La saldatura a ultrasuoni di tecnopolimeri diventa ancora più precisa ed efficiente

La saldatura a ultrasuoni è la tecnologia più efficace e diffusa per l’unione dei polimeri termoplastici. Si stima che solo in Italia siano utilizzati più di 12.000 gruppi di saldatura a ultrasuoni, tra macchinari e componentistica installata in linee automatiche per applicazioni che spaziano dall’industria medicale alla farmaceutica, dall’automotive al packaging.
Fin dalla sua comparsa nel mercato, nel 1963, la tecnologia ha avuto una rapida diffusione grazie ad alcune caratteristiche ancora oggi molto apprezzate: rapidità, compattezza e ripetibilità, senza dimenticare tempi ciclo precisi al millisecondo, ripetibilità sistematica garantita dalla disponibilità di oltre 100 diversi parametri di output che possono essere verificati e analizzati a livello statistico per assicurare un’efficienza superiore al 99,97%.

Come funziona la saldatura a ultrasuoni

Dal punto di vista fisico, il principio di funzionamento della saldatura a ultrasuoni si basa su una vibrazione meccanica ad alta frequenza orientata in senso normale alla superficie di accoppiamento. Sollecita i particolari termoplastici, nella maggior parte dei casi ottenuti tramite stampaggio a iniezione, e crea al loro interno una frizione intermolecolare progressiva che porta a un aumento localizzato di temperatura. Il melting point tipico del materiale viene raggiunto dopo soli 15-20 ms. Il processo completo può durare da 0,05 secondi fino a 6-7 secondi nei casi di elementi più grandi, per esempio delle dimensioni di un foglio A4.
I migliori generatori digitali di ultrasuoni, introdotti nel mercato a partire dal 1997, possono oggi contare su tecnologie multi-core di ultima generazione e garantire fino a 20.000 cicli di controllo al secondo. I sonotrodi, gli utensili che portano la vibrazione ultrasonica ai particolari che devono essere saldati, sono sempre più complessi e precisi, e inoltre garantiscono fino a 30 milioni di cicli prima di dover essere sostituiti o rilavorati.

Il processo di saldatura viene gestito da tre parametri fondamentali, detti driver, che sono la frequenza del sistema (20, 30 o 35 kHz), la velocità di fusione e l’ampiezza di vibrazione che può variare da 15 fino a 50 micrometri. Le modalità di saldatura (o di gestione dei tre driver) sono invece il tempo, l’energia di fusione, la potenza o il controllo della quota (assoluta) o della compenetrazione dei due elementi (relativa).

La saldatura a ultrasuoni evolve

Recentemente, alcuni comparti – in particolare il medicale e l’automotive – hanno cominciato a chiedere processi di saldatura sempre più controllati, stabili e ripetibili. Le nuove esigenze in termini di performance di processo, unite ai tecnopolimeri con prestazioni superiori per resistenza termica e meccanica, stanno mettendo in difficoltà i classici processi di saldatura a ultrasuoni. Compound termicamente conduttivi, materiali complessi come il PEEK, policarbonati a elevato melting point per il lighting automotive, poliammidi caricate, PPS e PSU sono diventati ormai consuetudine in molte applicazioni.

Un’indagine condotta da MS Ultrasonic Technology Group nel 2018 evidenzia che oltre il 48% delle aziende italiane ritiene che il proprio processo di saldatura non performi in modo adeguato, diventando quindi una fonte di perdita. Se confrontiamo questo dato con quello emerso dalla medesima indagine effettuata nel 2011, scopriamo che in quell’anno la percentuale di insoddisfazione era di poco superiore al 27%. Il segnale è quindi inequivocabile. Per appagare le nuove esigenze in termini di prestazioni e affidabilità, i costruttori di tecnologie per la saldatura a ultrasuoni si sono subito attivati nello sviluppo di macchinari e componenti (generatori, sonotrodi e servo attuatori) sempre più evoluti. Alcuni studi effettuati a partire dal 2013 dalla società tedesca MS Ultrasonic Technology Group, in collaborazione con l’università di Costanza e l’istituto tedesco di analisi dei materiali plastici SKZ, dimostrano che un processo di saldatura gestito utilizzando una specifica velocità di fusione invece della classica forza statica, assicura una resistenza meccanica superiore fino al 34%, riduce la deviazione standard dal 3,9% fino allo 0,9% e permette di ottenere un’efficienza superiore al 99,4% in termini di tenuta ermetica. E la tecnologia è tuttora in evoluzione.

