I materiali nella parte superiore di questa scarpa da ginnastica New Balance sono stati assemblati mediante saldatura a ultrasuoni anziché cucitura tradizionale. Foto per gentile concessione di Kenneth Straka, Nuovo equilibrio Nella commedia musicale del 1982 "Victor Victoria, " Julie Andrews canta una nota acuta alla fine dell'atto di cabaret parigino del suo personaggio. Sostiene la nota e i bicchieri di champagne intorno alla stanza si frantumano. Questo ha dimostrato brillantemente come i suoni acuti o ad alta frequenza possono rompere i materiali. Ma lo sapevi che i suoni ad alta frequenza possono essere utilizzati per unire i materiali?Una tecnologia chiamata saldatura a ultrasuoni viene utilizzata per assemblare prodotti di molti settori, dai dispositivi medici alle scarpe da ginnastica fino alle automobili.
Tipicamente, è possibile incollare materiali utilizzando elementi di fissaggio come chiodi, viti o filettatura. Questo è appropriato per i metalli, Di legno, tessuti e plastiche. Per molte plastiche, vengono utilizzate 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 agenti leganti, come la saldatura al piombo nei collegamenti elettrici. In alternativa, i metalli possono essere direttamente fusi insieme (saldatura); una volta che le superfici di metallo fuso si sono raffreddate, i metalli si legano tra loro. La saldatura richiede solitamente una fiamma libera o un cannello per raggiungere le alte temperature necessarie per fondere insieme le superfici metalliche. Così, può essere un processo costoso per alcuni lavori di produzione.
Una nuova, metodo di saldatura più conveniente è stato introdotto negli anni '40. La tecnica, saldatura ad ultrasuoni, utilizzava onde sonore ad alta frequenza e pressione per unire i metalli e richiedeva meno energia rispetto alla saldatura convenzionale. La saldatura ad ultrasuoni dei metalli si è sviluppata negli anni '50 fino agli anni '90 quando l'elettronica utilizzata nelle apparecchiature è diventata più sofisticata e i computer potevano controllare il processo. Da questo momento, la tecnica è stata applicata alla plastica, dove è diventato davvero popolare.
In questo articolo, esamineremo l'attrezzatura e il processo fisico della saldatura a ultrasuoni, come New Balance l'ha usato per realizzare scarpe da ginnastica, e i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnica. Primo, diamo un'occhiata più da vicino a come le onde sonore legano i materiali, sia in metallo che in plastica.
Ringraziamenti specialiVorremmo ringraziare Kenneth Straka, Sviluppatore prodotto senior per New Balance, per il suo aiuto con questo articolo.
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Schema del meccanismo di saldatura a ultrasuoni Credito immagine HowStuffWorks Strofina rapidamente le mani. Notare qualcosa? si sono scaldati, Giusto? Se prendi un martello e colpisci rapidamente e ripetutamente una superficie metallica, scoprirai che il punto in cui il martello colpisce il metallo si riscalda, pure. In entrambi questi esempi, il calore è dovuto all'attrito. Ora immagina di strofinarti le mani o di battere quel martello migliaia di volte al secondo. Il calore di 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 sfregare i materiali l'uno contro l'altro e l'attrito fa aumentare la temperatura delle superfici a contatto. Questo rapido calore di attrito è ciò che stabilisce le condizioni affinché i materiali si leghino insieme.
L'attrezzatura per la saldatura ad ultrasuoni ha 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). Prossimo, un trasduttore o un convertitore trasforma l'elettricità ad alta frequenza in suono ad alta frequenza (ultrasuoni). Un booster aumenta le vibrazioni degli ultrasuoni. Finalmente, un corno o sonotrodo focalizza le vibrazioni ultrasoniche e le trasmette ai materiali da saldare. Oltre a questi pezzi, c'è un'incudine su cui i materiali saldati sono impilati e tenuti. Esiste anche un metodo per applicare la forza (di solito la pressione dell'aria fornita da un pistone pneumatico) per tenere insieme i materiali durante la saldatura.
Quindi quali materiali e industrie traggono vantaggio da questo processo intelligente? La saldatura ad ultrasuoni delle materie plastiche è ampiamente utilizzata nella produzione di elettronica, dispositivi medici e parti di automobili. Per esempio, la saldatura ad ultrasuoni viene utilizzata per realizzare collegamenti elettrici su circuiti stampati, e assemblare componenti elettronici come trasformatori, motori elettrici e condensatori. Dispositivi medici, come cateteri, valvole, anche i filtri e le maschere per il viso vengono assemblati mediante saldatura ad ultrasuoni. L'industria del packaging utilizza questa tecnica per realizzare film, assemblare tubi e blister. Anche Ford Motor Company ha esplorato l'utilizzo della saldatura a ultrasuoni per realizzare telai in alluminio nelle auto.
Ora che conosci le basi della saldatura a ultrasuoni, diamo un'occhiata al processo di saldatura stesso.
