Neiegkeeten

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Virwuert

Mat der Entwécklung vun Ultraschall Technologie ass seng Uwendung ëmmer méi extensiv, et kann benotzt ginn fir kleng Dreckpartikelen ze botzen, an et kann och benotzt ginn fir Metall oder Plastik ze schweißen. Besonnesch an de haitege Plastikprodukter gëtt Ultraschallschweiß meeschtens benotzt, well d'Schrauwenstruktur ewechgelooss gëtt, d'Erscheinung ka méi perfekt sinn, an d'Funktioun vu Waasserdichtung a Staubdichtung gëtt och virgesinn. Den Design vum Plastikschweißhorn huet e wichtegen Impakt op déi lescht Schweißqualitéit a Produktiounskapazitéit. Bei der Produktioun vun neien Elektrometer ginn Ultraschallwellen benotzt fir déi iewescht an déi ënnescht Gesiichter mateneen ze fusionéieren. Wéi och ëmmer, beim Gebrauch gëtt festgestallt datt e puer Hénger op der Maschinn installéiert sinn a geknackt an aner Feeler a kuerzer Zäit optrieden. E puer Schweißhorn De Mängel ass héich. Verschidde Feeler hunn e groussen Impakt op d'Produktioun. Geméiss dem Verständnis hunn Ausrüstungslieferanten limitéiert Designfäegkeete fir Horn, an dacks duerch repetéiert Reparaturen fir Designindikatoren z'erreechen. Dofir ass et noutwendeg eis eege technologesch Virdeeler ze benotzen fir en haltbar Horn z'entwéckelen an eng vernünfteg Designmethod.

2 Ultraschall Plastikschweißprinzip

Ultraschall Plastikschweißen ass eng Veraarbechtungsmethod déi d'Kombinatioun vun Thermoplasten an der héijer Frequenz gezwongener Vibration benotzt, an d'Schweißflächen reiwen sech géigesäiteg fir lokal Héichtemperaturschmelze ze produzéieren. Fir gutt Ultraschall-Schweißergebnisse z'erreechen, ginn Ausrüstung, Materialien a Prozessparameter erfuerderlech. Déi folgend ass eng kuerz Aféierung zu sengem Prinzip.

2.1 Ultraschall Plastikschweißsystem

Figure 1 ass eng schematesch Vue vun engem Schweißsystem. Déi elektresch Energie gëtt duerch de Signalgenerator an de Kraaftverstärker geleet fir en ofwiesselnd elektrescht Signal vun Ultraschallfrequenz (> 20 kHz) ze produzéieren dat op den Transducer (piezoelektresch Keramik) applizéiert gëtt. Duerch den Transducer gëtt d'elektresch Energie zur Energie vun der mechanescher Schwéngung, an d'Amplitude vun der mechanescher Schwéngung gëtt vum Horn op déi entspriechend Aarbechtsamplitude ugepasst, an dann eenheetlech un d'Material am Kontakt domat iwwer den Horn iwwerdroen. D'Kontaktflächen vun den zwee Schweißmaterialien ginn ënner héijer Frequenz gezwongener Vibratioun ausgesat, an d'Reiwungshëtzt generéiert lokal Héichtemperaturschmelze. No Ofkillung ginn d'Materialien kombinéiert fir Schweißen z'erreechen.

An engem Schweißsystem ass d'Signalquell e Circuit Deel deen e Stroumverstärkerkrees enthält deem seng Frequenzstabilitéit a Fuerfunktioun d'Leeschtung vun der Maschinn beaflosst. D'Material ass en thermoplastescht, an den Design vun der gemeinsamer Uewerfläch muss berécksiichtege wéi séier Hëtzt generéiert an Dock. Transduktoren, Hénger an Hénger kënnen all als mechanesch Strukturen ugesi ginn fir eng einfach Analyse vun der Kupplung vun hire Schwéngungen. Beim Plastikschweiße gëtt mechanesch Vibratioun a Form vu Längswellen iwwerdroen. Wéi effektiv Energie iwwerdroe gëtt an d'Amplitude ugepasst ass den Haaptpunkt vum Design.

