La saldatura a ultrasuoni professionale per chi inizia

Mi sono reso conto, scrivendo questi post sulla saldatura a ultrasuoni, che avevo commesso un errore.

Nel primo articolo “L’introduzione alla saldatura a ultrasuoni” ho dato per scontato alcune nozioni che in realtà non lo sono per niente.

Tu hai bisogno di concrete informazioni di base, qualcosa di ripulito dalle classiche pubblicità di parte che di danno i soliti venditori di fumo, qualcosa che ti guidi in questa tecnologia come farebbe un buon padre quando porta il figlio alla scoperta di qualcosa di nuovo.

Bene, hai trovato il posto giusto per avere informazioni chiare, complete e naturalmente gratuite al 100%.

Come ti accennavo all’inizio, in questo post troverai principalmente informazioni di base, una sorta di bussola in mare aperto, quindi se credi di essere già un esperto o di saperne abbastanza, leggiti pure gli altri post e salta questa introduzione.

In questi ultimi anni, girando in lungo e in largo per l’Italia e la Svizzera, mi sono reso conto che ci sono sostanzialmente 3 tipi di aziende o società che utilizzano la saldatura a ultrasuoni:

• Proprietarie di prodotti
• Società di automazione
• Terzisti del settore plastico

Ognuna di esse utilizza questa tecnologia per scopi simili ma sostanzialmente diversi.

Per esempio le società Medicali o Automotive utilizzano gli ultrasuoni sia per innovare la propria linea di prodotti (con lo scopo di battere la sempre più spietata concorrenza che caratterizza il mercato attuale) sia per incrementare l’efficienza produttiva e godere di margini superiori.

In questo caso il know-how detenuto internamente è di grado abbastanza elevato (anche se purtroppo non è sempre vero perché questo dipende molto dal fornitore che si è scelto di seguire negli anni) e questo permette loro una sufficiente indipendenza nella gestione delle problematiche quotidiane.

Nel secondo caso, la conoscenza della saldatura a ultrasuoni scende pesantemente perché questo tipo di soluzioni sono generalmente imposte dal cliente finale e vengono considerate un “male necessario” per soddisfare questo o qual cliente. Per “male necessario” io intendo un discorso del tipo: ”Ok io installo quello che vuoi tu, basta che io abbia problemi e che ti accolli tu (cliente finale!) l’onere di sviluppare e ottimizzare il processo.

Nell’ultimo caso, che è spesso anche il più classico, il cliente finale ti chiede una lavorazione in più perché il solo stampaggio non gli basta più. Allora ti chiede di munirti di una saldatrice (qualche volta la fornisce, altre volte quando è più furbo te la fa comprare tanto “con tutto il lavoro che ti porterò, ti riprendi il costo in qualche mese!”) e tu cominci giorno dopo giorno a scontrarti con problemi nuovi: ceste piene di scarti, ritardi di consegna, selezioni interminabili da parte della qualità, operatori tecnici che non sanno dove mettere le mani (e neanche tu!).

Non ti preoccupare, non sei solo, ci sono molte aziende in questa situazione!

Adesso hai due scelte: o ti leggi ben benino tutti gli articoli di questo blog e impari da zero tutto sulla saldatura a ultrasuoni oppure mi chiami e insieme cominciamo a risolvere seriamente i tuoi problemi uno dopo l’altro.

Come puoi vedere, più scendiamo in questa scala, più le conoscenze e il know-how sulla saldatura a ultrasuoni diminuisce vertiginosamente.

Il motivo è che in Italia, purtroppo, non c’è una cultura radicata che stimola la trasmissione delle informazioni e dell’esperienza come invece succede in altre nazioni europee in cui il processo di trasmissione della conoscenza è sistematico (e obbligatorio!!) all’interno delle aziende.

Spesso l’egoismo delle persone che durante la loro vita hanno maturato significative esperienze in uno specifico ambito lavorativo sono portate a non tramandare la propria sapienza per paura che gli altri ne possano approfittare..

Questa mentalità è superata e questo blog, insieme a molti altri, ne è la più viva testimonianza.

Continua a seguimi perché tutto quello che ti dirò sarò parte fondamentale della tua conoscenza in questo campo.

Conoscenza. Conoscenza utile. E le sue applicazioni.

La saldatura a ultrasuoni altro non è che una vibrazione meccanica longitudinale (in termini tecnici si chiama onda stazionaria) ad alta frequenza (oltre i 16kHz) che si muove all’interno di speciali componenti (lo stack sonico). Quest’onda sollecita i particolari plastici (per iper-semplificare pensiamo ad un martello pneumatico) e crea al loro interno una frizione delle molecole che provoca un aumento di temperatura.

Quest’aumento di temperatura porta, in tempi rapidi (decimi di secondo), i pezzi al punto di fusione e fa si che, sotto l’azione di una forza costante, si uniscano penetrando uno nell’altro.

Il principio è questo, niente di più.

A questo punto sicuramente avrai molte domande da farmi quindi, se mi permetti, comincio immediatamente a darti le 7 risposte alle domande più frequenti.

• Come si origina questa vibrazione?

La vibrazione ultrasonica si origina in un componente specifico detto convertitore.

Il convertitore, costituito al suo interno da titanio e alcuni piccoli cilindri di materiale piezoelettrico trasforma la potenza elettrica fornita dal generatore in oscillazioni meccaniche. Queste oscillazioni avvengono grazie alla contrazione ed espansione di questo materiale piezoelettrico. La potenza elettrica ha le caratteristiche di una sinusoide con frequenze che vanno dai 15kHz ai 70kHz. Per esempio a 20kHz le tue tazze piezoceramiche si contrarranno ed espanderanno per 20.000 volte ogni secondo.

