Macchina a ultrasuoni con sonotrodo sopra una struttura metallica

Saldare con gli ultrasuoni

Con gli ultrasuoni è possibile saldare materiali diversi come plastiche, tessuto non tessuto, materiali per imballaggio o metalli. Qui ti spieghiamo come funziona!

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Cosa sono gli ultrasuoni?

Dal cinguettio degli uccelli ai toni più acuti in grado di mandare in frantumi il vetro, il suono è molto più di quello che siamo in grado di percepire con le nostre orecchie. Il suono è prodotto dalla vibrazione meccanica dei corpi. Se per esempio si pizzica la corda di una chitarra, la sua vibrazione provoca variazioni di pressione e densità nell’aria che, a partire dalla sorgente del suono, si propagano in tutte le direzioni come onde. Ciò avviene non solo nell’aria, ma in qualsiasi mezzo elastico, ovvero gas, fluidi e corpi solidi.

Gli ultrasuoni sono un esempio di come l’essere umano non sia in grado di sentire tutti i tipi di suoni. Queste onde sonore ad alta frequenza e “silenziose” trovano impiego nell’industria e in campo medico.

Le onde sonore vengono classificate in base alla loro frequenza (numero di onde per secondo). Gli ultrasuoni, per es., hanno una frequenza compresa tra 20 kHz e 1 GzHz. Nella saldatura a ultrasuoni vengono impiegate frequenze da 20 kHz a 70 kHz: nel range più basso, esse risultano ancora percepibili all’orecchio umano, dato che il campo di frequenze udibili è compreso tra 16 Hz e 20 kHz. Le frequenze superiori vengono tutt’al più percepite come vibrazioni.

Come funziona la saldatura a ultrasuoni?

Quando gli ultrasuoni incontrano un materiale (per es. un materiale plastico), le catene di molecole all’interno di quest’ultimo vengono sottoposte a vibrazioni. Le molecole iniziano a muoversi e sfregano l’una sull’altra, producendo energia (il cosiddetto calore da attrito). Nei materiali termoplastici questo provoca la fusione del materiale. La saldatura a ultrasuoni sfrutta questo principio. Dopo un breve tempo di permanenza durante il quale viene applicata una pressione, materiali diversi (i pezzi) vengono così saldati a livello molecolare nella zona di giunzione.

Vantaggi

La saldatura a ultrasuoni offre una serie di vantaggi rispetto a metodi di giunzione tradizionali quali l’incollaggio o la saldatura a gas:

  • Estrema rapidità: i materiali vengono fusi e uniti tra loro in poche frazioni di secondo.
  • Qualità elevata costante: una tecnica di regolazione precisa consente di ottenere risultati sempre esatti e riproducibili.
  • Flessibilità: metodo adattabile ai materiali, alle forme e ai processi più svariati.
  • Rispetto dell’ambiente: la saldatura a ultrasuoni è pulita, consuma meno energia e non produce rifiuti.
  • Economicamente conveniente: processi brevi, minor consumo di energia, nessun ausilio supplementare quali viti, colle, ecc.

Il sistema di saldatura a ultrasuoni

Il sistema completo di saldatura a ultrasuoni è costituito da diversi componenti. I componenti attivi generano gli ultrasuoni, li trasmettono e li applicano nelle parti da saldare. I componenti passivi assorbono le forze risultanti, mantengono i pezzi in posizione e soprattutto supportano la formazione del cordone di saldatura (punto in corrispondenza del quale i pezzi vengono uniti tra loro).

Componenti per saldatura a ultrasuoni con sonotrodi, booster, convertitore e controllo

Il principio di focalizzazione dell'energia

Per indurre la fusione con precisione nei pezzi, l’energia vibratoria deve essere concentrata in un punto: questo principio è chiamato focalizzazione dell'energia. In questo preciso punto lo sviluppo di calore è massimo e produce la fusione per un determinato processo di saldatura definito con consumo di energia ridotto.

Tipi di focalizzazione dell'energia

È tutto una questione di forma: per concentrare l’energia vibratoria nel punto giusto, la geometria dei pezzi da saldare o dell’utensile deve essere scelta in modo adeguato. Nella focalizzazione integrata nei pezzi, appositi direttori dell’energia (in breve: ERG) concentrano l’energia nei materiali. In caso di focalizzazione tramite la geometria dell’utensile, gli utensili vengono realizzati con una forma speciale.

Geometria del giunto

Nella focalizzazione tramite la geometria del giunto l’energia viene focalizzata mediante la forma dei pezzi. La zona in cui i due pezzi devono essere uniti viene pertanto configurata con una forma speciale, per lo più con una punta o uno spigolo. Queste strutture sono i punti in cui l’energia viene focalizzata e vengono quindi chiamate direttori dell’energia (ERG).

