3D プリントされた部品を超音波溶接できますか?

出典: プラスチック溶接技術

3D プリントされた部品を超音波溶接できますか?場合によっては、そうです。材料と 3D 印刷技術間の解像度、強度、堅牢性の違いは、超音波溶接の成功に影響を与える重要な要素です。

3D プリンティング (3DP) が普及し、手頃な価格で実用的になるにつれ、この技術は自動車、航空宇宙、消費財、医療など多くの業界で採用されるようになりました。 3D プリントは従来の製造方法 (射出成形など) よりも迅速かつ経済的にプラスチック部品を評価および修正できるため、多くのメーカーが製品開発に積極的に活用しています。

この傾向により、超音波溶接に対する新たな要求と課題を提示する顧客が増えています。では、この一般的に使用されているプラスチック溶接技術は、3D プリントで製造された部品に適用できるのでしょうか?これらの質問に答えるには、まず 3D プリント技術と材料の現状を理解し、いくつかの問題を評価する必要があります。

超音波溶接の原理と部品のサイズと物理的特性に関する要件、超音波溶接に必要な部品の解像度、強度、物理的特性を含む 3D 印刷プロセスと部品特性、および 3D 印刷部品の製造に使用される材料の溶接性。

3D プリントされた部品を超音波溶接できますか?通常、答えは「時々」です。すべての 3D プリント部品には、高解像度、強度、堅牢性、溶接性など、超音波溶接に必要ないくつかの重要な特性が備わっている必要があります。しかし、3Dプリントされたさまざまな部品に超音波溶接を使用することはまだできません。しかし、3D プリントの材料と技術が急速に発展していることを考えると、これらの現在の制限に対処して克服できる可能性が高いと思われます。

超音波溶接の基礎 超音波溶接では、通常「ホーン」と呼ばれるダイを使用して、高周波振動 (15 ～ 50 Khz) をコンポーネントまたは材料の層に伝達します。これらの振動は 2 つのコンポーネントのインターフェースに伝達され、交互に発生する応力と摩擦によって熱が発生し、材料が溶けて 2 つの部品が結合されます。この技術は高速かつ効果的で、消耗品を必要とせずクリーンです。超音波プロセスは、ネジの埋め込み、リベット留め、スポット溶接部品にも使用できます。

超音波溶接は熱可塑性材料の溶接に非常に適しています。熱硬化性材料は不可逆的な化学変化を起こし、再形成することができないため、超音波溶接することはできません。

その他の要因も、必要な超音波エネルギーと材料の溶接性に影響を与える可能性があります。主な要因には、ポリマー構造、密度、融点、粘度、剛性（弾性率）、熱伝導率、化学組成などがあります。非晶質ポリマーと半結晶性ポリマーの両方を溶接できます。ただし、非晶質材料は軟化温度が広く、溶接リブに超音波振動をより簡単に伝達できるため、一般的に溶接が容易です。

超音波溶接では、図 1 に示すように、エネルギー誘導リブとせん断溶接設計という 2 つの主なタイプの超音波溶接リブ設計があります。超音波プロセスで必要な部品特性の許容誤差は非常に小さい可能性があるため、どちらの場合も 3D プリント部品の高解像度が求められます。

図 1. エネルギーディレクター (左) とせん断溶接設計 (右) の例。

エネルギーディレクターバーの溶接設計 エネルギーディレクターはエネルギーを集中させ、プラスチックを素早く柔らかくして溶かします。通常、関節面には隆起した三角形の構造があります。溶接プロセス中、鋭い角は大きな交互応力と摩擦により急速に熱を発生して溶融し、軟化したまたは流動化したプラスチックが接合領域全体を流れ、他の部品の溶融表面と混ざります。三角リブ構造により溶接時間が大幅に短縮されます。エネルギーディレクターは、非晶質材料の最も一般的な溶接設計ですが、半結晶性熱可塑性プラスチックの溶接にも使用できます。

エネルギーディレクターのサイズは部品のサイズによって異なりますが、通常は高さ 0.25 mm から 0.5 mm の範囲です。非晶質材料の場合、角度は 90° であり、半結晶質材料の場合、角度は 60° です。エネルギーディレクターの鋭角部は非常に重要です。射出成形部品の鋭角部半径は 0.05 mm 以下が望ましいです。

多くの場合、テクスチャ加工された表面は、嵌合コンポーネントに設計されます。接合部分にテクスチャを成形すると、摩擦特性が向上し、溶融制御が改善され、全体的な溶接強度と品質が向上します。通常、テクスチャはわずか 0.075mm から 0.15mm です。一部の 3D 印刷技術ではこれが不可能な場合があります。

