Продолжаем разбираться с технологиями производства герметичных корпусов для электроники. В этот раз сфокусируемся на склейке и сварке, которая используется для производства блоков питания, наушников, USB-флешек и других неразборных устройств с защитой от пыли и воды.
Рассмотрим пять типов сварки: горячей плитой, электромагнитной индукцией, вибрацией, ультразвуком и лазером. Это будет интересно не только инженерам и технологам. :-)
Напомним, что в первой части мы на примере своих инженерных разработок объясняли, как работают самые популярные методы герметизации: уплотнители и литье — многокомпонентное и переформовка (overmolding). А в этот раз в конце будет сводная таблица всех методов — в помощь читателям, которые хотят выбрать оптимальную технологию производства для своего hardware-проекта.
Disclaimer. В нашей серии статей мы делимся опытом разработки и производства электроники. Мы не занимаемся продажей оборудования. Конкретные примеры сварочных аппаратов показаны не для рекламы, а исключительно в образовательных целях.
Естественно, сварка отлично подходит для производства герметичных корпусов из металла, но мы остановимся в основном на различных типах термопластов — специальных полимеров, которые плавятся при нагреве, а потом снова переходят в твердое состояние.
1. Сварка горячей плитой: соединяем корпус тефлоновой пластиной
Производитель аппарата: Suzhou Youwoly Machinery Equipment Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Источник фото: made-in-china.com
Горячая пластинчатая сварка используется для быстрой сборки прочных, постоянных и герметичных полимерных корпусов для электроники.
Как это работает: два литых компонента корпуса соединяются с помощью нагретой пластины.
Схема процесса дана ниже:
-
Фиксируем две части изделия — компоненты корпуса — на расстоянии друг от друга.
-
Вставляем между ними горячую плиту определенной температуры. Компоненты корпуса нагреваются в месте будущего соединения — за счет контакта или близкого расположения к поверхности горячей плиты.
Ограничители на вставке и элементы конструкции, которые удерживают компоненты, определяют глубину первоначального расплава. Время выдержки определяет глубину вторичного размягчения полимера.
-
Когда площади соединения достигают необходимой температуры, фиксаторы открываются.
-
Убираем горячую плиту.
-
Фиксаторы прижимают компоненты друг к другу. Ограничители на держателях определяют количество материала швов, смещенных во время спаривания.
-
В таком состоянии части корпуса удерживаются под небольшим давлением в течение короткого времени, пока расплавленный слой не остынет, создавая сварной шов между двумя поверхностями соединений.
Когда охлаждение завершено, механизм захвата в одном из удерживающих фиксаторов освобождает готовый корпус.
Образцы изготовлены на оборудовании компании Suzhou Youwoly Machinery Equipment Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Источник фото: made-in-china.com
Корпуса зачастую «выпекаются» на тефлоне, потому что в качестве горячей пластины используется алюминиевая плита с тонким слоем Teflon и термостатическим переключателем. Такая технология позволяет поддерживать равномерную температуру по всей плите, а Teflon предотвращает прилипание расплавленного материала к плите.
2. Электромагнитная сварка корпуса
Электромагнитная сварка — простой, быстрый и надежный метод сборки конструкционных и герметичных уплотнений. Подходит для большинства термопластичных материалов, уплотнений высокого давления и позволяет сваривать разнородные термопласты, бумагу и алюминий с термопластами (армированными и неармированными).
Схема процесса дана ниже:
Как это работает:
-
В сварочном аппарате установлена индукционная катушка, которая запитывается от радиочастотного электрического тока.
-
Высокочастотное электромагнитное поле воздействует на ферромагнитный закладной элемент, повышая его температуру и вызывая плавление.
-
Расплавленный закладной элемент сваривает компоненты корпуса за счет термопластичного электромагнитного межслойного соединения.
Закладной элемент для такого метода сварки состоит из дисперсии металлических порошков размером в микрон — железо, графит из нержавеющей стали или феррит — поэтому он и разогревается под действием электромагнитного поля.
Вот примеры соединений деталей при индукционной сварке:
-
Плоскость-плоскость хорошо подходит для длинных сварных швов. Используется в панелях солнечных батарей.
-
Плоскость-канавка. Используется в автомобильных панелях.
-
Шип в паз — очень прочное соединение, метод отлично подходит для предельных нагрузок и герметичных соединений.
