La saldatura a ultrasuoni è un processo ampiamente riconosciuto e accettato per unire materiali termoplastici. Offre molti vantaggi, tra cui l’affidabilità e la ripetibilità del processo, l’uso di energia inferiore rispetto ad altre tecniche di giunzione, il risparmio di materiale (perché non c’è bisogno di materiali di consumo, come colla o dispositivi di fissaggio meccanici), e il risparmio di manodopera.
Ma come per qualsiasi processo, ci sono situazioni in cui problemi evidenti con questa tecnica possono interrompere il processo produttivo. La chiave per risolvere ed evitare questi problemi è capire le loro probabili origini. I trasformatori che hanno successo nell’uso della saldatura a ultrasuoni condividono tipicamente due caratteristiche principali: hanno un processo di saldatura ben documentato e convalidato; e quel processo è supportato e mantenuto da un “campione” ben addestrato. Se uno o entrambi questi importanti fattori non sono presenti, è probabile che presto si chiamerà aiuto. Anche con entrambi presenti, è possibile che avrete bisogno di aiuto o assistenza tecnica almeno una volta ogni tanto.
Come funziona il processo
Prima di esaminare le cause comuni dei problemi di saldatura a ultrasuoni, prendiamoci un momento per capire il ciclo di saldatura stesso. Nella saldatura a ultrasuoni, le vibrazioni ad alta frequenza sono applicate alle superfici di due parti da uno strumento vibrante, comunemente chiamato “corno” o “sonotrodo”. La saldatura avviene come risultato del calore di attrito generato nell’interfaccia tra le parti. Le vibrazioni ultrasoniche sono create da una serie di componenti – l’alimentatore, il convertitore, il booster e il corno – che forniscono vibrazioni meccaniche alle parti.
Come mostrato in Fig. 1, l’alimentatore prende una tensione di linea elettrica standard e la converte in una frequenza operativa. Nell’esempio seguente, utilizzeremo una comune frequenza di saldatura a ultrasuoni di 20 kHz, anche se la saldatura può avvenire in una gamma da 15 a 60 kHz per soddisfare esigenze specifiche. In funzione, l’alimentatore invia energia elettrica alla frequenza specificata attraverso un cavo RF al convertitore. Il convertitore utilizza ceramiche piezoelettriche per convertire l’energia elettrica in vibrazioni meccaniche alla frequenza operativa dell’alimentazione. Questa vibrazione meccanica viene aumentata o diminuita in base alla configurazione del booster e della tromba. La corretta ampiezza della vibrazione meccanica è determinata da un ingegnere applicativo e si basa sui materiali termoplastici usati nelle parti. Le parti da saldare sono sottoposte a un carico meccanico, generalmente con un attuatore pneumatico che tiene il booster e il corno. Sotto questo carico, le vibrazioni meccaniche sono trasmesse all’interfaccia tra le superfici dei materiali, che concentra le vibrazioni per creare attrito intermolecolare e superficiale. Questo attrito crea calore e una successiva fusione, che si solidifica in un legame saldato.
I componenti di base di un sistema a ultrasuoni sono un alimentatore, un attuatore e uno stack (vedi Fig. 2). L’alimentatore prende la tensione di linea a 120-240V nominali e la trasforma in un segnale ad alta tensione e ad alta frequenza. Contiene anche la programmazione necessaria per far funzionare l’attuatore e lo stack in modo controllato per ottenere un risultato di saldatura desiderato. L’attuatore, pneumatico o elettrico servo-operato, e disponibile come unità indipendente da banco o integrato in un sistema automatizzato, muove l’attrezzatura ultrasonica verso le parti da unire. Applica la forza necessaria ai materiali per creare le condizioni di saldatura.
La pila di ultrasuoni completa il sistema. Esso trasferisce l’energia vibratoria, attraverso il contatto diretto con le parti, alla superficie di tenuta/giunzione. Lo stack consiste tipicamente di tre elementi: il trasduttore o convertitore (descritto sopra), che contiene i cristalli ceramici piezoelettrici che oscillano alla frequenza del segnale di alimentazione applicato. Mentre questi cristalli oscillano, si espandono e si contraggono fisicamente, creando un movimento meccanico misurabile (indicato come ampiezza da picco a picco) nel lato di uscita del trasduttore.
