Per la saldatura a ultrasuoni di plastica e metalli

Il principio del processo di saldatura a ultrasuoni utilizzato da Sonics&Materials (società americana rappresentata in esclusiva in Italia da Sermac) si basa sulla conversione dell’energia elettrica a HF in energia meccanica ad alta frequenza operativa tramite un utensile definito sonotrodo che genera calore localizzato e diretto nella sola specifica area del materiale da giuntare.

di Claudio Tacchella

Gli ultrasuoni sono delle onde meccaniche sonore misurate nella loro frequenza ciclica al secondo con l’unità di misura chiamata hertz (Hz). A differenza dei fenomeni acustici propriamente detti, le frequenze che caratterizzano gli ultrasuoni sono superiori a quelle mediamente udibili da un orecchio umano che si attestano in un range tra 5 kHz e 18 kHz. La frequenza convenzionalmente utilizzata per discriminare onde soniche da onde ultrasoniche è fissata da 20 kHz in su. Lo stesso termine “ultrasuono” chiaramente indica “ciò che è al di là (ultra)” del suono, identificando con suono solo il fenomeno fisico udibile. Come ogni altro tipo di fenomeno ondulatorio, gli ultrasuoni sono soggetti a fenomeni di riflessione, rifrazione, diffrazione e possono essere definiti mediante altri parametri oltre la frequenza, come per esempio la lunghezza d’onda, la velocità di propagazione, l’intensità (misurata in decibel) e l’attenuazione dovuta all’impedenza acustica del mezzo attraversato. Si è soliti riconoscere l’utilizzo degli ultrasuoni per lo più in campo medico e industriale essendo ampiamente utilizzati nelle ecografie, nei controlli non distruttivi e in molti apparecchi per la pulizia superficiale di oggetti di piccole dimensioni. Anche il sonar impiega intervalli di frequenze che non di rado sconfinano nella gamma degli ultrasuoni.

Dalla potenza elettrica alla microvibrazione
Ma cosa ha a che fare il suono con la saldatura? Tra le principali applicazioni ultrasoniche ne esistono alcune davvero innovative che riguardano in particolare il campo meccanico, dove la trasformazione della potenza elettrica (onda) in microvibrazione meccanica ha permesso di generare un nuovo processo di saldatura: quello a ultrasuoni.
In tutto il mondo, sono poche le aziende specializzate nella saldatura a ultrasuoni. Tra queste, l’americana Sonics&Materials, rappresentata e distribuita in esclusiva sul territorio nazionale dalla società Sermac di Muggiò (MB). A riassumere brevemente il core business dell’azienda americana è Alberto Gillio Tos, titolare di Sermac: “Questo prestigioso marchio, la cui sede è a Newtown nel Connecticut (USA), vanta un’esperienza di oltre 40 anni in questo specifico settore. Il suo fondatore – l’ingegner Robert Soloff nonché attuale titolare della società – può essere, a ragion veduta, considerato un “pioniere” in questo campo, per avere incessantemente sviluppato tecnologie di saldatura ultrasoniche. Dalla produzione di una vasta gamma di macchine dedicate alla giunzione dei materiali termoplastici fino alla realizzazione di sistemi per la saldatura di metalli non ferrosi (alluminio, rame, argento, oro, ecc.), espandendosi globalmente con grande apprezzamento in numerosi settori di impiego”.

