I sonotrodi artigianali: 4 informazioni indispensabili per non commettere errori

Ti sei mai chiesto quanto incide l’affidabilità e la precisione dei sonotrodi nei risultati di saldatura a ultrasuoni?

Ben il 24%!

Questo perché il sonotrodo è l’elemento di contatto col pezzo, l’elemento che ha il compito di tradurre tutte le informazioni che vengono direttamente dal generatore e dal controllo. Tra tutti gli elementi che compongono una saldatrice, solo il generatore ha un impatto più elevato, il 42%! (questo però lo vedremo nei prossimi articoli).

Affideresti circa 1/4 dei tuoi risultati ad un sonotrodo non affidabile?

Riprendendo uno dei primi articoli nel quale facevo un parallelismo tra saldatrici a ultrasuoni e automobili pere farti la seguente domanda: affideresti la tua sicurezza e quella della tua famiglia a degli pneumatici non sicuri o non adatti al tipo di strada o situazione?

In questo post ti spiego le differenze tra chi produce sonotrodi professionali e chi invece, senza una vera specializzazione, rischia di causarti molti più problemi di quanti ne risolve.

Solo una precisazione prima di andare avanti.

Io credo che la maggior parte di queste piccole aziende o artigiani abbiano scelto negli anni di iniziare a produrre sonotrodi assolutamente in buona fede.

La situazione in Italia

In questa condizione di contrazione economica che dura dal 2008 molte aziende, non abbastanza focalizzate e specializzate in un business, si sono trovate in breve tempo in un mercato molto più competitivo e selettivo rispetto a 10 anni fa per esempio. L’incapacità di trovare nuovi clienti e di proporre dei prodotti o servizi innovativi ha causato loro un netto ridimensionamento dei bilanci e di conseguenza un rischio per la loro stessa sopravvivenza.

Il fatto di poter dare un servizio in più, puntando tutto su un prezzo più basso è, dal mio punto di vista, comprensibile e nello stesso tempo molto pericoloso. Comprensibile perché nella mentalità delle aziende medie, con una cultura aziendale anni ’80, si pensa che i clienti acquistino in modo logico e guardando solo il prezzo ma in realtà non è mai davvero così. Questo argomento esce dalla nostra tematica quindi lo affronterò probabilmente in un altro post. Il fatto che questa politica sia pericolosa, sia per queste aziende, sia per te che compri dei prodotti low cost, sta soprattutto nelle conseguenze pratiche di queste scelte.

Hai mai comprato un piccolo utensile o qualcosa di elettrico nei discount o in qualche negozio di importazione cinese? Quando magari qualche mese dopo ti serviva per qualche tua necessità, ecco che ti lasciava irrimediabilmente a piedi!

Vedi, c’è un motivo per cui molte aziende hanno deciso dall’oggi al domani di produrre questi utensili a basso costo.

Chiunque può costruire sonotrodi con qualche centinaio di € di investimento nelle attrezzature.

Hai capito bene!

Costruire un sonotrodo, ovvero in questo caso, un pezzo qualsiasi di alluminio (titanio o acciaio) che vibri a un a frequenza data è davvero facile per chi ha un po’ di esperienza nella lavorazione meccanica.

Richiede solo alcune nozioni di meccanica di base, un generatore/tester che ne indichi la frequenza (anche fatto in casa o comprato su ebay da qualche produttore cinese) e alcuni accorgimenti sulla lavorazione dei metalli.

Questa situazione, se da un lato può far divertire molti tecnici e appassionati di meccanica, dall’altro rappresenta un serio pericolo per tutte le aziende che lavorano nella saldatura a ultrasuoni e cercano un fornitore affidabile per questi utensili.

In Italia ci sono ben 7 società produttrici di saldatrici e utensili di saldatura a ultrasuoni (erano 8 fino a qualche anno fa e la tendenza non promette niente di buono). Sempre nel nostro Paese sono presenti e attive più di 40 aziende che producono sonotrodi.

Se questo dato non ti ha sorpreso, voglio farti un paragone con la Germania.

In Germania il mercato generale degli ultrasuoni è circa 8/9 volte quello italiano, alimentato in maniera sostanziale soprattutto dall’industria automobilistica.

Nonostante questo, in Germania il numero di aziende che produce sonotrodi è comparabile, in numero, con quello italiano.

