La saldatura a ultrasuoni è uno dei processi più utilizzati per l'incollaggio dei polimeri, apprezzato per la sua velocità, flessibilità e basso costo. Negli ultimi anni è aumentata la richiesta da parte di OEM e aziende di trasformazione di una saldatura a ultrasuoni più controllata e costante, soprattutto per la produzione di dispositivi medici e componenti di precisione di alto valore. I nuovi sviluppi delle saldatrici elettriche servoassistite stanno aiutando a rispondere a questa sfida.
I test applicativi e il feedback dei clienti hanno dimostrato che le saldatrici a ultrasuoni elettriche servocomandate possono fornire risultati significativamente più costanti rispetto alle saldatrici a ultrasuoni pneumatiche standard. La saldatura servocontrollata è destinata alla produzione di componenti e assiemi che richiedono tolleranze dimensionali precise, come quelli dei sistemi medicali, elettrici, automobilistici, robotici e di controllo dei fluidi. Gli ultrasuoni servo-controllati facilitano anche la produzione di parti che richiedono la convalida della FDA, dove il processo offre ripetibilità e documentazione precisa.
Con i sistemi servo, i produttori di beni di alto valore, come i componenti medicali, hanno a disposizione un'opzione di saldatura servo-controllata che offre vantaggi significativi in termini di prestazioni rispetto alla pneumatica. Si tratta di uno sviluppo innovativo nella saldatura delle materie plastiche che risolve le sfide più pressanti per i produttori: ripetibilità del processo, convalida, calibrazione e costi di produzione.
SERVO VS. PNEUMATICA
La saldatura a ultrasuoni è l'unione di materiali termoplastici attraverso l'uso del calore generato dal movimento meccanico ad alta frequenza. Sebbene sia stata sviluppata per la prima volta diversi decenni fa e sia stata ampiamente utilizzata nell'industria delle materie plastiche per diversi anni, ci sono stati pochi cambiamenti fondamentali nella progettazione del processo dall'introduzione di "Weld by Distance" da parte di Dukane nel 1988.
Le saldatrici a ultrasuoni sono da tempo una scelta popolare per la giunzione di materiali termoplastici in un'ampia gamma di mercati finali, grazie a diversi fattori. Le apparecchiature sono compatte, facili da integrare nell'automazione ed economiche. Inoltre, i saldatori a ultrasuoni sono in grado di produrre saldature di alta qualità in tempi di ciclo ridotti. Il più grande vantaggio della saldatura a ultrasuoni, tuttavia, è la possibilità di utilizzare un controllo di processo molto preciso.
Le saldatrici a ultrasuoni servocontrollate, come la serie iQ di Dukane con tecnologia Melt-Match, offrono numerosi vantaggi rispetto a quelle pneumatiche, come un controllo molto più preciso delle distanze di saldatura e di arresto.
L'apparecchiatura di saldatura è generalmente composta da una pressa, un generatore, un trasduttore, un amplificatore e un corno. Il generatore converte la corrente elettrica standard in tensione alternata ad alta frequenza, che viene poi fatta passare attraverso il trasduttore. Il trasduttore è costituito da ceramiche piezoelettriche che si espandono e si contraggono alla stessa frequenza della tensione alternata applicata a ciascun lato della ceramica. Questa vibrazione meccanica sinusoidale viene quindi trasmessa attraverso il booster e il corno alle parti da unire. Quando la pressa applica una forza tra i pezzi, queste vibrazioni passano all'area del giunto di saldatura, dove avviene la fusione. Dopo l'interruzione delle vibrazioni, la plastica si solidifica durante la fase di "mantenimento", formando un assemblaggio saldato.
La funzione di base di una pressa pneumatica è quella di applicare una forza tra i pezzi utilizzando un cilindro d'aria. La quantità di forza è generalmente controllata mediante un regolatore di pressione e una o più valvole. I parametri tipici di controllo del processo a disposizione dell'utente sono l'ampiezza degli ultrasuoni, la pressione di saldatura (costante o a profilo), il tempo di saldatura, la pressione di mantenimento (costante o a profilo) e il tempo di mantenimento. I sistemi più avanzati sono anche in grado di misurare la distanza, consentendo un ulteriore livello di controllo delle distanze di saldatura e di mantenimento.