2.2Horn

Den Horn déngt als Kontaktinterface tëscht der Ultraschallschweißmaschinn an dem Material. Seng Haaptfunktioun ass d'längs mechanesch Schwéngung déi vum Variator gläichméisseg an effizient op d'Material weiderginn. D'Material dat benotzt gëtt ass normalerweis héich Qualitéit Aluminiumlegierung oder souguer Titanlegierung. Well den Design vu Plastiksmaterial vill ännert, ass d'Erscheinung ganz anescht, an den Horn muss deementspriechend änneren. D'Form vun der Aarbechtsoberfläche soll gutt mat dem Material ugepasst ginn, sou datt de Plastik beim Vibréiere net beschiedegt gëtt; zur selwechter Zäit soll déi éischt Bestellung Längsvibration Festfrequenz mat der Ausgangsfrequenz vun der Schweißmaschinn koordinéiert ginn, soss gëtt d'Vibratiounsenergie intern verbraucht. Wann den Horn vibréiert, trëtt lokal Stresskonzentratioun op. Wéi dës lokal Strukturen ze optimiséieren ass och eng Designiwwerleeung. Dësen Artikel erfuerscht wéi Dir ANSYS Design Horn uwennt fir Designparameteren a Fabrikatiounstoleranzen ze optimiséieren.

3 Schweesshorn Design

Wéi virdru scho gesot, den Design vum Schweißhorn ass ganz wichteg. Et gi vill Ultraschall-Ausrüstungslieferanten a China déi hir eege Schweißhorn produzéieren, awer e bedeitenden Deel dovu sinn Imitatiounen, an da gi se stänneg getrimmt an gepréift. Duerch dës repetéiert Upassungsmethod gëtt d'Koordinatioun vum Horn an der Ausrüstungsfrequenz erreecht. An dësem Pabeier kann déi endlech Elementmethod benotzt ginn fir d'Frequenz ze bestëmmen beim Design vum Horn. Den Horn Test Resultat an den Design Frequenz Feeler sinn nëmmen 1%. Zur selwechter Zäit stellt dëse Pabeier d'Konzept vun DFSS (Design For Six Sigma) fir e optimalen a robuste Design vum Horn vir. D'Konzept vum 6-Sigma Design ass fir d'Stëmm vum Client voll am Designprozess fir geziilten Design ze sammelen; a Virausbezuelung vu méiglechen Ofwäichungen am Produktiounsprozess fir sécherzestellen datt d'Qualitéit vum Schlussprodukt bannent engem vernünftegen Niveau verdeelt gëtt. Den Designprozess gëtt an der Figure 2. Vun der Entwécklung vun den Designindikatoren ugewisen, sinn d'Struktur an d'Dimensioune vum Horn ufanks no der existéierender Erfahrung entwéckelt. De parametresche Modell gëtt an ANSYS etabléiert, an da gëtt de Modell vun der Simulatiouns Experiment Design (DOE) Method bestëmmt. Wichteg Parameter, no de robuste Fuerderungen, bestëmmen de Wäert, a benotzen dann d'Subproblemmethod fir aner Parameteren ze optimiséieren. Wann Dir den Afloss vu Materialien an Ëmweltparameter wärend der Fabrikatioun an der Notzung vum Horn berécksiichtegt, gouf et och mat Toleranze konzipéiert fir den Ufuerderunge vun de Fabrikatiounskäschten gerecht ze ginn. Schlussendlech ass d'Fabrikatioun, d'Test an d'Testtheorie Design an den aktuelle Feeler, fir d'Designindikatoren ze treffen déi geliwwert ginn. Déi folgend Schrëtt fir Schrëtt detailléiert Aféierung.

