플라스틱을 소리로 용접하기

**US 3,224,916**, *Sonic method of welding thermoplastic parts*, **Robert S. Soloff** 및 Seymour G. Linsley, 양수인 **Branson Instruments**; 출원일 **1963년 12월 6일**, 일련번호 328,500, 등록일 **1965년 12월 21일**; 청구항 8개, 미국 분류 156-73. 만료됨. 이 페이지의 도면은 특허 원본의 시트 1입니다: FIG. 1은 접합부, FIG. 2는 혼(horn), FIG. 3은 단면입니다. 명세서는 *열가소성 부품의 용접 조립체를 고강도 음향 에너지원으로* 다루며, 부품들이 *밀착*되어야 하고 이 방법이 *용융하기 어려운 열가소성 소재*까지 확장된다고 명시하고 있습니다. 이것이 흥미로운 청구 내용인데, 바로 그런 소재에서는 접착제도 실패하기 때문입니다. 이제 실제로 찾아봅시다. 파괴해도 괜찮은 저가 사출 조립품, 예를 들어 장난감, 일회용 면도기 손잡이, 펜 배럴, 소형 가전 하우징을 갈라 보십시오. 맞닿는 면을 현미경으로 관찰하십시오. 용접된 접합부에서는 한쪽 면에만 접합선을 따라 도는 **작은 삼각형 리브**를 찾을 수 있습니다. 높이는 1밀리미터의 일부이고, 밑변 너비는 보통 그와 비슷합니다. 이것이 에너지 디렉터입니다. 이미 용접된 부품에서는 이 리브가 납작해지고, 용융된 재료가 양쪽으로 가는 비드 형태로 밀려나와 있습니다. 현미경과 캘리퍼스로 리브를 측정하십시오. 4단계에서 왜 그 크기가 다른 크기가 아니어야 하는지 설명합니다.

초음파 용접기가 있다면(금속이나 세정조용이 아닌 플라스틱용) 이 실험을 제대로 진행하십시오. 없다면 3단계에서 같은 원리를 보여주는 벤치 대체 방법을 제시합니다. 접합면이 40 × 10 mm인 평평한 시편 두 개를 출력하거나 성형합니다. 그중 하나에는 높이 0.4 mm, 너비 0.5 mm의 삼각형 에너지 디렉터를 전체 길이에 걸쳐 설치합니다. 나머지 한 쌍은 비교를 위해 평평한 상태로 둡니다. 용접기를 설정합니다: 하부 부품 아래에 견고한 지그를 고정하고, 상부 부품 위에 혼을 평평하게 대고, 짧은 용접 시간과 낮은 힘으로 시작합니다. 용접 후 바이스에서 스프링 저울로 접합부를 떼어내며 힘을 기록하고 **어디에서 파단되었는지**를 기록합니다. 세 가지 변수를 한 번에 하나씩 바꿔 가며 각각을 그래프로 나타냅니다: - **용접 시간** — 너무 짧으면 디렉터가 붕괴되지 않고, 너무 길면 용융물이 밀려 나와 접합부가 부족해집니다. - **힘** — 너무 작으면 사이클 동안 접촉면이 유지되지 않고, 너무 크면 디렉터가 용융되기 전에 찌그러져 전단 발열이 사라집니다. - **진폭** (기계가 허용하는 경우). 양호한 용접은 접합부가 아니라 접합부 옆의 **모재**에서 파단됩니다. 평평한 면의 대조군은 거의 버티지 못하는데, 이것이 바로 디렉터의 핵심 효과입니다. 초음파 장비는 측정기에 비해 덜 시끄럽게 나타나는 방식으로 소음이 큽니다. 전력의 대부분은 가청 주파수 위에 있지만 subharmonic(준조화파)은 그렇지 않습니다. 청력 보호구를 착용하고, 손가락을 혼의 경로에서 떨어뜨리며, 작동 중이던 혼은 절대 만지지 마십시오.

