Le 5+2 modalità di saldatura: il pilotaggio del processo per i professionisti

Questo è uno dei capitoli più importanti, quindi dedica il tempo giusto a leggere questo articolo perché dalla conoscenza delle modalità di saldatura dipendono i risultati che otterrai.

Negli ultimi mesi ho dedicato una parte considerevole del tempo che investo  in formazione, nello studiare e cercare tutti i libri sulla saldatura a ultrasuoni e ho scoperto che in nessun manuale né in lingua inglese né tanto meno in italiano ci sono riferimenti a questo argomento.

A dir la verità in italiano c’è ben poco, anzi pochissimo sulla saldatura a ultrasuoni.

Le uniche informazioni, se così si possono definire, sono quelle che troviamo sui siti dei fabbricanti di saldatrici, sia italiani che internazionali, i quali però dedicano pochissimo spazio a spiegare l’argomento e molto più spazio a elogiare se stessi e i propri “tecnici super specializzati”.

In inglese, specialmente nei libri statunitensi, si trovano maggiori informazioni di carattere tecnico sui polimeri o sul processo ma pochissimo sulle modalità di saldatura che sono a tutti gli effetti il linguaggio che devi conoscere per poter lavorare meglio e ottenere i risultati che vuoi.

Uno dei motivi che spesso sento durante le frequenti visite nelle aziende italiane e svizzere è che ogni saldatrice dei diversi fabbricanti ha una sula logica di funzionamento e che non è possibile analizzare in forma generale le modalità di lavoro.

Bene, lascia che ti dica una cosa: questo è falso!

Certo, tutti i costruttori hanno il proprio modo di gestire la risposta in frequenza piuttosto che l’ampiezza o la pressione (forza) di saldatura, ma in ogni caso noi dobbiamo sempre saldare dei particolari plastici e le leggi, sia meccaniche che fisiche, devono essere forzatamente le stesse perché stiamo cercando il medesimo risultato finale: l’unione di due particolari.

1. TEMPO

La saldatura usando come parametro il tempo è la prima modalità perché è la più elementare, la prima come “nascita” diciamo e, purtroppo una delle più utilizzate.

Si, ho scritto esattamente purtroppo e nel proseguo dell’articolo capirai il motivo.

La statistica sull’utilizzo di questa modalità evidenzia che il 17% delle saldature viene fatto utilizzando il tempo.

Il tempo indica semplicemente per quanto tempo la vibrazione ultrasonica rimarrà attiva.

Normalmente il tempo va da qualche decino di secondo fino a 2-3 secondi per avere il tuo pezzo saldato. Io utilizzo questa modalità di saldatura solo ed esclusivamente quando ho un nuovo campione in mano che devo saldare senza nessuna indicazione o parametro che mi possa aiutare.

Vado in funzionamento manuale, faccio scendere il sonotrodo con una forza adeguata al particolare (ovviamente regolo la forza in base alla lunghezza del direttore di energia che devo saldare e in base al polimero) e poi, sempre manualmente premo il pulsante “test” che mantiene gli ultrasuoni attivi finché il mio dito vi rimane sopra.

Questo mi da la possibilità di valutare a maglie larghe il comportamento del mio particolare e di avere un’idea di come procedere per ottimizzare il ciclo.

La saldatura a tempo non va bene nel 95% dei casi perché:

• Ogni particolare (anche se differente) subisce la medesima sollecitazione e darà, ovviamente, un risultato ( in quota) ogni volta diverso a seconda della tolleranza
• Nessuna compensazione dimensionale
• Nessun controllo né di quota né della quantità di materiale saldato
• Nessun controllo sui parametri che varieranno così in modo randomico
• Nessuna garanzia sulla conformità del particolare
• Distanze di saldatura differenti comportano volumi di fusione differenti
• Tenuta o ermeticità non garantite

Diciamo che saldare col tempo è un come giocare a freccette con un bersaglio che si avvicina e allontana ad ogni tiro: praticamente scordati di avere una qualche costanza!

Detto questo ti posso dire che in alcune applicazioni l’utilizzo del tempo è accettabile sia perché non disponi di altre modalità (nelle saldatrici più vecchie) sia perché il particolare è molto semplice e la saldatura non porta nessun valore aggiunto (si riduce come un semplice incollaggio).

