Systemy dozujące zasilane powietrzem

© Kitron

Wstęp

Zasilane powietrzem systemy dozujące wykorzystują kontrolowane impulsy ciśnienia powietrza do dozowania pasty lutowniczej ze strzykawek cylindrycznych w jednolitych ilościach. Zasilany powietrzem sprzęt dozujący może mieć wiele kształtów i rozmiarów, ale każda konstrukcja musi mieć dwie podstawowe funkcje: regulację ciśnienia powietrza i kontrolę czasu cyklu dozowania.

W porównaniu z lutowaniem za pomocą drutu lutowniczego i preformów, dozowanie pasty lutowniczej za pomocą systemu zasilanego powietrzem jest stosunkowo prostą i znacznie bardziej elastyczną opcją. Można by pomyśleć, że skoro istnieją tylko dwie zmienne kontrolujące proces - ciśnienie i czas cyklu -  pneumatyczne nakładanie pasty lutowniczej powinno być niezawodne, ale nie zawsze tak jest. Poszczególne sekcje tej noty aplikacyjnej dotyczą różnych zmiennych procesowych, wpływających na sukces lub porażkę procesu.

Pasta lutownicza

Pasta lutownicza to mieszanina kulistych cząstek stopu lutowniczego (tzw. proszków/kulek lutowniczych) i topnika o konsystencji żelu. Topnik pokrywa wszystkie kulki, chroniąc je przed utlenianiem i utrzymując je w zawiesinie. Gdy ciśnienie przykładane jest do pasty lutowniczej, w istocie oddziaływuje ono na topnik zawierający proszek lutowniczy. Gdy wprawiany topnik w ruch, podnosi on i przenosi proszek lutowniczy, a im lepszy topnik, tym krótsze opóźnienie między rozpoczęciem ruchu topnika i proszku lutowniczego. Ta cecha decyduje zarówno o tym, jak dobrze dozuje się pastę lutowniczą, jak i o szybkości, z jaką topnik oddziela się od proszku lutowniczego.

Typ końcówki dozującej

Dla każdego zastosowania dozującego dostępny jest optymalny styl i rozmiar końcówki dozującej a sztuka polega na właściwym określeniu, który z nich jest najlepszy dla danego procesu. Wybierając końcówkę dozującą, należy spodziewać się, że depozyt będzie nie mniejszy niż 1.5 wewnętrznej średnicy końcówki. Chociaż technicznie możliwe jest nałożenie mniejszych depozytów, jest to bardzo trudne do zrealizowania w rzeczywistym procesie.

Należy też pamiętać o kilku podstawowych zależnościach, dotyczących końcówek. Większe końcówki umożliwiają szybszy przepływ i powodują mniejsze ograniczenie przepływu pasty lutowniczej podczas cyklu dozowania. Krótsze stalowe końcówki mają mniejszy opór przepływu niż dłuższe. Końcówki stożkowe powodują mniejsze ograniczenie przepływu niż końcówki o prostych ściankach. Sztywniejsze stożkowe końcówki, w przeciwieństwie do bardziej elastycznych, są odporniejsze na odkształcenia i wytwarzać bardziej spójne depozyty.

Końcówka dozująca, która nie jest właściwie dopasowana do używanego typu pasty, spowoduje nadmierne ciśnienie wsteczne i może powodować jej zatykanie. Dłuższe końcówki są przydatne wówczas, gdy zachodzi potrzeba dotarcia do trudno dostępnych, odleglejszych lokalizacji depozytów. Pasta będzie dozowana wolniej z mniejszej końcówki, umożliwiając mniejszy przyrost masy depozytu w jednostce czasu.

Powyższe wskazówki można wykorzystać do wyboru końcówki, spełniających wymagania wąskich zakresów tolerancji wielkości osadu. W każdym przypadku jednak wybór końcówki jest kluczowym elementem optymalizacji wyników dozowania.

Źródło: 'Air Powered Dispensing of Solder Paste', John Vivari, © Nordson EFD

Ciśnienie powietrza

W systemach dozujących zasilanych powietrzem służy ono do przenoszenia siły na dozowany materiał. Wybór ustawienia ciśnienia dla aplikacji wymaga zrozumienia, jak pasta lutownicza zareaguje na ciśnienie.