La seconda sezione, il booster, con un anello collegato nella sua sezione centrale, serve due funzioni: Agisce come un punto di montaggio per la pila nell’attuatore, e serve anche per amplificare o ridurre il movimento in uscita creato nel trasduttore.
Il terzo e ultimo componente della pila è il corno (sonotrodo) che contatterà le parti da unire. Il corno sarà progettato per corrispondere al profilo delle parti rigide da unire o può avere un profilo di tenuta aggiunto alla sua faccia di contatto in un’applicazione di film/tessile. Per ogni applicazione, il corno è progettato per combinarsi con gli altri componenti della pila per raggiungere il livello ottimale di uscita di ampiezza per consentire alla saldatura a ultrasuoni di verificarsi nel modo più efficiente possibile.
Successi tipici
I problemi di solito si verificano in una delle quattro aree:
1. Attrezzatura: L’attrezzatura per la saldatura a ultrasuoni o vari componenti di saldatura non sono adatti all’applicazione.
2. Parametri di processo: I parametri utilizzati non sono adatti alle parti da unire.
3. Materiali: Vengono apportate modifiche al tipo, alla composizione o alle caratteristiche fisiche/meccaniche dei materiali usati nelle parti.
4. Disegno del pezzo: Alcuni dettagli della geometria della parte non sono adatti ad una saldatura ripetibile o di successo.
Si dovrebbe anche notare che a volte un problema identificato in un’area può esporre una debolezza o carenza in un’altra area.
Iniziamo con le attrezzature. È facile e di solito logico pensare che le attrezzature e gli approcci che producono saldature di successo in un’applicazione lo faranno in un’altra. Ma questo non è universalmente vero. In tutto il mondo, le saldatrici a ultrasuoni a 20 kHz sono di gran lunga le più utilizzate; grazie alla loro versatilità, queste saldatrici possono fornire uscite ad alta potenza (fino a 6000 W) e ad alta ampiezza, e possono adattarsi a una vasta gamma di dimensioni di utensili disponibili. Per un produttore a contratto che produce parti saldate ad ultrasuoni, l’attrezzatura a 20 kHz può essere un grande investimento poiché offre la promessa di un uso futuro in molte applicazioni.
Tuttavia, ci sono alcuni casi – specialmente con parti piccole e delicate – in cui le capacità ad alta potenza e ad alta ampiezza dell’attrezzatura a 20 kHz possono rivelarsi troppo “aggressive” per certi assemblaggi, con potenziali danni. Una possibile soluzione è quella di ridurre l’ampiezza di ingresso, ma questo non funzionerà se l’ampiezza applicata è al di sotto del livello raccomandato per il polimero da saldare.
Un altro rimedio è cercare un’attrezzatura che funzioni ad una frequenza più alta, forse 30 o 40 kHz, a condizione che l’attrezzatura richiesta dall’applicazione sia disponibile per l’uso a questa frequenza. Le attrezzature a frequenza più alta producono un’uscita di ampiezza inferiore, ma compensano risuonando a una frequenza più alta. Quindi, le saldatrici a frequenza più alta sono considerate “più delicate” nell’applicazione dell’energia ultrasonica alle parti. Gli assemblaggi elettronici, specialmente quelli con timer/oscillatori delicati e altri componenti situati sui circuiti stampati, hanno beneficiato di questo approccio. In modo simile, le parti che soffrono di “diaframma” o “olio che si inscatola” a causa di un movimento eccessivo di una delle parti che si accoppiano, spesso beneficeranno del passaggio a un’attrezzatura a più alta frequenza.