Finora, in qualche centinaio di applicazioni che ho valutato negli ultimi anni non mi è mai capitato di trovare una particolare in cui il tempo fosse la migliore modalità. Se usi il tempo e vuoi migliorare il tuo processo troverai facilmente una modalità di saldatura più appropriata, basta che tu legga quest’articolo e troverai gli strumenti giusti.

P.S. Per tutti coloro che sostengono che si possa saldare bene a tempo semplicemente modificando il valore dell’ampiezza è meglio che si leggano il post sui principi fondamentali e su come la modifica dell’ampiezza porta a un rapido deterioramento (fino alla rottura) degli elementi acustici.

2. ENERGIA

L’energia è, dal mio punto di vista, la prima importante modalità di saldatura perché vi è un controllo sensibile alle variazioni dei pezzi.

La statistica sull’utilizzo di questa modalità evidenzia che il 18% delle saldature viene fatto utilizzando l’energia.

Questo perché, rispetto al tempo che come abbiamo visto non offre nessun tipo di controllo sul particolare, l’energia permette di saldare con costanza la medesima quantità di materiale rendendo dipendenti le altre variabili.

In termini pratici l’energia (misurata in Joule) mi da un’indicazione di come varia la potenza nel tempo e ti da un controllo sulla quantità di materiale saldato.

Come elemento importante posso affermare che più è piccolo (o nullo) il direttore di energia del pezzo, più il controllo dell’energia assume un ruolo primario nel controllo di processo. Come esempio posso portare la saldatura delle giranti.

Se è vero da un lato che la migliore modalità di saldatura delle giranti è in assoluto la quota ABS, che vedremo qui sotto, dall’altro posso dirti che, nel caso di direttori di energia particolarmente ridotti (0,1-0,3 mm), utilizzare l’energia come modalità, ti consentirà di avere un’ottima costanza di tenuta.

La saldatura utilizzando l’energia ha le seguenti proprietà:

• Compensa le differenze di spessore, di rivestimento superficiale, di umidità, di tenuta.
• Si adatta ottimamente come elemento per il controllo statistico di qualità
• Energia costante da una tenuta costante, tempi, potenza e profondità variano in modo dipendente
• Indicato e consigliato per particolari privi del direttore di energia: fogli di vario spessore, membrane (soprattutto!), tessuti, materiale estruso

Nelle ottimizzazioni parametriche che faccio, anche se non uso l’energia come modalità di saldatura, la inserisco nel 90% dei casi come parametro di controllo in cui monitoro la costanza delle tolleranze dei pezzi stampati.

3. POTENZA

La potenza è sicuramente la modalità di saldatura meno utilizzata per ciò che riguarda le saldatrici vere e proprie mentre ha un discreto utilizzo nelle soluzioni di saldatura manuale.

Può essere che tu conosca bene la potenza perché hai avuto alcuni grattacapi dovuti a errori di potenza massima raggiunta durante la saldatura di particolari di una certa grandezza o che necessitano molto materiale da fondere, per garantire per esempio una tenuta ermetica a 7, 8 o 10 bar.

In questo caso avresti avuto bisogno di un generatore più potente, da 4.800 W o da 6.200 per non avere questo problema e ottenere facilmente anche un ciclo più veloce.

La potenza, un po’ come il tempo, non da un controllo importante sul ciclo di saldatura. In questo caso sia i tempi che le distanze saranno in funzione delle tolleranze dei pezzi e delle variabili presenti nel processo di stampaggio.

La potenza viene impiegata in appena il 6% delle saldature, per ciò che riguarda invece le soluzioni manuali siamo sopra il 10% ma questo dato non è molto affidabile perché in questo caso è molto difficile da estrapolare nei dati dei clienti sparsi in giro per il Mondo e le variabilità di chi usa le pistole manuali.

La saldatura utilizzando la potenza ha le seguenti caratteristiche:

• Nella saldatura a punti il sonotrodo genera il picco di potenza quando l’anello di contenimento presente nel contorno (questo verrà spiegato nel post dedicato ai sonotrodi) viene a contatto col pezzo
• Le differenze di spessore vengono compensate
• La potenza aumenta in funzione della superficie a contatto col pezzo
• Tempi di saldatura, distanza e energia variano in funzione delle tolleranze di stampaggio
• La potenza varia in funzione della temperatura del sonotrodo (bisogna prevedere un raffreddamento dove necessario; per esempio per applicazioni automotive che lavorano 24/24, 7/7 il raffreddamento è molto utile)
• Consigliata per saldature a punti, placche e rivetti

 

Non spendo altro tempo nella potenza perché gli utilizzi reali in cui può dare un valore aggiunto sono limitati e poco frequenti.

