Zváranie inteligentných textílii
MIKRO ZVÁRANIE – ZVÁRANIE VODIVÝCH VLÁKIEN INTELIGENTNÝCH TEXTILIÍ
Ing. Miroslav PAVLÍK , PROFI-WELD s.r.o.
Abstrakt
Príspevok sa zaoberá zváraním vodivých vlákien inteligentných textílii odporovým zváraním a zváraním tepelnou kompresiou. Popis zariadenia Linear DC od firmy Sunstone Welders.
Abstract
The contribution deals with welding of conductive fibers of smart textiles. Resistance welding, thermal compression welding Description of the Linear DC by Sunstone Welders.
1. Úvod
Rozvojom výroby syntetických vlákien ako náhrady za tradične vlákna dochádzalo aj k vývoju nových produktov, ktoré pri spojení s miniaturizáciou produktov z oblasti elektrotechniky a IT techniky viedli ku vzniku inteligentných tkanín.
2. Inteligentné textílie
Inteligentné textílie, sú v princípe výrobky spojujúce bežné textílie s elektronickými prvkami. Sú to textílie, ktoré dokážu reagovať na vonkajšie podnety. Môžu byt pasívne, to znamená, že majú funkciu senzorov, zachytávajú podnety, ale ich nevyhodnocujú. Ďalej aktívne, kedy na základe podnetu vyvolajú jednoduchú reakciu a v poslednom rade sú super inteligentne textile, ktoré majú v sebe integrovanú vyhodnocovaciu jednotku.
Obr.1. Príklad textílie s integrovanými fotovoltaickými článkami [1]
Samozrejme všetky tieto textílie majú jedno spoločné a to vodivé prvky v nich obsiahnuté. Sú to zvyčajne vodivé vlákna vo forme jemných drôtov, vodivých polymérov, optických vlákien, ktoré sú votkane do textílie. V prípade použitia kovových drôtov sú tieto pokrývane skleneným vláknom o hrúbke 10 mikrometrov. Drôty sú zvyčajne z medi, striebra pripadne CrNi materiálov.
Obr. 2. Princíp tvorby vodivého vlákna z textilného a vodivého (červeného) vlákna [2]
Aby textília plnila svoj účel musia sa tieto vodivé cesty spájať. Tieto spojenia musia umožniť prenos elektrického prúdu alebo signálu. Medzi dôležité parametre spojov patria elektrická vodivosť, prúdová hustota a v neposlednom rade spoľahlivosť a životnosť. Okrem týchto parametrov je pri výrobe spojov dôležité splniť aj ďalšie kritéria. Medzi ne patria technologická vykonateľnosť takéhoto spoja, ekologická akceptovateľnosť, zachovanie integrity preneseného signálu, vykazovanie minimálnych strát, splnenie požiadaviek na indukčnosť , kapacitu, odtienenie a mechanické vlastnosti. Spoje sa vytvárajú mechanicky alebo metalurgicky. Pri metalurgických spôsoboch sa využíva spájkovanie cínovou spájkou a zváranie elektrickým odporom.
3. Zváranie vodičov v inteligentných textíliách
Pri zváraní elektrickým odporom je možne použiť klasické zváranie medzi dvoma mikroelektródami ktoré sú vzhľadom na typ zváraných materiálov vyrobené z molybdénu, alebo použiť tepelno-kompresné zváranie. Zváranie pomocou tepelnej kompresie používa DC zvárací systém s tepelnou kompresnou elektródou. Tieto elektródy majú veľmi jemný hrot, v ktorom sú metalicky spojené. Táto špička je špeciálne navrhnutá na zahrievanie a prenos tepla na zváranú súčiastku. Tlak pôsobí smerom dole na spoj a ako energia prechádza cez TCB elektródu, špička elektródy sa zahrieva a s aplikovaným tlakom vytvára zvar. Teplo počas prúdovej špičky roztaví kov cez povlak drôtu a vytvorí kovový spoj. Špeciálne volfrámové TCB elektródy pre tento spôsob zvárania sú dostupné v nasledovných rozmeroch. Elektróda TCB-SL je špeciálne upravená aby zvarila drôt k podkladu a zároveň odstrihla nepotrebný koniec drôtu.
