超聲波連接已經使用了幾十年，但現在正在發展，以實現復合材料和多材料組件中的智能自動化緊固。

MM焊接

隨著制造商尋求提高生產率和降低成本，裝配成為一個潛在的瓶頸和痛點，需要創新的解決方案。雖然機械緊固件和粘合劑粘合在復合材料組件中已經使用了幾十年，但它們通常也涉及多步工藝鏈和其他增加成本和交付時間的問題。

超聲波技術彌合了緊固和粘合的好處，解決了其中一些挑戰，同時提供了幾秒鐘的加工時間，并提高了一系列復合材料的效率和生產率，包括傳統上麻煩的結構，如層壓夾芯板。

機械緊固件、粘合問題

機械緊固件通常用于復合材料中，用于快速連接不同材料，同時使未來的拆卸能夠用于維修或修理。然而，鉆孔長期以來一直是一個問題，需要在鉆孔區域添加額外的材料來解決承重纖維的切割問題。它還會產生灰塵/碎屑和多步過程鏈（物流、加工、清潔、檢查、緊固件安裝和最終檢查）。

另一個問題是，某些類型的復合材料，如夾層結構、顆粒泡沫和非織造纖維墊，由于局部壓縮和承載強度弱的問題，不太適合用螺釘或螺母和螺栓緊固直接組裝。因此，通常需要首先創建一個“硬點”或加固區域來安裝緊固件。

或者，粘合劑粘合非常適合直接將組件連接在一起，但可能會使拆卸變得不可能或非常困難。另一種選擇是將粘合緊固件粘附到復合結構的表面。這里的挑戰是為緊固件和基材材料找到合適的粘合劑，并在這兩種材料上實現可接受的粘合性能。

多材料焊接的歷史和應用

圖1 直接超聲波焊接。

圖2 熱塑性塑料上打樁。

圖3 將金屬元件插入/固定到熱塑性塑料上。

塑料和聚合物材料中的超聲波連接已得到廣泛認可。幾十年來，它包括類似熱塑性塑料的直接超聲波焊接（圖1），將部件鉚接在熱塑性材料上（圖2），以及將金屬元件固定在熱塑件上（圖3），從而實現了在汽車和移動應用中不斷增長的混合裝置。所有這些技術都使用超聲波能量來熔化熱塑性聚合物，導致材料熔融和/或形成鎖定連接。

MultiMaterial Welding（MM Welding AG，Biel，瑞士）成立于2015年，是一家與緊固技術專家Bossard Group（Zug，瑞士）合作的企業，開發了新型的MM焊接技術，該技術將超聲波能量與熱塑性塑料的熔化和形狀鎖定能力相結合，以實現安全的固定/緊固件安裝。該公司的LiteWWeight和InWWerse解決方案可以針對特定應用進行定制，并被汽車、航空航天和鐵路應用領域的廣泛公司使用，包括寶馬、大眾、Stellantis、吉普、斯旺杜和斯托帕克。

使用MM焊接的緊固件安裝也可以使用AI輔助數據處理進行鑒定。通過將超聲波設備的過程數據與機器學習和人工智能算法相結合，可以可靠地預測特定應用的指標（如拉拔強度），提供緊固件安裝質量和性能的在線實時驗證（見上一節圖7）。

案例研究1：復合夾芯地板

為了更好地理解下面的“它是如何工作的”解釋，本案例研究展示了MM焊接的? 該技術用于夾層地板，需要一個標準公制螺釘的連接點來實現連接。

5M（捷克共和國庫諾維采）是一家生產用于鐵路內飾的輕質高強度復合板的制造商。它希望改進其創建緊固點的傳統系統（圖4a），該系統速度慢且成本高。

圖4a. 5M用于創建緊固點的傳統系統包括將膠合板塊插入聚氨酯（PUR）泡沫芯中，對其進行層壓，然后在其中鉆孔以嵌入螺紋插件。

在完成面板層壓之前，之前的過程需要去除材料并將一塊膠合板粘合到三明治芯中。然后，在膠合板塊上加工螺紋插件。

Bossard與5M合作使用MM Welding的LiteWWeight雙針緊固件插入件。這一新工藝包括直接在夾層材料上鉆孔，并在1-2秒內使用超聲波將雙針緊固件插入件嵌入孔中（圖4b）。這不僅消除了工藝步驟，而且通過自動化緊固件定位和安裝確保了正確的首次組裝。