Sonotrodo in lega di titanio della lunghezza di 450 millimetri per la saldatura del terzo stop di una Supercar

I limiti della pneumatica negli ultrasuoni

Fin dalla metà degli anni ‘70, con l’avvento delle prime saldatrici manuali, è stata impiegata la pneumatica per movimentare l’unità vibrante (convertitore, amplificatore e sonotrodo) e portarla così in contatto con le parti da saldare. La pressione (o la forza) prodotta, unita alla vibrazione ultrasonica in forma di onda stazionaria, forza la compenetrazione di aree predisposte (chiamate regioni di giunzione) in modo da ottenere una perfetta fusione molecolare. L’applicazione di questa forza statica è stata utilizzata per decenni per assicurare il corretto contatto tra il sonotrodo (utensile vibrante) e gli elementi da saldare. Questa adesione crea un trasferimento di energia sotto forma di vibrazione ad alta frequenza tra le due parti e le porta alla progressiva fusione con una generazione di calore dall’interno verso l’esterno. Il sistema era semplice da gestire, economico e di sufficiente precisione per le richieste del tempo.

Analisi del corretto bilanciamento della fusione su particolare medicale per cardiochirurgia

Il principale limite tecnologico è legato al fatto che la pneumatica rappresenta un sistema passivo di gestione della saldatura (Passive Force Profile), perché può esercitare solo una determinata forza (o pressione) in modo statico senza tuttavia controllarne l’andamento dinamico, fondamentale per la corretta fusione e la massima robustezza della giunzione. La gestione della velocità del processo di fusione è sempre stata complessa. Neanche la possibilità di disporre di più forze in sequenza, tramite l’utilizzo di una valvola proporzionale, ha offerto una soluzione veramente affidabile per la stabilità del processo. Anche le complessità di gestione, tipiche dei nuovi tecnopolimeri e dei processi ad assi associati, hanno rappresentato per la saldatura a ultrasuoni un vero punto di svolta. Il settore medicale, in particolare, pone continuamente sfide sempre più complesse. Nelle camere bianche con temperatura e umidità controllate, le condizioni di produzione variano continuamente sia in relazione ai cambiamenti stagionali (specialmente per polimeri altamente igroscopici come le poliammidi), sia per le frequenti modifiche dei polimeri stessi. I produttori di granuli, infatti, modificano ciclicamente la composizione dei polimeri, imponendo agli uffici qualità delle aziende utilizzatrici la continua omologazione di nuove materie prime. La stessa situazione si riscontra in misura anche maggiore nei disposable/device che comportano la saldatura di una o più membrane per scopi di filtrazione o isolamento (applicazioni che oggi rappresentano circa il 38% di tutta la produzione del settore medicale). La saldatura a ultrasuoni subisce quindi delle inevitabili deviazioni di processo che devono essere continuamente gestite in modo manuale dagli operatori riadattando il setup macchina.

Studi sperimentali sui limiti della pneumatica

Da uno studio effettuato mediante una camera ad alta velocità (150.000 fotogrammi al secondo) è emerso che quando il direttore di energia comincia a fondere sotto l’effetto di una forza costante, la velocità di fusione aumenta fino a 10 mm/s dopo l’innesco. Questo perché il direttore di energia viene realizzato a spigolo vivo per agevolare l’inizio della fusione e la direttività del processo (tipicamente con angoli compresi tra 45° e 90° con un raggio di raccordo tra 0,1 e 0,15 mm). Per adattarsi al passaggio tra la situazione di trigger (primo contatto tra sonotrodo e parte) e l’inizio della saldatura, la valvola pneumatica deve continuamente immettere o rilasciare l’aria dal cilindro in modo quasi istantaneo. Questa situazione critica rappresenta il vero limite fisico a causa della ridotta velocità di spostamento dell’aria. Studi e ricerche in questo ambito hanno evidenziato che il ritardo connesso alla movimentazione dell’aria nel cilindro causa facilmente la perdita di contatto tra sonotrodo e pezzo. Le evidenze di questo fenomeno sono rappresentate dalla fuoriuscita del materiale fuso dalla giunzione (bave) e l’effetto di strisciamento del sonotrodo che causa usura dell’utensile stesso ed evidenti segni estetici. A questi effetti estetici si sovrappongono complicazioni strutturali che portano a una cospicua riduzione dello spessore della giunzione. Minor tenuta meccanica e un’elevata percentuale di perdite sono le situazioni più comuni sperimentate ogni giorno da molte aziende.