Le saldatrici servoassistite, come la serie iQ di Dukane, introdotta nel 2009, sono diverse dai sistemi pneumatici perché utilizzano un servoattuatore elettrico al posto del cilindro pneumatico. Invece di controllare la forza, il sistema servo controlla la velocità del corno durante le fasi di saldatura e di mantenimento. I parametri tipici di controllo del processo servo sono l'ampiezza degli ultrasuoni, la distanza di saldatura, la velocità di saldatura (costante o a profilo), la distanza di mantenimento, la velocità di mantenimento e il tempo di mantenimento statico.
VANTAGGI DEL SERVO
La saldatrice servoassistita offre diversi vantaggi rispetto ai sistemi pneumatici. Il vantaggio principale è il controllo molto più preciso delle distanze di saldatura e di arresto, che deriva dal metodo di controllo della distanza. Nei sistemi pneumatici, la distanza viene controllata indirettamente scaricando la pressione dal cilindro dell'aria una volta raggiunta la distanza desiderata. A causa della velocità limitata con cui l'aria compressa può fuoriuscire dal cilindro e di altri fattori, la pressa in genere supera la distanza di collasso desiderata in misura variabile.
Al contrario, il servosistema controlla la distanza direttamente attraverso un controllo di posizione ad anello chiuso. Il servo cerca dinamicamente di raggiungere la posizione desiderata, ottenendo risultati molto precisi e ripetibili.
I dati di un esperimento che ha confrontato la ripetibilità della saldatura a distanza di parti rotonde di filtri in policarbonato (vedere la Fig. 1) indicano che la deviazione standard del collasso totale del pezzo era più di 3,5 volte inferiore per il sistema servo rispetto al sistema pneumatico (i valori effettivi erano 0,00012 in. o 3 μm per il servo rispetto a 0,00046 in. o 12 μm per il pneumatico). Anche la deviazione standard della forza di trazione della saldatura rispetto alla media è stata inferiore: 2% per il servo contro 4% per il pneumatico.
Fig. 1-I dati sperimentali che confrontano la ripetibilità della saldatura a distanza di parti rotonde di filtri in policarbonato mostrano che la deviazione standard del collasso totale del pezzo è più di 3,5 volte inferiore per il sistema servo rispetto al sistema pneumatico.
Un esempio delle prestazioni del servo in ambito industriale è la saldatura dei pezzi della valvola di ritegno doppia mostrata nella Fig. 2 (i pezzi e i dati di saldatura provengono da Value Plastics Inc., Fort Collins, Colo.). Programmato per saldare con una distanza di collasso di 0,0088 pollici, il servosistema ha ottenuto un collasso medio di 0,0088 pollici (224 μm) con una deviazione standard di 0,00008 pollici (2 μm) per un campione di 1000 pezzi. Oltre all'elevata ripetibilità delle prestazioni di collasso della saldatura, la qualità delle saldature ottenute con il sistema servo è risultata migliore rispetto a quella ottenuta con una saldatrice pneumatica, grazie all'eliminazione delle bolle d'aria in prossimità della zona di saldatura (Fig. 3).
Fig. 2-Un altro esempio di prestazioni del servo è la saldatura di parti di valvole di controllo doppie stampate da Value Plastics Inc. Programmato per saldare con una distanza di collasso di 0,0088 pollici, il servosistema ha ottenuto un collasso medio di 0,0088 pollici (224 μm) con una deviazione standard di 0,00008 pollici (2 μm) per un campione di 1000 pezzi.
Fig. 3-La qualità delle saldature ottenute con il sistema servo supera quella di una saldatrice pneumatica grazie all'eliminazione delle bolle d'aria in prossimità della zona di saldatura.
