domingo, 16 de marzo de 2025
2.4.3 Aditivos
2.4.3 Aditivos
Los aditivos suelen
dificultar la obtención de una buena unión soldada, aunque pueden mejorar el
rendimiento general o las características de conformado del material base. Los
aditivos típicos son lubricantes, plastificantes, modificadores de impacto, retardantes
de llama, colorantes, agentes espumantes y polímeros remolidos.
Los lubricantes
internos (ceras, estearato de zinc, ácido esteárico, ésteres de ácidos grasos)
reducen el coeficiente de fricción entre las moléculas de polímero, lo que
resulta en una reducción de la generación de calor. Sin embargo, este efecto
suele ser mínimo, ya que las concentraciones son bajas y se dispersan dentro
del plástico en lugar de concentrarse en la superficie de la unión [10, 12].
Los plastificantes,
los líquidos orgánicos de alta temperatura o los sólidos de baja temperatura de
fusión aportan flexibilidad y suavidad, y reducen la rigidez del material.
Reducen las fuerzas de atracción intermoleculares dentro del polímero e interfieren
con la transmisión de energía vibratoria. Los materiales altamente
plastificados, como el vinilo, son muy malos transmisores de energía
ultrasónica. Los plastificantes se consideran aditivos internos, pero migran a
la superficie con el tiempo, lo que hace que la soldadura ultrasónica sea
prácticamente imposible. Los plastificantes metálicos tienen un efecto más
perjudicial que los plastificantes aprobados por la FDA [10].
Los modificadores de
impacto, como el caucho, pueden reducir la capacidad del material para
transmitir vibraciones ultrasónicas, lo que hace necesarias amplitudes mayores
para generar la fusión.
Los modificadores de
impacto también pueden afectar la soldabilidad del material al reducir la
cantidad de material termoplástico en la interfaz de la unión [10].
Los modificadores de
impacto, como el caucho, pueden reducir la capacidad del material para
transmitir vibraciones ultrasónicas, lo que hace necesarias mayores amplitudes
para generar la fusión. Los modificadores de impacto también pueden afectar la
soldabilidad del material al reducir la cantidad de material termoplástico en
la interfaz de la unión [10].
Se añaden retardantes
de llama, óxidos inorgánicos o elementos orgánicos halogenados como aluminio,
antimonio, boro, cloro, bromo, azufre, nitrógeno o fósforo a las resinas para
inhibir la ignición o modificar las características de combustión del material.
En su mayoría, no son soldables. Los retardantes de llama pueden representar
hasta el 50 % o más del peso total del material, lo que reduce la cantidad de
material soldable en la pieza. Para soldar estos materiales, se requieren
equipos de alta potencia, amplitudes superiores a las normales y la
modificación del diseño de la unión para aumentar la cantidad de material
soldable en la interfaz [10].
La mayoría de los
colorantes (pigmentos o tintes) no inhiben la transmisión de energía
ultrasónica; sin embargo, pueden reducir la cantidad de material soldable
disponible en la interfaz. El dióxido de titanio (TiO₂), utilizado en pigmentos
blancos, es inorgánico y químicamente inerte. Puede actuar como lubricante y,
si se utiliza en niveles superiores al 5%, puede inhibir la soldabilidad. El
negro de humo también puede interferir con la transmisión de energía
ultrasónica a través del material. La presencia de colorantes puede requerir la
modificación de los parámetros de procesamiento [10, 12].
Los agentes espumantes
reducen la capacidad de la resina para transmitir energía. Dependiendo de la
densidad, los huecos en la estructura celular interrumpen el flujo de energía,
reduciendo la cantidad de energía que llega a la zona de unión [10].
Los materiales de
soldadura con un contenido alto o variable de material triturado deben
evaluarse cuidadosamente.
