El diseño de sonotrodos es clave para el éxito de la soldadura ultrasónica de ensamblajes automotrices

A Herrmann se le encomendó soldar paneles aislantes revestidos de aluminio para el compartimento del motor. Foto cortesía de Herrmann Ultrasonics Inc.

Un robot de seis ejes utiliza una herramienta de soldadura por puntos ultrasónica para ensamblar paneles aislantes de plástico para el compartimiento del motor. Foto cortesía de Herrmann Ultrasonics Inc.

La soldadura ultrasónica se utiliza para unir una lente de plástico transparente a un cuerpo de plástico con un sello hermético. La compleja forma 3D de la pieza y su superficie de clase A son un desafío para soldar. Foto cortesía de Herrmann Ultrasonics Inc.

Para ensamblar variantes de modelos de luces de circulación diurna, todas las piezas de esta soldadora ultrasónica forman un "bastidor de herramientas de cambio rápido" que puede separarse de la máquina principal e intercambiarse por un bastidor diferente. Foto cortesía de Herrmann Ultrasonics Inc.

Herrmann ha presentado un nuevo soldador ultrasónico que al mismo tiempo extrae una membrana de poliéster de una bobina de material y la suelda a una carcasa de plástico. Foto cortesía de Herrmann Ultrasonics Inc.

Esta soldadora ultrasónica ofrece cinco modos de funcionamiento: tiempo, energía, potencia, distancia absoluta (punto final de la distancia de soldadura) y distancia RPN (que hace referencia a la profundidad de la soldadura hasta un punto inicial). Foto cortesía de Herrmann Ultrasonics Inc.

La soldadura ultrasónica se utiliza ampliamente en la industria automotriz. Las aplicaciones van desde componentes interiores (molduras de puertas laterales, consola central) hasta componentes del compartimento del motor (tapa de culata, cubiertas de motor), iluminación, filtros y espumas acústicas. Las soldadoras pueden funcionar inmediatamente sin tiempo de calentamiento. Los tiempos de ciclo son cortos y el consumo de energía es bajo.

Para que el proceso sea efectivo, la herramienta de soldadura, llamada bocina o sonotrodo, debe diseñarse para adaptarse a la forma de la pieza mientras vibra de manera efectiva. Esto es particularmente cierto en la industria automotriz, donde las mezclas de materiales y las formas asimétricas pueden dificultar la soldadura de piezas de plástico.

Con más de cinco décadas de experiencia en la unión de plásticos, Herrmann Ultrasónicos ha aprendido un par de cosas sobre el diseño de sonotrodos.

Todas las tecnologías de unión llegan a sus límites cuando es necesario unir materiales diferentes o difíciles, especialmente si las piezas tienen formas asimétricas. Con la soldadura con placa caliente, por ejemplo, este desafío podría resultar en una distribución desigual de la temperatura. Algunas áreas pueden calentarse demasiado y producir hilos; otras áreas pueden permanecer frías y no se unirán de manera homogénea. En la soldadura por vibración se necesita plástico adicional en la zona de unión. Como resultado, durante la soldadura se produce una gran cantidad de material fundido. Este material podría salirse de la junta, creando una línea de unión antiestética.

La soldadura ultrasónica también está sujeta a limitaciones físicas al unir piezas complejas con formas 3D. Sin embargo, si el sonotrodo se dimensiona correctamente mediante el uso del análisis de elementos finitos (FEA), la soldadura ultrasónica ofrece numerosas ventajas:

En una aplicación, a Herrmann se le encomendó soldar paneles aislantes revestidos de aluminio para el compartimento del motor. La combinación de materiales fue espectacular: las esteras acústicas de poliuretano (PU) recubiertas de aluminio tuvieron que unirse a paneles de polipropileno (PP) reforzado con fibra de vidrio. Por si fuera poco, hubo que soldar seis piezas diferentes.

Esta aplicación representó un verdadero desafío para la unión permanente y segura de los componentes. Los adhesivos no funcionarían debido a consideraciones de costo y combinación de materiales. Los elementos de sujeción o los tornillos eran demasiado peligrosos porque podían soltarse durante el funcionamiento del motor. Ninguno de los otros métodos de unión térmica, como la soldadura por láser, la soldadura por infrarrojos o la soldadura por vibración, eran adecuados.

Las pruebas iniciales realizadas con un soldador ultrasónico de mano resultaron positivas. A pesar de la capa de aluminio intermedia, se pudo crear una unión hermética entre la estera de PU y la pieza de PP moldeada por inyección. Fue posible que las vibraciones ultrasónicas penetraran el revestimiento de aluminio y energizaran las moléculas de la pieza de PP.

La tarea entonces pasó a ser cómo obtener resultados de soldadura repetibles y garantizar el requisito de resistencia a la tracción del cliente de al menos 50 newtons por punto de soldadura. El acero templado resistente al desgaste resultó ser el material adecuado para los sonotrodos. Los ingenieros de Herrmann determinaron las ubicaciones de los puntos de soldadura y diseñaron los complejos accesorios, incluido el sistema de sujeción y los sensores de escaneo de piezas.

Los sonotrodos se montaron en actuadores neumáticos conectados a robots de seis ejes. Se diseñaron seis accesorios diferentes para que coincidieran con las formas de las piezas y para soportar los puntos de soldadura.

El montaje se realiza sobre mesas divisoras giratorias. En dos posiciones, el montaje lo realizan dos robots. En una tercera posición, otro robot carga y descarga automáticamente las piezas.