せん断溶接設計 半結晶性樹脂では通常、溶接強度を高めるためにせん断タイプの溶接設計が使用されます。半結晶性樹脂は温度範囲が比較的狭く、固体状態から溶融状態へ、そして再び固体状態へ急速に変化します。せん断溶接設計により、溶融材料が溶接領域内に保持され、周囲の空気との接触が防止されるため、溶融プラスチックが早期に固化するのを防ぎます。溶接にエネルギー伝導リブを使用すると、加熱されて流れる溶融プラスチックは、隣接するプラスチック表面の溶融プラスチックと混ざる前に再凝固し、溶接強度と気密性が低下します。

せん断溶接は、2 つのコンポーネント間の干渉が小さくなるように設計されます。溶接は小さな接触領域から始まり、溶融が始まると部品の垂直壁に沿って継続され、良好な溶接強度と気密シールを実現します。

せん断量のサイズ：20mm未満の部品の場合、せん断量は0.2mm、推奨許容範囲は±0.025mmです。より大きな部品（38mm〜76mm）の場合、せん断量は約0.35mm、許容範囲は±0.075mmです。せん断溶接設計では、溶接中にたわみが生じてせん断量が減少するのを防ぐために、剛性のある側壁サポートが必要です。

3D プリント技術が超音波溶接部品の製造に与える影響

3D プリントされたコンポーネントは正確な部品形状を提供できますが、これらの部品の物理的特性は、射出成形、押し出し成形、機械加工された部品の物理的特性とは大きく異なります。

押し出し

押し出しは、今日最も一般的で認知されている 3D 印刷技術です。これは、熱可塑性プラスチックの長いストリップを溶かし、チューブを通して押し出すことによって機能します。押し出された材料は薄い層に堆積され、最終コンポーネントの 2 次元スライスを形成します。層は連続的に印刷されて積み重なり、溶融プラスチックが硬化して下の層と結合し、3D オブジェクトが形成されます。

図 2. 溶融フィラメント製造プロセスの説明。

押し出し用のフィラメント材料には、ABS、HIPS、ナイロン、PC、PC-ABS、PET、PLA など、超音波溶接によく使用されるものがあり、3D プリントでは ABS と PLA が最も一般的に使用されるフィラメント材料です。材料グレードは、特殊な特性を実現するためにさまざまなメーカーによってカスタマイズされます。 3D プリントされた部品の物理的強度も、層の積み重ねの方向で著しく弱くなります。その結果、超音波溶接プロセス中に層が分離して破損する可能性があります。レイヤー間または同じレイヤー上の印刷パス間に隙間があるため、一貫した気密接合を形成することができません。

押し出し 3D プリンターで達成可能な最高解像度 (最小層厚) は約 0.127 mm です。ただし、実際の層の厚さは 3D プリンターと材料によって異なります。達成可能な寸法許容差は、印刷部品のサイズ、形状、方向によっても異なります。たとえば、Stratasys Fortus 900mc は、1 インチあたり ±0.089 mm または ±0.038 mm のいずれか大きい方の精度で部品を製造します。せん断溶接設計に必要な高い許容誤差は、押し出し印刷技術では達成できない可能性があります。
図 3 (上の 2 つ) は、エネルギーディレクターの溶接設計サンプル 2 つを示しています。1 つは射出成形で製造され、もう 1 つは押し出し技術の 3D 印刷技術を使用して製造されています。 Stratasys Dimension Elite 3D プリンターが使用され、材料はダークグレー ABS plus-P430、単層の厚さは 0.17mm でした。プリンターの押し出し幅の制限により、3D プリント部品のエネルギーディレクターは 2 回のパスで作成され、長方形 (高さ 0.35 mm、幅 0.56 mm) になりました。

せん断溶接設計では鋭利な特徴は必要ありません。ただし、再現性のある溶接結果を得るには、正確なせん断量を維持することが非常に重要です。図 3 (下の 2 つ) には、せん断溶接設計の 2 つのサンプルも示されています。1 つは射出成形で製造され、もう 1 つはエネルギーディレクターのサンプルと同じ 3D プリンターと材料を使用して製造されています。

図 3. 射出成形サンプル (左) と押し出し印刷サンプル (右)。

これらの押し出し 3D プリント部品の超音波溶接は可能です。ただし、同じ材料の射出成形部品と比較すると、溶接強度、溶接エネルギー、フラッシュ、およびシール性能は大幅に異なる可能性があります。つまり、積層間の強度変化、エネルギーダイレクタの形状変化、せん断体積の寸法変化により、押し出し型 3D プリント部品の超音波溶接を再現性よく実現することができません。部品の設計と 3D プリント製造におけるこれらの制限が克服されれば、部品を超音波溶接することができます。