Jeśli zastosuje się zbyt małą siłę, materiał nie będzie dozowany wystarczająco szybko lub wcale. Z kolei przyłożenie zbyt dużej siły spowoduje wypchnięcie topnika z pasty - zjawisko to nazywane jest ‘separacją’.

W przypadku większości aplikacji, odpowiedni zakres ciśnienia to od 20 psi do 40 psi, ale nie jest to sztywna zasada. W zależności od typu końcówki, typu obudowy komponentu i składu pasty lutowniczej może być wymagane wyższe lub niższe ciśnienie.

Próby należy zacząć w zakresie od 20 psi do 40 psi. Jeśli uważasz, że potrzebujesz wyższego lub niższego ciśnienia, aby osiągnąć cele procesu, najlepiej skonsultuj się z producentem pasty lutowniczej, aby pomóc w określeniu możliwych alternatyw.

Czas trwania cyklu dozowania

Długość cyklu dozowania określa ilość dozowanego materiału dla dowolnej kombinacji ciśnienia i typu końcówki. Problemy związane z czasem trwania cyklu dozowania pojawiają się tylko wtedy, gdy cykl jest zbyt krótki. Niemal zawsze można uniknąć zbyt krótkiego czasu trwania impulsu, uświadamiając sobie, że każdy cykl składa się sześciu następujących po sobie kroków:

1) Droga doprowadzenia powietrza i pusta objętość cylindra strzykawki są pod ciśnieniem.

2) Ciśnienie zaczyna oddziaływać na topnik , który zaczyna przemieszczać się w kierunku wylotu cylindra strzykawki.

3) Nabierający ruchu topnika pokonuje opór w systemie, porywając i przenosząc proszek lutowniczy.

4) W miarę przyśpieszania pasta rozrzedza się w wyniku siły ścinającej (jej lepkość spada), aż do osiągnięcia stanu umożliwiającego stały przepływ.

5) Ciśnienie zostaje usunięte, a pasta lutownicza zatrzymuje się.

6) Z biegiem czasu gęstnieje z powrotem do stopnia lepkości sprzed rozpoczęcia procesu.

Uwaga: Jeżeli dozownik posiada funkcję podciśnienia w cylindrze, należy ją wyłączyć podczas dozowania pasty lutowniczej.

Należy pamiętać, że wykonanie każdego kroku wymaga minimalnego czasu. Na czas ten duży wpływ ma typ końcówki i ilość materiału w strzykawce. Im mniejszy opór przepływu końcówki dozującej, tym krótszy jest czas wymagany do osiągnięcia kroku 4. Wymagany czas zmienia się również w miarę opróżniania strzykawki, wydłużając się w stosunku do zwiększającej się objętości powietrza wymagającego zwiększenia ciśnienia.

Dla każdego rodzaju pasty lutowniczej istnieje minimalny czas cyklu. Gdy czas cyklu jest krótszy niż minimum, proces z trudem osiągnie krok 3, a stały przepływ nie zostanie osiągnięty.

W połączeniu z oddziaływaniem wysokiego ciśnienia, krótki czas trwania cyklu może spowodować degradację pasty, czyniąc ją niezdatną do procesu dozowania.

Temperatura

Temperatura jest ważnym czynnikiem, wpływającym na każdy proces dozowania pasty lutowniczej, w tym również na dozowanie za pomocą powietrza. Wraz ze zmianą temperatury mają miejsce trzy zjawiska:

1) Pasta zmienia lepkość.

Wzrost temperatury powoduje zmiękczenie składników tworzących pastę, czyniąc ją mniej lepką. Oczywiście spadek temperatury ma odwrotny charakter i pasta ulega zagęszczeniu. Uwaga: Powyżej 27°C (80°F), rozrzedzanie się pasty może osiągnąć punkt, w którym traci ona zdolność do utrzymywania stopu lutowniczego w zawiesinie, co powoduje rozdzielenie topnika i kulek pasty.

2) Wielkość depozytu zmienia się wraz ze zmianami temperatury.