Un altro vantaggio è la capacità del sistema di servopressa di cambiare rapidamente la velocità. In alcune applicazioni, è auspicabile profilare la velocità durante la saldatura per adattarla alla velocità di fusione del materiale. Poiché la maggior parte delle saldature a ultrasuoni dura meno di 0,5 secondi, è fondamentale cambiare rapidamente la velocità per ottenere una profilatura significativa della saldatura. Il servosistema è in grado di effettuare accelerazioni di 50 in./sec2, il che equivale a cambiare la velocità di 1 in./sec in 0,020 sec.
La possibilità di programmare velocità indipendenti per un massimo di 10 segmenti diversi della saldatura, insieme alla capacità del servosistema di rilevare dinamicamente l'inizio della fusione all'inizio del processo di saldatura, è ciò che Dukane definisce tecnologia Melt-Match. Sebbene alcuni sistemi pneumatici siano in grado di variare la forza durante la saldatura, la velocità di variazione è limitata dal tempo necessario per far entrare o uscire l'aria dal cilindro. Le rapide variazioni di velocità della servo-saldatrice offrono anche la flessibilità di raggiungere velocità di mantenimento sostanzialmente diverse da quelle di saldatura.
La versatilità è un altro vantaggio fondamentale dei sistemi servo. Alcune applicazioni considerate molto difficili, se non impossibili, da realizzare con una saldatrice pneumatica, sono state eseguite con successo con un sistema servo. Un esempio è la saldatura e il taglio di film sottili, dove le distanze e le forze di saldatura sono molto ridotte. Con un controllo preciso della distanza, il servosistema è in grado di ottenere saldature di qualità.
Altri vantaggi del servosistema sono
- Maggiore capacità di controllo nella fase di mantenimento, che consiste in una fase dinamica (i pezzi vengono ulteriormente collassati dopo lo spegnimento degli ultrasuoni) e in una fase statica (il servo mantiene la posizione finale per consentire il completamento del processo di solidificazione).
- Facilità di calibrazione grazie all'eliminazione dei componenti pneumatici
- Facilità di "clonazione" della saldatrice grazie al controllo digitale del processo (cioè la possibilità di impostare più saldatrici per ottenere prestazioni identiche).
GRANDI VANTAGGI ECONOMICI
I sistemi di saldatura servocontrollati offrono anche molti vantaggi economici. Grazie all'elevato grado di ripetibilità del processo, è possibile ridurre gli scarti. Questa maggiore capacità di massimizzare i rendimenti è particolarmente importante nei casi in cui i pezzi assemblati sono di alto valore.
Anche l'eliminazione dell'aria compressa per l'azionamento della pressa può produrre risparmi. Un tipico compressore da 40 hp può costare circa 13.000 dollari all'anno. Inoltre, i costi di manutenzione previsti sono minori. Nelle applicazioni tipiche, il servoattuatore ha una durata superiore a 200 milioni di cicli.
Per garantire la ripetibilità del processo e mantenere la calibrazione, il servosistema è progettato senza controlli meccanici regolabili dell'operatore sulla macchina. Ciò impedisce modifiche accidentali o non autorizzate alla calibrazione e alla convalida.
Un'altra caratteristica chiave che garantisce un più stretto controllo del processo è l'alimentatore brevettato di Dukane della serie iQ. Vanta una velocità di elaborazione leader nel settore di 0,5 millisec. Il sistema utilizza anche il software di interfaccia grafica iQ Explorer per facilitare l'impostazione del processo e l'acquisizione dei dati di saldatura.
Sebbene i servosistemi siano generalmente più costosi delle pneumatiche standard prive di funzionalità di controllo del processo, rientrano nella fascia di prezzo delle pneumatiche di fascia alta con funzioni di controllo avanzate. I sistemi servo-controllati di Dukane sono stati installati presso numerosi OEM e stabilimenti di lavorazione in Nord America, Europa e Asia.
L'autore
Paul Golko è ingegnere di progetto senior presso Dukane Corp., St. Charles, IL, dove ha lavorato allo sviluppo di apparecchiature di saldatura servo-guidate, tra cui la saldatrice a ultrasuoni servo iQ.
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