.2mm，建議公差為±0.025mm；對于較大的部件（38mm-76mm），剪切量約0.35mm，公差為±0.075mm。剪切焊縫設(shè)計需要剛性側(cè)壁支撐以防止焊接過程中的撓曲變形導致剪切量變小。
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