MuCell による溶接性能

抽象：

ガラス繊維入り PA 6 と PA 6.6 は、MuCell マイクロセルラー発泡プロセスで射出成形される最も一般的な材料の XNUMX つです。この技術がエンジンルームの用途に拡大するにつれて、振動溶接と超音波溶接を理解する必要性がますます高まっています。 

この論文では、固体として成形された PA 6 と PA 6.6、および MuCell プロセスで成形された PA XNUMX と PA XNUMX の溶接性能を比較します。また、溶接ラインの強度と試験片間のばらつき、および適切な溶接性能の理解についても説明します。
 

はじめに：

マイクロセルラーフォーム射出成形は、過去 4 ～ 5 年間で大きな注目を集めている技術です。この技術の基礎は、1980 年代初頭にマサチューセッツ工科大学 (MIT) の機械工学部で生まれました。ナム・スー博士が主導したその研究は、現在市場で入手可能な技術の基礎となっています。関心が広がるにつれて、この技術はさまざまな要件を持つより多くの用途で使用されています。  

成長分野のひとつは、ファンシュラウド、吸気マニホールド、ロッカーカバーなど、ガラス繊維入り PA 6 または PA 6.6 を使用したボンネット下のアプリケーションです。これらのアプリケーションは、寸法の問題や部品全体の質量が頻繁に発生するため、MuCell プロセスに適しています。寸法の問題は、部品間の接触圧力に影響するため、溶接の問題の原因にもなります。

最も一般的な溶接技術は、小型部品用の超音波溶接と大型アセンブリ用の振動溶接の 2 つです。このホワイト ペーパーでは両方の方法について説明しますが、ボンネット下の用途では振動溶接の方が一般的です。  

テクノロジーの基礎:

マイクロセルラーフォーム成形の基礎については、MIT、Trexel、Sulzer Chemtech、IKV Aachen などの研究を含む多くの論文や記事で取り上げられています。そのため、ここでは詳細には立ち入らず、基本的な概要のみを説明します。射出成形プロセスに適用される概念では、物理的発泡剤 (通常は窒素または二酸化炭素) を超臨界流体の形で溶融ポリマーに導入します。溶融ポリマーは、発泡剤がポリマーに溶解して単相溶液を作成するのに適した温度と圧力条件下にあります。単相溶液という用語には、発泡剤がポリマーに完全に溶解しているだけでなく、ポリマー全体に均一に分散していることも暗示されています。単相溶液が作成されると、材料が金型キャビティに注入されるまでその状態を維持する必要があります。

発泡剤とポリマーの単相溶液が金型に注入されると、熱力学的変化、圧力降下が起こり、セル サイトが形成され (セル核形成)、その後、発泡剤が溶液から出ると成長します。セル密度、つまり材料の特定の体積あたりのセル数は、発泡剤の飽和限界の関数としての発泡剤の量と、圧力降下率 (圧力/時間増分の変化) の関数です。この基本メカニズムは、物理的発泡剤を使用してマイクロセル射出成形部品を作成するすべてのシステムに適用できます。  

溶接方法:

現在、市場では振動溶接、超音波溶接、ホットプレート溶接、スピン溶接など、さまざまな溶接技術が使用されています。これらのうち、振動溶接は、吸気マニホールドなどの複雑なパーティングラインを持つ大型部品で最も一般的に使用され、マイクロセル発泡部品では、これらの大型部品の方が MuCell プロセスからより大きなメリットが得られるため、より注目されています。振動溶接では、プラスチック部品は、溶接面が圧力を受けて接触するように固定されます。次に、溶接面は、所定の周波数、圧力、時間で直線的または軌道的にこすられます。部品が動くと摩擦が生じ、接触面が溶けます。十分な量の材料が溶けると、部品間の動きが止まり、界面の溶融プラスチックが冷却されて固化し、部品間の結合が形成されます。

超音波溶接は、小型部品でよく使用されます。この技術では、1 つの部品を固定したまま、もう 1 つの部品を接触させます。可動部品に高周波振動を与えると、接触点で摩擦が生じ、溶接面の材料が溶けます。超音波溶接で接合される部品には通常、溶接面に溶接エネルギーを集中させる設計上の特徴があります。