選択的レーザー焼結法 選択的レーザー焼結法 (SLS) では、ミラーで誘導された集束レーザーを使用して、金属、プラスチック、ガラスなどの粉末状の材料を溶かします。一般的に使用されるポリマーにはナイロンや PS などがあります。粉末はローラーによって粉末供給源から押し出され、構築面上に薄い層で広げられます。ミラーはレーザーを印刷された部品の 2D 軌道に沿って誘導し、焦点の温度を上げて粉末を溶かします。次に、造形面を下げて、その上に別の薄い粉末層を堆積させます。オブジェクトが印刷されるまでこのプロセスを繰り返します。

図4. 選択的レーザー焼結（SLS）プロセスの説明。

SLS プロセスでは、押し出しプロセスよりも精密な部品を製造できます。 SLS プロセス材料粉末にはさまざまな粒子サイズがあります。 SLS プロセスで達成可能な最小層厚は、押し出しプロセスよりもわずかに小さく、約 0.075 mm であるため、理論的にはより高解像度の溶接詳細を取得できます。ただし、壁の厚さが 1 mm 未満の印刷は、通常 SLS では推奨されず、細かいディテール (エネルギーディレクターの鋭い先端など) は、SLS の階層化プロセスによって「滑らかに」なったり、失われたりする可能性があります。

SLS プロセスで作られた部品は多孔性が高くなる場合があり、溶接性の問題を引き起こす可能性があります。 SLS 部品の穴は超音波エネルギーを吸収し、エネルギーディレクターなどの部品の詳細を圧縮します。また、穴の周囲に応力集中が発生しやすく、超音波溶接時の高周波振動により割れが生じる可能性があります。亀裂は溶接ヘッドと接触する表面に発生するだけでなく、他の表面や部品内部から発生して伝播することもあります。同時に、部品の多孔性が大きいため、漏れが発生しやすくなり、安定した気密性を実現することが困難になります。

したがって、SLS プロセスは超音波溶接可能な部品を製造できますが、一貫した溶接性能を実現するには、部品の設計者と製造者が、特徴解像度、部品の多孔性、部品の応力に関連する制限を克服する必要があります。

ステレオリソグラフィー (SLA) / デジタルフォトリソグラフィー (DLP) / マテリアルジェッティング ステレオリソグラフィー (SLA) やデジタルフォトリソグラフィー (DLP) など、フォトポリマー樹脂を利用する技術はいくつかあります。これらの方法では、集中した光を使用して、フォトポリマー樹脂を層ごとに硬化させて固体部品にします。 3 番目の方法はマテリアルジェッティングです。これは、インクジェットスタイルのプリントヘッドを使用して感光性ポリマーの薄い層を印刷し、UV 光源でポリマーをすぐに硬化させる方法です。これらの方法を使用して製造された部品は、一貫した溶接性を確保するために必要な 2 つの重要な要素である高精度と滑らかな表面を備えています。

図 5. ステレオリソグラフィー (SLA) プロセスの説明。

残念ながら、フォトポリマー樹脂ベースのプロセスには、はんだ付け性という 3 番目の重要な要素が欠けています。フォトポリマー樹脂は紫外線 (UV) エネルギーを使用して硬化できますが、超音波溶接の摩擦熱を使用して溶融、成形、または結合することはできません。

フォトポリマーベースの 3D 印刷プロセスでは超音波溶接可能な部品を直接製造することはできませんが、部品設計者に別の選択肢を提供します。これらの 3D 印刷プロセスは射出成形金型の作成に使用されています。これらの金型は、SLA 印刷または材料噴射プロセスの高解像度と滑らかな表面の恩恵を受け、部品の特徴を正確に複製し、その後の大量生産と同じ材料を使用します。そのため、部品の溶接性能、強度、密閉性を高精度に評価できます。リードタイムの短縮や製品開発コストの削減にメリットがあります。

これらの金型は金属ではなくプラスチックで作られているため、通常は限られた数の部品を製造するためにのみ使用されます。 ABS、PS、PE、PP などの流動性が良好で融点が低い (<300°C) 材料は、マテリアルジェッティングプロセスで製造された金型で最大 100 回使用できます。一方、ガラス繊維入りナイロンや PC などの高性能プラスチックの場合、このような金型は約 5 ～ 15 回しか使用できません。

SLA/DLP 3D プリント部品の解像度は非常に小さく、たとえば FormLabs Form 2 は 25μm の層厚が可能です。 Stratasys の PolyJet テクノロジーなどの材料噴射テクノロジーでは、16μm という薄い層厚を実現できます。

超音波溶接における部品設計の考慮事項

前述のように、さまざまな 3D 印刷技術によって、実現できる解像度は異なります。しかし、解像度が高くても、溶接設計がより良くなる、またはよりシャープになるというわけではありません。

