เครื่องเชื่อมอัลตร้าโซนิคดียังไง แต่ถ้ารอยเส้นเชื่อม (Weld Line) ออกแบบไม่ถูก ก็เชื่อมยากหรือเชื่อมไม่ได้
บทความที่แล้วเราได้กล่าวถึงขั้นตอนในการเชื่อมพลาสติกด้วยอัลตร้าโซนิคกันไปแล้ว ว่าเชื่อมอย่างไรให้สมานระดับโมเลกุล บทความนี้ผมจะมาคุยเรื่องหลักการออกแบบรอยเส้นเชื่อมที่ดี ต้องรู้อะไรบ้างกันนะครับ
การออกแบบรอยเส้นเชื่อมของชิ้นงานมีความสำคัญอย่างยิ่ง ส่งผลโดยตรงต่อผลงาน ว่าเชื่อมแล้วติดดีระดับโมเลกุล (Molecular Bonding) ติดกันน้ำกันฝุ่น (Hermatic Seal) หรือไม่? การออกแบบที่ดี นอกจากทำให้ชิ้นงานติดดีขึ้นแล้ว ยังทำให้เชื่อมง่ายและลดของเสียได้อีกด้วย
การออกแบบรอยเส้นเชื่อมของชิ้นงาน ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทของพลาสติก รูปทรงของชิ้นงาน และข้อกำหนดของรอยเส้นเชื่อมบนชิ้นงาน
มีการออกแบบรอยเส้นเชื่อมที่แตกต่างกันมากมาย แต่ละแบบมีข้อดีแตกต่างกันไป
การออกแบบชิ้นงานเชื่อมที่ดีจะต้องมี 3 อย่างนี้
Step
01
พื้นผิวสัมผัสที่สม่ำเสมอ ผิวสัมผัสของการเชื่อมควรเป็นผิวเรียบ ไม่ขรุขระ เพราะจะทำให้ควบคุมการหลอมละลายได้ยากขึ้น
Step
02
จุดสัมผัสแรกของการเชื่อมจะต้องมีพื้นที่น้อย การทำเช่นนี้หมายถึงพลังงานที่ใช้น้อยลง เพราะการ “เริ่มหลอมละลาย (Meltdown)” ระหว่างชิ้นงานพลาสติกจะทำได้ง่ายขึ้น
Step
03
แนวการเชื่อมควรวางอยู่ในแนวระนาบเดียวกัน เพราะการเชื่อมอัลตร้าโซนิคจะทำงานได้ไม่ทั่วถึงและสม่ำเสมอ (uniform) หากแนวระนาบไม่ขนานกันหรือมีแนวโค้งเอียง
ปัญหาของการไม่มีรอยเส้นเชื่อม (Flat Butt Joins Welds)
การเชื่อมโดยไม่มีเส้นเชื่อม หรือเส้นเชื่อมที่แบน ไม่มีมุม คลื่นอัลตร้าโซนิคจะผ่านจากจุดที่แคบและสูงที่สุดก่อน ส่งผลให้รอยเชื่อมไม่แน่นอน จุดที่เชื่อมกระจัดกระจาย ส่วนใหญ่ จะใช้การขยายเวลาเชื่อม (Weld Time) เพื่อแก้ปัญหานี้ แต่ขยายเวลาไม่ได้แก้ปัญหาที่ต้นเหตุ การเพิ่มเวลาเชื่อมจะขยายผลเฉพาะส่วนที่สูงที่สุดบนรอยเชื่อมนั้น ซึ่งถ้ารอยไม่แน่นอน ก็จะยิ่งทวีคูณความไม่แน่นอนนั้นเข้าไปอีกผลคือจะทำให้เกิดการน้ำพลาสติกแลบหรือแฟลช (Flash)ออกมานอกรอยเชื่อม ทำให้ชิ้นงานไม่สวยหรือเกิดเป็นงานเสีย เป็น Part Defect ปรับแก้ยังไงก็ไม่หาย
ขยายเวลาเชื่อมไม่ได้แก้ปัญหาที่ต้นเหตุ ถ้ารอยเชื่อมไม่แน่นอน ก็จะยิ่งทวีคูณความไม่แน่นอนนั้นเข้าไปอีก
บางที่จึงออกแบบมาแก้ด้วยการทำให้มุมของชิ้นงานเป็นแบบมุมแหลม (Pointed Wall Parts) แต่ก็ยังไม่ใช่การแก้ปัญหาในระยะยาวอยู่ดี เพราะหากเชื่อมเอาสวย งานก็อาจติดไม่ดี แต่ถ้าเชื่อมเอาติดแน่น งานก็ปลิ้นหรือเกิดแฟลชน้ำพลาสติกล้นออกมาด้านข้าง ทำให้รูปลักษณ์ของงานเสียและทำให้ชิ้นงานไม่ผ่าน quality test กลายเป็น defect
THE ENERGY DIRECTOR (มุมเหนี่ยวนำพลังงาน) คือคำตอบ