実験的:

35% ガラス繊維充填 PA 6 と 35% ガラス繊維充填 PA 6.6 について 10 つの研究が行われました。標準固体射出成形と MuCell プロセスで製造された試験片は、超音波溶接と振動溶接の両方を使用して組み立てられたときの溶接強度が評価されました。MuCell プロセスで製造されたすべてのサンプルの目標密度低下は XNUMX% でした。

結果と考察：

超音波溶接：  

超音波溶接研究の最初のステップは、最適な溶接条件を確立することでした。これは、壁の厚さ全体にわたって完全に溶接され、溶接フラッシュがない状態と定義されます。溶接条件は、溶接時間を調整して溶接領域で生成される溶融材料の量を増減することで最適化されました。溶接の適合性は、アセンブリを切断して溶接ジョイントを調べることで決定されました。良好な溶接は、部品の壁の外側にフラッシュがなく、壁の全幅に接触しています。PA 6 の最適化の結果、MuCell プロセスを使用して製造された部品の溶接時間は、固体部品の 0.195 秒と比較して 0.275 秒と短くなっています。適用された荷重と周波数は同じであるため、MuCell プロセスで製造された部品の全体的な溶接エネルギーが低くなりました。

PA 6.6 の場合はそうではありませんでした。溶接最適化の結果、MuCell プロセスで製造された部品と標準的なソリッド成形で製造された部品の両方で、必要な溶接時間は 0.200 秒で同じであることがわかりました。これにより、溶接エネルギーは同等になりました。

超音波溶接されたサンプルは、引張試験と破裂圧力試験という 6 つの別々の試験構成で評価されました。引張試験は、引張試験システムを使用して行われます。この場合、アセンブリの上部フランジと下部フランジを固定具に配置し、試験片を溶接が破断するまで張力をかけます。この試験の結果、PA 6.6 の溶接性能が PA 6 よりも優れていることがわかりました。また、PA 37 の場合、MuCell プロセスを使用して成形された部品の平均破損荷重は、ソリッド部品よりも 6.6% 高かったことがわかりました。PA XNUMX を使用すると、ソリッド部品と MuCell プロセスの部品の平均結果が同じであることがわかりました。引張試験の難しさは、標準偏差が非常に大きいことです。つまり、ソリッド部品から作られたアセンブリと MuCell プロセスのアセンブリの間には、統計的にほとんど違いがありません。

グラフ1 – 超音波溶接引張データ – 密度10%減少

破裂試験のデータは、データの再現性だけでなく、使用中の破損状態をより容易にシミュレートできるため、より価値があります。ここでのデータは、MuCell プロセスで生成された PA 6 サンプルが固体サンプルと同等の破裂性能を示したことを示しています。PA 6.6 には 6 つの観察結果がありました。まず、引張試験と同様に、破裂圧力は PA 12 よりも低かったです。次に、固体と比較して MuCell サンプルの破裂圧力が XNUMX% 低下しました。

グラフ2 – 超音波溶接バーストデータ – 密度10%減少

超音波溶接された MuCell サンプルを分析すると、PA 6 と PA 6.6 の両方で成形された部品のコアのセル構造は 20 ミクロン未満で類似していますが、PA 6 サンプルのスキン層は PA 3 サンプルよりも厚くなっています (厚さは最大 6.6 倍)。  

実際、PA 6 サンプルのエネルギー ディレクターの材料にはセル構造がまったくありません。 より厚いスキンは溶接領域に多くの材料を提供し、場合によってはセル構造を溶接領域から完全に移動させることもできます。

振動溶着:

