超聲波焊接技術已應用數十年，如今正不斷進步，以實現復合材料及多材料組件的智能自動化連接。

隨著制造商尋求提高生產率和降低成本，組裝成為需要創新解決方案的潛在瓶頸和痛點。雖然機械緊固件和粘合劑粘合已在復合材料組件中使用了幾十年，但它們通常還涉及多步驟工藝鏈和其他增加成本和交付時間的問題。

超聲波技術架起了緊固和粘合的橋梁，解決了其中一些挑戰，同時在幾秒鐘內提供加工，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，如層壓夾層板。

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，同時能夠在未來拆卸以進行維修或修理。然而，鉆孔長期以來一直是一個問題，需要在鉆孔區域中使用額外的材料來解決承載纖維的切割。它還產生灰塵/碎片和多步驟流程鏈（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進行直接組裝。因此，通常需要首先創建用于安裝緊固件的“硬點”或加固區域。

或者，粘合劑粘合非常適合將零件直接連接在一起，但可能會使拆卸變得不可能或非常困難。另一種選擇是粘合在復合材料結構表面的緊固件。這里的挑戰是為緊固件和基材尋找合適的粘合劑，以及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.粘在熱塑性塑料上。

圖3.金屬元件在熱塑性塑料上的插入/固定。

塑料和聚合物材料中的超聲波連接已經確立。幾十年來，它包括類似熱塑性塑料的直接超聲波焊接(圖1)、將零件鉚接到熱塑性材料上(圖2)和將金屬元件固定到熱塑件上(圖3)，從而實現在汽車和移動應用中不斷增長的混合組件。所有這些技術都使用超聲波能量來熔化熱塑性聚合物，從而導致材料熔化和/或形成鎖定連接。

Multi-Material Welding(MM Welding AG，Biel，Switzerland成立于2015年，是一家與緊固技術專家Bossard Group(瑞士祖格)合作的企業，該企業開發了新的MM焊接技術，將超聲波能量與熱塑性塑料的熔化和形成鎖定能力相結合，以創建安全的固定/緊固件安裝。該公司的LiteWWweight和InWWerse解決方案可以根據特定應用定制，并被廣泛用于汽車、航空航天和鐵路應用的公司使用，包括寶馬、大眾、Stellantis、吉普、斯旺杜和Storopack。

使用MM焊接的緊固件安裝也可以使用人工智能輔助數據處理進行鑒定。通過將來自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（如拉出強度），從而提供緊固件安裝質量和性能的在線實時驗證（見最后一節的圖7）。

案例研究1：復合材料夾層地板

為了更好地理解下面的“如何工作”解釋，本案例研究展示了MM焊接如何? 該技術用于夾層地板面板，該面板需要標準公制螺釘的連接點來實現附件的安裝。

5M(捷克共和國Kunovice)是鐵路內飾用輕質高強度復合板的生產商。它希望改進其創建緊固點的傳統系統(圖4a)，這是緩慢和昂貴的。

圖4a.5M傳統創建固定點的系統包括將 plywood 塊插入聚氨酯(PUR)泡沫芯中，對其進行層壓，然后在其上鉆孔以嵌入帶螺紋的插入件。

在完成面板層壓之前，上述過程需要去除材料并將一塊膠合板粘合到夾層芯中。然后，在膠合板塊中加工出一個螺紋嵌件。

Bossard與5M合作，使用MM Welding的LiteWWeight雙銷緊固件插件。該新工藝包括直接在夾層材料中鉆孔，并在1-2秒內使用超聲波將雙銷緊固件插件嵌入孔中（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，確保了首次正確組裝。

圖4b.采用MM焊接技術開發的新系統從直接在PUR泡沫夾層板上鉆孔開始，然后利用超聲波在數秒內將LiteWWeight雙銷緊固件插入件嵌入其中。

它是如何工作的

與超聲波焊接類似，MM焊接使用來自超聲波堆棧的高頻振動—通常包括壓電換能器或轉換器、修改振動振幅的助推器和將振動施加到部件上的喇叭或聲控儀—以產生局部摩擦。這熔化并流動熱塑性材料，以創建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壓碎挑戰—和幾何咬邊實際上成為MM焊接的強度，因為它們提供了錨定的空間。MM焊接產品目前包括LiteWWweight和InWWerse產品。

LiteWW8技術旨在使熱塑性聚合物和復合材料組件功能化，減少零件數量并簡化制造過程和后勤要求。一種方法通過成形鎖連接實現緊固件的固定，其中緊固件熔化并與母體材料互鎖。這包括LiteWWeight Pin和Double Pin技術，用于夾層結構。

另一種方法將緊固件熔化與載荷分布在更大的足跡（相對于銷）上相結合。這是LiteWWweight zEPP用于膨脹聚丙烯（EPP）泡沫材料的原理，也是MM Welding用于非織造材料的蓮花解決方案的原理。聚合物緊固件插件在回收之前不需要移除，這有助于圓形。