Un altro fattore potenziale è il malfunzionamento delle attrezzature. Questi raramente si verificano senza preavviso. Un esempio ovvio è un cambiamento o un aumento del rumore generato quando una saldatrice è in funzione. Gli operatori esperti e il personale di manutenzione sono spesso in sintonia con queste sottili fluttuazioni armoniche e dovrebbero sempre comunicare questi cambiamenti ai supervisori. Ascoltare “una ruota che cigola” prima piuttosto che dopo può permettere l’identificazione e la risoluzione di un problema prima che la produzione sia influenzata negativamente.
Similmente, l’attrezzatura ultrasonica più recente permette agli utenti di eseguire controlli interattivi delle funzioni diagnostiche, che se interpretati correttamente e usati in combinazione con altri segnali di avvertimento come il rumore, possono avvisare l’utente di tendenze preoccupanti prima che diventino problemi importanti. Gli alimentatori, attraverso protocolli di comunicazione avanzati, possono ottenere dati come “risultati del grafico di saldatura” e “scansioni del corno” che possono essere confrontati con i dati di base ottenuti quando l’attrezzatura era nuova, recentemente revisionata, o conosciuta per essere performante fino allo standard.
– Dati del grafico di saldatura. Questo può aiutare a individuare le differenze tra le parti buone e quelle sospette. I dati visualizzati su un grafico di saldatura, come visto in Fig. 3, includono ampiezza, assorbimento di corrente, potenza, frequenza e fase. Le variazioni di ampiezza, fase, frequenza e corrente possono indicare un problema con l’alimentazione o lo stack. Una discrepanza nell’assorbimento di corrente potrebbe indicare un cambiamento di processo (come nella pressione di saldatura), un cambiamento di geometria del pezzo (le tolleranze, specialmente nell’area di giunzione possono essere cambiate) o un problema con un componente dello stack (un corno o un convertitore sta iniziando a cedere).
– Scansione diagnostica del corno. Questo identifica se il corno sta assorbendo più potenza (visualizzato come un aumento del wattaggio necessario per funzionare in aria). L’aumento dell’assorbimento di potenza potrebbe indicare che si sta formando una crepa nel corno. Tali crepe sono a volte interne e quindi non sempre visibili a occhio nudo.
– Dati casuali. I dati che appaiono caotici se confrontati con dati noti e buoni possono indicare un guasto nel convertitore, nella tromba o nel cavo a radiofrequenza, come si vede nella Fig. 4.
PARAMETRI DI PROCESSO & MATERIALI
Un attento controllo e documentazione dei parametri di processo è un’altra area che non può essere trascurata. I produttori di componenti medici e automobilistici lo sanno e seguono procedure rigorose, spesso imposte da agenzie di regolamentazione come la FDA, che si traducono in un alto grado di successo quando si utilizza la saldatura a ultrasuoni.
Purtroppo, i processori di altri prodotti, come i giocattoli o i prodotti monouso, spesso operano sotto requisiti molto meno rigorosi ed esercitano controlli di processo molto più deboli. In situazioni come queste, può essere comune per gli operatori regolare continuamente le impostazioni in risposta al cambiamento del pezzo o delle condizioni di produzione. Mentre questo approccio può risultare in una produzione soddisfacente, eventuali problemi che si verificano possono essere più difficili da diagnosticare, specialmente a distanza, quando i parametri di processo variano frequentemente. Per esempio, l’ultimo cambiamento dei parametri è stato causato da un problema dell’attrezzatura o da un cambiamento nella composizione del pezzo o nella qualità?
Di solito, quando un’applicazione come questa richiede assistenza, un ingegnere di applicazioni di saldatura a ultrasuoni, dopo aver posto alcune domande di base sulle parti (materiale, design del giunto, requisiti di prova e configurazione attuale della macchina) può indirizzare il cliente verso la soluzione adeguata. Questo approccio è particolarmente utile se la risoluzione dei problemi può essere effettuata direttamente sulla macchina, usando pezzi di produzione. Una panoramica del processo di risoluzione dei problemi/regolazione dei parametri è mostrata nella Fig. 5.
