هورن التراسونیک
هورن التراسونیک یا سونوترود التراسونیک یکی از المان‌های اصلی سیستم‌های اولتراسونیک است که وظیفه انتقال و هدایت ارتعاشات التراسونیک را از انتهای بوستر (یا ترنسدیوسر) به محل اجرای فرآیند (جوشکاری، برشکاری، پینینگ، ماشینکاری، دوخت، همگن‌سازی و…) بر عهده دارد. در حین انتقال ارتعاشات، هورن یا همان سونوترود می‌تواند دامنه ارتعاشات اولتراسونیک را نیز تقویت نماید.
- نحوه عملکرد هورن التراسونیک
اجزای اصلی در هر دستگاه التراسونیک شامل چهار جزء ترنسدیوسر یا کانورتر، بوستر، هورن یا سونوترود و منبع تغذیه یا ژنراتور اولتراسونیک است. هورن یا سونوترود التراسونیک قطعه ای است که وظيفه هدايت انرژي صوتی (آکوستيکی) به قطعه را به عهده دارد. ارتعاشات جلوی سونوترود به محیط گاز، مایع یا جامد منتقل می‌شود و در هر محیط اثر مخصوص به خود را دارد. انتقال ارتعاشات توان بالای اولتراسونیک به محیط در کاربردهای مختلف مانند شستشو و همگن‌سازی (در مایعات)، خشک کردن مواد غذایی (گازها) و چکش کاری التراسونیک (جامدات) و بسیاری از زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- جنس هورن التراسونیک یا سونوترود
براساس معیارهای مختلف مانند کاربرد، قیمت تمام شده و ... از جنس‌های متنوعی برای ساخت هورن التراسونیک استفاده می‌شود. برای کاربردهای معمولی از آلیاژ آلومینیوم و برای کاربردهای با فشار و سایش زیاد از آلیاژهای تیتانیوم استفاده می‌شود. در برخی از کاربردها که نیاز به استحکام زیاد وجود دارد اما قیمت پایین است از جنس انواع فولاد آلیاژی استفاده می‌شود. سونوترود اولتراسونیک باید از مقاومت خوبی دربرابر سایش برخوردار باشند همچنین باید دارای مقاومت خستگی بالا به دلیل وجود ارتعاشات در سیستم و خواص آکوستیک مناسب باشد.
به طور مختصر از مزایای استفاده از آلیاژ تیتانیوم می‌توان گفت:
- عمر بالا در برابر تنش‌های خستگی حاصل از ارتعاشات توان بالای التراسونیک
- سازگاری بیولوژیکی برای استفاده در برش مواد غذایی و تیغ جراحی
- مقاومت مناسب در برابر ضربه، سایش و کاویتاسیون
- مقاومت شیمیایی
با این وجود قیمت بالا و زمان ماشینکاری زیاد این هورن‌ها، از معایب آن است که سبب می‌شود تا حد الامکان از موارد دیگر استفاده شود.
هورن‌های آلومینیومی خواص بسیار عالی آکوستیک دارند و همچنین قیمت مناسب و ماشینکاری خوب این جنس سبب می‌شود آلیاژهای آلومینیوم اولین انتخاب برای جنس هورن باشند.
هورن‌های ساخته شده از فولاد آلیاژی با استفاده از عملیات حرارتی مقاومت خوبی در برابر سایش دارند اما خواص آکوستیک آن‌ها نسبت به آلومینیوم و تیتانیوم پایین‌تر است و از این سونوترود‌ها برای کاربردهایی که دامنه کمتر و مقاومت در برابر سایش یا ضربه مدنظر است مناسب می‌باشد.
- طراحی هورن یا سونوترود اولتراسونیک
طراحی یک هورن اولتراسونیک فرآیند ساده‌ای نیست، انتخاب درست جنس، بالانس بودن هورن، طراحی برای دامنه مورد نظر و تنظیم آن بر روی یک فرکانس خاص از مواردی است که باید هنگام طراحی در نظر گرفته شود. طراحی نادرست سونوترود اولتراسونیک می‌تواند باعث آسیب به ژنراتور و ترنسدیوسر التراسونیک شود. در بسیاری از موارد عدم طراحی بهینه سونوترود منجر به کاهش کیفیت و افزایش زمان جوش التراسونیک می‌گردد.