20200117113651_36685

3.1 Geometresch Form Design (e parametresche Modell opzebauen)

Design vum Schweißhorn bestëmmt als éischt seng geschätzte geometresch Form a Struktur an etabléiert e parametresche Modell fir déi nächst Analyse. Figure 3 a) ass den Design vum heefegste Schweesshorn, an deem eng Zuel U-fërmeg Rillen a Richtung Vibratioun op engem Material vun ongeféier kuboid opgemaach ginn. Déi gesamt Dimensioune sinn d'Längt vun den X-, Y- an Z-Richtungen, an déi lateral Dimensioune X an Y si meeschtens mat der Gréisst vum Werkstéck ze vergläichen. D'Längt vun Z ass gläich wéi d'Halschentwellelängt vun der Ultraschallwell, well an der klassescher Schwéngungstheorie ass déi éischt Ordnungsachsfrequenz vum länglëchen Objet vu senger Längt bestëmmt, an d'Halschwellwelllängt ass exakt mat der akustescher ugepasst Wellefrequenz. Dësen Design gouf verlängert. Benotzen ass gutt fir d'Verbreedung vu Schallwellen. Den Zweck vun der U-fërmeger Groove ass de Verloscht vu lateraler Vibratioun vum Horn ze reduzéieren. D'Positioun, d'Gréisst an d'Zuel ginn no der Gesamtgréisst vum Horn bestëmmt. Et ka gesi ginn datt an dësem Design manner Parameteren sinn déi fräi geregelt kënne ginn, also hu mir Verbesserungen op dëser Basis gemaach. Figure 3 b) ass en nei entwéckelt Horn deen e méi Gréissteparameter huet wéi den traditionellen Design: de baussenzege Bousradius R. Zousätzlech ass d'Groove op der Aarbechtsoberfläche vum Horn gravéiert fir mat der Uewerfläch vum plastesche Werkstéck ze kooperéieren, wat gutt ass fir Vibratiounsenergie ze vermëttelen an d'Werkstéck virum Schued ze schützen. Dëse Modell gëtt rout parametresch an ANSYS modelléiert, an dann deen nächsten experimentellen Design.

3.2 DOE experimentell Design (Bestëmmung vu wichtege Parameteren)

DFSS gëtt erstallt fir praktesch Ingenieursprobleemer ze léisen. Et verfollegt net Perfektioun, awer ass effektiv a robust. Et verkierpert d'Iddi vu 6-Sigma, erfaasst d'Haaptwidderspréch a verléisst "99,97%", wärend et erfuerdert datt den Design zimlech resistent géint d'Ëmweltvariabilitéit ass. Dofir, ier Dir d'Zilparameter Optimiséierung maacht, sollt et als éischt gekuckt ginn, an d'Gréisst déi e wichtegen Afloss op d'Struktur huet soll ausgewielt ginn, an hir Wäerter sollen no dem Robustheetsprinzip bestëmmt ginn.

3.2.1 DOE Parameter Astellung an DOE

D'Designparameter sinn d'Hornform an d'Gréisstpositioun vun der U-förmlecher Groove, asw., Insgesamt aacht. Den Zilparameter ass déi éischt Bestellung vun der axialer Vibratiounsfrequenz well et de gréissten Afloss op de Schweiß huet, an de maximale konzentréierte Stress an den Ënnerscheed an der Aarbechtsoberflächeamplitude si limitéiert als Staatsvariablen. Baséiert op Erfahrung gëtt et ugeholl datt den Effekt vun de Parameteren op d'Resultater linear ass, sou datt all Faktor nëmmen op zwee Niveauen, héich an niddreg gesat gëtt. D'Lëscht vun den Parameteren an den entspriechenden Nimm ass folgend.

DOE gëtt an ANSYS mat dem virdrun etabléierte parametresche Modell gemaach. Wéinst Software Aschränkungen kann de Vollfaktor DOE nëmme bis zu 7 Parameteren benotzen, wärend de Modell 8 Parameteren huet, an d'ANSYS Analyse vun DOE Resultater ass net sou ëmfaassend wéi professionell 6-Sigma Software, a kann d'Interaktioun net packen. Dofir benotze mir APDL fir en DOE Loop ze schreiwen fir d'Resultater vum Programm auszerechnen an duerno d'Donnéeën an de Minitab ze setzen fir ze analyséieren.

3.2.2 Analyse vun DOE Resultater

Dem Minitab seng DOE Analyse gëtt a Figure 4 gewisen an enthält d'Haaptinflossfaktoren Analyse an d'Interaktiounsanalyse. D'Haaptinfluenzfaktoranalyse gëtt benotzt fir ze bestëmmen wéi eng Designvariabelen Ännerungen méi e groussen Impakt op d'Zielvariabel hunn, an doduerch uginn wéi eng wichteg Designvariabelen sinn. D'Interaktioun tëscht de Faktoren gëtt dann analyséiert fir den Niveau vun de Faktoren ze bestëmmen an de Grad vun der Kupplung tëscht den Designvariablen ze reduzéieren. Vergläicht de Grad vun der Verännerung vun anere Faktoren wann en Designfaktor héich oder niddereg ass. Geméiss dem onofhängege Axiom ass den optimalen Design net matenee gekoppelt, also wielt den Niveau dee manner variabel ass.