Continuità dell’onda massimale e tip multifaccia di saldatura
Il principio del processo di saldatura a ultrasuoni utilizzato da Sonics&Materials si basa sulla conversione dell’energia elettrica a HF in energia meccanica ad alta frequenza operativa tramite un utensile definito sonotrodo che, grazie al suo movimento assiale alternativo, genera calore localizzato e diretto nella sola specifica area del materiale da giuntare.
Per questo tipo di processo si utilizza un generatore di frequenze che, partendo dalla normale tensione di rete (220-230 V, 50-60 Hz) vengono convertite in alta frequenza (20, 40 kHz o altre) tramite un convertitore piezoelettrico e trasformate in oscillazione meccanica. Spiega Nicolas Ricci, responsabile tecnico/commerciale di Sermac: “L’ampiezza del movimento micrometrico assiale dell’utensile viene quindi amplificata su un range fruibile tra i 20 e i 100 µm regolabili, interponendo tra convertitore e sonotrodo un booster che aumenta l’ampiezza delle vibrazioni micromeccaniche. L’ampiezza della oscillazione dell’utensile può essere controllata e modificata, sia agendo sul generatore sia meccanicamente tramite la geometria del booster che agisce anche da punto di supporto allo stesso gruppo vibrante e sonotrodo”. A differenza di altri sistemi, Sonics&Materials integra tra booster e sonotrodo uno speciale collarino di bloccaggio che garantisce una struttura compatta e stretta sui punti di nodo, in modo da assicurare una continuità dell’onda massimale e tip multifaccia di saldatura.

Saldatura a ultrasuoni per plastiche e metalli
Con le soluzioni proposte da Sonics&Materials, la saldatura a ultrasuoni dei materiali termoplastici avviene tramite movimento alternativo ad alta frequenza del sonotrodo (martellatura), applicato con una determinata forza di pressione e per un tempo calibrato sui materiali da giuntare. Il calore generato e localizzato sull’area specifica provoca la fusione dei materiali e quindi la saldatura delle due parti sovrapposte. È anche possibile sfruttare questa azione per inserire particolari metallici nella plastica; in questo caso, l’utensile agirà sul particolare metallico che a sua volta trasmetterà la vibrazione alla plastica fondendola per inserirsi nella stessa. Questa tecnica è normalmente utilizzata per l’integrazione di bussole filettate.
La saldatura a ultrasuoni dei metalli non ferrosi invece – fermo restando il principio macchina uguale – si presenta con una differenza sostanziale: non si ottiene una fusione ma un’integrazione molecolare in “fase fredda” che consente di non modificare le caratteristiche metallurgiche del materiale giuntato. Questo si ottiene attraverso la frizione/attrito ad alta frequenza del sonotrodo sul particolare superiore premuto su quello inferiore mantenuto invece fermo in posizione. In questo caso, la saldatura in fase fredda, con temperature massime di circa 80°C nel punto di giunzione, unita alla rapidità del processo stesso in un range compreso tra pochi decimi di secondo fino a un massimo di 3-4 s, ne fanno una soluzione particolarmente efficiente per processi produttivi in serie, automatici o anche manuali.