음파 진동 스택 없이 계면을 녹이는 세 가지 방법이며, 각각 같은 원리의 서로 다른 측면을 가르쳐 준다. 세 가지를 모두 해 보고 파단면을 비교하라. **스핀 용접.** 인쇄된 원통형 보스를 드릴 프레스 척에 물리고, 짝이 되는 부품을 아래 바이스에 고정한 뒤, 분당 수백 회전으로 돌리면서 두 부품을 눌러 붙인다. 마찰이 1~2초 만에 계면을 녹이며, 스핀들을 멈추고 굳는 동안 압력을 유지한다. 이는 특허와 같은 메커니즘으로, 기계적 일을 계면에 가하되 진동 대신 회전을 사용한다. 원형 접합부에서만 작동하며, 이것이 바로 초음파가 발명될 가치가 있었던 이유이다. **용매 용접.** ABS 또는 아크릴에서 용매 접착제는 접착하는 것이 아니라 두 면을 **용해**하여 사슬이 상호 확산되게 한 뒤, 증발하면서 하나의 조각으로 남긴다. 양쪽 면에 조금씩 도포하고, 눌러 고정한 후, 필요하다고 느끼는 것보다 훨씬 오래 방치하라. 한 시간 된 용매 접합부는 최종 강도의 일부에 불과하다. 같은 접착제를 폴리프로필렌에 시도해 보라. 아무 일도 일어나지 않는데, 이는 폴리올레핀에 닿는 공통 용매가 없기 때문이다. 이 실패는 의도적으로 재현해 볼 가치가 있다. **열판 용접.** 깨끗한 열판에 두 면을 용융점보다 약 30 °C 높은 온도로 누르고, 비드가 형성될 때까지 기다린 뒤 떼어내고 두 부품을 맞붙인다. 투박하고 느리지만, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에서는 세 가지 중 가장 강한 접합부를 만든다. 이것이 바로 플라스틱 배관이 현장에서 접합되는 방식이다. 세 가지 모두 파단한 후 파단면을 현미경으로 관찰하라. 실제 용접부는 늘어진 섬유상 고분자를 보여 주고, 실패한 접합부는 원래 하나였던 적이 없는 두 개의 매끄러운 면을 보여 준다. 용매 접착제는 휘발성이 강하고 종종 유해하다. 흄후드 안이나 야외에서 사용하고, 니트릴 장갑을 착용하며, 점화원을 피하라. 열판은 전원을 끈 후에도 오랫동안 위험한 상태를 유지한다.

**출처.** US 3,224,916, *Sonic method of welding thermoplastic parts*, 발명자 Robert S. Soloff 및 Seymour G. Linsley, 양수인 Branson Instruments; 출원일 1963년 12월 6일, 등록일 1965년 12월 21일, 만료. 이 페이지의 도면은 특허 원문의 것입니다. **왜 그토록 빠르게 퍼졌나.** 초음파 용접에는 소모품이 없고, 경화 시간이 없으며, 다룰 용제가 없고, 부품 안에 제3의 재료가 없습니다. 한 사이클은 1초의 일부에 불과해 성형 속도에 맞춘 조립 라인에 들어갈 수 있고, 부품을 차갑게 남기기 때문에 즉시 취급할 수 있습니다. 나사로 조이지 않는 거의 모든 사출 성형 소비자 하우징이 이 방식으로 용접됩니다. **에너지 디렉터가 진정한 발명입니다.** 평평한 접합면에 초음파를 가하면 모든 것이 약간 가열될 뿐 아무것도 용접되지 않습니다. 그 이유는 4단계에서 보여줍니다. 변형을 작은 성형 삼각형에 집중시키는 것이, 넓게 퍼진 가열 문제를 국소적 용융 문제로 바꿔 줍니다. 그리고 금형에 한 번 가공해 두면 되므로 추가 비용이 들지 않습니다. **접착 단계와의 관계.** 카탈로그의 접착제 청사진은 제3의 물질을 이용해 *서로 다른* 재료를 접합하는 것에 관한 것입니다. 용접은 정반대의 경우입니다. 같은 고분자, 제3의 물질 없음, 그리고 접합부가 부품과 구별되지 않게 됩니다. 둘 다 가능할 때 용접은 속도, 강도, 재활용성에서 유리하고, 접착은 재료가 다를 때, 접합부가 틈을 밀봉해야 할 때, 또는 부품을 서로 압착할 수 없을 때 유리합니다. **솔직한 한계.** 초음파 용접은 **열가소성 수지 전용**이며, 거의 모든 경우 양쪽이 *동일한* 고분자여야 합니다. 서로 다른 고분자는 상호 확산하지 않기 때문입니다. 성형 시 접합 형상이 미리 포함되어야 하므로 처음부터 설계에 반영해야 하며, 나중에 추가할 수 없습니다. 폴리프로필렌과 나일론 같은 반결정성 고분자는 비정질 고분자인 ABS보다 훨씬 덜 쉽게 용접되는데, 이는 에너지가 접합부를 유리전이 온도 이상으로 올리는 대신 결정을 녹이는 데 쓰이기 때문입니다. 또한 장비는 저렴하지도 무해하지도 않으며, 이것이 3단계가 존재하는 이유입니다.