2.8.2 Soldadura Ultrasónica de Telas y Películas

 

Las telas y películas utilizadas en diversas industrias, como la médica, la del embalaje y la textil, pueden soldarse mediante energía ultrasónica. Aquí se describen la unión ultrasónica continua y el procesamiento por inmersión.

En la unión ultrasónica continua (Fig. 2.29), dos o más capas de material se ensamblan pasándolas a través de un espacio entre una bocina vibratoria y un tambor giratorio o yunque. El tambor giratorio suele estar hecho de acero endurecido y presenta un patrón de áreas elevadas mecanizadas. Las vibraciones ultrasónicas y la compresión entre la bocina y el tambor generan calor por fricción en el punto donde la bocina entra en contacto con los materiales. La unión se produce solo en estos puntos, lo que proporciona suavidad, transpirabilidad y absorción a los materiales unidos. Estas propiedades son importantes para batas de hospital, prendas estériles, pañales y otras aplicaciones utilizadas en salas blancas y en la industria médica. La unión ultrasónica utiliza mucha menos energía que la unión térmica, que utiliza tambores rotatorios calentados para unir los materiales [5].

En el proceso de inmersión, el material permanece fijo y entra en contacto periódico con la bocina ultrasónica (Fig. 2.30). Tanto la cara de la bocina como el yunque incorporan un patrón para concentrar la energía ultrasónica y producir una fusión. La bocina también puede adaptarse para realizar una operación de corte y sellado. Las aplicaciones típicas de inmersión incluyen filtros, flejes, hebillas, trabillas para cinturones, tirantes de sujetadores y persianas verticales.

Los tejidos y películas más adecuados para la soldadura ultrasónica contienen materiales termoplásticos con puntos de fusión similares y una estructura molecular compatible. Entre sus características favorables se incluyen un espesor uniforme, un alto coeficiente de fricción y un contenido mínimo de termoplástico del 65 %. La estructura del material también influye significativamente en la soldabilidad. Las principales categorías de textiles y películas termoplásticas son tejidos, no tejidos, tejidos de punto, películas, materiales recubiertos y laminados.

Factores como la densidad del hilo, la firmeza del tejido, la elasticidad y el estilo del tejido pueden influir en el éxito de la soldadura ultrasónica.

Las telas y películas termoplásticas de poliéster, nailon, PP y PE son aptas para el procesamiento ultrasónico.

2.8 Variantes de la soldadura ultrasónica

 2.8.1 Soldadura por puntos ultrasónica

La soldadura por puntos ultrasónica une dos piezas termoplásticas en puntos localizados sin necesidad de un orificio preformado ni un director de energía. Produce una soldadura estructural resistente y es especialmente adecuada para piezas grandes o con geometría compleja o superficies de unión de difícil acceso.

La soldadura por puntos es ideal para láminas de termoplástico extruido o fundido, y se utiliza a menudo en piezas conformadas al vacío, como los envases blíster (con tapa).

En la soldadura por puntos, el sonotrodo cuenta con una punta piloto que, al aplicar vibraciones ultrasónicas, se funde a través de la parte superior y penetra en la inferior hasta una profundidad predeterminada. Al cesar las vibraciones, la masa fundida de ambas partes se fusiona, formando una soldadura con un anillo elevado en la parte superior, producido por la punta de soldadura (Fig. 2.28).

La ​​capa inferior de una unión soldada por puntos tiene una apariencia lisa. La soldadura por puntos se puede realizar con pistolas portátiles, soldadoras de banco de uno o dos cabezales, o con sistemas de soldadura en grupo compuestos por varios cabezales que realizan varias operaciones de soldadura simultáneamente [5, 7, 12, 24].

Las pautas para la soldadura por puntos incluyen un soporte rígido directamente debajo del área de soldadura por puntos para evitar marcas; una amplitud de media a alta para garantizar una penetración adecuada del material; y una presión baja para asegurar una masa fundida adecuada en la interfaz de la unión.

2.7.5 Control de Proceso

 

La mayoría de las máquinas de soldadura ultrasónica actuales cuentan con un control por microprocesador totalmente programable para programar y monitorear todos los parámetros de soldadura. Algunas máquinas monitorean y ajustan todo el proceso cada milisegundo. El controlador toma 1000 mediciones de soldadura de referencia por segundo, lo que proporciona un verdadero control de calidad. Los modos de soldadura (tiempo, energía o distancia) se pueden seleccionar desde el controlador.

