Saldatura a ultrasuoni delle materie plastiche

Saldatura a ultrasuoni delle materie plastiche

Punti chiave

• Riscaldamento viscoelastico all'interfaccia — una vibrazione a 20–40 kHz fonde un direttore di energia o un giunto a taglio in meno di un secondo.
• Le resine amorfe si saldano con facilità; quelle semicristalline richiedono un giunto a taglio, una geometria in campo vicino e un controllo più stretto.
• La modalità a distanza di collasso con una finestra dichiarata è il modo robusto per eseguire e convalidare il processo.
• Il metodo di saldatura più rapido ed economico, limitato da particolato, segni della sonotrodo e contenuti sensibili alle vibrazioni.

Saldatura a ultrasuoni delle materie plastiche

La saldatura a ultrasuoni è un processo di giunzione dei termoplastici in cui una vibrazione meccanica a 20–40 kHz e con ampiezza picco-picco di 20–120 µm viene trasmessa attraverso un pezzo fino all'interfaccia del giunto, dove il riscaldamento viscoelastico e per attrito fonde un sottile strato di polimero che solidifica sotto pressione formando la saldatura. Non intervengono solventi, adesivi o materiali di consumo.

Il gruppo è composto da un convertitore piezoelettrico che fornisce circa 20 µm a 20 kHz, da un booster con un guadagno come 1:1,5 o 1:2,5 e da una sonotrodo accordata alla stessa frequenza che preme sul pezzo con forza pneumatica o servoassistita. I 20 kHz sono adatti a pezzi più grandi e a potenze maggiori; 30–40 kHz a pezzi piccoli, delicati o estetici, perché ampiezza, sollecitazione e segni sono inferiori.

I polimeri sono viscoelastici: la deformazione ciclica viene in parte convertita in calore per isteresi, concentrato nella sezione più piccola — la punta del direttore di energia o l'interferenza del giunto a taglio — dove la fusione inizia entro pochi millisecondi. Un giunto entro circa 6 mm dalla faccia della sonotrodo è in campo vicino, oltre tale distanza in campo lontano. Le resine amorfe trasmettono con poca perdita e si saldano in campo lontano; le resine semicristalline e gli elastomeri smorzano la vibrazione e si saldano in modo affidabile solo in campo vicino.

Idoneità dei materiali

Parametri di processo e progetto del giunto

Il progetto del giunto decide più di qualsiasi impostazione. Un direttore di energia è una nervatura triangolare su una faccia di accoppiamento, con angolo incluso di 60–90° e altezza di 0,2–0,6 mm, base circa il doppio dell'altezza; per le resine semicristalline si usino 60° e l'estremità più alta, e si posizionino i pezzi con un gradino o un incastro maschio-femmina. Un giunto a taglio prevede un'interferenza radiale di 0,2–0,4 mm tra labbro e parete, un invito di 30–45°, una profondità di saldatura pari a circa 1,25 volte la parete e un supporto che resista alla sollecitazione circonferenziale. I giunti a taglio forniscono le saldature più resistenti ed ermetiche nelle resine semicristalline.

Diagnosi delle saldature a ultrasuoni

Ultrasuoni a confronto con saldatura laser, a vibrazione e a piastra calda

Gli ultrasuoni raramente sono battuti per tempo di ciclo o costo degli stampi, e raramente sono la scelta giusta per pezzi grandi, esteticamente critici, che contengono elettronica o sensibili al particolato. La saldatura laser per trasmissione è l'alternativa usuale; richiede una coppia di resine abbinata (cfr. la saldatura laser per trasmissione spiegata e la scelta della coppia di resine e del colorante) e facce del giunto entro circa 0,1 mm, mentre gli ultrasuoni tollerano accoppiamenti più scadenti e qualsiasi colore. Sabreen progetta processi di saldatura laser, non vende apparecchiature e applica questo confronto prima di raccomandare l'una o l'altra.