Veniamo adesso alle due principali modalità di saldatura che includono il controllo della quota.

4. Quota assoluta

Questa è la prima modalità di saldatura con controllo della quota che affronteremo e nelle statistiche ha un ottimo 21%. Normalmente ti saresti aspettato che la percentuale fosse molto più alta e hai perfettamente ragione. Il motivo principale di questo risultato è il fatto che ci sono ancora molte saldatrici obsolete o di gamma bassa che non hanno il controllo della quota.

Su questo punto devo essere molto chiaro. Le saldatrici a ultrasuoni senza il controllo della quota sono destinate a pochissime applicazioni (meno del 7%) tra cui troviamo il packaging o alcune applicazioni di saldatura per filtri particolarmente sottili; per tutte le altre il controllo della quota è importantissimo quindi pretendilo dal tuo fornitore!

Personalmente quando faccio un investimento, che sia un’automobile, elettrodomestico o un telefonino, la mia prima priorità è di assicurarmi che ciò che compro mi dia la possibilità e la flessibilità di adattarsi alle future opportunità che offre il mercato.

Nel Mondo d’oggi, tu lo sai molto bene, come imprenditore o responsabile tecnico quale sei, non sai mai quale nuovo servizio potrà chiederti un cliente o un potenziale cliente per decidere di affidarsi a te per un nuovo lavoro.

Rinunciare al controllo di quota (così come ai vantaggi della valvola proporzionale descritti nel mio post di introduzione alla saldatura)  per risparmiare qualcosa a costo di darti un prodotto “zoppo”, francamente non è una proposta da venditore professionista.

In uno dei prossimi post ti parlerò anche della splendida categoria dei venditori di Neandertal ma per il momento ritorniamo alla nostra modalità di saldatura in quota assoluta.

Il grande vantaggio di avere un controllo di quota (nel nostro caso al centesimo di millimetro ± il 5%) ci consente di avere la garanzia che il nostro pezzo sarà conforme alle specifiche dimensionali prescritte. Se è un componente meccanico, come una girante per esempio, sapremo che ogni pezzo rispetterà precisamente la quota prefissata in modo indipendente dalle tolleranze di stampaggio.

La saldatura utilizzando la quota assoluta ABS ha le seguenti caratteristiche:

• Dimensione uguale di tutti i pezzi indipendentemente dalle tolleranze
• Tempi di saldatura e energia variano al variare delle tolleranze
• La qualità della saldatura sarà variabile così come, in modo macroscopico, le caratteristiche meccaniche
• Tipica applicazione per rivetti, saldatura per punti i inserti

La quota assoluta, anche se non scelta come modalità di saldatura, è un prezioso indicatore della qualità e della costanza di stampaggio e può anch’esso, come l’energia, essere un importante parametro di controllo del processo.

5. Quota relativa

Siamo così arrivato alla quinta e più importante modalità di saldatura.

La saldatura in quota relativa o RPN (Reference Point Nul) è impiegata nel 37% dei casi, ma se tutte le società potessero contare su un supporto professionale e su saldatrici complete e performanti, la saldatura in RPN dovrebbe essere almeno il 70% dei casi ( a discapito dell’utilizzo del tempo, dell’energia e della potenza).

Se questa informazione ti ha sorpreso e ti stai chiedendo il perché, allora quello che segue chiarirà completamente i tuoi dubbi.

Nella stragrande maggioranza di progetti di unione di particolari plastici ciò che si vuole ottenere è una costanza e una ripetibilità più alta possibile delle caratteristiche meccanico-funzionali del particolare. Per particolari come filtri, “blood catcher”, contenitori ermetici per fluidi corporali (quindi disposable medicali in genere), oppure per componenti automotive come filtri olio, fanaleria, componenti meccanici sottoposti ad alto stress o alte temperature, telecomandi apri-porta, è fondamentale avere la certezza che, indipendentemente dalle inevitabili tolleranze di stampaggio.

