インパルス溶着技術

物体の加熱方法

物体の加熱方法は「外部加熱」と「内部加熱」に分類されます。
外部加熱は、対象物に外部熱源から熱を加える方法で、「熱伝導/対流/熱放射」の３つの原理に分類されます。
内部加熱は、対象物自身が発熱体となり、内部から熱を発生させる方法です。「高周波誘電加熱」と「高周波誘導加熱」の２つに分類されます。

※内部加熱については高周波誘電加熱技術、高周波誘導加熱技術にて説明しています。

インパルス溶着の原理

「インパルス溶着」は低電圧・大電流を短時間通電することにより、ヒータ線などの抵抗体を発熱させ熱源として利用する方法で、熱伝導の原理を利用しています。

同じく熱伝導を利用した工法である接触式熱板溶着は、ヒータ等で加熱した熱板を樹脂に押し当てることで溶着します。インパルス溶着は、熱源であるヒータ線そのものを樹脂に押し当てて溶着します。

熱源となるヒータ線の発熱原理は、白熱電球と似ています。白熱電球は、フィラメントという細い金属線に電流を流し、発熱させて光を放出しています。金属線の部分が抵抗体になることでジュール熱が発生し、赤熱することで光を放ちます。

インパルス溶着におけるヒータ線も抵抗体を使用しており、大電流を流すことによりジュール熱が発生します。抵抗値の設計により、ヒータ線を瞬時に加熱することが可能です。

インパルスウェルダーの基本構成

インパルスウェルダーにて樹脂の溶着を行う熱源は、「ヒータチップ（先端チップ）」と呼ばれます。
加熱したヒータチップを熱可塑性樹脂（プラスチック）に直接押し当てることで溶着します。
そのため、樹脂はヒータチップと触れ合った表層から溶融していきます。
ヒータチップの形状は、線状のものだけでなく、マウント形状（カップ形状）も製作可能です。

超音波溶着機のような振動を与えることがないため、粉が発生せずコンタミネーションを防止します。
振動に弱い電子基板やLEDのカシメ溶着にも適しています。また、不織布やフィルムの溶着も可能です。

インパルスウェルダーは、電源部・ヒータチップ・冷却装置で構成されます。

電源部

ヒータチップへの電力供給と加熱時間や出力の制御を担っています。トランス一体型や別体型、温度制御機能付きなどがあります。

ヒータチップ

電源部（トランス）に接続され、熱源となる部分です。形状は、線状やマウント形状（カップ形状）での製作が可能です。

冷却装置

ヒータチップおよび溶融後の樹脂を冷却するための装置です。電源部に組み込まれているものもあります。
インパルス溶着には必須であり、通常は圧縮空気（エアー）を使用します。
マウント形状のヒータチップでは冷却用ノズルが一体化されています。

インパルスウェルダーの特長

インパルスウェルダーの特長は以下の通りです。

１．ヒータそのものを加工物に当てて使用するため、熱効率が良い
２．溶着後、加圧したまま冷却することができるので、きれいな形状を成形できる
３．ヒータ先端が瞬時に加熱されるので、機械の立ち上がりが早く、温度ムラが少ない
４．無振動での溶着が可能

熱分布が不均一な例

溶着に使用しない外周が最も発熱しており、マウント形状の中心温度が低い状態です。
樹脂への熱伝導効率が悪いだけでなく、糸引きやヒータチップの焼き切れを起こす原因になり得ます。

熱分布の均一化（1）：プレス加工式ヒータチップ

形状設計により温度分布の均一化を行った状態です。
マウント形状部の温度ムラが少なく、溶着品質が安定します。また、タクトタイムの短縮にも貢献します。

熱分布の均一化（2）：切削加工式ヒータチップ

切削加工では形状の自由度も増すため、均一化の精度も高くなります。
マウント形状部の熱ムラがほとんど無く、安定した溶着が可能となります。また、プレス加工式に比べ剛性が高いことも特長です。

ボスカシメ

インパルス溶着で最も一般的な工法です。溶着側（ボス）は熱可塑性樹脂とする必要がありますが、固定される側の材質は異材質（金属も可）でも可能です。円柱型のボスが一般的ですが、板状（リブ）のカシメも可能です。

外周カシメ（スウェージング）

カメラのレンズなど、直接的な加工による固定が難しい製品に利用される工法です。部品の外周に沿って立ち上げたリブのカシメによって固定します。

先端封止

充填後の流路など、円筒状の先端を封止することが可能です。部品挿入後の埋め込みも可能です。

シール

サージカルガウンの外周溶着など、不織布やシートの溶着に使用される工法です。薄物に限定されますが、メートル級の長さの溶着も可能となります。しかし、四角形などの形状によっては、熱分布が不均一になりやすいため注意が必要です。
電気は最短ルートを流れる性質があり、角部の外側は温度が低くなる傾向にあります。角部の溶着ムラを防ぐには、角部を極力大きなR形状にすることが必要となります。