D'Analyseresultater vum Schweißhorn an dësem Pabeier sinn: déi wichteg Designparameter sinn de baussenzege Bousradius an d'Schlittsbreet vum Horn. Den Niveau vu béide Parameteren ass "héich", dat heescht, de Radius hëlt e méi grousse Wäert am DOE, an d'Groove Breet hëlt och e méi grousse Wäert. Déi wichteg Parameteren an hir Wäerter goufen ermëttelt, an da goufen e puer aner Parametere benotzt fir den Design an ANSYS ze optimiséieren fir d'Hornfrequenz unzepassen fir der Operatiounsfrequenz vun der Schweißmaschinn ze passen. Den Optimisatiounsprozess ass folgend.

3.3 Zilparameter Optimiséierung (Hornfrequenz)

D'Parameterastellunge vun der Designoptiméierung sinn ähnlech wéi déi vun der DOE. Den Ënnerscheed ass datt d'Wäerter vun zwee wichtege Parameteren festgeluecht goufen, an déi aner dräi Parameteren si mat de materiellen Eegeschafte bezunn, déi als Kaméidi ugesi ginn an net optimiséiert kënne ginn. Déi reschtlech dräi Parameteren, déi ugepasst kënne ginn, sinn déi axial Positioun vum Schlitz, d'Längt an d'Hornbreet. D'Optimiséierung benotzt d'Subprobleem Approximatiounsmethod an ANSYS, déi eng wäit benotzt Method an Ingenieursproblemer ass, an de spezifesche Prozess gëtt ewech gelooss.

Et ass derwäert ze bemierken datt d'Frequenz als Zilvariabel benotzt e bësse Fäegkeet am Betrib erfuerdert. Well et vill Designparameteren an eng breet Palette u Variatioun sinn, sinn d'Vibratiounsmodi vum Horn vill am Frequenzberäich interesséieren. Wann d'Resultat vun der Modalanalyse direkt benotzt gëtt, ass et schwéier den Axialmodus vun der éischter Uerdnung ze fannen, well d'modal Sequenz interleaving kann optrieden wann d'Parameteren änneren, dat heescht déi natierlech Frequenz ordinal entspriechend dem Original Modus ännert. Dofir hëlt dëse Pabeier d'modal Analyse als éischt un, a benotzt dann d'Modal Superpositiounsmethod fir d'Frequenzresponskurve ze kréien. Duerch de Spëtzewäert vun der Frequenzantwortkurve ze fannen, kann et déi entspriechend Modalfrequenz suergen. Dëst ass ganz wichteg am automateschen Optimisatiounsprozess, eliminéiert d'Notzung fir d'Modalitéit manuell ze bestëmmen.

Nodeems d'Optimiséierung ofgeschloss ass, kann d'Designarbechtsfrequenz vum Horn ganz no bei der Zilfrequenz sinn, an de Feeler ass manner wéi den Toleranzwäert, deen an der Optimiséierung spezifizéiert ass. Zu dësem Zäitpunkt gëtt den Horn Design am Fong bestëmmt, gefollegt vu Fabrikatiounstoleranze fir Produktiouns Design.

20200117113652_29938

3.4 Toleranz Design

Den allgemenge strukturellen Design ass ofgeschloss nodeems all Designparameter festgeluecht goufen, awer fir Ingenieursproblemer, besonnesch wann Dir d'Käschte vun der Masseproduktioun berécksiichtegt, ass Toleranzdesign wesentlech. D'Käschte vu gerénger Präzisioun ginn och reduzéiert, awer d'Fäegkeet fir Designmetriken ze erfëllen erfuerdert statistesch Berechnunge fir quantitativ Berechnungen. De PDS Probability Design System an ANSYS kann d'Bezéiung tëscht Designparameter Toleranz an Zilparameter Toleranz besser analyséieren, a ka komplett verwandte Berichtdateien generéieren.

3.4.1 PDS Parameter Astellungen a Berechnungen

Geméiss der DFSS Iddi soll d'Toleranzanalyse op wichteg Designparameter ausgefouert ginn, an aner allgemeng Toleranze kënnen empiresch bestëmmt ginn. D'Situatioun an dësem Pabeier ass ganz besonnesch, well no der Fäegkeet vun der Bearbechtung ass d'Fabrikatiounstoleranz vu geometreschen Designparameter ganz kleng, an huet wéineg Effekt op déi lescht Hornfrequenz; wärend d'Parameteren vun de Rohmaterialien immens anescht sinn wéinst Fournisseuren, an de Präis vun de Rohmaterial mécht méi wéi 80% vun den Hornveraarbechtungskäschten. Dofir ass et noutwendeg fir e raisonnabelen Toleranzberäich fir d'Material Properties ze setzen. Déi relevant materiell Eegeschafte sinn hei Densitéit, Elastizitéitsmodul a Geschwindegkeet vun der Schallwelleverbreedung.

