I sonotrodi di Superman: come vengono progettati e perché durano fino a 8 volte più a lungo

Ho deciso di iniziare uno degli argomenti più “caldi” e sentiti della saldatura a ultrasuoni in tono volutamente ironico.

L’idea parte da una battuta che mi ha fatto un cliente, con cui ultimamente ho lavorato molto, e che è molto orgoglioso delle performance dei sonotrodi in acciaio che gli ho fatto spedire circa un anno fa. Dopo aver provato un po’ di tutto sul mercato, Carlo (ovviamente non è il suo vero nome, ma lui sa che lo sto spudoratamente citando!) era convinto che saldare qualche milione di pezzi all’anno in PA 6.6 GF40 era impossibile, senza sostituire o rifilare almeno una volta l’anno i sonotrodi.

Aveva testato parecchi fornitori italiani senza notare una grande differenza di risultati tra loro: duravano tutti 6-7 messi al massimo e poi si potevano utilizzare come fermacarte!

Uno di quelli miei invece era al lavoro da 13 mesi e ancora non ne voleva sapere di fermarsi. Così per scherzo mi ha chiesto se lo avevo fatto costruire in qualche paesino tedesco di nome Krypton.

Scherzi a parte, io non ho mai avuto il tempo di spiegargli completamente alcuni concetti importanti sulla progettazione e sulla produzione dei sonotrodi, così approfitto di questo articolo per raccontare anche a te come nascono i sonotrodi più performanti del mercato.

Partiamo dall’inizio.

Se io ti chiedessi come deve essere il sonotrodo ideale, cosa pensi mi risponderesti?

a)    Deve essere resistente nel tempo, idealmente non consumarsi mai

b)    Deve essere come un panno di velluto coi pezzi; saldarli correttamente in tutta l’area e contemporaneamente non modificarli, rovinarli o lasciare graffi di qualsiasi tipo.

Insomma un po’ come il nostro uomo d’acciaio Superman, che ferma i treni in corsa e salva giovani donne e bambini con la delicatezza di un guanto di seta.

Allora vedi che qualcosa hanno in comune!

Adesso vediamo come tradurre queste qualità ideali in caratteristiche tecniche precise.

I.        Nei sonotrodi la qualità della materia prima è di fondamentale importanza, quindi al primo posto devono forzatamente esserci: caratteristiche metallurgiche del materiale

II.        I sonotrodi devono essere prima di tutto degli strumenti acustici, cioè costruiti per avere una determinata risposta in frequenza: non ti faccio tutta la teoria della propagazione delle onde nei materiali e per iper-semplificare ti dico che il nostro sonotrodo ideale deve avere una frequenza di risonanza centrata esattamente sul punto di lavoro voluto (che sia 20.000 Hz, 30 o 35). Non solo, le altre frequenza di risonanza non pure, dette frequenze parassite (che portano il sonotrodo a contorcersi invece che allungarsi correttamente) devono essere quanto più possibili lontane ed avere un’influenza idealmente nulla sulla risonanza principale. I concetti non ti sono probabilmente così chiari ma preferisco darti indicazioni pratiche invece che fare una trattazione delle equazioni specifiche che non sarebbero in questo caso di nessun aiuto. La figura qui sotto chiarisce il concetto di un sonotrodo non ottimizzato (frequenze parassite presenti) da uno ottimizzato (frequenza di risonanza pura).

 

III.        L’ultima, ma non meno importante, caratteristica è di avere una vibrazione costante e uniforme sulla superficie di contatto col pezzo. Nella saldatura a ultrasuoni professionale questa viene chiamata: distribuzione superficiale di ampiezza.

Quelli che vedi qui sopra sono i miei colleghi André e Thomas che, oltre ad essere dei fanatici di cucina e vini italiani, si occupano di misurare la distribuzione superficiale di ampiezza con l’ausilio di un laser bianco costruito specificatamente per noi da un’altra azienda tedesca nei pressi di Stoccarda.

Analizzando più in profondità queste caratteristiche possiamo partire in ordine del primo punto. I materiali, come ben saprai sono tre e ognuno di questi ha le proprie caratteristiche specifiche:

I.        Alluminio: utilizzato per sonotrodi test oppure per grandi dimensioni in cui sia il peso che il costo hanno un impatto importante. Noi abbiamo scelto di utilizzare un alluminio forgiato impiegato nell’aeronautica (Avional) e in questo caso è lo stesso degli aerei della francese Airbus.