2.4.2 Rellenos y refuerzos
Los rellenos (vidrio, talco, minerales) presentes en un termoplástico pueden mejorar o inhibir la soldadura ultrasónica. Materiales como el carbonato de calcio, el caolín, el talco, el trihidrato de alúmina, el relleno orgánico, la sílice, las esferas de vidrio, el metasilicato de calcio (wollastonita) y la mica aumentan la rigidez de la resina y mejoran la transmisión de la energía ultrasónica a través del material en niveles de hasta el 20%, especialmente en materiales semicristalinos. En niveles cercanos al 35%, puede haber una cantidad insuficiente de resina termoplástica en la interfaz de la unión para lograr sellos herméticos fiables. Con un contenido de relleno del 40%, las fibras se acumulan en la interfaz de la unión y la cantidad de material termoplástico es insuficiente para formar una unión fuerte. Las fibras de vidrio largas pueden agruparse durante el moldeo, lo que hace que el conductor de energía contenga un mayor porcentaje de vidrio que el material en masa. Este problema puede eliminarse utilizando relleno de fibra de vidrio corta [7, 10, 11].
Las partículas
abrasivas presentes en muchos rellenos causan desgaste del sonotrodo cuando el
contenido de relleno supera el 10 %. Se recomienda el uso de sonotrodos de
acero endurecido o de titanio con recubrimiento de carburo.
También puede requerirse un equipo ultrasónico de mayor potencia para generar suficiente calor en la unión.
2.4 Materiales, Estructura del polímero
Los plásticos amorfos presentan una estructura molecular aleatoria y se ablandan gradualmente en un amplio rango de temperaturas (Fig. 2.4). Alcanzan un estado de transición vítrea y luego un estado líquido fundido; la solidificación también es gradual, lo que evita la solidificación prematura. Los polímeros amorfos transmiten vibraciones ultrasónicas de forma eficiente y pueden soldarse en una amplia gama de condiciones de procesamiento.
Los sellos herméticos
también son más fáciles de lograr con materiales amorfos [10].
Los plásticos
semicristalinos se caracterizan por regiones de estructura molecular ordenada.
Se requiere una temperatura elevada para alterar esta disposición ordenada. El
punto de fusión (Tm en la Fig. 2.4) es preciso y la resolidificación se produce
rápidamente en cuanto la temperatura desciende ligeramente. Por lo tanto, la
masa fundida que fluye fuera de la región calentada de la unión se solidifica
rápidamente. En estado sólido, las moléculas semicristalinas tienen una
estructura elástica y absorben gran parte de las vibraciones ultrasónicas, en
lugar de transmitirlas a la interfaz de la unión, por lo que se requiere una
gran amplitud para generar suficiente calor para la soldadura [10].
sábado, 15 de marzo de 2025
2.3 Aplicaciones Soldadura ultrasónica
La soldadura ultrasónica se utiliza en casi todas las industrias principales donde se ensamblan piezas termoplásticas en grandes cantidades. Algunos ejemplos son los siguientes:
• Automoción: piezas
de faros, tableros, botones e interruptores, filtros de combustible, depósitos
de fluidos, cerraduras de cinturones de seguridad, llaveros electrónicos,
conjuntos de lámparas, conductos de aire.
• Electrónica y
electrodomésticos: interruptores, sensores, llaves de almacenamiento de datos.
• Medicina: filtros,
catéteres, indumentaria médica, mascarillas [8].
• Envases: blísteres,
bolsas, tubos, contenedores de almacenamiento, boquillas de cartón [9].
2.2 Ventajas y desventajas de la Soldadura ultrasónica
2.2 Ventajas y
desventajas de la Soldadura ultrasónica
La soldadura
ultrasónica es una de las técnicas de soldadura más populares en la industria.
Es rápida, económica, fácilmente automatizable y muy adecuada para la
producción en masa, con velocidades de producción de hasta 60 piezas por
minuto. Produce uniones consistentes y de alta resistencia.
Con equipos compactos.
Los tiempos de soldadura son más cortos que con cualquier otro método de
soldadura y no se necesitan sistemas de ventilación complejos para eliminar
humos o calor. El proceso es energéticamente eficiente y ofrece una mayor
productividad con menores costos que muchos otros métodos de ensamblaje. El
herramental se puede cambiar rápidamente, a diferencia de muchos otros métodos
de soldadura, lo que resulta en una mayor flexibilidad y versatilidad. Se
utiliza comúnmente en la industria sanitaria porque no introduce contaminantes
ni fuentes de degradación en la soldadura que puedan afectar la
biocompatibilidad del dispositivo médico.
