초음파 융착[용착] 원리 - 초음파 융착이란?

초음파에 대한 정의

• 초음파(Ultrasonic wave)란 일반적으로 10kHz 이상의 진동수를 가진 음파(sound wave)를 말하는데, 실제로 사용되는 것은 10MHz 까지 이며 파워(power)를 이용하는 것은 1MHz 정도까지입니다.

• ‘초음파 용착기’에서의 초음파 : 공기를 통해 전해오는 음파를 의미하지 않음. 우리가 흔히 말하는 초음파는 매질의 종류가 다양하다. 따라서 ‘탄성에 의해 생긴 높은 진동수를 갖는 파동’으로 정의하는 것이 더 적절하다.

 

 

용착과 융착

•일반적으로 ‘용착’과 ‘융착’ 용어를 혼용해서 사용하나 ‘용착’이 적절함

•용착 : 구조 부재 접합법의 일종, 쇠붙이 따위가 녹아서 붙는 현상을 말함

 

즉, 초음파 융착이란.

초음파 용착 : 높은 진동수를 갖는 파동을 이용해 대상물을 녹여 붙이는 것을 말한다.

 

 

 

초음파 융착기의 구성

초음파 용착기 기본 구성 : 파워 공급기 + 진동자 + 메인혼 + 공구혼 + 기구부

 

• 파워 공급기(초음파 발진기) : 110~220V, 50/60Hz의 전원을 파워 공급기를 통해 15,000Hz~50,000Hz의 전기 에너지로 변환시키는 장치 (AMP)

 

• 진동자(Converter) : 전기 에너지를 기계적인 진동으로 바꾸는 장치 (압전 효과 – PZT)

 

 

 

• 메인혼(부스터) : 진동자에서 발생된 초기 진동에너지를 가공비율에 따라 증감시키는 역할을 수행한다

 

• 공구혼 : Horn 은 용접대상물의 형상에 맞게 설계, 제작되어 진동자로부터 초음파 진동을 용접대상물에 전달하기 위한 용접봉의 역할을 수행하며, 제품의 흔들림을 방지, 진동에너지를 용접 대상에 최적의 상태로 전달 될 수 있도록 유지하는 역할을 수행한다. 

 

 

• 기구부(지그) : 진동시스템 운영을 위한 기구물을 지칭하며, 보통 공기압 or Motor로 구동한다. 공구 툴 (혼)과 용접 대상물을 정확한 위치에 고정, 가압을 유지하기 위한 기구물을 통틀어 의미한다

 

 

 

초음파 융착이 가능한 소재 구별

 

초음파 용착이 가능한 소재 : 초음파 용착은 열용착의 일종으로 열가소성 수지가 적합

 

 

초음파 융착 방법

인서팅 (Inserting) : 열가소성 수지에 너트나 볼트를 초음파 진동을 이용하여 수지 속으로 밀어 넣는 것을 인서트라고 한다. 즉, 초음파 진동이 혼에 의해 금구로 전달되면 금구의 표면과 플라스틱의 마찰이 발생되어 용융되고, 압력을 가하면 금구가 매입되고 금구표면에 가공된 홈, 앰보, 널링에 용융물이 차들어가 냉각된 후에 금구가 견고하게 고정되어 인발력 또는 회전토크에 강하게 된다.

 

 

스태킹 (Staking) : 초음파에서 스태킹은 리베팅이라고도 불리는 초음파 응용방법의 하나로 혼의 초음파 진동이 직접 플라스틱돌출부에 가해져 용융, 연화되고 혼 밑 부분의 형상으로 채워져 서로 다른 재질의 고정에 이용된다. 이 방법은 용착이 어려운 이종재질 및 금속과의 고정을 위한 방법으로 열에 의한 방법보다 잔류 열응력이 존재치 않아 강도가 높고 미려해 널리 쓰이고 있다.

 

 

점 용착 (SPOT WELDING) : 용착산을 형성할 수 없고 커다란 제품일 경우의 용착에 적합한 방법이다. 초음파 진동으로 혼의 뾰족한 부분이 상판을 녹여 관통하고 상판 두께의 1/2 깊이 만큼 하판을 녹여 도달한다. 그때 관통하며 상. 하판에서 발생된 주위로 퍼진 용융물이 혼에 의해 가압되어 관통된 구멍 주위로 용착이 이루어진다.

 

 

스웨징 (Swaging) : 초음파의 진동으로 플라스틱을 혼의 가공된 모양으로 녹여 이종재질의 고정에 사용하는 방법이다. 대표적인 예로 화장품 용기에 유리고정에 쓰이고 있다. 사용재질은 고탄성 재질 재료(PP, HIPS, ABS, PE 등)가 사용된다.

 

 

초음파 융착 시 주의사항

 

투명 플라스틱 용착 : 투명한 수지는 투명도 때문에 용착 부위 설계에 보다 신중해야 한다. 용착산은 녹음 정도를 조절할 수 없어 과용융, 과열되면 투명도가 떨어지고 백화현상이 생긴다.

 

제품손상(흠집) 방지 : 혼과 지그의 형태는 흠집의 양을 결정한다. 그래서 혼과 지그를 잘 만들어야 한다.

흠집을 방지할 수 있는 방안을 알아보면

 

 

접착제를 사용한 이종재질의 접착 : 이종재질의 접착의 한계를 벗어나기 위해 핫멜트 접착제와 초음파를 병용해 용착 한다. 예로는 필름시트 형이나 가는 봉상의 접착제를 플라스틱 사이에 끼워 진동을 가하면 접착제가 녹고 진동이 멈춘 후 가압하에 냉각시키면 플라스틱접합이 완료된다. 핫멜트는 히터로 가열하는 외부가열 방법으로 플라스틱에 전달되어 접착제를 내부 가열하여 아주 간단하게 가열, 냉각을 할 수 있다. 장점으로는 가공시간의 단축, 제품의 균일화, 공정의 자동화가 쉽게 이루어진다. 시험결과 초음파에 의한 용융은 간단하고 용착 강도가 현저히 증가함을 볼 수 있다.

 

융착 불량 사례별 대책

 

기타 사항

 

초음파 출력 (W) : 진폭(A)*가압력(P)*용착시간(T)으로 표현되고 각 인자는 다음과 같이 설명할 수 있다.

 

 

최적의 용착 조건 찾는 방법

 

초음파 용착기 진동자의 종류 (FLT / BLT)