Toleranzanalyse benotzt zoufälleg Monte Carlo Simulatioun bei ANSYS fir d'Latäin Hypercube Method ze probéieren, well et d'Verdeelung vun de Samplingpunkte méi eenheetlech a raisonnabel ka maachen, a besser Korrelatioun vu manner Punkte kritt. Dëse Pabeier setzt 30 Punkten. Ugeholl datt d'Toleranze vun den dräi Materialparameteren nom Gauss verdeelt ginn, ufanks eng iewescht an ënnescht Grenz gegeben, an dann an ANSYS berechent.

3.4.2 Analyse vu PDS Resultater

Duerch d'Berechnung vu PDS ginn d'Zilvariablen Wäerter entspriechend 30 Proufpunkte ginn. D'Verdeelung vun den Zilvariablen ass onbekannt. D'Parameter gi mat Minitab Software erstallt, an d'Frequenz gëtt am Fong no der normaler Verdeelung verdeelt. Dëst garantéiert d'statistesch Theorie vun der Toleranzanalyse.

D'PDS Berechnung gëtt eng passend Formel vun der Designvariabel bis zur Toleranzsexpansioun vun der Zilvariabel: wou y d'Zilvariabel ass, x ass d'Designvariabel, c ass de Korrelatiounskoeffizient, an i ass d'Variabel Zuel.

Geméiss dësem kann d'Zieltoleranz un all Designvariabel zougewise ginn fir d'Aufgab vum Toleranzdesign ze kompletéieren.

3.5 Experimentell Verifikatioun

Dee viischt Deel ass den Designprozess vum ganze Schweißhorn. Nom Ofschloss ginn d'Rohmaterial no de materiellen Toleranzen, déi vum Design erlaabt sinn, kaaft an duerno un d'Fabrikatioun geliwwert. Heefegkeet a Modal Tester gi gemaach nodeems d'Fabrikatioun fäerdeg ass, an déi benotzt Testmethod ass déi einfachst an effektivst Scharfschütztestmethod. Well de betraffenen Index déi éischt Uerdnung axial Modalfrequenz ass, ass de Beschleunigungssensor un d'Aarbechtsoberfläch befestegt, an dat anert Enn gëtt laanscht d'axial Richtung geschloen, an déi tatsächlech Frequenz vum Horn kann duerch Spektralanalyse kritt ginn. D'Simulatiounsresultat vum Design ass 14925 Hz, den Testresultat ass 14954 Hz, d'Frequenzopléisung ass 16 Hz, an de maximale Feeler ass manner wéi 1%. Et ka gesi ginn datt d'Genauegkeet vun der endlecher Element Simulatioun an der Modal Berechnung ganz héich ass.

Nom Passage vum experimentellen Test gëtt den Horn a Produktioun a Montage op der Ultraschallschweißmaschinn gesat. D'Reaktiounszoustand ass gutt. D'Aarbecht ass stabil fir méi wéi en halleft Joer, an de Schweißqualifikatiounsquote ass héich, wat d'Drei Méint Liewensdauer iwwerschratt huet vum allgemenge Geräterhersteller. Dëst weist datt den Design erfollegräich ass, an de Fabrikatiounsprozess gouf net ëmmer geännert an ugepasst, wat Zäit a Mannkraaft spuert.

4 Konklusioun

Dëse Pabeier fänkt mam Prinzip vun Ultraschall Plastikschweißen un, gräift déif den technesche Fokus vum Schweißen a proposéiert d'Designkonzept vum neien Horn. Dann benotzt déi mächteg Simulatiounsfunktioun vum endleche Element fir den Design konkret z'analyséieren, a féiert d'6-Sigma Designiddi vun DFSS un, a kontrolléiert déi wichteg Designparameter duerch ANSYS DOE experimentellt Design a PDS Toleranzanalyse fir e robuste Design z'erreechen. Schlussendlech gouf den Horn eemol erfollegräich fabrizéiert, an den Design war raisonnabel duerch den experimentelle Frequenzstest an déi tatsächlech Produktiounsverifikatioun. Et beweist och datt dëse Set vun Designmethoden machbar an effektiv ass.


Postzäit: Nov-04-2020