در شرکت دانش بنیان فراصوت تجهیز ایرانیان، با استفاده از نرم‌افزارهای المان محدود طراحی و بهینه‌سازی ابعاد دقیق هورن التراسونیک انجام می‌شود. برای ارزیابی عملکرد طراحی، پس از ساخت نیز، با استفاده از نمودار امپدانسی به تحلیل رفتار سیستم پرداخته می‌شود تا تطابق آن با داده‌های طراحی مورد بررسی قرار گیرد.
تصاویر زیر، نمونه‌هایی از هورن‌های تولیدی شرکت فراصوت تجهیز ایرانیان است که به سفارش شرکت‌های مختلف طراحی و تولید گردیده است. این هورن‌ها برای صنایع نفت و گاز، صنایع آرایشی، بهداشتی جهت دوخت تیوب پلاستیکی و صنایع تولید اسباب بازی هستند.
- انواع هورن‌های اولتراسونیک
هورن‌های اولتراسونیک بنا بر کاربردی که دارند به شکل‌های مختلف ساخته می‌شوند. به طور کلی هورن‌های جوشکاری التراسونیک براساس شکل هندسی به سه دسته پله‌ای (Stepped)، نمایی (Exponential) و کاتدوینال (Catenoidal) تقسیم می‌شوند.
هورن التراسونیک پله‌ای
در هورن التراسونیک پله ای تغییر مقطع به صورت یکباره صورت می‌گیرد و به همین علت تمرکز تنش زیاد است. ولی در این هورن‌ها می‌توان دامنه ارتعاشات را تا نه برابر افزایش داد. ضریب تقویت این هورن‌ها بسیار بالا است که این موضوع به علت تغییر مقطع ناگهانی آن است. این دسته از هورن‌ها در کاربردهایی با ضریب تقویت بالا مثل جوشکاری اولتراسونیک پلاستیک‌ها و فلزات استفاده می‌شود.
هورن التراسونیک نمایی
سطح مقطع هورن التراسونیک نمایی، به صورت یک تابع نمایی می‌باشد و این سطح مقطع در طول هورن کاهش می‌یابد. بنابراین تمرکز تنش در این دسته از هورن‌ها کمتر از هورن پله‌ای است ولی به نسبت هورن پله‌ای مقدار بهره کمتری دارد و برای کاربردهایی که نیروی بالا و دامنه کم احتیاج دارند مناسب است.
هورن التراسونیک کاتدوینال
در هورن التراسونیک کاتدوینال تغییر مقطع در طول یک کمان صورت می‌گیرد و بنابراین تمرکز تنش از هورن پله‌ای کمتر می‌باشد اما افزایش دامنه ارتعاشات از هورن نمایی بیشتر است. کاربرد این هورن‌ها برای جوش قطعات پلاستیکی کوچک است.
- برخی دیگر از انواع هورن‌های اولتراسونیک
برای کاربردهای دیگر، هورن‌های اولتراسونیک را به شکل‌های متنوعی می‌سازند که به چند نمونه از این کاربرد اشاره شده است. در مواردی که باید چند عملیات جوشکاری به صورت همزمان انجام شود، از هورن اولتراسونیک مرکب استفاده می‌شود که شامل یک هورن بزرگ اصلی و تعدادی هورن کوچکتر است که به هورن اصلی متصل شده‌اند. این هورن‌ها باید کاملا متوازن و قرینه باشند تا در کارکرد سیستم مشکلی ایجاد نکنند. هورن التراسونیک دوار برای دوخت پارچه و یا جوش به صورت مدوام و پیوسته استفاده می‌شود. حتی می‌توان الگوهای مورد نظر خود را برروی قطعه کار به صورت پیوسته اضافه کرد. هورن التراسونیک برش در صنایع غذایی و صنایع لاستیک و تایر استفاده می‌شود. برای برش کیک و لاستیک از آن استفاده می‌شود. از مهمترین ویژگی‌های برش با استفاده از تکنولوژی اولتراسونیک نچسبیدن موادغذایی به هورن و برش در دمای پایین و قوام و کیفیت بالا سطح برش است.هورن التراسونیک مرکب
هورن التراسونیک دوار
هورن التراسونیک برش
- کارکرد هورن التراسونیک