Per te che probabilmente lavori in settori molto competitivi e severi, come quelli appena citati, è di fondamentale importanza l’affidabilità dei prodotti che produci e saldi perché anche un solo pezzo non conforme dal cliente finale, che sia un paziente in dialisi o una Porche lanciata a 200 Km/h in autostrada può costare molto caro e a volte, nel peggiore dei casi, come tu mi insegni, può costare la vita.

Questa è la principale ragione per cui lavoriamo e per cui ho deciso di scrivere questo blog in cui tutte le informazioni sulla saldatura a ultrasuoni professionale sono a completa disposizione di coloro che vogliono conoscere di più per avere da subito risultati migliori.

In fin dei conti, a chi è che non piace tornare a casa la sera stanco e poter finalmente godersi un po’ di pace e tranquillità senza avere sempre il timore che qualcosa nella tua produzione o dal tuo cliente potrebbe andare storto?

La saldatura in quota relativa (o riferimento rispetto al nuovo punto zero) è semplicemente il considerare come 0 iniziale il punto in cui il sonotrodo incontra il particolare e salderà, a partire da questo punto, una quota prefissata (tipicamente da qualche decimo fino a un massimo di qualche millimetro).

Ogni pezzo sarà alla fine differente perché differente a causa delle tolleranze insite nello stampaggio ma avrà come caratteristica fondamentale il fatto di mantenere costante le specifiche di funzionalità.

La saldatura utilizzando la quota relativa ha le seguenti caratteristiche:

• Distanza di saldatura relativa dal punto trigger (0) a una quota stabilita
• La distanza relativa di saldatura costante assicura una volume di materiale saldato costante
• Massima riproducibilità del processo di saldatura
• Le tolleranze dei pezzi vengono compensate compatibilmente con le funzionalità richieste (per esempio tolleranze dimensionali)
• Ideale per pezzi stampati con un direttore di energia correttamente concepito e dimensionato
• La distanza relativaè percorsa a ultrasuoni attivi
• Definiamo distanza relativa dopo raffreddamento la distanza percorsa a ultrasuoni attivi insieme al tempo di raffreddamento

La modalità di saldatura (insieme al parametro di controllo ) è lo strumento di gestione del processo di saldatura a ultrasuoni più flessibile e efficiente perché partendo da particolari con tolleranze differenti garantisce una funzionalità costante e riproducibile.

Qualunque siano le saldatrici che hai a disposizione puoi utilizzare le informazioni di questo post come guida per ottimizzare i setup delle tue macchine perché questi principi di funzionamento sono sempre validi anche con terminologie o sistemi differenti.

Bene, abbiamo finito con i classici metodi di saldatura a ultrasuoni “singoli” e iniziamo l’ultima parte di questo post con le due ultime modalità che ho volutamente tenuto per ultime perché non rappresentano una novità bensì un utilizzo misto cogliendo gli aspetti positivi dei precedenti modi appena elencati.

Queste sono di diritto la “master class” dell’utilizzo delle saldatrici e richiedo una conoscenza approfondita dei concetti finora esposti per poter dare un concreto vantaggio a chi le utilizza.

Queste modalità, essendo disponibili solo su due produttori al Mondo, ti saranno sconosciute e rappresentano insieme solo l’1% di tutti i processi di saldatura.

6. Mista

Il modalità Mista permette di creare un processo di saldatura controllato e monitorato da più parametri contemporaneamente: il primo valore (tra quelli selezionati: tempo, energia, potenza, quota relativa o assoluta) che viene raggiunto ferma il processo.

Per esempio se io volessi saldare in una finestra predefinita di 3 esatti parametri (distanza relativa, Tempo e Energia) posso impostare simultaneamente i 3 valori e il mio processo di saldatura si arresterà al raggiungimento del primo garantendo che entrambi gli altri due valori siamo minori o uguali al valore preimpostato.

Questo significa che, contrariamente a quanto avviene per quasi tutte le saldatrici in commercio che controllano solo un parametro e usano (eventualmente) gli altri come controllo (cioè indicano solo se il tuo particolare è scarto), in questo caso il tuo particolare è completamente “tutelato”  e preservato da tutte e 5 le modalità in modo simultaneo.

