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Esperimenti di controllo della velocità con la saldatrice a ultrasuoni servoassistita di Dukane

Autori:

Miranda Marcus

Satish Anantharaman

Bob Aldaz

Esperimenti di controllo della velocità con la saldatrice a ultrasuoni servoassistita di Dukane

Già prima dell'introduzione della *saldatrice servoassistita* di Dukane, era nota la necessità di controllare la velocità.  Come ha scritto Mikell Knights nel 2005, "la ricerca ha dimostrato che la costanza della velocità di fusione ha un'influenza diretta sulla forza del legame". Una velocità lineare significa una velocità di fusione costante che, a sua volta, crea una struttura molecolare omogenea e una saldatura più forte [A].

Negli anni passati sono stati compiuti molti sforzi per cercare di ottenere un controllo costante della velocità con i sistemi pneumatici [2, 3]. Questi sforzi sono stati vani, poiché non è possibile ottenere un controllo preciso della velocità con una saldatrice pneumatica [C]. Come ha affermato uno scrittore, "cercare di ottenere un controllo preciso della velocità con una pressa pneumatica era 'l'equivalente di inviare una nave in un viaggio oceanico con una mappa e una bussola da una scatola di cereali. " [B]. *La saldatrice a ultrasuoni servoassistita* di Dukane offre un netto miglioramento nel controllo del processo.

Studi condotti con saldatrici a ultrasuoni servoassistite hanno dimostrato che la velocità di saldatura programmata può essere direttamente correlata alla resistenza della saldatura [C, D, E, F]. In uno studio condotto presso l'Ohio State University è stato dimostrato che utilizzando un profilo di velocità definito con una velocità più bassa durante l'inizio della fusione e una velocità più alta a metà e alla fine della saldatura, è stato possibile aumentare la resistenza con un tempo di saldatura inferiore e una marcatura superficiale ridotta [F]. Dukane ha fornito un nuovo ed esclusivo controllo della saldatura per ottenere questo inizio di fusione prima del collasso della saldatura, grazie all'uso della funzione brevettata "melt detect". Questa funzione consente alla pressa di entrare in contatto con i pezzi e di attivare la vibrazione a ultrasuoni senza alcun movimento verticale fino a quando non viene rilevato un calo di forza che indica l'inizio della saldatura [C].

Sperimentazione

Uno dei maggiori vantaggi della saldatura a ultrasuoni servoassistita è la possibilità di programmare una specifica velocità di saldatura.  Spesso si è detto che la saldatura della plastica è più arte che scienza.  Con i nuovi controlli disponibili, non è più così.  In questo esperimento, abbiamo realizzato un modello a elementi finiti e un modello alle differenze finite di un giunto a taglio in un campione standard AWS I-Beam per determinare la velocità di formazione della fusione e poi abbiamo saldato i pezzi a diverse velocità di saldatura per determinare se la velocità di saldatura modellata potesse essere correlata alla velocità di saldatura ottimale attraverso i dati sperimentali.

Figura 1: Disegno di una trave a I AWS con giunto a taglio [12]

Per l'analisi agli elementi finiti, è stato realizzato un modello CAD ProE 3D della trave a I AWS, composta da tre singoli pezzi: la parte superiore, la parte inferiore e il giunto a taglio. Al giunto a taglio è stato assegnato un tasso di generazione di calore basato sulla seguente equazione: Q = πƒ-ε²-Eloss, dove ε² è l'ampiezza della deformazione nel giunto a taglio, calcolata dividendo l'ampiezza per la lunghezza. Eloss è il modulo di perdita del materiale (Nylon 6,6 in questo caso).

Figura 2: Schermate dell'analisi agli elementi finiti (modellazione della metà del pezzo)

L'analisi alle differenze finite è stata eseguita con le stesse fasi iniziali.  Tuttavia, invece di utilizzare un modello CAD, per l'analisi 1D è stato utilizzato Mathcad.

Tabella 1: Tassi di formazione della massa fusa calcolati per l'analisi agli elementi finiti (FEA) e l'analisi delle differenze finite (FDA).

Dopo aver determinato la velocità di saldatura teorica ideale per la formazione della colata, sono stati saldati cinque pezzi a ciascuna delle cinque velocità: 0,5 mm/s, 2 mm/s, 4 mm/s, 6 mm/s e 10 mm/s. Dopo la saldatura, i pezzi sono stati tagliati a metà e ogni metà è stata sottoposta a prove di trazione per determinare la resistenza relativa della saldatura.

I risultati

Dopo le prove di trazione, è stata osservata una chiara relazione tra la velocità di saldatura e la resistenza, come previsto.  L'aspetto più interessante è che la massima resistenza della saldatura è stata osservata a 4 mm/s e 6 mm/s, che sono stati modellati per essere i tassi iniziali di formazione della fusione nel pezzo.

Un altro risultato interessante è che la tenacità della saldatura, misurata in base all'allungamento, ha seguito lo stesso schema generale della resistenza della saldatura, sebbene la differenza tra le velocità di saldatura non fosse così netta.

Figura 5: Resistenza e allungamento della saldatura in funzione della velocità di saldatura

Riferimenti

A. M. Knights. "L'analisi grafica aiuta a trovare e risolvere i problemi di saldatura a ultrasuoni" Tecnologia delle materie plastiche. Settembre 2005.

B. T. Kirkland. "Saldatura a ultrasuoni: La necessità di controllare la velocità" Plastics Decorating. Luglio/Agosto 2012.

C. S. T. Flowers. "Saldatura a ultrasuoni servo-guidata di biocompositi" ANTEC 2012.

D. A. Benatar. "Saldatura a ultrasuoni servo-guidata di termoplastici semicristallini" 39° Simposio annuale dell'Associazione dell'Industria degli Ultrasuoni. Cambridge, MA. 2010.

E. M. Marcus, P. Golko, S. Lester, L. Klinstein. "Confronto tra una saldatrice a ultrasuoni servoassistita e una saldatrice a ultrasuoni pneumatica standard" ANTEC 2009.

F. A. Mokhtarzadeh e A. Benatar. "Confronto tra la saldatura a ultrasuoni servo e pneumatica di giunti a taglio in HDPE" ANTEC 2011.

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