Más control para la soldadura ultrasónica

Pueden pasar muchas cosas en 0,5 segundos, especialmente en el mundo del montaje. Se pueden insertar uno o más remaches simultáneamente. Se pueden colocar varias gotas de adhesivo.

dispensado. Y dos piezas termoplásticas se pueden soldar por ultrasonidos en una pieza utilizable.

Durante más de 30 años, la soldadura ultrasónica ha sido un método popular para ensamblar piezas hechas de compuestos termoplásticos o termoplásticos amorfos o semicristalinos. La soldadura ultrasónica es una forma de soldadura por fricción que une piezas haciéndolas vibrar entre sí.

Todas las soldadoras ultrasónicas cuentan con una fuente de alimentación (generador), un controlador por computadora, un actuador (impulsado por un cilindro neumático o un husillo de bolas servoaccionado), un transductor, un amplificador y una bocina de sonotrodo. El transductor, el amplificador y la bocina forman la pila ultrasónica.

La energía se envía al transductor, que contiene cristales piezoeléctricos que se expanden y contraen. Esta acción provoca vibraciones mecánicas que el amplificador aumenta y transfiere a la bocina, que, a su vez, transfiere energía ultrasónica a la interfaz de la articulación.

El calor se genera en la articulación mediante una combinación de fricción e histéresis. El calor derrite una pequeña cantidad de plástico en cada parte. Cuando las vibraciones ultrasónicas cesan, el material fundido se solidifica y se consigue la soldadura. El tiempo real de soldadura suele estar entre 200 y 400 milisegundos.

Además de la velocidad, a los fabricantes les gusta que la soldadura ultrasónica sea limpia y económica, especialmente para piezas pequeñas. También les gusta que los proveedores estén desarrollando máquinas que les brinden más control de procesos y la capacidad de soldar piezas plásticas complejas.

Por ejemplo, Herrmann Ultrasónicos Inc. ha desarrollado una sonda compuesta que permite a un proveedor de automóviles europeo soldar por ultrasonidos luces de circulación diurna con forma 3D. El sonotrodo compuesto consta de un soporte de sonotrodo y varias puntas de sonotrodo, cada una de las cuales está diseñada y ajustada como una unidad independiente.

Las puntas tienen diferentes alturas y están diseñadas para adaptarse al contorno de la pieza durante la soldadura. Para garantizar la vibración correcta de cada punta, se monta en el soporte, se ajusta manualmente y se mide la frecuencia. Para garantizar la vibración correcta del sonotrodo compuesto, está sintonizado en cuanto a frecuencia, potencia mínima en ralentí y distribución uniforme de amplitud. Luego, la bocina compuesta se mide con láser bajo simulación de carga. Las correcciones necesarias las realiza una máquina.

“El verdadero período de crecimiento de la soldadura ultrasónica se produjo en las décadas de 1980 y 1990”, dice Bill Reed, director de ventas y marketing de Extol Inc., que integra máquinas de soldadura ultrasónica y también fabrica sistemas de soldadura por rotación, infrarrojos y de placa caliente. "Hoy estamos en una era de refinamiento".

Los fabricantes pueden controlar todos los parámetros clave del proceso de soldadura ultrasónica: amplitud, tiempo de soldadura, tiempo de retención, energía, potencia y distancia. La tecnología actual permite a los operadores programar con precisión estos parámetros en el controlador de sistemas portátiles, de mesa, automatizados y robóticos.

La amplitud es el movimiento de pico a pico de la bocina en su cara. Branson Ultrasonics Corp. tiene un sistema de perfilado de amplitud que permite a los usuarios aumentar o disminuir instantáneamente la amplitud de la bocina durante la soldadura.

"Digamos que el tiempo de soldadura es de 250 milisegundos y que se necesitan 150 milisegundos para alcanzar la temperatura de fusión", dice Jeff Frantz, director de marketing y desarrollo de productos de Branson Ultrasonics Corp. "El perfil de amplitud nos permite reducir la amplitud en ese punto y Mantenga la temperatura de fusión durante otros 100 milisegundos, lo que resulta en una soldadura más fuerte a nivel molecular con menos rebabas y marcas de piezas. Esta característica se utiliza cada vez más en todas las industrias, pero especialmente por los fabricantes de electrónica médica y de consumo para sus productos de gama alta”.

Branson X-Port es una aplicación de Windows que permite a los operadores realizar un seguimiento del proceso de soldadura en tiempo real. Proporciona datos detallados para que las fluctuaciones de la soldadura puedan reconocerse y corregirse inmediatamente. Los parámetros mostrados incluyen tiempo, energía y fuerza de soldadura; distancia absoluta; velocidad; colapso total y de soldadura; y potencia máxima.

La compañía también ofrece una función Start Ramp en sus máquinas de gama alta, como las series DCX y 2000X. Esta característica permite a los ingenieros programar fácilmente tiempos de aceleración y desaceleración para aumentar el rendimiento.

Dukane Corp. fabrica sistemas de soldadura neumáticos y servo ultrasónicos. Todos sus servosoldadores cuentan con una HMI que permite a los operadores controlar 10 parámetros de soldadura. Los soldadores también están equipados con tecnologías Melt Detect y Melt-Match.

