Termoplastiklerin ultrasonik kaynağı için L ve LT modlarında çalışan rezonatör tasarımı
Design of resonator which operates L and LT modes for ultrasonic welding of thermoplastics
Yazar: BEYZA GAVCAR
Danışman: PROF. DR. CELALETDİN ERGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Metal ve termoplastik malzemelerin kendileri arasında yüksek kaliteli birleşmelere duyulan ihtiyaç kaynak yönteminin ortaya çıkma ve gelişmesine yol açmıştır. Kaynak birçok endüstriyel uygulamada kullanılan bir birleştirme yöntemidir. Başlıca kaynak yöntemleri; elektrik ark kaynağı, direnç kaynağı, gaz altı kaynağı, toz altı kaynağı, oksi asetilen kaynağıdır. Plastiklerin çentiğe karşı duyarlılığı perçin veya civata ile birleştirilmelerini zorlaştırdığı için birleştirme yöntemi olarak yapıştırma ve kaynak ön plana çıkmaktadır. Plastiklerin kaynağı söz konusu olduğunda eritilip soğutulduktan sonra tekrar katılaştırılıp şekillendirilebildikleri için sadece termoplastikler kaynak yöntemi ile birleştirilebilir. Termoplastiklerin kaynağında ise genellikle ultrasonik kaynak yöntemi tercih edilir. Çeşitli endüstriyel termoplastik ve termoplastik kompozitlerin ultrasonik kaynak yöntemi ile birleştirilmesi temiz, hızlı, ekonomik ve yüksek sıcaklık ve deformasyon olmaksızın gerçekleştirilmektedir. Ultrasonik kaynak yöntemi sürtünmeyi artırmak için dış basınç uygulayarak eş zamanlı olarak temas yüzeylerinin ultrasonik frekans ile titreşmesi olarak tanımlanır. Kaynak işlemi, birleştirilecek parçalara mekanik titreşimlerin iletilmesiyle sürtünmeden kaynaklanan ısı ile yapılmaktadır. Birleştirme, malzemelerin erime sıcaklığından daha düşük sıcaklıklarda yapılarak ısıdan etkilenmiş yüzeyleri en aza indirger. Bu tez çalışmasında termoplastiklerin ultrasonik kaynağı için L ve LT modlarında çalışan rezonatör tasarımı gerçekleştirilmiştir. 
2000 Watt gücündeki ultrasonik jeneratöre bağlanan tasarımı gerçekleştirilen ultrasonik rezonatörler; yüksek frekanslı elektriksel titreşimleri yüksek frekanslı mekanik titreşimlere çeviren transduser, titreşimin genliğini ayarlayarak horna ileten booster, kaynak yapılacak parçalara titreşimi ileten horndan oluşmaktadır. Ultrasonik kaynak işlemi ile termoplastiklerin birleştirilmesi yüksek frekanslı mekanik titreşim enerjisi sonucu oluşan ısının kullanılması ile gerçekleştirilmektedir. Ultrasonik kaynak işleminin gerçekleşmesinde rezonatör tasarımı kritik bir role sahiptir.  
Tasarıma bağlı olarak bazı ultrasonik sistemler tek yönlü (eksenel, torsiyonel) titreşimler oluştururken, bazı sistemler ise iki yönlü (eksenel - torsiyonel) titreşimler oluşturmaktadır. Tasarımı yapılan bu sistemler birçok farklı mekanik sisteme bağlanıp bu mekanik sistemlerin yaptıkları işe ilaveten mikron mertebelerinde titreşmelerine sebep olurlar. Mikron mertebesindeki bu yer değiştirmeler işlemde gerekli kuvvetlerin, açığa çıkan ısının, sürtünme kuvvetlerinin, oluşacak deformasyonun azalmasını mümkün kılarken; yüzey kalitesi, mekanik dayanım ve toleransların artmasına da olanak sağlamaktadır.