Obr. 3. TCB elektródy [3]
Obr.4. Molybdénové a strieborné mikroelektródy pre zváranie pomocou dvoch paralelných elektród
1. MEL AG 0,015“ x 0,025“
2. MEL AMo 0,015“ x 0,025“
3. MEL BMo 0,010“ x 0,010“
4. Použité zváracie zariadenie
Na zváranie jednotlivých typov textilí sme zvolili zvárací zdroj Linear DC. Výrobcom je firma Sunstone Welders Inc. Jedná sa o precízny odporový zvárací zdroj s mikrozváraciou hlavou MH 3000, ktorá je štandardne vybavená mikroskopom. Zváracie zdroje Linear DC majú schopnosť ovládať zvarový prúd pri veľmi nízkych úrovniach a s dostatočnou presnosťou a opakovateľnosťou. Zváracie zdroje s jednosmerným zváracím prúdom su vhodné pre aplikácie, kde potrebujeme nastaviť a monitorovať celý priebeh zváracích parametrov. Zdroj Linear DC je špeciálne vyvinutý zdroj pre aplikácie mikrobodovania. Poskytuje širší rozsah nastavenia parametrov ako bežný DC zdroj. Je vybavený 10“ dotykovým displejom na ktorom je možne detailne nastavovať priebeh zváracích parametrov. Zdroj Linear DC umožňuje nastaviť zvárací prúd v rozsahu 10-4000 A. Doba trvania zvárania sa môže pohybovať od 0,1 do 1000 milisekúnd a je nastaviteľná v krokoch po 0,01 ms. Okrem nastavenia prúdu, napätia alebo výkonu, je možné nastaviť čas svahovania prúdu a čas pôsobenia tlaku elektród pred i po zváraní. Zdroj Lineár DC je oproti klasickým DC zdrojom vybavený funkciu vysokofrekvenčného premiešania kovu. Tato funkcia poskytuje dodatočnú energiu vnesenú do zvaru a tým vyššiu penetráciu zvaru, rovnomernejšiu kovovú kryštalizáciu, pevnejšie zvary a môže uľahčiť vytvorenie pevnejších zvarové spojov s nižším celkovým príkonom tepla. Frekvenciu vysokofrekvenčných pulzov je možne samostatne nastaviť. Zdroj po vykonaní zvárania zobrazí okrem skutočných parametrov aj nameranú hodnotu prechodového odporu v mΩ.
Obr. 5. Predný panel zdroja [3]
Taktiež je možne navoliť zváranie s jedným impulzom. Používa sa pre kovovo čisté dielce alebo s dvoma impulzmi pre zaoxidovane dielce, kedy prvým impulzom dochádza k predhriatiu zváranej súčiastky a odstráneniu oxidov. Zdroj umožňuje naprogramovať cely priebeh zvaru a tento následne uložiť do pamäte pre neskoršie opätovne použitie. Súčasťou zváracej zostavy je zváracia hlava MWH3000.
Obr.5. Zvárací zdroj Linear DC so zváracou hlavou MWH3000 [3]
Zváracia hlava sa ovláda pomocou mechanického ťahového pedála, čo umožňuje precízne nastaviť potrebný tlak. Tlak je možne nastaviť od 350-3000 gramov. Hlavy poskytujú svojou konštrukciou presnosť a opakovateľnosť zhotovovania spojov. Zváracie hlavy s nízkou silou MWH3000 obsahujú mikroskop, ktorý je namontovaný na kĺbovom ramene a má zväčšenie 5x zoom.
6. Obrázková časť
Obr.8. Odporovo zváraný kontakt na vyšité vodivé ploche realizované pomocou hybridnej šijacej nite s Cu/Ag mikro drôtikmi [4]
Obr.9. Snímka z IR kamery na spoj – kvalitný spoj, žiadny hotspot v mieste zvaru [4]
Obr.10. Odporovo zváraný kontakt na Ag ploche vytlačenéj pomocou sieťotlače na polyesterovom substráte [4]
Obr.11. Odporovo zváraný kontakt na Ag plôške nanesenej sieťotlačou na polyesterovom substráte – pred a po 1000 teplotných šokových cykloch -25°C/ 85°C [4]
Obr.12. Odporovo zváraný kontakt na Cu plôške na korundovom substrátu [4]
Obr.13. Odporovo zvárané textílie s vodivými vlaknami k kontaktu na PCB [5]
Obr.14. Zvar zhotovený tepelnou kompresiou TCB U elektródou [5]
Zoznam literatúry a použitých zdrojov
[1] Solar Handbag – Kabelka, ktora vám dobije mobil 2013, 12.3.2013 Dostupne z : http: www.happymaterials.com /imgs/articles/262
[2] Prevzaté z //www.textileworld.com/textile-world/features/2010/04/e-textiles-forwearability-review-of-integration-technologies/
[3] Prospekt Linear DC Sunstome Engineering Inc.
[4] Materiál poskytnutý Ing. Jan Řeboun, Ph.D. Západočeská Univerzita Plzeň
[5] Archívne snímky firmy PROFI-WELD s.r.o.