“La velocidad controlada y constante de la pila ultrasónica produce una velocidad de fusión constante, lo que crea una estructura molecular homogénea, una soldadura más fuerte y

reducción de la tensión en el conjunto soldado”, dice Leo Klinstein, director de ingeniería de Dukane Corp.

Melt Detect se habilita al inicio de la soldadura para garantizar el inicio completo de la fusión. La bocina baja hasta que se registra la fuerza de disparo ajustada. Luego se inicia la ecografía. Una vez que se detecta la caída deseada en la fuerza del gatillo, lo que indica que las piezas han comenzado a derretirse y colapsar, el cuerno reanuda el movimiento hacia abajo y comprime la pieza para la soldadura programada.

Esta característica se recomienda para aplicaciones donde es difícil lograr la amplitud requerida para fundir las piezas. Estas incluyen piezas de más de 4 pulgadas de ancho, piezas semicristalinas de poliamida o polioximetileno y aquellas con un área de contacto inicial pequeña en la junta.

Melt-Match se habilita durante la soldadura para que la velocidad de la pila ultrasónica coincida con precisión con la velocidad del flujo de fusión del material plástico. Klinstein dice que la tecnología ofrece a los operadores un control preciso de hasta 0,0001 pulgadas.

"Nuestros clientes son cada vez más prácticos y desean tener más control sobre muchas variables del proceso", afirma Uwe Peregi, director general de Herrmann Ultrasonidos. "También quieren poder comparar rápidamente las soldaduras de piezas similares y diferentes".

Los usuarios de los soldadores Dialog híbridos (neumáticos y servo) HiQ con control de velocidad de Herrmann pueden ver la información de soldadura en la interfaz de la máquina. Muestra datos o gráficos que representan visualmente todo el ciclo de soldadura. Los datos de soldadura se pueden ver, analizar, recopilar y descargar en el sitio, o enviarse continuamente a múltiples plantas u oficinas corporativas para su análisis.

La empresa también fabrica soldadoras neumáticas, como el sistema Modular Punch Welding (MPW). Varios fabricantes de automóviles estadounidenses y europeos utilizan esta máquina de doble propósito para perforar continuamente un disco de membrana (de 6 a 22 milímetros de diámetro) y soldarlo al interior de una carcasa de luz LED. La membrana, también llamada elemento de equilibrio de presión, evita que la condensación entre al interior de la carcasa y permite que el aire escape para mantener el interior fresco.

Después de que un conjunto de troquelado corta un disco, éste se transporta mediante vacío hasta la carcasa. El tiempo del ciclo es inferior a 2 segundos.

Antes del sistema MPW, los fabricantes de automóviles utilizaban pegamento o termosellado para asegurar la membrana. Ambos métodos requerían mucha mano de obra, tomaban mucho más tiempo, requerían discos precortados y no permitían un control sofisticado del proceso. Un trabajador aplicó pegamento al pequeño disco y luego lo colocó con cuidado y lo presionó dentro de la carcasa. O bien, el trabajador aplicó calor al área específica de la vivienda antes de presionar la membrana en el plástico ablandado. Desafortunadamente, el calor residual a menudo dañaba las fibras de la membrana.

Los fabricantes tienen poco control sobre la frecuencia de funcionamiento, que sólo puede cambiarse cambiando la pila ultrasónica. Durante muchos años, la frecuencia del sistema más común fue la de 20 kilohercios. Ese ya no es el caso.

Mike Johnston, vicepresidente de ventas y marketing de Dukane Corp., dice que cada vez más clientes utilizan sistemas de 15 kilohercios porque necesitan soldar piezas más grandes. Dukane ofrece sistemas de 15 y 20 kilohercios con un actuador neumático o servo y un generador de 4.800 vatios, el más grande hasta ahora.

"El análisis de elementos finitos nos ayuda a diseñar mejores cuernos para soldar piezas más grandes", dice Johnston. "Pero en la práctica, la bocina no debe medir más de 10 por 8 pulgadas".

Se siguen utilizando sistemas de mayor frecuencia de 30, 35 y 40 kilohercios para piezas más pequeñas y delicadas. Dukane fabrica sistemas de 50 y 70 kilohercios (neumáticos o servo) para soldar minicomponentes.

Un fabricante europeo de dispositivos médicos está utilizando el servosistema de 70 kilohercios para soldar un componente ultradelgado (100 micrómetros) dentro de un dispositivo de prueba muy delgado (300 micrómetros). La distancia de soldadura es de 50 micrómetros y el tiempo de ciclo es inferior a 0,5 segundos. El sistema ha estado en funcionamiento durante varios meses sin dañar ningún componente o dispositivo.

A los fabricantes de electrodomésticos y automóviles les gusta el generador digital Ultraplast porque no se sobrecalienta en condiciones de funcionamiento extremas. Fabricado por Herrmann, el generador produce hasta 1.200 vatios a 35 kilohercios y hasta 6.200 vatios a 20 kilohercios. Se puede configurar para soldadura rápida intermitente de piezas medianas y grandes. El generador está disponible para su uso con soldadores HiQ de 20, 30 y 35 kilohercios.