図 6 は、射出成形と 3 つの異なる 3D 印刷技術を使用して形成されたエネルギーディレクターの詳細図を示しています。部品の押し出しプロセス (FFF) は、層厚 0.18 mm の Stratasys ダークグレー ABS plus-P430 を使用して、Stratasys Dimension Elite 3D プリンターで実行されました。 SLS 部品は、3D Systems が開発したナイロン粉末である Duraform PA を使用した 3D Systems sPro 60 3D プリンターで製造されました。 SLA パーツは、不透明フォトポリマー Vero White を使用した Stratasys Objet 260 Connex 2 プリンターで噴射されました。マテリアルジェッティングでは、表面がより滑らかになり、長さに沿って寸法がより均一になりますが、フォトポリマーマテリアルを使用するため、超音波溶接はできないことに注意してください。

図 6. 射出成形金型と 3 つの 3D 印刷技術を使用して形成されたエネルギーディレクターの拡大画像。

材料の選択 材料は溶接性に影響を与える主な要因です。 3D プリント専用に作られたエンジニアリング樹脂は数多くありますが、溶接可能なプラスチックと混同しないでください。たとえば、ABS は超音波溶接が最も簡単なポリマーの 1 つです。 Stratasys 社が開発した ABS は ABS 樹脂の特性を模倣していますが、感光性ポリマーであるため超音波溶接できません。

3DP 印刷方向 現在使用されている 3D 印刷技術では、部品の異なる方向から印刷すると、溶接の形状が大きく変化する可能性があります。溶接リブは必ずしも直線経路に沿って配置されるわけではなく、単一のエネルギーディレクターが複数の方向に向けられることもあります。溶接リブを 3 つの異なる方向に印刷すると、異なる形状エラー結果が生成され、部品の引張特性に影響します。

溶接ヘッドの設計と治具のサポート 多くの場合、部品の設計を評価する際に、3D プリントされた部品を使用すると、評価時間とコストを大幅に削減できます。溶接設計を評価するには、図 7 に示すように、溶接リブの上の表面を持ち上げ、溶接ヘッドと接触するすべての表面が平らであることを確認する必要があります。これにより、一般的なフラット溶接ヘッドが 3D プリントされた部品に接触して超音波溶接を行い、溶接位置に振動を伝えることができます。さらに、超音波振動のエネルギーが溶接リブの位置に到達する前に減衰するのを減らすために、溶接ヘッドの接触面は溶接リブにできるだけ近づける必要があります。

超音波溶接では、治具からの強固なサポートも必要です。カスタム治具の時間とコストを回避するには、コンポーネントが硬くて平らな表面上に立つことができるように、溶接リブの下に平らな表面が必要です。

パーツの堅牢な設計溶接リブと溶接先端の間のすべての部品の側壁を、最大の充填設定 (100% ソリッド) で印刷することが非常に重要です。一部の 3D プリント部品は、印刷に必要な材料を削減するために、内部の空洞と薄壁形状で設計されています。しかし、部品内のこのような空隙は、超音波エネルギーの伝達を妨げ、超音波溶接を困難にしたり不可能にしたりする可能性があります。

ベタ印刷の場合でも、レイヤーの端やレイヤー間に小さな穴や隙間が現れることがあります。これらの問題は超音波溶接の結果に影響を及ぼし、溶接部分の漏れなどの問題を引き起こします。 3D 印刷設定は、可能な限り高密度モードに設定する必要があります。

図 7. 溶接リブの上 (赤) と下 (青) の平面接触領域。

3D プリント技術は、新製品を迅速に評価するための新しいエキサイティングな方法を提供します。しかし、現在の 3D プリント技術のせいで、3D プリント部品を使用して超音波溶接性を評価することは、現時点では制限されています。超音波溶接では、部品に高解像度、高強度、高堅牢性が必要であり、溶接可能なポリマー材料を使用する必要があります。

ここで言及した 3D 印刷技術、すなわち押し出し、レーザー焼結 (SLS)、およびステレオリソグラフィー (SLA)/デジタルフォトリソグラフィー (DLP)/マテリアルジェッティングでは、これらの技術によって直接印刷された部品が射出成形部品と同じ物理的特性と溶接性を備えていることがまだ証明されていません。改善により、メーカーは射出成形部品の性能に近い 3D プリント部品を製造できるようになるかもしれませんが、3D プリント部品を使用した溶接設計の評価結果に誤りがあり、最終的な製造結果を反映しない可能性があることに注意することが重要です。

3D プリント技術と材料の最近の進歩を考えると、3D プリントされた射出成形金型はプロトタイプ部品を製造するための費用対効果の高いソリューションを提供でき、その超音波溶接の性能と品質により、射出成形部品を使用した最終的な製造結果をより正確に予測できます。

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