-
Ступенчатое соединение. Используется для соединения пластиковых деталей, которые должны выдерживать вибрационные нагрузки.
-
Шип в паз с максимальной прочностью. Используется для уплотнений высокого давления.
Остановимся на преимуществах и недостатках этого метода:
Преимущества электромагнитной сварки:
-
Годятся все термопластичные материалы, как кристаллические, так и аморфные.
-
Сохраняется толщина изделия, а сварные швы можно скрыть, т.к. плавление развивается изнутри в месте соединения.
-
Минимальное контактное давление и быстрые сварочные циклы.
-
Можно автоматизировать для крупносерийного производства.
-
Простая реализация конструктивных, герметичных уплотнений и уплотнений высокого давления.
-
Физические и химические свойства сварного участка аналогичны соединительным материалам.
-
Любые размеры сварного участка: от небольшого пятна до 3 м.
-
Срок хранения электромагнитного связующего материала.
-
Предварительная обработка для зон стыков не требуется.
-
Чистая и бесшумная работа при сборке.
Недостатки электромагнитной сварки:
-
Не годится для сварки электрических устройств, заключённых в термопласты: обмоточных катушек, магнитов, печатных плат, датчиков и т.д.
-
Требуется прототипная сварка для сборки новых изделий, так как электромагнитный шов зависит от сварочной катушки и способности рассчитать сложную геометрию поверхности стыка деталей.
-
Высокая стоимость оборудования для сварки.
-
Электромагнитные сварочные катушки имеют тенденцию к перегрузке и перегреву.
3. Вибрационная сварка
Вибросварка для соединения термопластичных материалов основана на принципе сварки трением: тепло для плавления термопластика вырабатывается путем прижимания одной детали к другой и её вибрации за счет небольшого относительного смещения в плоскости стыка. Тепло расплавляет термопластик на границе раздела фаз. Когда вибрация останавливается, детали автоматически выравниваются.
Производитель: Suzhou Youwoly Machinery Equipment Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Источник фото: made-in-china.com
Время расплава материала при вибросварке обычно составляет 2—3 секунды. Общее время цикла — в среднем от 6 до 15 секунд, включая загрузку и разгрузку.
Сварка за счет вибрации широко используется для изготовления деталей в автомобильной промышленности.
4. Ультразвуковой метод сварки
Ультразвуковая сварка — быстрый, чистый и эффективный методом сборки жестких термопластичных компонентов, отлитых под давлением. Используются во всех сегментах промышленности для соединения двух пластмасс или пластмассы с непластичными материалами.
Производитель: Suzhou Youwoly Machinery Equipment Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Источник фото: made-in-china.com
Детали, которые можно сварить ультразвуковой или вибрационной сваркой, более экономичны. При УЗ-сварке готовое изделие получается за 0,1—3 секунды, также затраты на оборудование довольно низкие. Так, аппарат на фото выше можно купить за 2—3 тыс. долларов США в то время как цены на другое оборудование, показанное в этой статье, начинаются от 15—18 тыс. долларов. Однако при вибрационной сварке можно сваривать более крупные и сложные детали.
Сварка ультразвуком — отличная альтернатива склейке, растворителям и механическим крепежам для производства герметичных неразборных корпусов: блоков питания, наушников, зарядных устройств.
Преимущества сварки ультразвуком:
-
Энергоэффективность и высокая производительность при более низкой стоимости, чем многие другие методы сборки.
-
Не требует сложных систем вентиляции для удаления дыма или тепла.
-
Удобно встроить в автоматизированную сборочную производственную линию.
-
Немедленный запуск и остановка без остаточного тепла.
5. Лазерная сварка
Технология лазерной сварки аналогична сварки ИК-излучением, она также бесконтактная. Необходимая тепловая энергия направлено вводится в материал заготовки лучом лазера, который мы фокусируем на свариваемых поверхностях деталей.
В некоторых случаях центр зоны соединения может нагреваться сильнее, чем краевые зоны — так при сварке происходит интенсивное смешение расплава в зоне стыка, что способствует чрезвычайной прочности сварного шва. Тепловое расширение расплава обеспечивает усилие сваривания, необходимое для соединения предварительно зафиксированных деталей.
Производитель аппарата: Taiyi Laser Technology Company Ltd. (Шэньчжэнь, Китай). Источник фото: made-in-china.com
Лазерная сварка — популярный метод герметичного крепления самых разных разъемов для электроники.
