Dopo aver modellato con cura un bel prodotto, non c'è niente di peggio che vederlo distrutto durante l'assemblaggio. Ogni processo di giunzione può causare marcature, bagliori, particelle, danni alle appendici o altri difetti estetici. Tuttavia, con una corretta progettazione e lavorazione del pezzo, una saldatura finita può essere impercettibile o addirittura un pregio estetico. L'arte dell'incollaggio attraente è specifica per ogni processo o tipo di prodotto. Sia che i pezzi vengano lavorati con ultrasuoni, centrifuga, vibrazione, piastra calda, saldatura laser o picchettamento termico, esistono metodi per migliorare l'aspetto del prodotto complessivo dopo l'incollaggio.
La saldatura è una necessità comune per un'ampia varietà di settori, tra cui automotive, medicale, elettronica e prodotti di consumo. Sia che si tratti di componenti che devono essere racchiusi in modo sicuro, sia che la geometria del pezzo sia troppo complessa per essere lavorata in un unico pezzo, spesso è necessaria una fase di giunzione secondaria.
Un'ampia varietà di prodotti deve presentare saldature o legami estetici. Gli imballaggi, soprattutto quelli a conchiglia, sono probabilmente l'esempio più evidente. Altre applicazioni estetiche impegnative sono i fari e le luci posteriori dei veicoli, gli spoiler, gli involucri delle batterie, i dispositivi medici, i giocattoli, le stoviglie e gli utensili, gli alloggiamenti dei dispositivi elettronici, le mascherine, le recinzioni, i mobili e i filtri. Per questi prodotti, e per molti altri, è necessario contenere il flusso di fusione, eliminare le scintille o il particolato, prevenire i segni degli utensili ed eliminare qualsiasi altro danno ai pezzi.
I metodi per preservare i cosmetici sono tanto diversi quanto i processi di saldatura disponibili. Ogni processo di assemblaggio può produrre una propria varietà di sfaceli decorativi. Fortunatamente, per ogni potenziale problema estetico esiste una soluzione.
Saldatura a ultrasuoni
La saldatura a ultrasuoni utilizza ceramiche piezoelettriche che convertono la corrente elettrica in movimento meccanico. Le vibrazioni ad alta frequenza (da 15 kHz a 90 kHz) vengono trasmesse attraverso la parte in plastica fino al giunto, dove le sollecitazioni e le tensioni intermolecolari provocano la fusione della superficie di entrambe le parti e la conseguente saldatura. La saldatura a ultrasuoni è utilizzata per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui gusci di conchiglie, alloggiamenti elettronici, applicazioni mediche e saldatura di tessuti.
Design del giunto
Uno dei difetti estetici più comuni che derivano dalla saldatura a ultrasuoni è il flash, ovvero il materiale fuso che viene spinto fuori dal giunto in corrispondenza dell'interfaccia di saldatura. Oltre a essere antiestetico, il flash può anche essere un difetto funzionale in alcune applicazioni. Ad esempio, gli alloggiamenti dei filtri dell'aria o dell'acqua di solito non possono avere un flash all'interno.
Fortunatamente, il flash può essere facilmente evitato grazie a una corretta progettazione del giunto. In genere, nella produzione, c'è un equilibrio tra la resistenza della saldatura e la quantità di bagliori. Per ottenere una maggiore resistenza, è necessario un maggiore collasso del giunto e si produce una maggiore quantità di bava. Tuttavia, la semplice aggiunta di una trappola per le scintille al progetto del pezzo può consentire una resistenza sufficiente senza scintille. La Figura 1 mostra alcuni comuni giunti a ultrasuoni che possono nascondere efficacemente l'appassimento e produrre una saldatura forte.
