Soldadura ultrasónica de plásticos

Soldadura ultrasónica de plásticos

Puntos clave

• Calentamiento viscoelástico en la interfaz: la vibración de 20–40 kHz funde un director de energía o una unión de cizalla en menos de un segundo.
• Las resinas amorfas se sueldan con facilidad; las semicristalinas requieren una unión de cizalla, geometría de campo cercano y un control más estricto.
• El modo de distancia de colapso con una ventana definida es la forma robusta de operar y validar el proceso.
• Es el método de soldadura más rápido y económico, limitado por las partículas, las marcas del sonotrodo y los contenidos sensibles a la vibración.

Soldadura ultrasónica de plásticos

La soldadura ultrasónica es un proceso de unión de termoplásticos en el que una vibración mecánica de 20–40 kHz y 20–120 µm de amplitud pico a pico se transmite a través de una pieza hasta la interfaz de la unión, donde el calentamiento viscoelástico y por fricción funde una capa delgada de polímero que se solidifica bajo presión y forma la soldadura. No interviene ningún solvente, adhesivo ni consumible.

El conjunto consta de un convertidor piezoeléctrico que entrega unos 20 µm a 20 kHz, un amplificador (booster) con una ganancia como 1:1.5 o 1:2.5, y un sonotrodo (horn) sintonizado a la misma frecuencia que presiona la pieza con fuerza neumática o servoaccionada. Los 20 kHz sirven para piezas grandes y mayor potencia; los 30–40 kHz, para piezas pequeñas, delicadas o cosméticas, porque la amplitud, el esfuerzo y las marcas son menores.

Los polímeros son viscoelásticos: la deformación cíclica se convierte parcialmente en calor por histéresis, concentrado en la sección más pequeña (la punta del director de energía o la interferencia de la unión de cizalla), donde la fusión comienza en milisegundos. Una unión a menos de unos 6 mm de la cara del sonotrodo es de campo cercano; más allá, de campo lejano. Las resinas amorfas transmiten con poca pérdida y se sueldan en campo lejano; las resinas semicristalinas y los elastómeros amortiguan la vibración y solo se sueldan de forma confiable en campo cercano.

Idoneidad de los materiales

Parámetros de proceso y diseño de la unión

El diseño de la unión decide más que cualquier ajuste. Un director de energía es una nervadura triangular en una de las caras de contacto, con un ángulo incluido de 60–90° y 0.2–0.6 mm de altura, con una base de aproximadamente el doble de la altura; use 60° y el extremo más alto para resinas semicristalinas, y posicione las piezas con un escalón o una lengüeta y ranura. Una unión de cizalla usa 0.2–0.4 mm de interferencia radial entre el labio y la pared, una entrada de 30–45°, una profundidad de soldadura de aproximadamente 1.25 veces la pared y un nido que resista el esfuerzo circunferencial. Las uniones de cizalla dan las soldaduras más resistentes y herméticas en resinas semicristalinas.

Solución de problemas de soldaduras ultrasónicas

Soldadura ultrasónica frente a soldadura láser, por vibración y por placa caliente

Rara vez se supera a la soldadura ultrasónica en tiempo de ciclo o costo de herramental, y rara vez es la opción correcta para piezas grandes, cosméticamente críticas, con electrónica o sensibles a las partículas. La soldadura láser por transmisión es la alternativa habitual; requiere un par de resinas compatible (véase soldadura láser por transmisión explicada y selección del par de resinas y del colorante) y caras de unión a menos de 0.1 mm aproximadamente, mientras que la ultrasónica tolera un ajuste más pobre y cualquier color. Sabreen desarrolla procesos de soldadura láser, no vende equipos y aplica esta comparación antes de recomendar cualquiera de las dos.

Cómo especificar y validar una soldadura ultrasónica

«Soldar por ultrasonido» en un plano no especifica nada. Indique un requisito de desempeño, una ventana en proceso y la evidencia de que la ventana lo cumple.