6. Метод клеевого соединения
Клеевое соединение — один из наиболее удобных методов сборки термопластичного изделия с аналогичными или различными материалами, включая металлы. Клей распределяет напряжение по всей площади склеиваемой поверхности и при необходимости может обеспечить герметичность.
Гибкие клеи позволяют некоторое движение между сопрягаемыми поверхностями и так могут компенсировать различия в коэффициентах линейного теплового расширения материалов. Также клеи относительно недороги и не требуют специализированного дорогого оборудования.
Производитель устройства: First love robot Co., Ltd. (Дунгуань, Китай). Источник фото: made-in-china.com
Преимущества склейки при производстве корпусов:
-
Незначительные затраты на оборудование. Простото применять с автоматическим оборудованием.
-
Можно соединять разнородные материалы.
-
Эластичность и герметичность.
-
Низкая стоимость и простота ремонта.
ВЫВОДЫ
Как вы уже знаете из первой части статьи про литье и уплотнители, на выбор идеального метода герметизации корпуса для конкретного устройства влияет сразу несколько факторов: требования к конструкции, возможности производства, размер партии, бюджет, условия эксплуатации и другие.
Вот сводная таблица с обзором всех технологий, которые мы разобрали в обеих частях:
Литье и уплотнители из части 1
|
Метод герметизации |
Оборудование |
Преимущества |
Недостатки |
|
Многокомпонентное литье |
ТПА с двумя узлами впрыска и дорогостоящая оснастка |
Низкая стоимость при массовом производстве, нет доп. затрат на герметизацию |
Неэффективно при малых сериях. Нужно дорогое оборудование, оснастка и персонал высокой квалификации |
|
Овермолдинг |
ТПА и несколько комплектов оснастки |
Альтернатива многокомпонентному литью. За счет более простого оборудования технология доступней по цене на мелких партиях |
Затраты на манипулятор или ручной труд |
|
Использование уплотнителя |
Не требуется |
Низкая стоимость, не нужно оборудование |
Дополнительная операция при сборке (установка уплотнений), нужен крепеж в зоне уплотнения |
|
Методы герметизации |
Оборудование |
Преимущества |
Недостатки |
|
Сварка горячей плитой |
Нагреваемая плита с тонким слоем Teflon, фиксаторы |
Простота, прочное соединение почти для всех термопластов |
Доп. обработка сварочных швов, длинный цикл, работает на плоской поверхности |
|
Электромагнитная сварка |
Оборудование для индукционной сварки |
Соединение разнородных материалов. Швы незаметны. Сварка по сложному профилю. Короткий цикл. Можно автоматизировать. Легко реализовать уплотнения высокого давления |
Дорогое оборудование, нужна прототипная сварка. Не годится для сварки электрических устройств, заключенных в термопласты (обмоточные катушки, магниты, печатные плиты, датчики) |
|
Вибрационная сварка |
Установка для вибросварки |
Короткий цикл |
Плоская поверхность сварки. Риск повредить эл. компоненты при вибрации. Только для совместимых термопластов. Возможно смещение деталей |
|
Ультразвуковая сварка |
Машины для УЗ сварки, переносные установки и ручные пистолеты |
Короткий цикл, энергоэффективность, высокая производительность. Работает в автоматическом сборочном цикле. Незаметный шов. Экологична. Соединение разнородных материалов |
Не годится для соединения толстостенных деталей. Чувствительна к влажности |
|
Лазерная сварка |
Лазерная установка |
Короткий цикл, хороший внешний вид. Min температурные поводки. Экологична. Соединение разнородных материалов |
Дорогое оборудование |
|
Клеевое соединение |
Фиксаторы |
Простота, низкая стоимость. Равномерное распределение напряжений: можно соединять разнородные материалы, даже те, которые разрушаются при сварке |
Нужна подготовка поверхностей, длительное время отверждения. Токсичность. Низкая прочность по сравнению со сварными соединениями |
Надеемся, наш опыт разработки и производства герметичных корпусов будет для вас полезен. Будем рады увидеть отклики в голосах за статью и комментариях — с вопросами и вашими личными историями из практики. Всегда рады пообщаться. Подписывайтесь, чтобы не пропустить наши новые инженерные истории.
Комментариев нет:
Отправить комментарий