I problemi relativi al materiale sono una fonte frequente di incongruenze o problemi nella produzione. Come notato negli esempi seguenti, anche lievi variazioni nei materiali possono avere effetti drammatici sulla qualità della saldatura o della produzione:
– Cambiamenti dei polimeri. Con la fluttuazione dei prezzi, è comune per i trasformatori voler passare tra polimeri simili per ragioni economiche. Tuttavia, è saggio consultare un esperto di applicazioni di saldatura a ultrasuoni prima di fare qualsiasi cambiamento.
Un esempio di un cambiamento comune, ma potenzialmente fastidioso, comporta il passaggio da un materiale amorfo facile da saldare, come l’ABS, a un polimero semi-cristallino molto più difficile da saldare, come il PP. L’ABS richiede un’uscita della pila di ultrasuoni più bassa (30-70 micron a 20 kHz) per saldare con successo rispetto al PP (90-120 micron). Se questo cambiamento si traduce in parti che non hanno la forza che avevano prima, o richiedono più tempo per saldare, o se le saldature causano danni alle superfici/componenti sensibili dell’assemblaggio, il problema potrebbe essere una mancanza di uscita dello stack ultrasonico. Un esame dei componenti dello stack, in particolare del corno e del booster, è giustificato per determinare se i miglioramenti di entrambi i componenti permetteranno
all’applicazione di saldare il nuovo polimero in modo efficiente e di riportare l’applicazione a una gamma “normale” di successo.
– Alto contenuto di rimacinato. I termoplastici rigenerati, anche se possono essere fusi e riformati numerose volte, subiscono una certa degradazione delle loro proprietà fisiche con ogni fusione successiva. L’effetto cumulativo di troppo materiale rimacinato può portare ad un fallimento delle parti per soddisfare le specifiche. Per questo motivo, Branson raccomanda di non utilizzare più del 10% di riaffilatura nelle parti che devono essere saldate ad ultrasuoni. In applicazioni specifiche che richiedono la conformità con test rigorosi e criteri di accettazione, i produttori dovrebbero considerare fortemente l’analisi periodica dei materiali di produzione per convalidare continuamente la qualità dei materiali che entrano nelle parti finite.
– Contenuto di riempitivo. Spesso, i riempitivi sono essenziali per assicurare la resistenza e la durata della parte. Tuttavia, diversi tipi e percentuali di riempitivi nelle parti possono influenzare il successo dei processi di giunzione della plastica. Branson raccomanda che il contenuto di riempitivo sia mantenuto inferiore al 30%. La giunzione di parti che contengono una percentuale più alta di riempitivo, in particolare fibre lunghe, a volte risulterà in riempitivi che si accumulano nel giunto di saldatura, il che può ridurre la resistenza della saldatura.
Un altro problema sono i riempitivi abrasivi. Alcuni riempitivi che conferiscono maggiore forza o tenacità, tra cui carbonato di calcio, silice e talco, possono anche essere abrasivi sulle superfici di contatto degli utensili. L’esposizione prolungata di parti abrasive alle superfici degli utensili può causare un’usura che potrebbe portare a danni estetici alle parti e a un trasferimento di energia inadeguato alle superfici di giunzione delle parti.
Si raccomanda di passare a corna in titanio con superfici resistenti all’usura (carburo o nitruro di titanio, per esempio). Per il fissaggio, si raccomanda l’acciaio o l’acciaio inossidabile temprato.
Configurazione delle parti &Risoluzione dei problemi
Avere tutto il resto – attrezzature, materiali e processo – non significa molto se le parti che si cerca di saldare non sono progettate correttamente. Ma piuttosto che cercare di rivedere qui tutti i dettagli di una buona progettazione di un pezzo, concentriamoci invece su alcune delle cause di base di una cattiva progettazione del pezzo:
– Mancanza di obiettivi di progetto o di applicazione chiaramente definiti. Molti progetti applicativi incontrano difficoltà quando c’è un “obiettivo mobile” per i test e l’accettazione. Per esempio, l’applicazione richiederà un test di caduta? Un test di pressione? E se sì, a quali valori? Questi valori sono essenziali per procedere efficacemente con la progettazione di un giunto di tenuta. In generale, i criteri di accettazione devono essere presi in considerazione e decisi in anticipo se si vuole che il progetto proceda senza intoppi.