In questo modo, come puoi vedere dal grafico semplificato qui a lato, crei una finestra di lavoro ampia e flessibile di lavoro che ti permetterà una maggior sicurezza di risultato.

Come avrai capito la modalità Mista è abbastanza complessa in cui però, con un po’ di pratica, troverai uno strumento incredibilmente potente da utilizzare in tutti le situazioni “delicate” in cui una singola modalità non offre un risultato soddisfacente.

La saldatura utilizzando una modalità mista:

• è stata studiata appositamente per particolari con tolleranze elevate in origine (derivanti per esempio da stampi con elevato numero di cavità) oppure con tolleranze dovute a un processo di montaggio che non possono essere controllate in altri modi
• è controllo multiplo simultaneo particolarmente indicato per la saldatura di particolari molto costosi che hanno per esempio al loro interno elementi fragili (elettronici, ceramici, membrane, ecc.), che devono essere tutelati o subire il minore stress possibile
• si adatta molto bene ed è consigliata per tutte le applicazioni critiche: finestra di regolazione particolarmente limitata o alta variabilità per lotto

Sicuramente l’ambito medicale, automotive ed elettronico sono i due principali campi applicativi della modalità Mista tuttavia, negli ultimi anni, alcuni progetti di meccanica di precisione hanno trovato in questa soluzione di saldatura il miglior compromesso per un’efficienza di produzione insperata .

7. Sequenziale (più parametri in serie)

La modalità di saldatura sequenziale è un’altra variante mista.

Anche in questo caso posso dirti che valgono tutte le considerazioni fatte precedentemente per la Mista.

Per semplificarti il concetto posso dire che, se prima avevi la possibilità di utilizzare insieme tutte le modalità di saldatura, adesso le puoi anche mettere in fila in modo che siano eseguite tutte nell’ordine da te impostato.

Ti faccio un esempio pratico dai miei progetti che più di tutto semplifica la spiegazione.

Con un cliente ci siamo accorti che il particolare meccanico in questione, saldato in modalità RPN, non sempre dava lo stesso risultato in termini di trazione.

Tutti i pezzi si rompevano oltre il valore di soglia che era di 500 N ma, mentre alcuni resistevano a 600-650 N, altri arrivavano oltre i 1000 N.

Tu ovviamente dirai: ”ottimo se tutti le produzioni fossero così, potrei starmene tranquillamente anche a casa davanti al tv!..”

Ed è quello che pensavo anch’io.

Il cliente in questione però, voleva a tutti costi regolarizzare questi risultati (imputabili a differenze di oltre 0,15 mm nella lunghezza del direttore di energia).

Il motivo chiaro e limpido (anche se non me l’ha mai detto, l’ho scoperto a mesi di distanza) era che voleva diminuire il tempo ciclo al minimo (diminuendo tempo di saldatura e tempo di raffreddamento) per aumentare la produzione e di conseguenza per lui un valore anche costante attorno ai 600-610 N era più che accettabile.

A questo punto (come molto spesso accade), il mio consiglio di intervenire sullo stampo (a 8 impronte) per regolarizzare le tolleranze, è stato bocciato perché si perdeva troppo tempo e costava.

La soluzione a questo punto è stata di saldare sempre in RPN con in più, nello stesso ciclo, una saldatura in energia di una decina di Joule in modo da assicurare la costanza di resistenza alla trazione.

La soluzione è stata possibile solo grazie all’utilizzo della saldatura in modalità sequenziale.

Alcune considerazioni finali.

Questa che hai appena letto vuole essere una guida tecnica per migliorare la comprensione e l’utilizzazione delle saldatrici a ultrasuoni.

Mi preme ricordarti che ogni mia osservazione, oltre che supportata dalla teoria, è stata sperimentata sul campo ma non è detto che le due esperienze ti suggeriscano esattamente il contrario.

Come ben sai, teoria e pratica non sempre vanno a braccetto ma quello che è più importante di tutto nel nostro lavoro è il risultato finale.

Se il tuo particolare è perfetto o la tua produzione ha un’efficienza del 100% e stai violando uno o più dei principi da me esposti, non vuole dire che parliamo lingue diverse ma semplicemente stiamo arrivando allo stesso punto per altre strade.

Quello che conta è il tuo progetto. Tutto il resto deve essere al suo servizio.

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

Francesco