Figura 1: Giunti a ultrasuoni che nascondono l'infiammabilità
De-gating
Un secondo difetto comune della saldatura a ultrasuoni è il de-gating di piccoli elementi dell'assemblaggio durante la saldatura. Poiché gli ultrasuoni dipendono dalle vibrazioni ad alta frequenza delle parti, è possibile che si formino cricche in aree con angoli vivi o piccole sezioni trasversali. A volte queste cricche sono così gravi che i piccoli elementi possono essere completamente tagliati o de-grattati.
Esistono due modi principali per prevenire questo tipo di danni. Aumentare i raggi o la sezione trasversale dell'area interessata o diminuire l'ampiezza del processo. Tuttavia, la riduzione dell'ampiezza ha spesso un impatto negativo sulla saldatura, in quanto riduce essenzialmente l'energia disponibile per saldare i pezzi. Pertanto, se possibile, è meglio eliminare gli elementi piccoli o fragili quando si utilizza la saldatura a ultrasuoni.
Marcatura della superficie
Quando si saldano parti strutturate, è molto probabile che il corno a ultrasuoni segni la superficie di contatto. Sulle superfici strutturate, è possibile che vi siano punti lucidi in cui la struttura è stata rimossa durante la saldatura. Per evitare questo inconveniente, è sufficiente interporre uno strato di pellicola sottile tra il pezzo e il corno. La Figura 2 mostra un esempio di questo tipo di difetto estetico.
Figura 2: La saldatura a ultrasuoni può causare danni alla struttura dei pezzi
La marcatura può verificarsi anche quando il corno lascia un residuo sul pezzo, vedi Figura 3. Questo fenomeno è più frequente con corni in alluminio o in titanio che saldano parti bianche. Questo fenomeno è più frequente nel caso di corna in alluminio o in titanio che saldano parti bianche. L'utilizzo di corni in alluminio cromato è il modo migliore per prevenire questo tipo di problema.
Figura 3: La saldatura a ultrasuoni con un corno di alluminio può lasciare residui sul pezzo.
Film e tessuto
Come accennato nell'introduzione, l'imballaggio a conchiglia è uno dei settori più importanti in cui è richiesto l'assemblaggio di cosmetici. La saldatura a ultrasuoni è uno dei processi più utilizzati per queste applicazioni. Per migliorare l'aspetto di queste saldature è stata sviluppata un'ampia gamma di modelli di saldatura. La Figura 4 mostra alcuni schemi di saldatura comuni utilizzati per le confezioni a conchiglia.
Figura 4: Esempi di modelli utilizzati per saldare i gusci di conchiglia
Questi stessi modelli possono essere utilizzati anche per la saldatura di tessuti, come spesso avviene per le tende da doccia, le lenzuola di plastica o persino gli indumenti. In effetti, i tessuti possono essere saldati con gli ultrasuoni, in modo molto simile a come vengono cuciti, utilizzando un'incudine rotante sotto un corno fisso azionato da un pedale. Per la saldatura dei tessuti è possibile utilizzare una gamma ancora più ampia di modelli attraenti, alcuni dei quali sono illustrati nella Figura 5 qui sotto.
Figura 5: Modelli utilizzati per saldare pellicole o tessuti
Saldatura a rotazione
Un altro processo di saldatura comune è la saldatura a rotazione. In questo processo, una delle parti viene tenuta ferma e l'altra viene fatta ruotare ad alti giri al minuto per generare calore di attrito sul giunto circolare. Durante la rotazione, le parti vengono premute insieme per formare una saldatura. La saldatura a rotazione viene spesso utilizzata, tra l'altro, per unire tubi, tazze o vaschette isolate e alloggiamenti di filtri.
Design del giunto
Lo svantaggio maggiore, dal punto di vista estetico, della saldatura a rotazione è che genera una quantità significativa di bagliori. A differenza della saldatura a ultrasuoni, i pezzi sono in movimento durante il processo di saldatura, il che significa che anche lo strato di fusione è in movimento. Di conseguenza, è necessario generare una quantità maggiore di fusione per garantire un buon contatto tra le parti e una saldatura solida. La Figura 6 mostra un esempio del tipo di flash generato durante la saldatura a rotazione.