Design del sonotrodo

L’energia può essere focalizzata anche attraverso l’utensile di saldatura. In questo caso, il profilo del sonotrodo funge da ausilio di avvio della fusione: l’energia si concentra sulla sua punta, che diventa il punto più caldo del sistema. Questo tipo di focalizzazione dell’energia è impiegato, per esempio, nella rivettatura a ultrasuoni.

Struttura dell’incudine

Anche in questo caso la forma dell’utensile svolge un ruolo decisivo. L’incudine presenta strutture rialzate che creano punti di contatto con i pezzi, dove l’energia si focalizza e provoca la fusione. Questo tipo di focalizzazione viene impiegato soprattutto con i materiali in foglio continuo, come film e tessuto non tessuto, oppure con cartone.

I principali parametri di processo nella saldatura a ultrasuon

Ermeticità, resistenza ed estetica: per il cordone di saldatura perfetto è necessario che utensile di saldatura, materiale e processo di saldatura siano perfettamente coordinati. Tutto sta nelle impostazioni: i parametri di processo corretti consentono risultati ottimali e riproducibili.

In modo non visibile a occhio nudo, l’utensile di saldatura vibra con un’ampiezza compresa tra 5 e 50 μm. Per raggiungere la potenza necessaria, la vibrazione meccanica prodotta nel convertitore viene modificata dall’amplificatore.

Il punto trigger definisce l’avvio della saldatura. Il sonotrodo preme sul pezzo con la cosiddetta forza di trigger. Se entro un determinato intervallo di tempo il pezzo cede anche solo minimamente, gli ultrasuoni vengono azionati e la forza di trigger diventa forza di saldatura. In tal modo il punto di avvio della saldatura rimane sempre uguale e la qualità dei risultati resta costantemente elevata.

Per cordoni di giunzione uniformi ed ermetici, gli ultrasuoni devono essere applicati al pezzo con forza. L’intensità di questa forza dipende dalla potenza, dalla superficie di giunzione e dalle dimensioni dei pezzi.

Saldatura rapidissima: una volta che il punto trigger è stato raggiunto e gli ultrasuoni sono stati attivati, l’effettivo processo di saldatura dura solo qualche frazione di secondo. Il tempo di saldatura termina al raggiungimento di un criterio di disinserzione predefinito.

Al termine del tempo di saldatura, i pezzi vengono tenuti brevemente sotto pressione. In tal modo possono raffreddarsi e solidificare in modo uniforme. Poiché l’utensile di saldatura non si riscalda durante l’intero processo, contribuisce anch’esso al processo di raffreddamento.

Quali materiali possono essere saldati con gli ultrasuoni?

Sostanzialmente gli ultrasuoni sono in grado di saldare la maggior parte dei materiali termoplastici (materiali plastici deformabili con il calore). Più il materiale è duro, meglio funziona il processo. Oltre ai materiali plastici, anche diversi metalli non ferrosi come alluminio, nichel, ottone e rame sono adatti alla saldatura a ultrasuoni.

Storie di successo dei nostri clienti

Insieme ai nostri clienti, risolviamo ogni anno oltre 1.500 applicazioni in tutto il mondo. Leggete le storie dei nostri clienti per scoprire come le nostre soluzioni a ultrasuoni li aiutano a produrre in modo più sicuro, efficiente e sostenibile.

Apra-plast

Produrre piccoli lotti semplicemente in meno tempo! Per i produttori, l’improntatura manuale di 18 boccole in ottone in un telaio in plastica per un elemento di comando costituiva un processo laborioso e costoso. La saldatura ad ultrasuoni si è rivelata un’efficiente alternativa che ha ridotto sensibilmente sia i tempi di ciclo che i costi – anche in caso di un ridotto numero di pezzi.

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Bosch FreshUp

Giunzioni robuste unite ad un’estetica accattivante: si trattava di criteri decisivi per la produzione del nuovo rinfrescatore elettronico di tessuti FreshUp. Per soddisfare questi requisiti, BSH Hausgeräte GmbH ha scelto gli ultrasuoni come tecnologia di saldatura più appropriata.

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Collaboratori di CUSTOMCELLS saldano celle di batterie agli ioni di litio con un sistema Herrmann
CUSTOMCELLS®

CUSTOMCELLS®, uno dei massimi produttori al mondo di celle per batterie agli ioni di litio personalizzate per il cliente, è impegnata a ottenere il tasso di scarti più basso possibile nella produzione delle batterie, conservando al tempo stesso la massima affidabilità del processo. Per la saldatura delle applicazioni in una delle sue linee di produzione, l’azienda, attiva nel campo della produzione e dello sviluppo, si affida alla tecnologia degli ultrasuoni. I sistemi di saldatura a ultrasuoni di Herrmann Ultraschall qui utilizzati hanno ridotto al minimo il tasso di scarti e ottimizzato efficientemente la produzione.

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ZLÍN Robotics

Un processo di giunzione più efficace, più stabile e più ecologico per le lastre in ABS: era questo l’obiettivo dell’automatizzazione del processo di assemblaggio dei cofani dei motori per i tosaerba con l’utilizzo di un robot collaborativo.

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