InWWerse技術用于將金屬元件安裝到熱塑性材料上，并旨在克服低表面能材料和美學敏感部件的緊固等挑戰。InWWerse還創建了形式鎖定連接，這解決了對工藝可靠性和機械性能的擔憂，同時能夠連接化學上不同的熱塑性材料。由于能量的輸入是局部的，因此受緊固件和工藝影響的材料體積最小，這減少了標記缺陷，通常稱為“通讀-read through”。這對于A類表面（如薄汽車飾件零件）非常重要。

案例研究2:EPP緊固技術

EPP以其最佳的能量吸收和輕質特性而聞名，是汽車防撞墊元件的理想選擇，如由保護專家Storopack（德國Metzingen）生產的元件。然而，在螺釘頭和墊圈施加力的地方，使用螺釘直接組裝可能會導致局部壓碎。這使得很難實現足夠的裝配預載，以牢固地固定固定部件。載荷擴散、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（EOL- end of life）時提出了材料分離挑戰。

圖5.此MM-Welding LiteWWeight zEPP緊固件點示例展示了在自動化應用中對EPP緩沖墊組件使用螺絲進行直接組裝的情況

Storopack選擇了MM Welding的LiteWWweight zEPP技術（圖5），以創建到EPP材料的連接點，有幾個原因。安裝過程不使用化學品，并創建了一個清潔、耐用的連接，也是空間效率。具體來說，zEPP插件提供了足夠的機械錨定到泡沫中，而不需要過多的截面深度或表面足跡。此外，由于LiteWW8 zEPP緊固件插件是聚合物，它們可以通過與EPP組件相同的EOL材料回收和回收系統—即，它們不需要首先被移除。這最大限度地減少了工藝步驟、時間和廢物流，以實現更高效的回收。

MM Welding與Storopack合作，優化zEPP緊固件插件的設計和安裝。Storopack需要一個用于M5螺栓的通道孔，并相對于零件后部精確定位表面。該插件設計為黃色，以提供與黑色泡沫的強烈對比，使質量檢查更容易。超聲波安裝參數—如觸發標準、壓制速度、振蕩幅度和末端條件—也進行了優化，以確保該特定泡沫密度的最佳機械性能和z定位。

MM Welding隨后與Storopack合作開發了一種自動化系統，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，該轉臺能夠在轉臺的一側安裝ZEPP，而工人可以卸載組裝的零件，并在另一側裝載下一個零件。超聲波堆棧安裝在CNC入口上，該入口還包括由超聲波喇叭中的真空通道支撐的拾取和放置供給系統。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。這一點很重要，因為Storopack需要一個精確的接觸表面，以便螺釘頭能夠連接到防撞墊主體。并且該解決方案速度的提高也促進了汽車的吞吐量。

增加應用、回收和數字雙/線解決方案

MM焊接公司正在努力提高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LiteWW8產品用于這種應用，但更多的產品正在開發中。

另一個關鍵領域是組件的可回收性，客戶每天都在討論這一點。例如，這包括可以在EOL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，其中緊固插件由與結構相同的材料制成。EPP的zEPP解決方案是一個例子，其中基材和緊固件插件都由聚丙烯（PP）制成。但MM Welding也在開發zEPP緊固件，該緊固件使用從EPP泡沫中回收的PP制成，這使得材料的閉環成為可能，但也是一種更容易、更低成本的解決方案，用于在EOL時回收。

圖6.MM-Welding LiteWWeight雙銷釘插入復合夾層有軌電車地板，間距為5米。

也有許多公司尋求在飛機內部用熱塑性復合材料板取代Nomex蜂窩夾層板。這是實現單一材料解決方案的另一個例子，因為MM焊接緊固件插件可以由與面板相同的熱塑性基體設計而成。盡管MM焊接正在探索的當前材料包括成本較低的PEI和PPS（聚醚酰亞胺和聚苯硫醚），但也可能具有完全PEEK或PAEK（聚醚醚酮或聚芳醚酮）結構，面板和緊固件插件都由相同的材料制成。同樣，這在EOL時更容易管理，并且使用更高性能（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。這種方法也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長過程相比，MM焊接過程只需要幾秒鐘。

圖7.機器學習在毫米波焊接安裝中的應用。

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，以模擬其緊固件插入過程的力學。這包括有限元建模和模擬以及數據管理——特別是如何使用插件安裝數據來預測完成的緊固件的特性和性能。上面簡要描述了這些智能解決方案(圖7)，并使用數據采集單元收集過程數據以及用于分析的定制算法。與FHNW的工作已經建立了該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，這對于客戶的數字孿生產品和整個供應鏈的數字線程具有巨大的潛力—每個連接點都可以跟蹤并標記其屬性。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，這種系統的使用仍然是新的，并且需要時間來開發。

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