Figura 6: Lampo di saldatura a rotazione
Pertanto, per tutte le applicazioni in cui l'estetica è un problema, il pezzo deve essere progettato in modo da nascondere il materiale fuso; nella Figura 7 sono illustrati alcuni giunti di saldatura in grado di nascondere la fiammata. Tuttavia, nel caso di pezzi fuori squadra, spesso non è possibile contenere la fiammata semplicemente utilizzando un diverso design del giunto. In questi casi, è necessaria una fase secondaria di rimozione della fiamma.
Figura 7: Design dei giunti di saldatura a rotazione in grado di nascondere le scintille pur garantendo una saldatura robusta
Particolato
Oltre ai pezzi solidi di materiale spostati, la saldatura a rotazione tende a generare particolato (piccole particelle di polvere di plastica). Nella maggior parte dei casi, questo particolato può essere soffiato via dopo la saldatura, ma a volte non può essere presente (come nel caso delle applicazioni mediche o dell'industria alimentare). La riduzione della velocità di rotazione della saldatura riduce la generazione di particolato. Inoltre, i materiali morbidi come il polipropilene tendono a produrre una quantità molto maggiore di particolato durante la saldatura, come mostrato nella Figura 8.
Figura 8: Particelle di saldatura a rotazione
Segni di lavorazione
Come per la maggior parte dei processi di saldatura, è possibile che sui pezzi rimangano segni di lavorazione. In genere, ciò si verifica sulla parte superiore quando questa non è tenuta saldamente in posizione grazie alle caratteristiche di guida progettate. I segni di lavorazione si verificano quando la parte superiore scivola nell'utensile. Se l'attrezzatura è in uretano, questo può causare segni neri sui pezzi. Quando è in acciaio inox o alluminio, può lasciare delle scanalature sui pezzi, vedi Figura 9.
Figura 9: Segni degli utensili per la saldatura di testacoda
Per evitare questo tipo di marcatura, è essenziale prevedere elementi di guida sul pezzo stesso. Un "elemento di guida" è semplicemente un tipo di sporgenza o depressione sulla parte superiore su cui l'utensile superiore può applicare una forza di rotazione. Inoltre, i pezzi devono avere dimensioni esterne relativamente costanti.
Saldatura a vibrazione
La saldatura a vibrazione è uno dei processi di saldatura più utilizzati per i pezzi di grandi dimensioni, come i fari e i fanali posteriori dei veicoli, le scatole portaoggetti, i collettori di aspirazione, le recinzioni e persino i mobili. In questo processo, una parte viene tenuta ferma mentre l'altra viene fatta vibrare orizzontalmente sopra di essa a bassa frequenza (120 Hz - 240 Hz) e ad alta ampiezza. Durante la vibrazione, la parte superiore viene anche premuta sulla parte inferiore per creare la saldatura.
Progettazione del giunto
La saldatura a vibrazione dipende dal movimento di grandi quantità di materiale fuso per generare una saldatura. Pertanto, anche per questo processo, la progettazione del giunto è fondamentale per il contenimento delle scintille. Con una progettazione adeguata, è possibile ottenere una saldatura forte e priva di bolle. La Figura 10 illustra alcuni progetti di giunti in grado di produrre una saldatura forte e priva di bolle.
Figura 10: Schemi di progettazione dei giunti di vibrazione
De-gating
Come nel caso della saldatura a ultrasuoni, il movimento dei pezzi durante la saldatura a vibrazione può causare il de-gating di piccoli elementi. L'elevata ampiezza utilizzata nella saldatura a vibrazione causa una sollecitazione eccessiva sugli elementi sporgenti di grandi dimensioni. Il distacco è particolarmente probabile quando la base dell'elemento ha una sezione trasversale ridotta o angoli acuti.