Morale della favola, anche in questo caso, abbiamo avuto la classica tendenza italiana all’emancipazione ovvero alla creazione di un numero elevato di aziende che sono esclusivamente la copia ripetuta più volte dell’azienda originaria da cui alcuni dipendenti sono usciti.

Come ti dicevo prima, le aziende in questione hanno semplicemente acquistati alcuni strumenti di misura e test, alcune macchine utensili, una o due licenze di programmi di calcolo FEM generici e si sono messi a produrre sonotrodi.

Chiaramente i fornitori dei materiali e delle leghe per la costruzione dei sonotrodi sono sempre i soliti 3/4, che la maggior parte delle volte non dispongono neanche dei certificati di origine dei materiali.

Tutte le aziende che producono sonotrodi in Italia sono di piccole/medie dimensioni.

Hai capito bene. Anche alcune blasonate multinazionali che hanno qui in Italia il loro ufficio di rappresentanza si affidano a degli artigiani. Ma questo immagino lo sapessi già.

Se da un certo punto di vista, l’aumento dell’offerta su mercato per te che leggi questo articolo, è sicuramente un punto a favore importante perché naturalmente hai più scelta, più concorrenza e un potere di negoziazione maggiore, dall’altro questo è un problema davvero importante perché chi vuole acquistare un sonotrodo sul mercato non ha le informazioni importanti per capire esattamente di chi fidarsi.

In questi ultimi anni mi è capitato parecchie volte di essere contattato da aziende che avevano grossi problemi con sonotrodi poco affidabili. Alcune volte si consumavano in pochi mesi o settimane addirittura perché realizzati con materiali non adatti all’applicazione. Altre volte si rompevano improvvisamente causando l’interruzione immediata della produzione e costosi ritardi nella spedizione dei prodotti finiti.

Un’esperienza personale con dei sonotrodi “di vetro”

Alcuni mesi fa, in una grande azienda medicale, in due settimane di produzione si sono rotti ben 4 sonotrodi di alluminio. I 4 sonotrodi erano stati acquistati da un piccolo artigiano locale che aveva copiato un nostro modello e aveva garantito un funzionamento assolutamente identico.

Peccato che questo non è generalmente mai vero!

La frequenza di risonanza misurata dai ragazzi della produzione, prima delle rotture, era in tutti e 4 i casi fuori dall’intervallo di funzionamento standard che per il 20kHz va da 19,5 fino a 20,5 kHz.

Rispettivamente erano a:

I.        20.741 Hz

II.        20.512 Hz

III.        20.831 Hz

IV.        20.748 Hz

In ogni sonotrodo il produttore si è dimostrato non in condizione di fare un tuning esatto della frequenza che deve essere necessariamente a 20.000 Hz diciamo con un’approssimazione di ±30 Hz.

Il motivo è che, come forse saprai già, quando un sonotrodo si riscalda perché sollecitato per più ore (o giorni consecutivamente) tende ad allungarsi e di conseguenza a diminuire la frequenza di risonanza. Al contrario quando si consuma e quindi si accorcia, la frequenza sale sempre di più fino a raggiungere il limite di funzionamento imposto dal generatore.

*Nota tecnica: hai mai sentito parlare di «sonotrodo fuori frequenza»? Significa che il sonotrodo si consuma, aumenta la frequenza di risonanza ed esce dalla frequenza gestita dal generatore. Un intervallo tipico delle frequenze gestite dai generatori è di ± 500 Hz. Nei generatori digitali più avanzati si può aumentare questa finestra anche a ± 1.500 Hz ma solo per brevi periodi perché un uso continuato creerebbe un eccessivo stress ai componenti sonici dimensionati per la frequenza di riferimento esatta.

I problemi sono iniziati quando è stato modificato un piccolo coperchio da saldare che, essendo in PP, richiedeva un’ampiezza più elevata per garantire la tenuta ermetica alla pressione specifica di 3 bar.

Il solo aumento di 8 micron richiesto dall’applicazione è bastato a causare la rottura di tutti e quattro i sonotrodi nel giro di 2 settimane.

Dopo un’analisi non troppo impegnativa si è visto che al variare dell’ampiezza richiesta, il sonotrodo modificava in maniera sostanziale la risposta in frequenza per la presenza di frequenza parassita molto vicina, meno di 100 Hz sopra alla frequenza di risonanza principale.

