Come funziona la saldatura ad ultrasuoni

Nella commedia musicale del 1982 "Victor Victoria", Julie Andrews canta una nota alta alla fine dello spettacolo di cabaret parigino del suo personaggio. Sostiene il biglietto e i bicchieri di champagne nella stanza vanno in frantumi. Ciò ha dimostrato brillantemente come i suoni acuti o ad alta frequenza possano rompere i materiali. Ma sapevate che i suoni ad alta frequenza possono essere utilizzati per unire insieme i materiali? Una tecnologia chiamata saldatura a ultrasuoni viene utilizzata per assemblare prodotti di molti settori, dai dispositivi medici alle scarpe sportive alle automobili.

In genere, è possibile unire i materiali utilizzando elementi di fissaggio come chiodi, viti o filettature. Questo è appropriato per metalli, legno, tessuti e plastica. Per molte plastiche si utilizzano colle; le colle formano legami chimici tra la colla stessa e le superfici dei materiali plastici incollati. I metalli possono essere tenuti insieme riscaldando altri metalli come agente legante, come la saldatura al piombo nei collegamenti elettrici. In alternativa i metalli possono essere fusi insieme direttamente (saldatura); una volta che le superfici metalliche fuse si raffreddano, i metalli si legano insieme. La saldatura richiede solitamente una fiamma libera o un cannello per raggiungere le alte temperature necessarie per fondere insieme le superfici metalliche. Pertanto, può essere un processo costoso per alcuni lavori di produzione.

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Negli anni '40 fu introdotto un nuovo metodo di saldatura più economico. La tecnica, la saldatura ad ultrasuoni, utilizzava onde sonore ad alta frequenza e pressione per unire insieme i metalli e richiedeva meno energia rispetto alla saldatura convenzionale. La saldatura dei metalli a ultrasuoni si è sviluppata tra gli anni '50 e '90 quando l'elettronica utilizzata nelle apparecchiature è diventata più sofisticata e i computer potevano controllare il processo. Da allora la tecnica è stata applicata alla plastica, dove è diventata molto popolare.

In questo articolo esamineremo l'attrezzatura e il processo fisico della saldatura a ultrasuoni, come New Balance lo ha utilizzato per realizzare scarpe da ginnastica e i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnica. Per prima cosa, diamo uno sguardo più da vicino a come le onde sonore legano i materiali, sia metallici che plastici.

Vorremmo ringraziare Kenneth Straka, Senior Product Developer per New Balance, per la sua assistenza con questo articolo.

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Strofina rapidamente le mani. Noti qualcosa? Si sono riscaldati, vero? Se prendi un martello e colpisci una superficie metallica rapidamente e ripetutamente, scoprirai che anche il punto in cui il martello colpisce il metallo si riscalda. In entrambi questi esempi, il calore è dovuto all'attrito. Ora immagina di sfregarti le mani o di battere quel martello migliaia di volte al secondo. Il calore per attrito generato può aumentare significativamente la temperatura in un tempo molto breve. Fondamentalmente, il suono ad alta frequenza (ultrasuoni) provoca rapide vibrazioni all'interno dei materiali da saldare. Le vibrazioni fanno sì che i materiali sfreghino l'uno contro l'altro e l'attrito aumenta la temperatura delle superfici a contatto. Questo rapido calore da attrito è ciò che crea le condizioni affinché i materiali si leghino insieme.

L'attrezzatura per la saldatura a ultrasuoni è composta da quattro parti principali. Un alimentatore converte l'elettricità a bassa frequenza (50-60 Hz) in elettricità ad alta frequenza (20 - 40 kHz; 1 kHz = 1000 Hz). Successivamente, un trasduttore o convertitore trasforma l'elettricità ad alta frequenza in suono ad alta frequenza (ultrasuoni). Un booster aumenta le vibrazioni degli ultrasuoni. Infine, un corno o un sonotrodo focalizza le vibrazioni ultrasoniche e le trasmette ai materiali da saldare. Oltre a questi pezzi è presente un'incudine sulla quale vengono impilati e trattenuti i materiali saldati. Esiste anche un metodo per applicare la forza (solitamente la pressione dell'aria fornita da un pistone pneumatico) per tenere insieme i materiali durante la saldatura.

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Quindi quali materiali e industrie traggono vantaggio da questo processo intelligente? La saldatura ad ultrasuoni della plastica è ampiamente utilizzata nella produzione di componenti elettronici, dispositivi medici e parti di automobili. Ad esempio, la saldatura a ultrasuoni viene utilizzata per realizzare collegamenti elettrici su circuiti stampati di computer e assemblare componenti elettronici come trasformatori, motori elettrici e condensatori. Anche i dispositivi medici, come cateteri, valvole, filtri e maschere facciali, vengono assemblati mediante saldatura ad ultrasuoni. L'industria dell'imballaggio utilizza questa tecnica per realizzare pellicole, assemblare tubi e blister. Anche la Ford Motor Company ha esplorato l'utilizzo della saldatura ad ultrasuoni per realizzare telai in alluminio nelle automobili.