II.        Titanio: questo è l’elemento principe dei sonotrodi. Le sua caratteristiche metallurgiche gli conferiscono le migliori proprietà vibratorie e un’ottima durata della vita che può essere anche aumentata con specifici trattamenti superficiali.

III.        Acciaio sinterizzato (CPM): viene utilizzato specificatamente per la saldatura dei polimeri con fibre minerali (vetro o talco per esempio). Presenta la durata di vita più importante e viene sempre utilizzato dopo il processo di indurimento.

Come ben sai, ci sono davvero un’infinità di leghe, di metalli diversi e di altrettanti differenti fornitori. Destreggiarsi in modo chiaro non è sempre facile, e l’unico criterio davvero efficace in questo caso è l’esperienza. Dopo aver testato sul mercato più di 80.000 sonotrodi adesso possiamo essere davvero sicuri sull’affidabilità e la durata. Questa importante quantità di esperienze e test è in vero tesoro del produttore di ultrasuoni professionali. In ogni mestiere, lavoro o attività, l’esperienza e la continua ricerca di miglioramento è ciò che permette di poter sviluppare le migliori soluzioni e di staccare tutta la concorrenza. Come sempre chi ha vissuto sulla propria pelle più battaglie, più esperienze di diversa natura è quello che sa trovare la via migliore anche davanti a situazioni difficili, nuove o semplicemente diverse dal solito.

L’esperienza profonda e ben focalizzata è una dote preziosa e impagabile perché richiede una vita per essere acquisita e padroneggiata.

Chiunque può aprire domani mattina la serranda e cominciare a produrre e vendere sonotrodi, ma quanto tempo ed esperienza richiede veramente questo settore per poter fornire la preziosa affidabilità e garanzia che le aziende cercano sempre più nel mercato moderno fatto di una competizione sempre più estrema e selettiva.

Qualche anno fa ho visto un’intervista a Leonardo Del Vecchio, fondatore e patron di Luxottica, il leader mondiale indiscusso dell’occhialeria. Alla domanda del giornalista che gli chiedeva cos’è che il suo ingente patrimonio gli dava più di ogni altra cosa, lui rispose con la sincerità e la lungimiranza che solo un imprenditore su un milione può avere.

“Il fatto di avere importanti risorse a mia disposizione mi permette semplicemente di poter sbagliare molto più delle altre persone.”

Questo è veramente il messaggio che ti voglio trasmettere.

In questa situazione di contrazione economica, o come la chiamano molti, di crisi, le aziende che vogliono essere leader del mercato, protagoniste o semplicemente in condizioni di ottima salute non si possono permettere di sbagliare.

Un errore o una scelta sbagliata, in un momento così critico, più compromettere un impegno di anni e mettere a repentaglio la tua carriera e l’azienda stessa.

Molte aziende, nel tentativo di risparmiare o di ridurre i costi vogliono cedono alla tentazione di  acquistare attrezzature di seconda scelta o da fonti non garantite. In molti casi il risultato è la creazione di inefficienze nei processi interni (scarti, perdite di tempo, fermi linea, aumento dei costi di logistica) che portano le aziende a perdere i propri clienti e a ridurre di conseguenza le vendite e l’utile.

Ritornando al nostro tema, devi sapere che le altre due caratteristiche che determinano le performance e la durata dei sonotrodi, ovvero la frequenza di risonanza pura e la distribuzione di ampiezza superficiale sono strettamente correlate.

Esse sono semplicemente il frutto di un programma specifico di calcolo con il metodo degli elementi finiti o FEM.

Questo è punto importante e la maggior parte delle aziende artigiane che sviluppa sonotrodi tende a comunicare in modo volutamente distorto.

Fai molta attenzione a quello che sto per dirti perché la conoscenza dei prossimi punti può fare veramente la differenza nell’acquisto di un sonotrodo.

Il fatto che molte aziende dicano di fare uno studio FEM professionale è una bugia.

In commercio ci sono parecchi programmi che sviluppano questo tipo di applicazione (SolidWorks è uno di questi) ma solo in forma generale.