Specifica e convalida di una saldatura a ultrasuoni

«Saldare a ultrasuoni» su un disegno non specifica nulla. Indichi un requisito prestazionale, una finestra di processo e le prove che la finestra lo soddisfa.

• Resistenza. Resistenza a trazione sul gruppo, oppure il provino a I secondo AWS G1.2M/G1.2 per lo screening di coppie di materiali; le saldature amorfe in campo vicino raggiungono il 70–100% della resistenza del materiale base. Indichi minimo e modo di rottura.
• Scoppio e tenuta. Una pressione minima di scoppio e un limite numerico di decadimento di pressione o di perdita all'elio, non «nessuna perdita». Una saldatura resistente con un salto di 2 mm perde comunque.
• Finestra di collasso. Per esempio 0,35 ± 0,05 mm, con energia e potenza di picco come limiti secondari registrati a ogni ciclo; i pezzi fuori finestra vengono scartati.
• IQ/OQ/PQ. Secondo ISO 13485 e il regolamento FDA sul sistema qualità: la IQ conferma saldatrice, gruppo, attrezzatura e ampiezza misurata; la OQ mappa la finestra con un piano sperimentale su ampiezza, forza e collasso; la PQ esegue tre lotti al valore nominale con operatori e resina di produzione. Riqualifichi dopo ogni cambio di sonotrodo, booster o resina; DVS 2216 tratta il progetto del giunto.

Termini correlati e letture

• Saldatura laser delle materie plastiche
• Saldatura laser per trasmissione
• Servizi di saldatura laser
• La saldatura laser per trasmissione spiegata
• Scelta della coppia di resine e del colorante
• Saldatura laser da trasparente a trasparente

Applicazione in produzione

The Sabreen Group offre supporto ingegneristico indipendente per lo sviluppo dei processi di saldatura a ultrasuoni e laser, il progetto del giunto e la convalida della saldatura. Se sta specificando un processo, qualificando un materiale o risolvendo un problema di produzione, il nostro team di servizi di ingegneria può aiutarLa. Ci contatti per discutere la Sua applicazione.

Domande frequenti

Devo saldare a 20 kHz o a 40 kHz?

Usi 20 kHz per pezzi di dimensioni superiori a circa 50 mm, pareti spesse, resine semicristalline e giunti in campo lontano, che richiedono più ampiezza e potenza. Usi 30–40 kHz per pezzi piccoli, a parete sottile o estetici e per tutto ciò che contiene elettronica: ampiezza e sollecitazione trasmessa si dimezzano, i segni diminuiscono e la sonotrodo è lunga la metà.

Il polipropilene e le altre materie plastiche semicristalline si possono saldare a ultrasuoni?

Sì, con una finestra più stretta. Smorzano la vibrazione, quindi il giunto deve stare entro circa 6 mm dalla sonotrodo con ampiezza di 60–120 µm, e deve essere un giunto a taglio o un direttore affilato a 60° anziché il direttore a 90° dell'ABS. Il loro punto di fusione netto rende più importante la forza di mantenimento.

Perché una saldatura supera la prova di trazione ma perde comunque?

Perché resistenza e continuità sono cose diverse. La prova di trazione fa la media dell'intera saldatura e viene superata se il 90% del giunto è sano, mentre un salto di 2 mm dovuto a un pezzo deformato o a una sonotrodo non livellata perde. Specifichi la tenuta come limite numerico, usi la modalità a collasso per scartare i pezzi saldati in modo insufficiente e controlli il parallelismo della sonotrodo quando le perdite si concentrano.

Quando è preferibile la saldatura laser?

Quando il pezzo è esteticamente critico, contiene elettronica, richiede un percorso del fluido privo di particolato, ha una linea di saldatura lunga o tridimensionale, oppure supera la portata di una sonotrodo. Il laser non produce vibrazioni, segni della sonotrodo né particolato, a prezzo di un investimento maggiore, di una coppia di resine abbinata e di facce del giunto entro circa 0,1 mm. Gli ultrasuoni restano vincenti per tempo di ciclo e costo.

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