La soldadura por tiempo es el modo de operación más básico.

Los componentes se preensamblan en el accesorio y la bocina se pone en contacto con la parte superior, mientras que el ultrasonido se activa durante el tiempo designado. El consumo de energía de un ciclo a otro se puede monitorear para obtener una indicación de la calidad de la soldadura y, si se encuentra fuera de un rango, las señales de alarma pueden advertir de una posible soldadura defectuosa.

La soldadura por energía se basa en un control de retroalimentación cerrado; es decir, la máquina monitorea el consumo de energía a medida que avanza el ciclo de soldadura y la finaliza una vez que se suministra la energía establecida. En la soldadura a distancia, un codificador lineal montado en el actuador mide con precisión el colapso de la soldadura o la distancia total recorrida por el sonotrodo, lo que permite unir componentes con una profundidad de soldadura específica. Este modo funciona independientemente del tiempo y la energía y compensa cualquier variación de tolerancia en las piezas moldeadas, garantizando así que se funda la misma cantidad de material en la unión en cada ocasión.

2.7.4 Amplitud

 

En la soldadura ultrasónica con directores de energía, la velocidad media de calentamiento (Q avg) depende del módulo de pérdida complejo del material (E″), la frecuencia (ω) y la deformación aplicada (ε o):

Q avg = ω ε o 2 E″/2

El módulo de pérdida complejo del termoplástico depende en gran medida de la temperatura, de modo que a medida que se aproxima a la temperatura de fusión o de transición vítrea, el módulo de pérdida aumenta y se convierte más energía mecánica en energía térmica. La temperatura en la interfaz de la soldadura aumenta rápidamente (más de 1000 °C/s o 1800 °F/s) tras el inicio del calentamiento [23].

La deformación aplicada es proporcional a la amplitud vibratoria de la bocina, de modo que el calentamiento de la interfaz de la soldadura puede controlarse variando la amplitud de la vibración. La amplitud es un parámetro importante para controlar la velocidad de flujo de compresión del termoplástico. A amplitudes altas, la interfaz de soldadura se calienta a mayor velocidad; la temperatura aumenta y el material fundido fluye a mayor velocidad, lo que provoca una mayor alineación molecular, una generación significativa de rebabas y una menor resistencia de la soldadura.

Se requieren amplitudes altas para iniciar la fusión.

Las amplitudes demasiado bajas producen una iniciación de fusión no uniforme y una solidificación prematura de la fusión [23].

A medida que aumenta la amplitud, se disipan mayores cantidades de energía vibratoria en el material termoplástico y las piezas que se sueldan experimentan mayor tensión. Al utilizar una amplitud constante durante todo el ciclo de soldadura, generalmente se utiliza la amplitud más alta que no cause daños excesivos a las piezas que se sueldan. Para polímeros semicristalinos como el PE y el PP, el efecto de la amplitud de vibración es mucho mayor que para los polímeros amorfos como el ABS y el poliestireno. Esto probablemente se deba a la mayor energía requerida para la fusión y soldadura de los polímeros semicristalinos.

La amplitud se puede ajustar mecánicamente modificando el amplificador o la bocina, o eléctricamente variando el voltaje suministrado al convertidor. En la práctica, los ajustes de amplitud grandes se realizan mecánicamente, mientras que los ajustes finos se realizan eléctricamente. Los materiales con alta temperatura de fusión, las soldaduras de campo lejano y los materiales semicristalinos generalmente requieren amplitudes mayores que los materiales amorfos y las soldaduras de campo cercano.

Los rangos típicos de amplitud pico a pico son de 30 a 100 μm (1,2 a 3,9 milésimas de pulgada) para plásticos amorfos y de 60 a 125 μm (2,4 a 4,9 milésimas de pulgada) para plásticos cristalinos. El perfilado de amplitud, en el que la amplitud se reduce durante el ciclo de soldadura, se ha utilizado para lograr un buen flujo de fusión y una resistencia de soldadura alta y constante.