Una limitación de la
soldadura ultrasónica es que, con la tecnología actual, las uniones grandes (es
decir, mayores de aproximadamente 250 × 300 mm; 10 × 12 pulgadas) no se pueden
soldar en una sola operación. Además, se requieren detalles de unión específicamente
diseñados. Las vibraciones ultrasónicas también pueden dañar los componentes
eléctricos, aunque el uso de equipos de mayor frecuencia puede reducir este
daño. Además, dependiendo de las piezas a soldar, los costos de herramientas
para los accesorios pueden ser altos.
2 Soldadura ultrasónica
La soldadura
ultrasónica, uno de los métodos de soldadura más utilizados para unir
termoplásticos, utiliza energía ultrasónica a altas frecuencias (20-40 kHz)
para producir vibraciones mecánicas de baja amplitud (1-25 μm). Estas
vibraciones generan calor en la interfaz de unión de las piezas soldadas, lo
que provoca la fusión de los materiales termoplásticos y la formación de la
soldadura tras el enfriamiento.
La soldadura
ultrasónica es la técnica de soldadura más rápida conocida, con tiempos de
soldadura típicos de entre 0,1 y 1,0 segundos.
Además de la
soldadura, la energía ultrasónica se utiliza comúnmente en procesos como la
inserción de piezas metálicas en plástico o el reformado de piezas
termoplásticas para fijar mecánicamente componentes fabricados con materiales
diferentes. Cuando un material termoplástico se somete a vibraciones
ultrasónicas, se generan ondas estacionarias sinusoidales en el material. Parte
de esta energía se disipa mediante la fricción intermolecular, lo que genera
una acumulación de calor en el material, y parte se transmite a la interfaz de
la unión, donde la fricción límite provoca un calentamiento local. Por lo
tanto, la transmisión óptima de la energía ultrasónica a la unión y el
posterior comportamiento de fusión dependen de la geometría de la pieza y
también de las características de absorción ultrasónica del material.
Cuanto más cerca
esté la fuente de vibraciones de la unión, menor será la energía que se pierda
por absorción.
Cuando la
distancia entre la fuente y la unión es inferior a 6,4 mm (0,25 pulgadas), el
proceso se denomina soldadura de campo cercano. Se utiliza para materiales
cristalinos y de baja rigidez, que presentan una alta absorción de energía.
Cuando la distancia entre la fuente y la unión es superior a 6,4 mm (0,25
pulgadas), el proceso se denomina soldadura de campo lejano. Se utiliza para
materiales amorfos y de alta rigidez, que presentan una baja absorción de
energía ultrasónica.
El calor generado
normalmente es mayor en la superficie de la unión debido a las asperezas
superficiales, que están sujetas a mayor tensión y fuerza de fricción que el
material en masa.
Para muchas
aplicaciones de soldadura ultrasónica, se moldea en la parte superior una
protuberancia triangular, conocida como director de energía. Esta se utiliza
para concentrar la energía ultrasónica en la interfaz de la unión (Fig. 2.1).
Durante la
soldadura, la vibración es perpendicular a la superficie de la unión y la punta
del director de energía se fuerza a entrar en contacto con una de las piezas
que se están soldando.
La generación de calor
es máxima en este punto, y el conductor de energía se funde y fluye hacia la
unión durante la Fase 1 del proceso de soldadura (Fig. 2.2). La disminución por
desplazamiento de la distancia entre las piezas, que se produce como resultado
del flujo de la masa fundida, aumenta rápidamente y luego se ralentiza a medida
que el conductor de energía fundido se extiende y entra en contacto con la
superficie inferior de la pieza, disminuyendo así la velocidad de fusión. En la
Fase 2, las superficies de las piezas se unen y la velocidad de fusión aumenta.
La fusión en estado estacionario se produce en la Fase 3; hasta alcanzar un
espesor constante de la capa de masa fundida en la soldadura, se forma una
distribución de temperatura constante. Tras un tiempo específico, o tras
alcanzar un nivel de energía, potencia o distancia determinados, se desconecta
la alimentación y cesan las vibraciones ultrasónicas al inicio de la Fase 4. Se
mantiene la presión, lo que provoca que se expulse parte de la masa fundida
adicional de la interfaz de la unión; se crea una unión molecular y la
soldadura se enfría.
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