Kaynak işlemi süresince enerjinin birleştirilecek parçalara etkin bir şekilde aktarımında rezonatörün geometrisi göz önünde bulundurulmalıdır. Maksimum enerji iletimi için tüm ultrasonik sistem aynı doğal frekans değerine ayarlanmalıdır. Bileşenlerin doğal frekansı farklıysa, sistemde farklı frekansta titreşimler oluşacağından enerji kayıpları ve parça arayüzeylerinde yorulma nedeniyle bileşenlerde hasar  gözlenebilir. Ultrasonik sistemlerin etkili bir şekilde çalışması için bu sistemler istenen titreşim modunun doğal frekansında çalışmalıdır. 
Bu çalışmada rezonatörün dinamik özellikleri numerik olarak çalışılmış, rezonatörün L ve LT modlarında birleştirme işlemini gerçekleştirmesi için gereken ideal değerler belirlenmiş ve birleştirilen parçalarda değişen kaynak parametre değerlerinin çekme dayanımına etkileri incelenmiştir. Tasarım parametrelerine bağlı olarak L ve LT modlarında çalışan rezonatör tasarımlarını optimize etmek için matematiksel ve deneysel modellemeyi kombinleyen bir yaklaşımdan yararlanılmıştır. 
Sonlu elemanlar analizi ve analitik metodları içeren matematiksel modellemeden; geometriyi optimize etmek,  modal parametreleri ve rezonatörlerin dinamik davranışını tahmin etmek için yararlanılmıştır. Deneysel modelleme matematiksel sonuçları geçerli kılmak ve üretilen tasarımları değişen kaynak parametrelerinde incelemek için kullanılmıştır. Sonlu elemanlar analizi ile rezonatörlerin titreşim modları, her moda ait doğal frekanslar ve bu frekanslardaki yer değiştirme değerleri elde edilmiştir.
İlk olarak L modunda çalışan rezonatörün boyutları dalga denkleminden elde edilmiştir. Boyutlar COMSOL programını kullanarak sonlu eleman modelini oluşturmak için kullanılmıştır. Sonlu eleman modeli aynı zamanda rezonatörün titreşim davranışını tahmin etmek için kullanılmıştır. 
Daha sonra rezonatörün LT titreşim modunu elde etmek için horna kesik açılmıştır. Kesikler sayesinde hornun simetrisi bozularak hornun ilerleme hareketi yanında dönme hareketi de kazanması hedeflenmiştir. Dönme hareketi sayesinde kaynak özelliklerinin iyileştirilmesi ve birleşme dayanımının artırılması amaçlanmıştır. Bu amaçlar doğrultusunda açılan kesiklerle rezonans frekansı arasındaki ilişki incelenmiştir. Sonlu eleman analizi kullanılarak ultrasonik kaynak için horn profillerinin tasarım ve analizi modellenmiştir. Ultrasonik sistemin ve kaynak işleminin performansı özellikle horn tasarımına bağlı olduğu için rezonatör tasarımında öncelikle horn tasarımı göz önünde bulundurulmalıdır. Horn, kaynak işlemi için ultrasonun etkilerini kullanan rezonatörün ana bileşenidir. Programa farklı boyutlarda, farklı şekillerde ve ön kütle (horn) boyunca farklı açılardaki kesikler tanıtılmış ve ön kütleye uygulanan bir modal analiz prosedürü aracılığı ile incelenmiştir. Tasarım prosedürü; horn için uygun frekans seçimi, malzemenin seçimi, seçilen malzemede ses ilerleme hızının belirlenmesi ve boyutların hesaplanmasından oluşmaktadır. Kademeli horn için tasarımlar yapılmıştır. Bu tasarımlara dayanarak üretim gerçekleştirilmiş ve çeşitli testler yapılmıştır. 