มุมเหนี่ยวนำพลังงาน จริงๆส่วนใหญ่ในวงการเชื่อมพลาสติกแล้ว จะเรียกกันทับศัพท์ไปเลยว่า เอนเนอร์จี้ ไดเรคเตอร์ (Energy Director) ครับคอนเซ็ปต์ของ Energy Director ถูกพัฒนาขึ้น เพื่อให้การหลอมละลายมีความแข็งแรงในการยึดเกาะที่ดี โดยที่ปริมาณน้ำพลาสติกที่หลอมละลายลงมา พอดีกับรอยเชื่อม ผลคือทำให้แทบไม่มีแฟลช เป็นการออกแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในพวกพอลิเมอร์อสัณฐาน (amorphous polymers)Energy Director คือ รอยเส้นเชื่อมที่ดูจากหน้าตัดแล้วเป็นรูปสามเหลี่ยม โดยทั่วไปจะวิ่งไปรอบรอยเชื่อมของชิ้นงานทั้งหมด เมื่อพลังงานอัลตราโซนิคถูกส่งผ่านชิ้นส่วนภายใต้ความกดดันและเมื่อเวลาผ่านไป พลังงานจะเข้มข้นขึ้น
ปลายแหลมของ Energy Director (มุมแหลมที่สุดของสามเหลี่ยม หากมองจาก cross section หรือภาพหน้าตัด) จะเกิดความร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เส้นเชื่อมเริ่มละลาย วัสดุของชิ้นงานเริ่มหลอมเหลวและไหลผ่านไปที่จุดเชื่อมประสาน ทำให้เกิดพันธะโมเลกุลกับพื้นผิวการเชื่อม
Energy Director สำหรับเรซินอสัณฐาน (Amorphous Resin)
Energy Director เรซินกึ่งผลึก (Semi-Crystalline Resin)
ในแง่ของข้อกำหนดพื้นฐานสามประการของการออกแบบการเชื่อมที่ดี Energy Director มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดสองอย่าง: คือพื้นที่สัมผัสของการเชื่อมสม่ำเสมอและพื้นที่สัมผัสเริ่มต้นขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม Energy Director เองไม่ได้ควบคุมแฟลชของงานเชื่อม การที่จะเชื่อมโดยมีแฟลชน้อยที่สุด จะต้องมีการออกแบบรอยเชื่อมเสริมจากการออกแบบ Energy Director
การออกแบบตัว Energy Director สำหรับเรซินอสัณฐาน (Amorphous Resin) จะต้องเป็นรูปสามเหลี่ยมมุมฉากที่มีมุม 90 องศาที่ปลายยอดและมุมฐานแต่ละมุม 45 องศา โดยที่ความสูงไม่ควรเกิน 1 มม. และฐานไม่ควรเกิน 1.5 มม.
และสำหรับ Polycarbonate, Acrylics และพวกเรซินกึ่งผลึกอื่นๆ (Semi-Crystalline Resin) Energy Director จะต้องเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าโดยมีมุมทั้งสามมุมเป็น 60 องศา โดยที่ความสูงไม่เกิน 1.3 มม. โดยประมาณ
อัตราส่วนการออกแบบกว้างและยาวของ Energy Director ที่ถูกต้องตามหลักการดีไซน์ Ultrasonic Welding
เป็นยังไงกันบ้างครับ บทความนี้เริ่มเจาะลงรายละเอียดในหลักการดีไซน์รอยเชื่อม ซึ่งเป็นถือศาสตร์และศิลป์ หากเรามีความรู้พื้นฐานที่ถูกต้องและได้เริ่มวางแผนดีไซน์ชิ้นงานตั้งแต่ก่อนผลิตงาน จะทำให้ประหยัดเวลาและลดค่าใช้จ่ายได้อย่างมหาศาลเพราะว่าไม่ต้องมาแก้ไขปัญหาทีหลัง (เชื่อมไม่ติด เชื่อมไม่สม่ำเสมอ ชิ้นงานเสีย อุปกรณ์เสีย ปรับตั้งค่าเชื่อมเยอะ ฯลฯ)
บทความถัดไป เรามาดูรูปแบบรอยเชื่อมต่างๆกันครับ
หากคุณมีโปรเจ็กต์ที่ต้องการจะเชื่อมพลาสติกเข้าด้วยกัน หรือพลาสติกเข้ากับอย่างอื่น แล้วไม่รู้จะเริ่มตรงไหน สามารถติดต่อและปรึกษาฟรีกับเรา รวมจนถึงทดลองเทสการเชื่อมฟรีด้วย ได้ที่ลิ้งค์นี้https://patankit.com/plastic-welding-cutting-and-assembly/หรือสามารถติดต่อเราได้ที่ 02-869-8970 หรือไลน์มาที่ @patankit-vho