Se ahorró un tiempo valioso (hasta un segundo por punto de soldadura) precargando el cilindro neumático que extiende y retrae la pila ultrasónica. La precarga significa que el cilindro ya se ha extendido mediante un sistema neumático inteligente antes de que el robot ponga la herramienta de soldadura en contacto con el punto de soldadura.

Otra aplicación implicó el montaje de luces de circulación diurna. Se tuvo que soldar una lente de plástico transparente a un cuerpo de plástico con un sello hermético. La compleja forma 3D y la superficie de clase A fueron un desafío para soldar. El cliente también necesitaba un sistema rentable que pudiera adaptarse a muchas variantes para distintos modelos de coche.

Para resolver el problema, desarrollamos un sonotrodo compuesto separado en dos elementos: un sonotrodo de bloque portador y varias puntas atornilladas individualmente. Cada punta tiene una altura diferente para adaptarse exactamente a su lente.

Para garantizar una vibración correcta, el sonotrodo portador se diseñó con la ayuda de FEA y se ajustó para la frecuencia, potencia en ralentí y amplitud correctas. Además, cada punta fue diseñada, fabricada y afinada como un sonotrodo independiente. Las puntas incluyen características para distintos contornos perturbadores. Por ejemplo, algunas puntas tienen recortes para acomodar letras en relieve en un componente. Todo esto influye en cómo vibra el sonotrodo.

Para garantizar que las puntas vibren correctamente, se probaron y ajustaron individualmente en un proceso manual laborioso y que requiere mucho tiempo. Bajo simulación de carga, el sonotrodo compuesto completo se midió con láser y las correcciones se realizaron mediante mecanizado CNC. Un software especial mide hasta 100 puntos para crear el perfil de amplitud. Una vez calibrados, los sonotrodos compuestos funcionaron maravillosamente y se han vendido repetidamente.

Para ensamblar variantes de modelo, todas las partes del sistema ultrasónico forman un "marco de herramientas de cambio rápido" que se puede separar de la máquina principal e intercambiar con un marco diferente. Durante la fase de puesta en marcha, el montaje se realizó con una máquina y múltiples marcos de herramientas. A medida que aumentaron las variantes, el cliente solo tuvo que comprar marcos de herramientas adicionales. Se pueden utilizar componentes costosos, como generadores de ultrasonidos, controles y sistemas de seguridad, con múltiples bastidores de herramientas para diferentes luces de circulación diurna.

Una aplicación más implicó unir membranas de equilibrio de presión a carcasas de bombas. Las carcasas están fabricadas de polisulfuro de fenileno (PPS) reforzado con fibra de vidrio. Las membranas están hechas de poliéster o policarbonato. El cliente quería sustituir las costosas membranas individuales precortadas por una cinta de membrana menos costosa.

Se trataba de una aplicación exigente, porque debían realizarse tres pasos consecutivos del proceso ultrasónico:

Nuestro sistema de herramientas ultrasónico recientemente desarrollado, MPW, hace precisamente eso. Perfora y sella al mismo tiempo utilizando una cinta de membrana en rollo, ahorrando tiempo y dinero. Esto también elimina la necesidad de un escaneo óptico adicional para ver si la membrana está colocada correctamente.

El módulo de punzonado y soldadura integra muchos pasos individuales de pre y post procesamiento en la operación de soldadura de membrana. El MPW está disponible como soldador de mesa independiente o puede integrarse en la automatización.

Soldar PPS con alto contenido de relleno es un desafío. Las fibras de vidrio hacen que el PPS sea muy fuerte, pero también quebradizo y menos capaz de reaccionar a las vibraciones ultrasónicas que generan calor en la línea de unión.

Durante la soldadura ultrasónica, hay cinco modos de funcionamiento disponibles: tiempo, energía, potencia, distancia absoluta (punto final de la distancia de soldadura) y distancia RPN (que hace referencia a la profundidad de la soldadura hasta un punto inicial). Mediante el control gráfico de los distintos parámetros de soldadura en el soldador ultrasónico, los ingenieros de Herrmann pudieron definir una ventana de procesamiento. En este caso era importante una velocidad de unión uniformemente creciente para garantizar un flujo de fusión constante y una buena resistencia de la soldadura.

La geometría de unión de la carcasa y el diseño del sonotrodo se eligieron de modo que, a pesar de la gran cantidad de fibra de vidrio, se produjera una unión óptima del material. Los ingenieros de Herrmann analizaron imágenes de secciones de microtomo de la articulación para optimizar aún más el proceso. Las imágenes mostraron una unión homogénea de las moléculas de polímero, que se confirmó mediante pruebas de estanqueidad con una resistencia al estallido de 10 bar.

Si bien el diseño del sonotrodo jugó un papel vital en estos tres ejemplos, no es la única clave del éxito.

Como ocurre con cualquier proyecto de ensamblaje, es mejor discutir el diseño conjunto desde el principio. Generalmente se necesitan puntos o bordes en el área de la unión, conocidos como directores de energía, con la soldadura ultrasónica. Estos bordes enfocan las ondas ultrasónicas y ayudan a iniciar la fusión. Nuestros ingenieros de aplicaciones tienen muchos años de experiencia en soldadura ultrasónica y pueden proporcionar información valiosa sobre el diseño de juntas.

Para obtener más información sobre soldadura ultrasónica para piezas de plástico, llame al 630-626-1626 o visite www.herrmannultrasonics.com.

Astrid Herrmann, gerente de relaciones públicas, Herrmann Ultrasonics Inc. Bartlett, IL