Segni di lavorazione
La saldatura a vibrazione è simile alla saldatura a rotazione, in quanto sono necessari elementi di guida sul pezzo per evitare i segni dell'utensile. In assenza di tali elementi, è possibile utilizzare una zigrinatura per afferrare il pezzo. L'uso di una zigrinatura, tuttavia, provoca abrasioni sul pezzo, come illustrato nella Figura 11.
Figura 11: Gli strumenti per la saldatura a vibrazione utilizzano spesso la zigrinatura per afferrare i pezzi.
Se tale marcatura non è accettabile, si può talvolta utilizzare un utensile superiore in uretano per evitare graffi sul pezzo. Spesso è necessario utilizzare il vuoto con gli utensili in uretano per garantire una forza di tenuta sufficiente. Qualunque sia il materiale utilizzato, i pezzi devono essere mantenuti il più possibile coerenti dal punto di vista dimensionale.
Saldatura a piastra calda
Nella saldatura a piastra calda, le due parti da unire vengono premute o portate in prossimità di una superficie riscaldata per generare uno strato di fusione, quindi premute l'una contro l'altra per completare la saldatura. Con questo tipo di saldatura, il giunto può essere sagomato in modo molto esteso e in genere si ottengono saldature ermetiche e resistenti. Tuttavia, non è possibile catturare nulla all'interno delle parti, poiché eventuali componenti interni verrebbero danneggiati dalla piastra calda. La saldatura a piastra calda è spesso utilizzata per tubi o serbatoi di grandi dimensioni.
Progettazione del giunto
Sebbene la saldatura a piastra calda generi un gran numero di bagliori, è la più controllata e di bell'aspetto di qualsiasi altro processo di saldatura. Il materiale fuso spinto fuori dal giunto quando le due parti vengono premute insieme forma una linea molto bella e arrotondata, che può sembrare quasi progettata per essere lì, come si può vedere nella Figura 12. Tuttavia, se la doppia linea di fusione viene spinta fuori dalla saldatura a caldo, il materiale fuso può essere utilizzato per la saldatura a caldo. Tuttavia, se la doppia linea di fusione non è adatta all'applicazione in questione, può essere nascosta con una modifica del design del giunto.
Figura 12: Il flash a piastra calda può avere un aspetto molto controllato e piacevole
Fuoriuscita di gas
Uno dei potenziali problemi estetici della saldatura a caldo è l'out-gassing. Quando la plastica viene riscaldata, emette gas che possono scolorire i pezzi quando vengono saldati, soprattutto sulle superfici metallizzate. Gli effetti dell'out-gassing sono illustrati nella Figura 13. Questo fenomeno può essere eliminato applicando un vuoto a una delle parti per estrarre i fumi prima che possano causare scolorimento o degradazione.
Figura 13: Fuoriuscita di gas dalla piastra
Deformazione
A causa dell'elevato apporto di calore utilizzato nella saldatura a caldo, i pezzi possono deformarsi durante la saldatura. Il modo migliore per evitare questo fenomeno è utilizzare pareti più spesse. La deformazione eccessiva può essere evitata anche utilizzando il vuoto e il serraggio nell'attrezzatura per mantenere i pezzi nella forma corretta durante la saldatura.
Saldatura laser
Uno dei più recenti processi di giunzione dei polimeri è la saldatura laser, che sta diventando sempre più popolare, soprattutto per le applicazioni mediche. Questo metodo di assemblaggio utilizza un raggio laser focalizzato per riscaldare il giunto di saldatura. Le due parti vengono premute contemporaneamente per creare la saldatura. Le saldature laser sono note per essere molto pulite, prive di bolle e di particolato. La saldatura laser non provoca mai il distacco di elementi e in genere non provoca deformazioni. Tuttavia, per alcuni componenti, è possibile che si verifichino difetti estetici.