• Come faccio a portare questa vibrazione sul mio pezzo?

Si utilizzano 2 elementi meccanici chiamati “insieme acustico”, o in inglese “sonic stack”. Questi 2 elementi, chiamati rispettivamente amplificatore (o “booster” in inglese) e sonotrodo vengono uniti tramite viti speciali di titanio e si muovo in modo sincronizzato. Sempre per semplificare pensa ad una fisarmonica che si allunga e si accorcia.

• Perché durante la saldatura a ultrasuoni sento un rumore e non vedo muoversi niente?

Il rumore che senti è dovuto alle vibrazioni meccaniche (onde di pressione propagate nell’ambiente) che agiscono nel campo dell’udibile dall’orecchio umano  che va da 16Hz a circa 20kHz. Oltre questa soglia le vibrazioni non sono più percepite. Spesso questi rumori sono amplificati dai pezzi che si stanno saldando e risultano fastidiosi. Se per esempio vi è delle fibra di vetro nei pezzi il rumore può essere decisamente poco sopportabile.

• Questo rumore è pericolo o dannoso?

Se è per un tempo relativamente breve (alcune ore) no. Se è ripetuto nel tempo a lungo andare può essere dannoso. Per questo motivo, nel caso del 20kHz, la legge prescrive che  l’operatore e anche chi lavora in prossimità della stazione di lavoro, deve avere una protezione acustica di tipo personale (cuffie protettive) o una schermatura direttamente sull’attrezzatura (cabine di isolamento).

• Il pezzo deve avere caratteristiche particolari?

Assolutamente si. Questo è un requisito fondamentale, una “conditio sine qua non”.

Si posso saldare in modo preciso e ripetibile solo ed esclusivamente i particolari che abbiamo un design studiato per la saldatura a ultrasuoni. In questo caso si parla della creazione di un direttore di energia o più in generale del dimensionamento della regione di giunzione.

La regione di giunzione viene studiata a partire dal polimero utilizzato e seguendo le caratteristiche di conformità del particolare finale (saldatura in tenuta ermetica, alloggiamento di una membrana, resistenza a una trazione specifica e così via).

Per darti un esempio dell’importanza di questo aspetto e del perché è fondamentale compiere uno studio preciso e approfondito, ti posso dire la regione di giunzione pesa per il 49% sul successo finale sia in termini di conformità che (e vorrei dirti soprattutto!) in termini di efficienza di produzione.

Per citarti la mia esperienza degli ultimi anni, circa il 90% dei progetti che mi è stato chiesto di migliorare, e per cui serviva un “soccorso tecnico” immediato, contenevano in forme più o meno gravi dei seri errori di dimensionamento della regione di giunzione.

Il mondo, con l’Italia in “pole position” in questa triste classifica, purtroppo è pieno di dilettanti allo sbaraglio, di persone che anche con lunghi anni di esperienza, sono incapaci di fare uno studio serio basato su calcoli e formule precise.

Se il tuo fornitore, quando gli chiedi un suggerimento per il direttore di energia, ti presenta un disegno di tipo standard o, peggio ancora, un foglio scritto a mano, senza portarti nessun calcolo serio a supporto delle quote indicate, beh allora è meglio che comincia a pregare o fare gli scongiuri con qualche toccatina qui e là!

Se hai un progetto che stai sviluppando e non vuoi sbagliare o vuoi evitare i classici errori sullo sviluppo della regione di giunzione, invitami da te per verificare insieme la soluzione completa!

A proposito, il rimanente 51% del successo o meno del tuo progetto è dato dalla saldatrice! Tu fai come vuoi, però non venirmi a dire che per risparmiare un paio di migliaio di euro, ne hai spesi il doppio per ritardi, scarti e corse per rispettare le consegne del cliente.

Io ti ho avvertito!

Se ti rivolgi a qualche cantinaro che importa componenti di terza scelta dalla Cina poi, per cortesia, evita di chiamarmi!

Rimanendo in ambito tecnico, una delle domande che mi viene spesso posta è:

• Ci sono altre applicazioni con gli ultrasuoni oltre alla saldatura?

Certo, si possono unire particolari plastici e metallici tramite l’utilizzo di rivetti (che poi verranno saldati a ultrasuoni come per esempio la creazione dei cruscotti  e delle portiere delle auto oppure gli agganci laterali delle tende veneziane bordate.

Si possono inserire inserti metallici come si fa per le viti nei copri motori delle automobili o negli inserti per il settore dell’arredamento.

Si possono saldare membrane tramite la fusione del materiale plastico che andrà a penetrare nella porosità delle membrane stesse.

• Quali materiali posso saldare con gli ultrasuoni? E per altri materiali?

La saldatura a ultrasuoni si utilizza principalmente nella saldatura dei materiali termoplastici ma anche, per esempio, per saldare metalli.

In questo caso le applicazioni si sviluppano con l’utilizzo degli ultrasuoni per creare frizione invece che percussione longitudinale.

Dimenticavo di dirti che, per le caratteristiche fisico-chimiche sia degli elastomeri che dei termoindurenti, gli ultrasuoni sono assolutamente inefficaci.

Spero che queste informazioni ti possano essere utili.

In bocca al lupo e buone saldature!

Francesco