圖4b. 使用MM Welding開發的新系統從直接在PUR泡沫夾芯板上鉆孔開始，然后使用超聲波在幾秒鐘內嵌入LiteWWeight雙針緊固件插件。

運作原理

與超聲波焊接類似，MM焊接使用超聲波堆疊的高頻振動來產生局部摩擦，超聲波堆疊通常包括壓電換能器或轉換器、改變振動幅度的增強器和將振動施加到零件上的喇叭或超聲焊極。這會使熱塑性材料熔化并流動，從而形成機械正鎖和熔融連接。

通過這種方式，多孔和輕質材料（例如，蜂窩或泡沫芯）—對標準螺釘或鉚釘構成局部擠壓挑戰—以及幾何底切實際上成為MM焊接的一種強度，因為它們提供了錨固的空間。MM焊接產品目前包括LiteWWeight和InWWerse產品。

LiteWWeight技術旨在使熱塑性聚合物和復合材料部件功能化，減少零件數量，簡化制造工藝和物流要求。一種方法是通過形狀鎖連接實現緊固件固定，其中緊固件熔化并與母材互鎖。這包括用于三明治結構的LiteWWeight Pin和Double Pin技術。

另一種方法是將緊固件熔化與載荷分散在比銷釘更大的足跡上相結合。這是LiteWWeight zEPP用于發泡聚丙烯（EPP）泡沫材料的原理，也是MM Welding用于非織造材料的Lotus解決方案的原理。聚合物緊固件插入件在回收前不需要拆卸，這有助于循環。

InWWerse技術用于將金屬元件安裝到熱塑性材料上，旨在克服低表面能材料和美學敏感部件的緊固等挑戰。InWWerse還創建了形狀鎖定連接，解決了對工藝可靠性和機械性能的擔憂，同時實現了化學上不同的熱塑性材料的連接。由于能量的輸入是局部的，受緊固件和工藝影響的材料體積被最小化，這減少了標記缺陷，通常被稱為“通讀”。這對A級表面（如薄汽車裝飾件）很重要。

案例研究2:EPP緊固

EPP以其最佳的能量吸收和輕質性能而聞名，是汽車防撞墊元件的理想選擇，如保護專家Storopack（德國麥琴根）生產的防撞墊元件。然而，使用螺釘直接組裝可能會導致螺釘頭和墊圈施加力的局部壓碎。這使得難以實現足夠的裝配預載荷來牢固地保持緊固部件。負載分散的表面粘合解決方案可以避免這種情況，但粘合的緊固件通常是金屬的，這也在壽命結束時（EOL- end of life）帶來了材料分離的挑戰。

圖5 此MM Welding LiteWWeight zEPP緊固點示例演示了在自動化應用中使用螺釘直接組裝EPP防撞墊組件。

Storopack選擇MM Welding的LiteWWeight zEPP技術（圖5）在EPP材料中創建連接點有幾個原因。安裝過程不使用化學物質，并創建了一個干凈、耐用且節省空間的連接。具體來說，zEPP插入件在泡沫中提供了足夠的機械錨定，而不需要過多的截面深度或表面足跡。此外，由于LiteWWeight zEPP緊固件插入件是聚合物，它們可以像EPP組件一樣通過相同的EOL材料回收和再循環系統，即不需要先將其拆除。這最大限度地減少了工藝步驟、時間和廢物流，從而實現了更有效的回收。