Appena dopo una decina di saldature appariva già questo tipico comportamento difettoso:

1. Innalzamento repentino e sostanziale della temperatura di esercizio
2. Potenza a vuoto assorbita oltre i 150 W
3. Rumore intenso e disomogeneo tra una saldatura e la successiva

Quasi sicuramente i sonotrodi in questioni erano stati prodotti con operazioni molto semplici che però mancano delle verifiche più importanti a livello funzionale e prestazionale.

La produzione dei sonotrodi nella bottega/garage dell’artigiano

Normalmente in questi casi l’artigiano produce il sonotrodo partendo da un pezzo di alluminio non specifico (spesso di bassa qualità non certificato) per l’utilizzo nella saldatura a ultrasuoni (se tu gli tiri il collo per avere il prezzo o lui si cala i pantaloni per venderti qualsiasi servizio, cosa vuoi pretendere?)e basandosi sulle seguenti operazioni:

1. Studio FEM (quando presente) con un programma generico utilizzando la discretizzazione attraverso una griglia (mash) a maglie larghe: ovvero trattando ogni zona come se ci fosse un tensionamento costante senza considerare le zone più critiche e più soggette agli stress meccanici.

2. Realizza un sonotrodo più lungo del necessario

3. Utilizza un generatore (in molti casi analogico con le famose lancette che si spostano a destra e sinistra) o un tester “fatto in casa” per verificare la frequenza di risonanza.

4. Asporta il materiale dalla parte finale fino a rientrare nella fascia accettata come conforme dal generatore (tester)

–>Tutte le verifiche e le ottimizzazioni che ti ho esposto nel precedente articolo (ottimizzazione della distribuzione di ampiezza, riduzione delle tensioni interne, curva di impedenza, ecc.) non vengono considerate.

Ora sai perché molti sonotrodi che utilizzi o che hai utilizzato si rompono, scaldano troppo o semplicemente saldano in modo non uniforme.

Le informazioni che devi assolutamente sapere quando acquisti e utilizzi un sonotrodo

Se hai già qualche sonotrodo artigianale o vuoi continuare ad acquistarli per dei motivi particolari, permettimi almeno di darti alcune informazioni su ciò che devi assolutamente sapere e chiedere al tuo fornitore.

1. La distribuzione di ampiezza (sapere qual è la differenza, in termini di ampiezza) tra il minimo e il massimo valore sulla superficie di contatto coi pezzi.
2. Il peso: lo puoi ovviamente verificare tu stesso. Ti serve per inserirlo tra i dati della saldatrice in modo che il controllo sappia esattamente con che forza (o pressione) reale stai saldando.
3. Trasformazione: quanto amplifica il sonotrodo. Questo dato è fondamentale (anche se lo puoi calcolare con buona approssimazione) e ti serve per sapere esattamente l’ampiezza di vibrazione sui tuoi particolari.
4. Il booster (o amplificatore) massimo che puoi utilizzare. Questo perché, per ragioni costruttive (dimensioni o contorno specifico), per elevati valori di ampiezza si possono verificare concentrazioni eccessive di stress su alcuni punti. A lungo andare questo può causare la formazione di cricche e quindi la rottura. L’esperienza che ti ho descritto sopra non è un caso isolato. L’amplificazione massima è una delle caratteristiche più importanti e critiche. Chiedila sempre! Ovviamente, se ottieni solo risposte generiche o che puoi utilizzare solo gli amplificatori rossi piuttosto che blu, allora sai già con chi stai parlando.
5. Il numero del sonotrodo o il riferimento specifico: un produttore che si rispetti deve avere un archivio in cui stoccare tutti i dati dei sonotrodi che costruisce. Questo è importantissimo per trovare tutte le informazioni su un determinato sonotrodo (i test, la scheda del materiale, ecc.) ma soprattutto per produrti delle copie esatte del sonotrodo che utilizzi. Se non c’è nessun archivio allora sappi che riprodurre perfettamente un sonotrodo sarà praticamente impossibile e che ogni volta sarai da capo su tutta la linea.

Spero che queste informazioni ti saranno utili.

Ho pensato di inserirti qui sotto due immagini per darti veramente un’idea chiara delle potenzialità insite in questi utensili . Nella prima troverai sonotrodi standard, visivamente semplici, mentre nella seconda ti ho inserito una carrellata di esempi più complessi per applicazioni avanzate.

Se ti è piaciuto l’articolo ti ringrazio per ogni commento vorrai lasciarmi, se vuoi che approfondisca qualche altro aspetto basta che mi scrivi al solito indirizzo.

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

Francesco