• Resistencia. Resistencia a la tracción del ensamble, o la probeta de viga en I AWS G1.2M/G1.2 para el cribado de pares de materiales; las soldaduras amorfas de campo cercano alcanzan 70–100% de la resistencia del material base. Indique el mínimo y el modo de falla.
• Estallido y fuga. Una presión de estallido mínima y un límite numérico de decaimiento de presión o de fuga de helio, no «sin fugas». Una soldadura fuerte con una omisión de 2 mm aún tiene fugas.
• Ventana de colapso. Por ejemplo 0.35 ± 0.05 mm, con la energía y la potencia pico como límites secundarios registrados en cada ciclo; las piezas fuera de la ventana se rechazan.
• IQ/OQ/PQ. Bajo ISO 13485 y el reglamento del sistema de calidad de la FDA: la IQ confirma la soldadora, el conjunto, el dispositivo de sujeción y la amplitud medida; la OQ mapea la ventana mediante un diseño de experimentos de amplitud, fuerza y colapso; la PQ ejecuta tres lotes en condiciones nominales con operadores y resina de producción. Recalifique tras cualquier cambio de sonotrodo, booster o resina; DVS 2216 cubre el diseño de la unión.

Términos y lecturas relacionados

• Soldadura láser de plásticos
• Soldadura láser por transmisión
• Servicios de soldadura láser
• Soldadura láser por transmisión explicada
• Selección del par de resinas y del colorante
• Soldadura láser de transparente a transparente

Aplicación en producción

The Sabreen Group ofrece apoyo de ingeniería independiente para el desarrollo de procesos de soldadura ultrasónica y láser, el diseño de uniones y la validación de soldaduras. Si usted está especificando un proceso, calificando un material o resolviendo un problema de producción, nuestro equipo de servicios de ingeniería puede ayudarle. Contáctenos para analizar su aplicación.

Preguntas frecuentes

¿Debo soldar a 20 kHz o a 40 kHz?

Use 20 kHz para piezas de más de unos 50 mm, paredes gruesas, resinas semicristalinas y uniones de campo lejano, que requieren más amplitud y potencia. Use 30–40 kHz para piezas pequeñas, de pared delgada o cosméticas y para todo lo que lleve electrónica: la amplitud y el esfuerzo transmitido se reducen a la mitad, las marcas disminuyen y el sonotrodo mide la mitad de largo.

¿Se pueden soldar por ultrasonido el polipropileno y otros plásticos semicristalinos?

Sí, con una ventana más estrecha. Amortiguan la vibración, por lo que la unión debe quedar a unos 6 mm del sonotrodo con una amplitud de 60–120 µm, y debe ser una unión de cizalla o un director agudo de 60° en lugar del director de 90° del ABS. Su punto de fusión definido hace que la fuerza de sostenimiento importe más.

¿Por qué una soldadura aprueba la prueba de tracción y aun así tiene fugas?

Porque la resistencia y la continuidad son distintas. Una prueba de tracción promedia toda la soldadura y aprueba si el 90% de la unión está sano, mientras que una omisión de 2 mm causada por una pieza alabeada o un sonotrodo desnivelado tiene fugas. Especifique la fuga como un límite numérico, opere en modo de colapso para rechazar las piezas con soldadura insuficiente y revise el paralelismo del sonotrodo cuando las fugas se concentren.

¿Cuándo es mejor opción la soldadura láser?

Cuando la pieza es cosméticamente crítica, lleva electrónica, necesita una trayectoria de fluido libre de partículas, tiene una costura larga o tridimensional o excede el alcance de un sonotrodo. El láser no genera vibración, marcas de sonotrodo ni partículas, a cambio de una mayor inversión, un par de resinas compatible y caras de unión a menos de 0.1 mm aproximadamente. La ultrasónica aún gana en tiempo de ciclo y costo.

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