振動溶接の研究はベル型を使用して行われました。この型は、2 つの部品を接合して溶接試験片を形成する部品を製造します。その後、試験片の破裂圧力をテストしました。

MuCell プロセスで密度を 10% 低減して製造された部品の溶接条件と溶接深さを評価するための短い調査が行われました。振動周波数と溶接時間の両方が、良好な溶接の形成に寄与することがわかりました。所定の溶接時間 (50 秒) で振動周波数を 75 Hz から 100 Hz、さらに 6 Hz に上げると、溶接深さは溶接形成なしから 3 mm に増加しました (グラフ 3)。溶接深さが増加すると、溶接がより強くなりました。また、所定の振動周波数 (この場合は 100 Hz) では、溶接時間が溶接深さ、ひいては溶接強度に影響することもわかりました (グラフ 4)。

溶接研究の結果は、固体サンプルと破裂試験を比較するための MuCell サンプルの溶接条件を設定するために使用されました。最適化された条件を使用すると、PA 6 サンプルでは固体部品と 10% 密度が低減された MuCell 部品の間にほとんど変化がなく、破裂圧力が 12% 減少していることがわかりました (グラフ 5)。固体部品と、6.6% 密度が低減された PA 10 を使用した MuCell 部品の差は 20% でした。

グラフ5 – 最適化された振動溶接の研究

テスト部品のセル構造を見ると、両方の材料でセル構造が溶接領域にまで及んでいることがわかりました。しかし、セル サイズの分布は PA 6 の方が PA 6.6 よりはるかに良好でした。PA 6 のセル構造の平均サイズは 20 mm 未満で、50 ミクロンを超えるセルはありません。PA 6.6 の最大セル サイズは 80 ミクロンから 100 ミクロンです。これは、溶接領域の最大セル サイズが溶接強度に影響していることを示しているようです。

超音波溶接と振動溶接の結果を比較すると、超音波溶接で組み立てた場合、MuCell サンプルは固体サンプルよりも優れていることがわかりました。その要因の 1 つはエネルギー ディレクターです。エネルギー ディレクターの形状は、この領域にセル構造がほとんど存在しないようなものであり、適切に設計されていれば、エネルギーは超音波溶接プロセスで溶接部を形成するために溶融される材料の大部分を直接表すはずです。したがって、結合部を形成するために溶融される材料にはセル構造がありません。

振動溶接では、溶接部がプロセスの性質上、平らで比較的幅が広く、3～4 mm であるため、セル構造を溶接部から遠ざけるのは困難です。ただし、SCF レベル、射出速度、およびプロセス温度を制御することで、セル構造を制御できます。PA 6 および 6.6 のグレードによってマイクロセル発泡プロセスに対する反応は異なりますが、通常、窒素レベルは 0.2～0.3% で、射出速度は 50 mm/s 以上です。ガラス繊維充填材は、ガラスや鉱物充填材よりもセル構造が優れている傾向があります。

結論：

マイクロセルラー フォーム射出成形は、もはや単なる開発プログラムではありません。ガラス繊維入り PA 6 および PA 6.6 の数多くの内部アプリケーションが商品化されています。これらのアプリケーションの一部では、最終アセンブリで部品を接合するために超音波または振動溶接プロセスが必要です。ここで行われた作業は、MuCell プロセスが溶接プロセスと溶接強度に与える影響について調べています。結果から、マイクロセルラー成形サンプルの密度が 10% 減少すると、次のことがわかります。

• PA6を使用した超音波溶接により、固体部品とマイクロセル発泡部品の間で同様の破裂圧力結果を達成することが可能
• これは、PA 12 を使用した超音波溶接の強度が約 6.6% 低下することを意味します。
• 固体部品を使用した振動溶接アセンブリの破裂圧力強度の低下は、密度が10%減少したMuCell部品と比較して、超音波溶接サンプルよりも大きく、PA 12では6%、PA 20では6.6%です。
• マイクロセル発泡部品の溶接条件を最適化する必要があります。初期の研究では、溶接時間と振動周波数が振動溶接強度に大きな影響を与えることが示されました。
• 溶接部のスキンの厚さとセル構造は、溶接強度に影響します。超音波溶接された MuCell 部品の溶接強度の保持率が高いのは、エネルギー ディレクターにセル構造がないためです。SCF レベルと射出速度は、セル サイズに影響を与える 2 つの要因です。