Questo cosa significa?

Per iper-semplificare e senza andare troppo in dettagli poco interessanti, tutti questi programmi studiano si la vibrazione dei sonotrodi ma solo in modo estremamente superficiale senza tenere in considerazione alcuni parametri fondamentali e soprattutto senza considerare le caratteristiche di vibrazione complesse specifiche di ogni singolo sistema.

Te lo spiego meglio.

I parametri fondamentali sono per esempio tutti quegli aggiustamenti di tipo sperimentale che vanno fatti sul particolare tipo di metallo o lega. Ognuno di questi ha si un comportamento “standard” ma, insieme, ha alcune caratteristiche di “non idealità” che in situazioni di elevato stress (saldatura ininterrotta per ore o giorni, oppure utilizzo con polimeri che richiedono elevate ampiezze) modificano sostanzialmente la risposta in frequenza del sonotrodo stesso. Lo stesso discorso vale per le tensioni interne del materiale (ovviamente anche qui variano in modo considerevole per leghe anche solo simili) che uno studio FEM professionale deve prevedere.

Per caratteristiche di vibrazione complesse io intendo per esempio la valutazione della dissipazione energetica (potenza a vuoto o idle power). Questa è proporzionale alle dimensioni dei sonotrodi, con valore di alcune unità per i sonotrodi piccoli e deve essere sempre e comunque < 100 W.

Altro parametro da considerare come primario è sicuramente la curva di impedenza che offre informazioni importanti sull’ aspettazione media di durata della vita di un sonotrodo.

Tutte queste informazioni non si trovano da nessuna parte e non vengono fornite in nessun “datasheet” o informativa. Esiste un unico modo per padroneggiarle in modo preciso e affidabile.

Devono essere derivate e studiate con l’esperienza di anni di lavoro, di test pratici di saldatura, di progettazione e produzione di decine di migliaia di sonotrodi quanto più differenti e complessi sia possibile.

Questo Megadatabase di esperienze, incorporate sotto forma di periodici aggiornamenti nei programmi di sviluppo FEM, sono il grande vantaggio tecnologico di coloro che sviluppano soluzioni di saldatura a ultrasuoni professionali.

L’argomento è molto esteso e di sicuro scriverò altri articoli in merito.

Per il momento voglio segnalare una nuova tendenza che sta dando ottimi risultati anche oltre le aspettative.

Ti è mai capitato di ricevere un sonotrodo, fatto sui dati 3D del tuo particolare, e notare che da qualche problema, che crea per esempio dei piccoli graffi o non sviluppa una saldatura uniforme?

In questo caso, specialmente per materiali con ritiri importanti, stampi multi-impronta o stampaggio in condizioni climatiche differenti, i particolari stampati, come saprai anche meglio di me, sono diversi dai dati CAD.

In altri casi, invece, ti trovi a dover saldare particolari con forme complesse, irregolari e asimmetriche.

Il tuo sonotrodo si trova così a lavorare con una superficie di appoggio diversa da quella che era stata valutata o comunque in una nuova situazioni in cui è davvero difficile creare un programma efficace di creazione del contorno (superficie di appoggio) del tuo utensile.

Come faccio allora a saldare con la massima affidabilità e ripetibilità anche questi pezzi?

In questo caso ci viene in aiuto un strumento molto utile: lo scanner 3D.

Si possono così creare dei modelli CAD basati sui particolari reali (o sulla media delle dimensioni di alcuni di essi) e riprodurre fedelmente sul contorno del tuo sonotrodo la superficie di accoppiamento del tuo particolare reale.

Un esempio di applicazione complessa lo trovi qui sotto col simpatico elefantino della Playmobil.

Uno degli aspetti più importanti è che, una volta testata e verificata in laboratorio l’affidabilità del nuovo sonotrodo, sarà possibile effettuare un’altra scansione 3D del sonotrodo stesso per fare in modo che i futuri ricambi riproducano esattamente l’attuale forma del contorno.

Questa è una fondamentale garanzia di affidabilità nel medio e lungo periodo per i tuoi progetti.

Cosa ti può succedere invece se decidi di affidarti alle aziende sbagliate?

Questo lo vedremo insieme nel prossimo post!

Buon lavoro e, chiunque tu sia, sii sempre unico.

Francesco