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Gli ultrasuoni attivano le molecole del materiale plastico, producendo calore da attrito
Gli ultrasuoni attivano le molecole del materiale plastico, producendo calore da attrito

Saldatura di materiali plastici con l'impiego di ultrasuoni

La saldatura a ultrasuoni di materiali plastici crea un legame molecolare all'interno del cordone di saldatura. Sotto l'azione di forza, nei materiali plastici vengono introdotte vibrazioni longitudinali a frequenze di 20 kHz, 30 kHz e 35 kHz con ampiezze dell'utensile tra 5 µm e 50 µm. Le vibrazioni ultrasoniche vengono focalizzate per mezzo di una speciale conformazione dei pezzi o degli utensili. Questa geometria specifica del pezzo viene chiamata direttore di energia. Con l'applicazione di energia, i punti di contatto nella zona di giunzione subiscono una deformazione elastica mirata. L'attrito tra le superfici di contatto e all'interno delle catene molecolari genera calore, che a sua volta provoca la fusione del materiale.

La saldatura a ultrasuoni è particolarmente adatta a:

  • giunzione di pezzi stampati a iniezione
  • inglobamento di membrane
  • inglobamento di cuoio, tessuto non tessuto e materiali tessili
  • rivettatura di diversi tipi di materiali
  • produzione di giunti ad accoppiamento geometrico per mezzo di bordatura
  • inserimento di boccole e magneti

La rivettatura di materiali plastici è utilizzata con successo da molti anni nella produzione industriale. La rivettatura produce giunzioni permanenti con praticamente nessuna limitazione sulle combinazioni di materiali e consente cicli di processo brevi, un'elevata efficienza e una grande liberà in termini di geometrie costruttive e pianificazione del processo tecnico.
Spesso metodi di giunzione alternativi quali unione con clip o con adesivinon funzionano a causa delle caratteristiche, sicurezza di funzionamento o efficienza.

La bordatura a ultrasuoni è un metodo molto simile e si differenzia dalla rivettatura solo per il fatto che la bordatura non utilizza steli rotondi od oblunghi, ma fonde e rimodella un bordo di plastica (rettilineo o rotondo) attorno al pezzo da fissare.

  • Direttore di energia
    Direttore di energia
  • Incapsulamento del materiale fuso
    Incapsulamento del materiale fuso

Sono possibili le versioni seguenti:

Saldatura di pezzi stampati con geometria del giunto/focalizzazione dell'energia attraverso la geometria della saldatura (= direttore di energia)
Utilizzabile per tutti i pezzi stampati a iniezione, si parla in questo caso di saldatura molecolare. La focalizzazione dell'energia ultrasonica è effettuata da cosiddetti direttori di energia (ED), ovvero punte o bordi speciali che devono essere inclusi nella geometria del pezzo. La fusione si produce direttamente tra i pezzi da congiungere in corrispondenza dei punti di contatto dei direttori di energia.

  • Mash joint before welding
  • Mash joint after welding

Focalizzazione dell'energia mediante direttore di energia nell'esempio di un giunto "mash"

 

Rimodellazione mediante ultrasuoni/focalizzazione dell'energia mediante il sonotrodo
Si parla normalmente di rivettatura, saldatura a punti o bordatura. La fusione si produce attraverso il contatto diretto tra la superficie di saldatura del sonotrodo e il pezzo in materiale termoplastico. Con questo metodo è anche possibile unire insieme tipi diversi di materiali, per es. plastica e metallo o vetro e plastica, ecc. con un accoppiamento geometrico.

  • Energy focusing through sonotrode
  • Energy focusing through sonotrode

Focalizzazione dell'energia mediante sonotrodo nell'esempio di una rivettatura

ULTRASONIC FUNDAMENTALS OF PLASTICS_ENG

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Varianti di geometria del giunto
per le diverse esigenze:

  • Giunzione step

    Questo tipo di geometria del giunto è relativamente facile da realizzare nell'utensile per la stampa a iniezione. Se vengono utilizzati termoplastici amorfi, questa geometria del giunto favorisce la produzione di saldature ermetiche, altamente resistenti ed esteticamente impeccabili. Un ulteriore vantaggio è costituito dal fatto che la giunzione step supporta l'autocentraggio dei pezzi e l'assorbimento di elevate forze di trazione e di taglio.

  • Giunzione step
    Giunzione step
  • Giunto maschio/femmina

    Con il giunto maschio/femmina si ottengono di norma i massimi valori di resistenza. Gap con tolleranze molto ridotte creano un effetto capillare che fa sì che la fusione generata penetri attraverso l'intera area della giunzione. Questa geometria del giunto necessita di pareti relativamente spesse ed è da preferire, qualora tutte le condizioni necessarie siano soddisfatte.

  • Giunto maschio/femmina
    Giunto maschio/femmina
  • Giunto "mash"

    Il giunto mash si è rivelato particolarmente adatto ai materiali plastici semicristallini in combinazione con pareti sottili. Con distanze di saldatura elevate, questa geometria del giunto produce saldature ermetiche e altamente resistenti.

  • Giunto "mash"
    Giunto "mash"
  • Giunto a doppia V

    Questo tipo di giunzione è consigliato per pezzi con spessore delle pareti inferiore a 1,5 mm. L'autocentraggio accurato dei pezzi e il posizionamento definito della giunzione contribuiscono a garantire un'elevata resistenza dopo la saldatura. Occorre ricordare che sono assolutamente necessari un accurato stampaggio a iniezione e l'esatta determinazione della giunzione.

  • Giunto a doppia V
    Giunto a doppia V
  • Rivettatura

    L'utilizzo degli ultrasuoni per la rivettatura consente la giunzione rapida e pulita di pezzi stampati in materiali termoplastici a materiali metallici o ad altri materiali non saldabili.

    Non sono necessari altri elementi di collegamento. Il calore risultante dal processo di rivettatura può essere dissipato per mezzo di un sonotrodo con raffreddamento ad aria. Al termine dell'effettivo processo di rivettatura, il sistema provvede ad applicare un tempo di permanenza preselezionato in modo che il materiale fuso possa pienamente solidificarsi sotto pressione statica. In tal modo le forze di ripristino vengono bloccate, garantendo giunzioni senza gioco.

  • Rivettatura
    Rivettatura
  • Saldatura a punti

    I pezzi stampati che devono essere saldati sono posizionati in piano uno sopra all'altro senza punti di giunzione preparati e senza direttore di energia. La punta del sonotrodo penetra attraverso il pezzo superiore all'interno del pezzo inferiore e in tal modo plastifica i materiali plastici di entrambi i pezzi. Il materiale fuso risultante si raccoglie parzialmente nella giunzione e produce una saldatura locale a punti.

  • Saldatura a punti
    Saldatura a punti
  • Bordatura

    Non sempre è possibile stampare i pezzi con i necessari perni di rivettatura. La bordatura è una buona alternativa per questo tipo di applicazioni. La superficie di contatto del sonotrodo deve essere lavorata in modo adatto al processo di bordatura. La sequenza e i tempi di ciclo del processo corrispondono a quelli della rivettatura. La bordatura a ultrasuoni consente processi di rimodellazione di pezzi di grandi formati, talvolta con coinvolgimento dell'intera circonferenza dei pezzi.

     

     

  • Bordatura
    Bordatura