Tasarımı yapılıp üretimi gerçekleştirilen rezonatörlerin performansını test etmek amacıyla termoplastiklere kaynak işlemi uygulayarak birleşmelerin dayanımı üzerine deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalarda kaynak, baskı ve soğutma sürelerinin ve basıncın kaynak bölgesine etkileri incelenmiştir. 20-30 psi basınç değerlerinde 0.6-1 sn titreşim uygulayarak polietilenin ultrasonik kaynağı gerçekleştirilmiştir. Oluşan kaynak noktalarının mukavemetlerini incelemek üzere 30 mm/dak hızla çekme testleri yapılmıştır. Yapılan testlerde çekme mukavemetinin artan basınç ve kaynak, baskı ve soğutma süreleri ile değişimi incelenmiştir. Polietilenin ultrasonik kaynağı ile elde edilen kaynak noktalarının çekme mukavemetleri incelendiğinde en yüksek çekme mukavemet değeri tasarım 1 için 30 psi basınç değerinde 1 sn kaynak, 0.6 sn baskı ve 0.6 sn soğutma sürelerinde elde edilmiştir. Diğer kaynak parametreleri sabitken basınç artırıldığında çekme dayanımının arttığı gözlenmiştir. Artan kaynak süresi kaynak bölgesine uygulanan ısıyı artırdığı için kaynak noktalarının mukavemeti deneylerde de gözlemlendiği gibi artmıştır. Baskı ve soğutma sürelerinin artması ile çekme mukavemetinin azaldığı tespit edilmiştir. En yüksek çekme mukavemetine sahip kaynak noktalarının basıncın artmasıyla daha uzun kaynak süresinde, daha kısa baskı süresinde elde edildiği tespit edilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda kaynak parametrelerinin doğru seçilmesi durumunda ultrasonik kaynak yönteminin hızlı, amaca uygun ve kaliteli bir birleştirme metodu olduğu ortaya çıkmıştır.

Abstract:
The need for high quality joints between metal and thermoplastic materials has led to the emergence and development of the welding process. Welding is a joining method which used in many industrial applications. Major welding methods are electric arc welding, resistance welding, gas metal arc welding, submerged arc welding, oxyacetylene welding. As the sensitivity of the plastics to the notch makes it difficult to join with rivet or bolt, bonding and welding gain importance as the joining method. Since they can be re-solidified after being melted and cooled, only thermoplastics can be joined with the welding process. Ultrasonic welding is usually used in welding of thermoplastics. Joining of various industrial thermoplastics and thermoplastic composites with ultrasonic welding process is carried out clean, fast, economical and without high temperature and deformation. Ultrasonic welding process is defined as the vibration of contact surfaces with ultrasonic frequency simultaneously by applying external pressure to increase friction. Welding process is carried out with heat from friction which occurs the transmission of mechanical vibrations to the parts to be joined. Joining minimizes heat affected surfaces by making the materials at temperatures lower than their melting temperatures. In this thesis study, the design of resonator, which operates L and LT modes, for the ultrasonic welding of thermoplastics was carried out. LT vibration mode has the advantage in many applications such as ultrasonic welding, drilling and motors.
Designed ultrasonic resonators are connected to a 2000 W ultrasonic generator. It consists of the transducer which converts high frequency electrical vibrations to high frequency mechanical vibrations, the booster which transmits vibration to horn by adjusting the amplitude of the vibration, the horn that transmits the vibration to the parts to be welded. Joining the thermoplastics with ultrasonic welding process is achieved by the usage of heat which occurs by high frequency mechanical vibration energy. The resonator design plays a critical role in ultrasonic welding process. Therefore, depending on the material, geometry, shape, frequency and length of resonance, resonator design should be performed. 
Depending on the design, some ultrasonic systems create one vibration mode (longitudinal, flexural, torsional), while some systems create composite vibration mode (longitudinal-torsional). These systems are connected to different mechanical systems and cause them to vibrate in micron order in addition to their work. These displacements in the micron order make it possible to reduce the necessary forces, generated heat, frictional forces and deformation and to increase surface quality, mechanical strength and tolerances.