– Mancanza di comprensione dei migliori tipi di giunti per applicazioni particolari. I progetti di giunti sub-ottimali si verificano spesso quando un progettista principale, che può avere solo una comprensione marginale dei processi di giunzione delle materie plastiche, porta avanti un progetto solo per scoprire che è stata presa una decisione sbagliata e che le caratteristiche del giunto e della saldatura non sono state adeguatamente considerate.
Spesso, queste scoperte vengono fatte solo dopo che sono già stati fatti investimenti significativi (completamento dello stampo, produzione del pezzo e prove iniziali di saldatura). Ancora una volta, le considerazioni chiave relative al pezzo e alla saldatura (controllo del flash di saldatura e tipo di sigillatura – ermetica, strutturale o entrambe) dovrebbero essere determinate all’inizio del progetto. La collaborazione con un ingegnere di saldatura a ultrasuoni nelle fasi iniziali di un progetto può aiutare a identificare i criteri chiave del pezzo, educare meglio i progettisti e aiutare a minimizzare o almeno illuminare i possibili rischi.
– L’usura dello stampo, solitamente causata dall’uso di polimeri o riempitivi abrasivi, può risultare nel tempo in parti che sono sostanzialmente e dimensionalmente diverse dalle parti precedentemente validate. Di conseguenza, le principali caratteristiche di giunzione, come i direttori di energia o i giunti di interferenza a taglio, non rientrano più nelle specifiche. I profili delle parti possono non adattarsi più correttamente al set di utensili. I risultati della saldatura possono diventare sempre più inconsistenti. I rimedi per questo problema includono la rilavorazione dello stampo esistente o la produzione di un nuovo stampo.
In definitiva, i problemi con le parti saldate a ultrasuoni possono sorgere da molte fonti. Chiamare il vostro rappresentante locale di attrezzature per la saldatura a ultrasuoni non appena si sospetta un problema potrebbe consentire la diagnosi e i suggerimenti per rimediare, spesso realizzati tramite telefonate o e-mail che possono aiutarvi a identificare, ridurre al minimo o risolvere potenziali problemi di produzione. Per ridurre la necessità di risoluzione dei problemi, seguire queste buone pratiche:
– Collaborare all’inizio della progettazione del vostro progetto (o riprogettazione se sono contemplati cambiamenti significativi di materiale, forma o funzionalità) con gli esperti di ingegneria delle applicazioni del vostro fornitore di attrezzature per la saldatura a ultrasuoni.
– Tenere sempre a disposizione una riserva di componenti di ricambio di qualità di produzione, in particolare per le applicazioni critiche dove le interruzioni di produzione causerebbero preoccupazioni operative o finanziarie significative. Le parti di produzione di ricambio sono un aiuto vitale per la risoluzione dei problemi di giunzione e, in caso di difficoltà di approvvigionamento, possono mantenere la produzione con un minimo di tempo di inattività.
– Approfittate delle opportunità di formazione che vi permettono di padroneggiare la tecnologia di giunzione della plastica che state usando. Branson, per esempio, offre seminari in una varietà di sedi aziendali e siti di clienti, fornendo la formazione pratica e l’assistenza tecnica necessarie per mantenere il vostro “campione” del processo a ultrasuoni ben informato sulle ultime tecnologie e pronto a formare e mantenere la tecnologia come necessario nel vostro impianto. Progettisti, ingegneri della qualità, personale addetto alla manutenzione delle attrezzature e personale operativo/produttivo possono tutti trarre vantaggio dal tempo investito nelle sessioni di formazione.
SULL’AUTORE: David Dahlstrand è il coordinatore tecnico regionale/ingegnere di sviluppo tessile di Emerson per Branson Ultrasonics Corp. Ha una conoscenza delle applicazioni e della progettazione di utensili per le tecnologie di giunzione a ultrasuoni, vibrazione, orbitale, termica e laser utilizzate nell’assemblaggio di termoplastiche rigide, tessuti sintetici e pellicole. Contatti: (770) 962-2111, ext 17; [email protected]; emerson.com.
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