Degradazione della superficie
Se l'impostazione non è corretta, è possibile che durante la saldatura si verifichi una degradazione della superficie. Ciò accade se la parte superiore assorbe troppa energia laser o se la parte inferiore ne assorbe troppo poca. Questo fenomeno può essere in qualche modo regolato modificando il punto focale del laser, ma è meglio evitarlo scegliendo fin dall'inizio materiali con buone proprietà di saldatura laser.
Bruciatura
Il più grande potenziale di difetti estetici in un processo consolidato è rappresentato dai segni di sporco o polvere bruciati dal laser durante la saldatura. La polvere che si trova sul percorso del laser assorbe l'energia di saldatura e provoca una disparità nella saldatura. Per evitare questo problema, è importante mantenere la pulizia della lente e del giunto di saldatura.
La bruciatura può comparire anche nella fase di impostazione del processo come sovrasaldatura. Un esempio di sovrasaldatura con il laser è mostrato nella Figura 14. Per risolvere questo problema, è necessario diminuire i wattaggi e le temperature di saldatura. Per risolvere questo problema, diminuire il wattaggio per ridurre l'energia del laser o aumentare la velocità di spostamento del laser. In alcuni sistemi, la sovrasaldatura può essere eliminata regolando il punto di fuoco del laser in modo che sia più lontano dal pezzo.
Figura 14: La sovrasaldatura laser provoca ustioni sul giunto
Picchettamento termico
La picchettatura termica è un metodo per incollare meccanicamente due parti fondendo e riformando una delle parti per contenere l'altra. Nella maggior parte dei casi, un pilastro della parte con temperatura di fusione più bassa viene fuso e formato a forma di cupola per contenere la seconda parte, come un rivetto. La picchettatura termica è spesso utilizzata per contenere le schede dei circuiti o per sostituire le viti nei prodotti di consumo.
Design del picchetto
La causa più comune di picchetti poco attraenti è una progettazione impropria dei dettagli del palo o dell'utensile. È fondamentale che il dettaglio del picchetto abbia lo stesso volume del palo non formato. Se è troppo piccolo, il materiale in eccesso può essere spinto fuori dalla base del picchetto. Se è troppo grande, il dettaglio sarà formato solo a metà e avrà un aspetto irregolare. La Figura 15 mostra due dei modelli più comuni di picchetti.
Figura 15: Schemi di progettazione del picchettamento termico
Tuttavia, anche se il palo e il picchetto sono progettati correttamente, è possibile che la cupola formata venga rovinata se il materiale fuso si attacca allo strumento termico. Questo fenomeno è particolarmente comune con i materiali morbidi, come il polietilene. Fortunatamente, questo problema può essere facilmente evitato grazie alla modulazione della temperatura e all'uso del post cool. La Figura 16 mostra il tipo di ciuffi di materiale che possono rimanere quando il pezzo si attacca all'utensile termico.
Figura 16: Adesione termica
Conclusione
Se un'applicazione deve essere bella, è meglio iniziare a considerare il metodo di assemblaggio fin dalle prime fasi del processo di progettazione. La maggior parte dei difetti estetici comuni può essere evitata con una corretta progettazione dei pezzi. Pianificare l'assemblaggio estetico in queste prime fasi consente di ampliare la finestra di lavorazione in produzione e di ridurre il tasso di scarto.
Tuttavia, se un pezzo è già in produzione senza aver pianificato il processo di saldatura, non bisogna farsi prendere dal panico. Si possono fare molte cose per evitare bagliori, marcature o altri difetti antiestetici. Le figure 17-20 mostrano alcuni esempi di saldature gradevoli.
Figura 17: Una giunzione a ultrasuoni ben progettata produce una saldatura forte e priva di scintille
Figura 18: Un'attraente saldatura a rotazione, priva di marcatura dell'utensile, di particolato e di bava.
Figura 19: Un giunto a vibrazione progettato correttamente non mostra lampi zig-zag_con_penny
Figura 20: La saldatura laser è uno dei metodi di giunzione più puliti disponibili. Foto per gentile concessione di Leister Corporation
Figura 21: Un paletto termico ben formato
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