Soluzione di taglio/saldatura di una rete in PEEK con bordo cicatrizzato dalla fusione

Il controllo preciso della quota

Un aspetto fondamentale di gestione della saldatura è il controllo preciso della quota relativa di compenetrazione. Quando il sonotrodo raggiunge la profondità relativa prefissata, tipicamente da 0,2 mm fino a 0,7 mm, l’encoder o la riga ottica presente nelle saldatrici pneumatiche comunica al cilindro di rilasciare l’aria e al generatore di fermare la vibrazione. In questa situazione l’inerzia del sistema (più è importante la massa del sonotrodo più questa componente è rilevante), unita alla velocità finita dell’aria, provoca una deviazione standard dei risultati fino al 2,9%. Nelle stesse condizioni, l’impiego di una velocità di saldatura costante, utilizzando un servo motore, garantisce una deviazione standard inferiore allo 0,4%.

Altri studi hanno evidenziato che quando si applica una forza costante, la velocità di fusione varia in relazione alle condizioni istantanee e al tipo di polimero utilizzato. In particolare, è stato dimostrato che i polimeri semicristallini richiedono una velocità di fusione superiore a quelli amorfi a causa dei differenti livelli di viscosità: i semicristallini hanno una temperatura di fusione assoluta con bassa viscosità, mentre gli amorfi hanno una temperatura di rammollimento con una viscosità nettamente più elevata. In base ai test effettuati nel laboratorio MS di Spaichingen (Germania), per i polimeri amorfi si consiglia una velocità di saldatura compresa tra 0,3 mm/s e 1,8 mm/s, mentre per i semicristallini i valori ottimali variano da un minimo di 1,5 mm/s fino a un massimo di 4,2 mm/s.

Tenso-strutture e servo motori

La richiesta del mercato è chiara. Un controllo di processo più preciso e affidabile, che permetta di regolare in modo sistematico e con la massima accuratezza la velocità di fusione e lo spessore dell’area di saldatura, è fondamentale per assicurare la massima ripetibilità dei risultati e azzerare gli scarti. Seguendo il trend dello stampaggio a iniezione, dove i motori elettrici di nuova generazione stanno definitivamente sostituendo quelli idraulici, anche nella saldatura a ultrasuoni è iniziata la nuova era dei servo motori.

L’avvento delle saldatrici dotate di servo motore sta rivoluzionando il modo di controllare il processo di saldatura. Il nuovo sistema è composto da una cella di carico ad alta precisione, sensori di nuova generazione, due encoder che garantiscono un controllo incrociato della posizione e un generatore di ultrasuoni capace di analizzare con precisione lo spettro di frequenze dei sonotrodi e di ottimizzare in modo automatico la corretta oscillazione primaria evitando le frequenze parassite. Il sistema di controllo a ciclo chiuso può analizzare e retro-azionare il ciclo fino a 20.000 volte al secondo. Il grafico di saldatura permette di visualizzare in modo chiaro e completo i parametri fondamentali come ampiezza, forza, potenza, distanza e velocità, misurandoli ogni millisecondo. La grande complessità dell’ultrasuono coi suoi tempi relativistici viene così portata a una comprensione semplice e intuitiva.

Sistema multi-sonotrodo interspazio 0 per grandi superfici di saldatura

La guida attiva del processo di fusione

Sebbene le saldatrici servo elettriche siano sul mercato già da parecchi anni non sono mai riuscite a soppiantare quelle pneumatiche. Per quali ragioni? Il motivo è molto semplice. Dovendo processare materiali termoplastici quali ABS, PC, PA o PPS, la principale difficoltà è la gestione della fusione nelle regioni di comportamento non lineare. Il servo motore gestisce il processo di saldatura in modo estremamente preciso (con risoluzione di 0,001 mm) ma nello stesso tempo anche rigido. Durante la fusione, specialmente per i materiali semicristallini, si attraversano zone di comportamento non-lineare, quindi il processo richiede un sistema che sia in grado di assecondarlo e seguirlo in tempo reale. Se il servo motore non riesce ad adattare la velocità di discesa in modo istantaneo, si incontrano due principali problemi: il sonotrodo perde contatto con la parte e crea evidenti segni estetici sulla superficie di appoggio e il materiale fuso viene espulso dalla regione di giunzione provocando bave e zone di perdita.