MM Welding與Storopack合作，優化了zEPP緊固件插入件的設計和安裝。Storopack需要一個M5螺栓的通孔，使表面相對于零件背面精確定位。此插件設計為黃色，與黑色泡沫形成強烈對比，使質量檢查更容易。超聲波安裝參數，如觸發標準、壓制速度、振幅和端部條件，也進行了優化，以確保這種特定泡沫密度的最佳機械性能和z定位。

MM Welding隨后與Storopack合作開發了一個自動化系統，用于在EPP防撞墊內安裝LiteWWeight zEPP緊固件。最終的解決方案包括一個轉臺，可以在轉臺的一側安裝zEPP，同時工人可以卸載組裝好的零件并在另一側裝載下一個零件。超聲波堆棧安裝在CNC門上，該門還包括由超聲波喇叭中的真空通道支撐的拾取和放置進給系統。該系統可以拾取zEPP并將其移動到定義的連接位置，并在x、y和z方向上進行控制。這很重要，因為Storopack需要一個精確的接觸面，以便螺釘頭能夠連接到防撞墊主體。該解決方案的速度提升也促進了汽車的吞吐率。

增加應用、回收和數字雙/線程解決方案

MM Welding正在努力提高人們對這種緊固技術的認識，并增加使用案例，例如在航空航天領域。夾層板是用于飛機內飾的典型材料，已經有用于此類應用的LiteWWeight產品，但正在開發更多產品。

另一個關鍵領域是組件的可回收性，客戶每天都在討論這個問題。例如，這包括在EOL時可以輕松拆卸的組件。MM焊接可以通過創建單材料結構來實現這一點，其中緊固插入件由與結構相同的材料制成。EPP的zEPP解決方案就是一個例子，其中基材和緊固件插件均由聚丙烯（PP）制成。但MM Welding也在開發使用從EPP泡沫中回收的PP制成的zEPP緊固件，這不僅可以實現材料的閉環，還可以為EOL的回收提供更簡單、成本更低的解決方案。

圖6 MM Welding LiteW八個雙銷釘插入5M的復合夾層有軌電車地板。

還有許多公司試圖在飛機內飾中用熱塑性復合材料板取代Nomex蜂窩夾芯板。這是實現單材料解決方案的另一個例子，因為MM焊接緊固件插入件可以由與面板相同的熱塑性基質設計而成。盡管MM Welding目前正在探索的材料包括成本較低的聚醚酰亞胺和聚苯硫醚，但也可以采用完全PEEK或PAEK（聚醚醚酮或聚芳醚酮）結構，面板和緊固件插入件均由相同材料制成。同樣，這在EOL更容易管理，使用更高性能（和成本）的熱塑性聚合物只是調整MM焊接設計和工藝參數以獲得所需結果的問題。這種方法還可以顯著加快內部安裝，因為與為緊固件或粘合劑粘合創建封裝連接的漫長過程相比，MM焊接過程只需要幾秒鐘。

圖7 機器學習在MM焊接安裝中的應用

MM Welding還與瑞士西北應用科學與藝術大學（FHNW）完成了重要工作，對其緊固件插入過程的力學進行了建模。這包括有限元建模和仿真以及數據管理，特別是如何使用插入件安裝數據來預測已完成緊固件的性能和性能。上文簡要介紹了這些SmartSolutions（圖7），并使用數據采集單元收集過程數據和定制算法進行分析。與FHNW的合作建立了這種數據采集和訓練管道，能夠預測每個緊固點的機械性能。據該公司稱，這對整個供應鏈中的客戶和數字線程的產品數字雙胞胎具有巨大的潛力——每個連接點都可以被跟蹤并標記其屬性。MM焊接智能解決方案已經提供給客戶。然而，對于許多公司來說，使用這種系統仍然是新的，需要時間來開發。

原文，《MM-Welding solution automates, functionalizes composite joining 》

 

楊超凡