La necesidad de soldar piezas más grandes no es la única razón por la que los proveedores han aumentado la potencia de sus generadores. Otra razón es que los materiales termoplásticos se mezclan cada vez más a medida para los fabricantes.

"Las piezas fabricadas de termoplástico con nuevas resinas base o mezclas de resinas plantean desafíos para los proveedores", afirma Frantz. “Estas piezas tienen mayor capacidad térmica y requieren más potencia para soldarse. Los fabricantes de productos electrónicos de consumo suelen utilizar estos termoplásticos”.

Branson ha aumentado significativamente la capacidad de las fuentes de alimentación utilizadas con su sistema de 20 kilohercios. En 2008, el sistema estaba disponible con fuentes de alimentación de 1.000, 2.000 y 3.000 vatios. Hoy en día se puede utilizar con fuentes de alimentación de 1.250, 2.500, 4.000 y 5.500 vatios.

Sonobond Ultrasonics Inc. ofrece el Standard 3000, un sistema de 20 kilohercios que puede soldar una amplia gama de tamaños de piezas. Janet Devine, presidenta de Sonobond Ultrasonics Inc., dice que el sistema cuenta con un convertidor que se puede utilizar con generadores de hasta 3.000 vatios. Ofrece todas las funciones necesarias para un control completo del proceso.

La soldadura robótica ultrasónica de plástico no ha aumentado en los últimos años, afirman los proveedores. Citan dos razones para ello.

"Muchos usuarios finales prefieren utilizar un sistema de accionamiento en lugar de un robot para piezas más grandes porque la pila es demasiado pesada y ralentiza demasiado el brazo del robot", afirma Peregi. “Hemos visto una disminución de los robots de seis ejes integrados con sistemas de 15 o 20 kilohercios. Los fabricantes parecen preferir utilizar robots con pilas más ligeras para sistemas de 35 o 40 kilohercios”.

Otro problema con los robots es que generalmente producen reacción o desviación, dice Reed. Además, el movimiento robótico tiene dificultades para producir el seguimiento dinámico necesario para una soldadura ultrasónica de alta calidad.

"Como resultado, los robots son mejores para la soldadura por puntos ultrasónica o con estacas, en lugar de la soldadura convencional", dice Reed. “El estacado o la soldadura por puntos alteran intencionalmente la superficie al contacto y generalmente se realizan en el lado B de una pieza. Una soldadura ultrasónica convencional es aquella en la que el contacto de la bocina no es visible”.

La soldadura robótica ultrasónica tiende a utilizarse para piezas de plástico de gran tamaño que requieren varias soldaduras, como los paneles de las puertas. Muchas veces, estos sistemas robóticos incorporan múltiples bocinas de soldadura que se pueden programar y cambiar fácilmente. Los parámetros de soldadura también se pueden programar y cambiar según sea necesario.

Las aplicaciones automatizadas no robóticas suelen implicar varias pilas de ultrasonidos. La serie iQ de Dukane tiene una función Trigger by Power que permite a los fabricantes controlar la fuerza de cada pila en aplicaciones robóticas o de pilas múltiples. Johnston dice que la tecnología mejora la rentabilidad y la repetibilidad de la soldadura.

Algunas aplicaciones automatizadas presentan una oportunidad para que los proveedores ayuden a los ingenieros a aumentar su productividad mediante tiempos de ciclo más cortos. Por ejemplo, Klinstein dice que un posible cliente ha montado una soldadora ultrasónica en una grúa pórtico para poder moverla rápidamente entre los lugares de soldadura.

El cliente está utilizando una soldadora neumática de la competencia y cada soldadura tarda 1,20 segundos. Klinstein dice que un servosoldador puede reducir el tiempo del ciclo de 0,25 segundos a 0,95 segundos.

Al igual que los fabricantes de automóviles, los fabricantes de muebles suelen utilizar sistemas automatizados que realizan múltiples soldaduras en una pieza o soldaduras simultáneas en varias piezas. Reed dice que esto se debe a que la soldadura ultrasónica es excelente para unir telas al plástico.

"Un fabricante de muebles de oficina estadounidense con el que trabajamos utiliza un sistema automatizado de 20 kilohercios con 18 actuadores para soldar por puntos la tela a los respaldos de las sillas", dice Reed. "Antes de considerar los ultrasonidos, las opciones de ensamblaje que tenía la empresa eran grapas, pegamento o un componente complejo moldeado por separado que retendría la tela".

Reed dice que los fabricantes deben trabajar estrechamente con su proveedor e integrador de equipos ultrasónicos para que una aplicación automatizada sea exitosa. También quiere que los fabricantes comprendan que las aplicaciones automatizadas presentan un desafío importante para los integradores.

“Queremos que el usuario final tenga el mismo nivel de control de soldadura en su proceso automatizado que utilizó en la fase de desarrollo del proyecto. En algunos casos, los componentes que ofrecen los proveedores de soldadura ultrasónica para uso en automatización no tienen la misma capacidad que las refinadas unidades de mesa. El diálogo intencional entre las tres partes puede abordar estos desafíos”.