Ma quali sono i reali vantaggi dal lato pratico?
Tenuta ermetica garantita ad alte pressioni, pochi secondi per un ciclo completo in cui la giunzione passa dallo stato di fusione alla completa solidificazione senza l’utilizzo di colle o additivi. Nel mercato solo poche società sono davvero specialiste della tecnologia di saldatura a ultrasuoni.
La saldatura a ultrasuoni si applica a tutte le unioni di particolari termoplastici stampati a iniezione. Lo scopo principale è di avere un’unione resistente sia alla trazione che alla torsione con il minimo impatto e stress sui componenti. Particolarmente importante è l’impatto energetico, ridotto al minimo e concentrato solo in meno di un secondo di vibrazione. I materiali amorfi come PC, PS, SAN, ABS e PMMA hanno una struttura più rigida e definita, per questo sono anche i più adatti ad essere saldati a ultrasuoni. Una vibrazione ad alta frequenza, normale alla superficie di accoppiamento, viene generata dal convertitore e trasmessa tramite il sonotrodo al particolare. Le caratteristiche dei materiali amorfi offrono un mezzo materiale adeguato alla trasmissione efficace delle onde soniche. I materiali semicristallini, come per esempio PA, PP, PE e POM sono invece adatti per una saldatura più prossima alla superficie di contatto del sonotrodo (denominato campo vicino e caratterizzato da una distanza tra sonotrodo e area di giunzione inferiore ai 6/8 mm).
I particolari saldati possono essere processati immediatamente dopo la saldatura così l’intero processo può essere facilmente inserito in una linea automatica di assemblaggio. Si può così realizzare una catena di produzione che inizia dallo stampaggio fino al prodotto finito.
La trasformazione della potenza elettrica in vibrazione meccanica ad alta frequenza
Il processo di saldatura a ultrasuoni ha il suo cuore pulsante nel generatore. Formato da una parte di potenza unita ad un controllo di processo integrato, ha il compito di utilizzare la potenza di rete (bifase o trifase) e di innalzare le componenti di corrente, tensione e frequenza. La potenza elettrica così generata, viene trasportata da un apposito cavo coassiale ad alta frequenza al convertitore. Qui ha sede a tutti gli effetti la trasformazione della potenza elettrica in vibrazione meccanica. Le caratteristiche di questa vibrazione vengono trasmesse al particolare utilizzando una specifica frequenza (20, 30 e 35 kHz), un’ampiezza caratteristica (da 10 fino a 50 micron di picco), insieme ad una forza e una durata, calibrate sulla base delle caratteristiche di conformità richieste. Il convertitore utilizza il principio fisico della piezoelettricità per produrre un’onda vibratoria stazionaria che viene amplificata dai due elementi di trasmissione finale: l’amplificatore (o booster) e il sonotrodo. L’onda raggiunge il particolare e causa una frizione intermolecolare localizzata in un’area specifica (area di giunzione). La temperatura di quest’area aumenta repentinamente fino a produrre una fusione localizzata e omogena (melting point) che ha lo scopo di unire in modo consistente e duraturo le due parti. Lo stadio finale della saldatura prevede un raffreddamento controllato in pressione (o in forza nei sistemi più evoluti) che porta alla risolidificazione dell’area. Le strutture molecolari di due particolari distinti vengono così ricombinate insieme per la creazione di una zona comune di raccordo. La resistenza di quest’area varia dal 60% fino al 90% del materiale originario a seconda della tipologia di design sviluppato.
La corretta area di giunzione
Il principale vantaggio della tecnologia di saldatura a ultrasuoni è l’estrema direttività. Solo la specifica area di giunzione viene coinvolta nel processo e questo garantisce una fusione definita e precisa. Il materiale liquido viene convogliato, raccolto e successivamente compresso per formare una giunzione quanto più possibile compatta e omogenea. Attraverso uno specifico design della giunzione, le onde ultrasoniche vengono convogliate e direzionate per limitare il coinvolgimento di altre aree e ottimizzare l’utilizzo della potenza impiegata.
L’impatto di un corretto dimensionamento è assimilabile a quasi il 50% del successo del progetto stesso. Le caratteristiche più importanti sono: la superficie di contatto puntiforme (denominata direttore di energia in cui avrà luogo la concentrazione della vibrazione ultrasonica), il percorso di compenetrazione di un particolare nell’altro e, non da ultimo come importanza, il contenimento del materiale in fusione che non deve mai lasciare l’area definita perché concorrerà direttamente alla tenuta finale dell’assemblato.
L’ultima caratteristica importante dell’area di giunzione è la presenza di una superficie di appoggio (accoppiamento) dedicata per il sonotrodo. Quest’area, per essere veramente ottimizzata, deve essere perpendicolare, e quanto più possibile prossima al direttore di energia stesso.
Ottimi risultati in termini di resistenza, tenuta ermetica e aspetto estetico possono essere raggiunti esclusivamente per i particolari progettati e disegnati per la saldatura a ultrasuoni. Il materiale riveste ugualmente un’importanza fondamentale per la definizione delle caratteristiche tecniche del particolare assiemato. L’importante segno distintivo di un tecnico specializzato è dato dall’efficacia della soluzione sviluppata. Le problematiche che caratterizzano il mercato italiano sono generate principalmente da una scarsa conoscenza tecnica dei principi che regolano in profondità il processo di saldatura. Posso dire con tutta sincerità che: “Molti vendono macchinari di saldatura a ultrasuoni, pochissimi sviluppano soluzioni efficaci e sicure, quasi nessuno sa risolvere i problemi più specifici e complessi.” Le fondamenta di una soluzione professionale di saldatura a ultrasuoni risiedono in una solida regione di giunzione. Trascurare questo aspetto porta spesso a errori di impatto non facilmente calcolabile.
La gestione flessibile delle forze per una corretta dinamica della giunzione
Una saldatura corretta si riconosce dalla propria visualizzazione. La visualizzazione grafica multi-parametrica è il primo e più potente strumento di analisi professionale di una saldatura. A partire dalla conoscenza delle dinamiche dei parametri, come potenza, velocità della giunzione e forza, si può comprendere a pieno la qualità e l’affidabilità del processo di saldatura. Una curva rapida e un andamento lineare dell’area di saldatura (in blu) è fondamentale per avere la garanzia di una tenuta elevata insieme ad uno stress ridotto per l’intero particolare. Il processo deve essere riproducibile e stabile. Più di 40 parametri devono essere monitorizzati e analizzati ad ogni ciclo. Tra di essi, l’utilizzo di più forze di accoppiamento in serie consentono di mantenere la velocità della saldatura costante anche in presenza di un aumento della sezione dell’area. La serie HiQ di Herrmann è stata progettata con queste idee in mente e con un unico obiettivo: la sicurezza e la stabilità di ognuno dei tuoi processi di saldatura.