Disponibile una vasta gamma di soluzioni
Sin dagli esordi, per Sonics&Materials la saldatura a ultrasuoni ha rappresentato una valida alternativa agli altri sistemi di giunzione delle materie plastiche come ad esempio l’incollaggio, l’incastro, la lama calda, la rivettatura, l’avvitatura. Ovviamente, la saldatura a ultrasuoni non sostituisce tutti questi sistemi ma, dove applicabile, presenta dei vantaggi evidenti quali, ad esempio, il ridotto consumo di energia, l’eliminazione di un qualsiasi elemento da aggiungere (colle, solventi, viti, rivetti), tempi ciclo assai brevi (normalmente compresi tra alcuni decimi di secondo e qualche secondo), flessibilità nel riutilizzo della medesima pressa sostituendo semplicemente il sonotrodo e l’appoggio pezzo per adattarli ai nuovi particolari. I sistemi di saldatura Sonics&Materials permettono di effettuare anche un controllo di qualità in produzione tramite la gestione dei parametri e l’impostazione di limiti di allarme o di scarto.
Per entrambi i metodi di saldatura ultrasonici (materiali termoplastici e metalli non ferrosi), Sonics&Material propone una gamma piuttosto ampia di soluzioni specifiche e personalizzate come le macchine da banco della linea X-Press, i generatori della linea GX, MSC e MX, i gruppi vibranti completi da 20 a 40 kHz (e anche 15 kHz per pezzi particolarmente grandi e materiali difficili) ovvero convertitore + booster + sonotrodo customizzati in base alle esigenze dell’utilizzatore, attrezzature con pistola manuale di saldatura mod. H520, H540, saldatrici da banco della linea MW con potenze da 400 a 6.000 W, macchine per compattazione e giunzione trecciole, sigillatrici per tubi in rame della linea MW, saldatrici a colpi a due e più teste, nonché sistemi di saldatura in continuo a testa rotante ad alta velocità fino a 30 m/min. Sia nella saldatura della plastica che nella saldatura dei metalli, Sermac non è solo un semplice fornitore ma si propone come un vero e proprio “engineering partner” per il cliente, sia nella fase di pre che di post vendita. La stretta collaborazione con i tecnici Sonics permette ai tecnici di Sermac di analizzare sempre le specifiche richieste provenienti dai clienti in modo da offrire il sistema più idoneo in funzione del tipo di produzione. Aggiunge Nicolas Ricci: “In particolare, il sonotrodo è uno tra gli elementi fondamentali nella scelta ottimale della saldatura a ultrasuoni ed è sempre progettato o scelto in maniera specifica in base all’applicazione, sia come materiale (alluminio, titanio, acciaio) a seconda dei casi, sia per la forma geometrica che deve coniugare le specifiche progettuali in base alle necessità del cliente con le limitazioni imposte dal modulo di elasticità dei singoli materiali. In fase progettuale, ogni nuovo sonotrodo viene verificato anche con l’analisi FEM tramite simulazione dell’andamento degli sforzi a cui sarà soggetto al fine di ottimizzare la sua geometria finale in modo da assicurare massimo rendimento e durata dell’utensile. A questo punto la fisica comanda ma l’esperienza permette di superare molti ostacoli. É anche per questo che Sermac e Sonics sono a fianco dei clienti sin dall’inizio del progetto, perché è in questo modo che si possono fornire le migliori soluzioni tecnologiche”.

Numerosi i campi di applicazione
L’impiego della tecnologia di saldatura a ultrasuoni è in costante crescita e risponde alle richieste di un mercato particolarmente attento a ottenere processi di assemblaggio precisi, economici, efficienti, eco-compatibili e in tempi sempre più ridotti. Sono vasti i campi di applicazione: ad esempio, l’utilizzo della saldatura a ultrasuoni nella plastica spazia dall’oggettistica più varia all’automotive (fanalini, parti di cruscotto, tappetini), lampade, filtri, componenti elettrotecnici (prese, spine). Nel caso di saldatura dei metalli, ricordiamo l’industria elettrotecnica per i terminali di cavi, parti di contatti, uscite di avvolgimenti, piastrine di contatto (in rame o argento) su leve di contatto di interruttori, realizzazione di alberi di cavi per automotive, sigillature di bulbi per termostati, sigillature dei tubetti di riempimento gas per frigoriferi nel settore del bianco fino a trovare applicazione anche nel settore dell’energia con la saldatura in continuo di tubetti di rame su piastre assorbenti per pannelli solari, senza dimenticare l’industria delle batterie e dei condensatori. Quest’ultimo è un campo in forte evoluzione in quanto esiste una domanda crescente di batterie per tutta l’elettronica di consumo (in primis per tutti i telefoni cellulari) e per l’automotive con la tendenza ormai marcata nel realizzare auto elettriche o ibride in grado di sostituire nel tempo i motori a combustione. Proprio in questo settore, Sonics&Materials supporta i migliori produttori di batterie al litio con soluzioni dedicate che tengono conto delle specifiche esigenze delle giunzioni sia dal punto di vista della tenuta meccanica che della conduttività elettrica. Conclude Alberto Gillio Tos: “I generatori di ultima generazione, grazie ai collegamenti bidirezionali in rete di cui sono dotati, offrono possibilità di programmazione, di controllo della qualità e della gestione, anche remota, che rispondono perfettamente ai requisiti di Industria 4.0, rendendoli così sistemi abilitanti nelle fabbriche in cui vengono impiegati. Inoltre l’utilizzo di questo tipo di macchine è estremamente facile, intuitivo e totalmente sicuro”.

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