Zmiany lepkości wpływają na szybkość przepływu, a tym samym na wielkość depozytu wytwarzanego przy określonych ustawieniach procesu dozowania. Najlepszym zabezpieczeniem przed zmianami wielkości depozytu spowodowanymi zmianami temperatury jest minimalizacja jej wahań.

3) Szybkość reakcji chemicznej topnika przyśpiesza wraz ze wzrostem temperatury.

Topnik jest w pewnym stopniu aktywny nawet w niskich temperaturach przechowywania. W temperaturach powyżej 27°C (80°F) szybkość reakcji jest zauważalnie większa. O ile nie stosuje się systemu kontroli temperatury, temperatura pasty jest podwyższana zarówno przez warunki środowiskowe (takie jak temperatura otoczenia i lokalne źródła ciepła), jak i konwersję energii kinetycznej na ciepło poprzez tarcie podczas kolejnych cykli pracy dozownika.  

Dostępnych jest kilka systemów kontroli temperatury do przemysłowych zastosowań dozujących: niektóre podgrzewają materiał przy dyszy zaworu, a inne w specjalnie przystosowanym naczyniu.

Mocowanie

Mocowanie strzykawki, często pomijane jako zmienna projektowania procesu lub możliwa przyczyna problemów, może odgrywać kluczową rolę. Żywotność pasty lutowniczej może zostać drastycznie skrócona przez złe praktyki mocowania.

Najczęstszym błędem podczas mocowania jest umieszczenie sprzętu dozującego blisko źródła ciepła używanego do rozpływu. Bliskie sąsiedztwo elementów grzejnych może skutkować podwyższoną temperaturą pasty lutowniczej wraz z towarzyszącymi temu skutkami. W przypadkach gdy wymagana jest bliskość tych urządzeń, do zminimalizowania lub wyeliminowania wpływu ogrzewania wykorzystuje się urządzenia do kontroli temperatury, osłony i czy lepiej dopracowany  przepływ powietrza.

Obciążenia mechaniczne wywierane na pastę lutowniczą w postaci wstrząsów, ostrych uderzeń i wibracji mają wpływ na jej degradację. Najgroźniejsze z tych trzech są wibracje: sprzęt generujący silne wibracje, np. podajniki wibracyjne należy odizolować od urządzeń dozujących, aby uniknąć rozdzielania się pasty. Jeśli urządzenia dozującego nie można odizolować, można użyć mniejszych strzykawek, minimalizując negatywny wpływ wibracji.

Rozmiar zbiornika płynu

Wybór rozmiaru cylindra strzykawki to kompromis między częstotliwością wymiany, temperaturą i wielkością depozytu. Na przykład w zastosowaniach, w których lutowie zużywa się w tempie 10 gramów na godzinę, strzykawki o pojemności 3 cm³ nie byłyby dobrym wyborem, ponieważ musiałyby być wymieniane mniej więcej co godzinę. W tym zastosowaniu strzykawka o pojemności 30 cm³, zawierająca od 75 do 125 gramów pasty, zminimalizuje przestoje związane z wymianą strzykawki.

Jeśli jednak w procesie zużywa się 10 gramów co dwa dni, użycie strzykawki o pojemności 3 cm³ zminimalizowałoby ilość materiału marnowanego z powodu wpływu środowiska. Podobnie, wraz ze wzrostem temperatury, należy rozważyć, jak duży pojemnik należy wykorzystać bez narażania się na szkody spowodowane nadmierną degradacją materiału.

Wielkość depozytu określa liczbę cykli potrzebnych do opróżnienia cylindra strzykawki o danym rozmiarze. Przy tworzeniu mniejszych depozytów opróżnianie pojemnika zajmie więcej cykli, dlatego pasta jest poddawana mieszaniu przez dłuższy czas, co degraduje pastę. Przy tworzeniu większych depozytów potrzeba mniej cykli do opróżnienia cylindrów,  a ryzyko degradacji pasty jest mniejsze.

Źródło: 'Air Powered Dispensing of Solder Paste', John Vivari, © Nordson EFD

Zdjęcie tytułowe: © Kitron