Per risolvere questo problema è stata sviluppata la struttura tenso-flettente ParalliCer®. È costituita da un telaio flessibile vincolato, chiamato C-frame, che si comporta in modo simile a una molla (spring-load effect). Quando il servo motore applica una determinata forza all’unità vibrante (controllata dalla cella di carico posta in posizione normale) il sistema ParalliCer si flette. La flessione assicura che il sonotrodo sia sempre e costantemente in contatto con i particolari in ogni istante, anche nelle regioni di comportamento non lineare del polimero. In questo modo, il sistema si autoregola in tempo reale, agendo sulla flessione o sulla deflessione del C-frame.

ParalliCer permette l’utilizzo di intervalli di forze finora impensabili, da 5 N fino a 3.000 N oppure da 100 N fino a 9.000 N per la Genesis Newton. Sfruttando i tradizionali sistemi pneumatici sarebbe stato necessario utilizzare almeno quattro diverse taglie di cilindri per coprire un simile intervallo, nessuno dei quali sarebbe comunque riuscito a garantire la massima precisione su tutta la scala di valori. Inoltre, l’assenza dell’aria compressa assicura un chiaro risparmio energetico (specialmente per le camere sterili) e una maggiore affidabilità delle calibrazioni nel medio e lungo periodo.

Compatte e veloci, le saldatrici di ultima generazione SoniTOP di MS Ultrasonic Technology Group combinano la precisione del servo motore alla flessibilità dinamica del ParalliCer®

Saldatrici di ultima generazione

Le saldatrici di ultima generazione SoniTOP di MS Ultrasonic Technology Group combinano la precisione del servo motore alla flessibilità dinamica del ParalliCer. Il processo di saldatura viene gestito con una guida attiva del processo di fusione (Active Melting Drive), che consente al sistema di auto-adattarsi al cambiamento delle condizioni iniziali. Variazioni di umidità, modifiche dimensionali e incompletezze dei direttori di energia vengono così facilmente identificate e compensate per ottenere la massima stabilità del processo.

L’efficienza energetica di queste saldatrici può essere verificata in modo semplice da chiunque dopo ogni singola saldatura semplicemente misurando la temperatura degli elementi appena saldati. L’accoppiamento costante tra il sonotrodo e la parte permette di mantenere il calore di fusione completamente all’interno della regione di saldatura, riducendo fino al 68% la dispersione dell’energia di plastificazione. Le parti appena saldate sono già a temperatura ambiente e preservano in modo migliore sia le caratteristiche meccaniche, sia quelle dei componenti elettronici interni, dove presenti. Il sonotrodo ha una minore usura e preserva nettamente più a lungo la sua uniformità superficiale di vibrazione.

Più efficienza per il medicale

I laboratori MS di Spaichingen (Germania) e di Fonte (presso Summit Automation) testano ogni giorno le applicazioni più complesse e sfidanti per garantire sempre maggiori vantaggi competitivi dell’utilizzo della nuova tecnologia. Le prove condotti su filtri del sangue, sensori, pompe centrifughe, fanali… indicano chiaramente che la guida attiva del processo di fusione insieme alla tecnologia Servo-ParalliCer migliora l’efficienza e la stabilità dei processi rispetto alla tradizionale tecnologia pneumatica.

I risultati sono confermati anche da uno studio condotto da un’azienda del distretto medicale di Mirandola. In particolare, l’analisi della saldatura di un filtro dell’aria (di dimensioni importanti, 80×84 mm) con una membrana interna da comprimere per garantire la tenuta ermetica, ha evidenziato prestazioni senza precedenti.

Su 12.124 parti saldate, 0,12% scarti di saldatura e il 100% di tenuta ermetica nei particolari testati. Le tolleranze dimensionali post saldatura sono state mantenute in un intervallo di 2 centesimi.

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