Con el perfilado combinado de amplitud y fuerza, se utilizan amplitudes y fuerzas altas para iniciar la fusión, que luego se reducen para reducir la alineación molecular con la línea de soldadura.

2.7.3 Presión/Fuerza de Soldadura

 

La presión de soldadura proporciona la fuerza estática necesaria para acoplar el sonotrodo a las piezas, de modo que se puedan introducir vibraciones en ellas. Esta misma carga estática asegura que las piezas se mantengan unidas a medida que el material fundido se solidifica durante la fase de retención del ciclo de soldadura. Determinar la presión óptima es esencial para una buena soldadura.

Las presiones de soldadura demasiado bajas generalmente resultan en una transmisión de energía deficiente o un flujo de fusión incompleto, lo que resulta en ciclos de soldadura largos. Aumentar la fuerza o la presión de soldadura reduce el tiempo de soldadura necesario para lograr el mismo desplazamiento. Si la presión es demasiado alta, el mayor volumen de fusión provoca una alineación molecular en la dirección del flujo y una menor resistencia de la soldadura, así como la posibilidad de marcas en la pieza. En casos extremos, si la presión es alta en relación con la amplitud de la punta del sonotrodo, puede sobrecargarlo y bloquearlo.

La mayoría de las soldaduras ultrasónicas se realizan a una presión o fuerza constante. En algunos sistemas, la fuerza puede modificarse durante el ciclo. En el perfilado de fuerza, la fuerza de soldadura disminuye durante el tiempo que se aplica la energía ultrasónica a las piezas. Una menor presión o fuerza de soldadura en etapas posteriores del ciclo reduce la cantidad de material extraído de la unión, permite más tiempo para la difusión intermolecular, reduce la orientación molecular y aumenta la resistencia de la soldadura. En materiales como la poliamida, que tienen una baja viscosidad de fusión, esto puede mejorar significativamente la resistencia de la soldadura.

2.7.2 Tiempo de Soldadura

El tiempo de soldadura es el tiempo que vibra la bocina por ciclo de soldadura y, por lo general, equivale al tiempo que la bocina está en contacto con la pieza. El tiempo correcto para cada aplicación se determina mediante ensayo y error. Aumentar el tiempo de soldadura generalmente aumenta la resistencia de la soldadura hasta alcanzar el tiempo óptimo; aumentos adicionales resultan en una disminución de la resistencia de la soldadura o solo en un ligero aumento de la misma, a la vez que aumentan las rebabas de soldadura y la posibilidad de marcar la pieza.

2.7.1 Frecuencia

La mayoría de los equipos de soldadura ultrasónica operaban a 20 kHz hasta principios de la década de 1980; las frecuencias de 30 y 40 kHz son ahora comunes, además de los equipos de baja frecuencia (15 kHz) para materiales semicristalinos.

Las ventajas de los equipos de mayor frecuencia incluyen menor ruido, menor tamaño de los componentes (el herramental de los soldadores de 40 kHz es la mitad del tamaño de las unidades que operan a 20 kHz), mayor protección de las piezas debido a la reducción de la tensión cíclica y calentamiento indiscriminado en regiones fuera de la interfaz de la unión, mejor control de la energía mecánica, menores fuerzas de soldadura y mayor velocidad de procesamiento.

Las desventajas incluyen una menor capacidad de potencia debido al pequeño tamaño del componente y la dificultad para realizar soldaduras de campo lejano debido a la reducción de la amplitud.

Las máquinas ultrasónicas de mayor frecuencia se utilizan generalmente para componentes pequeños y delicados, como interruptores eléctricos [7, 13, 20, 21]. Con soldadores de 15 kHz, la mayoría de los termoplásticos se pueden soldar más rápido y, en la mayoría de los casos, con menor degradación del material que con 20 kHz. Las piezas soldadas marginalmente a 20 kHz, especialmente las fabricadas con resinas de ingeniería de alto rendimiento, se pueden soldar eficazmente a 15 kHz. A estas frecuencias más bajas, las bocinas tienen una mayor longitud de resonancia y se pueden fabricar en todas las dimensiones. Otra ventaja importante de usar 15 kHz es que la atenuación a través del material termoplástico es significativamente menor, lo que permite soldar muchos plásticos más blandos y a distancias de campo más lejanas que con frecuencias más altas [22].