During the welding process, the geometry of resonator should be considered in the efficient transfer of energy to the parts to be joined. For maximum energy transmission, the entire ultrasonic system must be set to the same frequency value. If the natural or resonant frequency of the components is different, vibrations occur at different frequencies in the system. In this case, damage to the components can be observed due to energy losses and fatigue in the component interfaces. In order for ultrasonic systems to operate effectively, these systems should operate at the natural frequency of the desired vibration mode. 
In this study, the dynamic properties of the resonator were studied numerically, the ideal parameter values were determined for the resonator to perform the joining in L and LT modes and the effects of changing welding parameter values on the tensile strength of joined parts were investigated. The excitation characteristic of the resonator, which operates in LT vibration mode, enables it to operate unaffected by other surrounding modes. Depending on the design parameters, an approach which combines numerical and experimental modeling was used to optimize resonator designs which operate in L and LT modes. 
Numerical model which includes finite element analysis and analytical methods was used to optimize geometry, to estimate the modal parameters and the dynamic behavior of resonators. Experimental modeling was used to validate the mathematical results and to examine produced designs in the changing welding parameters. Vibration modes of resonators, natural frequencies of each mode and displacement values at these frequencies were obtained by finite element analysis.
Firstly, dimensions of resonator operating in L mode were obtained from wave equation. The dimensions were used to obtain the finite element model by using COMSOL program. The finite element model was used to estimate the vibration behavior of the resonator. 
Then, in order to obtain the LT vibration mode of the resonator, slots were created along the horn length. Thanks to slots, the symmetry of the horn was distorted. Thus, in addition to the longitudinal movement of the horn, obtaining torsional movement was aimed. It was purposed to improve the welding characteristics and to increase joint strength due to torsional movement. For these purposes, the relationship between slots and the resonant frequency was examined. The effect of vibration mode, slot length, step ratio and radius ratio parameters on the resonant frequency of the horn was investigated. The design and analysis of horn profiles were modeled for ultrasonic welding by using finite element analysis. Since the performance of the ultrasonic system and the welding process are particularly dependent on the horn design, firstly horn design should be considered in the design of the resonator. Horn is the main component of the resonator that uses the effects of ultrasound for welding. Slots along the front mass at different angles of different sizes were introduced to program and examined by a modal analysis procedure applied to the front mass. The design procedure consists of selection the appropriate material for horn, frequency selection, determination of sound propagation speed in the selected material and calculation of dimensions. Designs have been made for two different horns with slots and a horn without slots. Based on these designs, production and various tests were carried out. 
In order to test the performance of the designed and manufactured resonators, experimental studies were carried out on the strength of the joints by applying welding process to thermoplastics. In the experimental studies, the effects of pressure and welding, pressure and cooling times on the weld zone were examined. Ultrasonic welding of polyethylene materials was carried out at 0.6 second, 0.7 second, 0.8 second and 1 second welding, pressure and cooling times at 20 psi, 23 psi, 25 psi and 30 psi pressure values. Tensile tests were performed at a speed of 30 mm/min to examine the strength of the weld zones. In this tests, the change of tensile strength with increasing pressure and welding, pressure and cooling times were examined. When tensile strength of the weld points obtained by the ultrasonic welding of polyethylene were examined, the highest tensile strength value for design 1 was obtained at 30 psi pressure for 1 second welding time, 0.6 second pressure time and 0.6 second cooling time. When the other welding parameters were constant, it was observed that the tensile strength increased with increased pressure. As the increasing welding time increases the amount of heat applied to welding zone, the strength of welding points increased as observed in the experiments. It was determined that the tensile strength decreases with increasing pressure and cooling times. It has been found that weld points with the highest tensile strength are obtained by increasing the pressure and with a longer welding time and a shorter pressure time. As a result of experimental studies, if the welding parameters are selected correctly, it has been found that ultrasonic welding is a fast, fit for purpose and high quality joining method.