Schema del processo di saldatura ad ultrasuoni Credito immagine HowStuffWorks Il processo di base della saldatura ad ultrasuoni può essere descritto dai seguenti passaggi:
I tempi di saldatura, le pressioni e le temperature applicate sono controllate da un computer o un microprocessore all'interno dell'apparecchiatura di saldatura. E ciò che accade effettivamente durante il processo di saldatura dipende dalla natura dei materiali. Nei metalli, le vibrazioni ultrasoniche vengono erogate parallelamente al piano dei materiali. Il calore di attrito aumenta la temperatura delle superfici metalliche a circa un terzo della temperatura di fusione, ma non fonde i metalli. Anziché, il calore rimuove ossidi metallici e film dalle superfici. Ciò consente agli atomi di metallo di spostarsi tra le due superfici e formare legami che tengono insieme i metalli.
Nel caso della plastica, le vibrazioni sono perpendicolari al piano dei materiali e il calore di attrito aumenta la temperatura quanto basta per fondere le plastiche. Le molecole di plastica si mescolano e formano legami. Al raffreddamento, le superfici in plastica sono saldate insieme. I tempi di saldatura possono variare, ma le saldature possono formarsi in appena 0,25 secondi.
I fattori che variano nella saldatura ad ultrasuoni sono la frequenza delle onde sonore (solitamente 20, 30 o 40kHz), la pressione applicata per tenere insieme i materiali, e il tempo durante il quale viene applicato l'ultrasuono (frazioni di secondo a più di un secondo).
Le tecniche di saldatura ad ultrasuoni fin qui descritte vanno bene per i materiali (metalli, plastica) che sono simili. Ma per quanto riguarda i materiali che non sono simili. Affrontiamo questa domanda osservando come New Balance ha utilizzato la saldatura a ultrasuoni per assemblare scarpe da ginnastica.
Assemblaggio di scarpe da ginnastica:dopo l'applicazione del film hot melt sulla pelle scamosciata sintetica, il film è premuto. Foto per gentile concessione di Kenneth Straka, Nuovo equilibrio Guarda un paio di scarpe da ginnastica. Mentre le scarpe tradizionali possono essere realizzate in un unico materiale come tela o pelle scamosciata, molte scarpe da ginnastica hanno diversi materiali come polimeri plastici leggeri, camoscio o camoscio sintetico, e maglia combinati. Questi materiali compositi rendono le scarpe leggere, flessibile, resistente e traspirante. Per esempio, uno stile di scarpa da ginnastica New Balance ha una parte superiore composta da tre parti.
Ma come metti insieme questi materiali? Più comunemente, le aziende calzaturiere cuciono insieme i materiali. Circa due o tre anni fa, però, New Balance ha deciso di realizzare la parte superiore di una scarpa senza cuciture. Dopo aver sperimentato film adesivi polimerici e ferri da stiro, hanno trovato un modo per realizzare questa parte della scarpa utilizzando la saldatura a ultrasuoni.
Per montare la parte superiore della scarpa, i lavoratori iniziano con un pezzo di materiale scamosciato sintetico. Usano una pressa di ferro per legare un sottile foglio di pellicola hot melt sul retro del materiale. Prossimo, un gruppo di saldatura ad ultrasuoni preme una tomaia modello in un materiale scamosciato. Allo stesso modo, una simile saldatrice ad ultrasuoni preme la fila di occhielli della sella da un altro pezzo di pelle scamosciata sintetica. La forma della tomaia viene ritagliata dalla pelle scamosciata. La fila di occhielli della sella e il materiale a rete vengono saldati ad ultrasuoni alla tomaia. Nei processi, il calore di attrito della saldatrice ad ultrasuoni fonde il film hot melt, che lega la fila degli occhi della sella e il materiale a rete alla tomaia. La tomaia finita viene quindi sagomata e incollata alla suola e al tallone utilizzando solventi a base d'acqua.
Secondo Kenneth Straka, Sviluppatore prodotto senior per New Balance, i metodi di saldatura ad ultrasuoni hanno aumentato la produttività risparmiando tempo. Non solo le saldatrici ad ultrasuoni distribuiscono il calore in modo più uniforme rispetto alle presse per ferro, inoltre si riscaldano e si raffreddano più velocemente. Così, il processo di assemblaggio richiede meno passaggi ed è più veloce rispetto ai metodi di cucito tradizionali.
Ora che abbiamo visto come viene utilizzata la saldatura ad ultrasuoni per incollare vari materiali, diamo un'occhiata ai vantaggi e agli svantaggi di questa tecnica.
Assemblaggio di scarpe da ginnastica:pelle scamosciata sintetica incollata Foto per gentile concessione di Kenneth Straka, Nuovo equilibrio La saldatura ad ultrasuoni presenta molti vantaggi rispetto ai metodi tradizionali. Per uno, la saldatura avviene a basse temperature rispetto ad altri metodi. Così, il produttore non ha bisogno di spendere grandi quantità di carburante o altra energia per raggiungere temperature elevate. Questo rende il processo più economico. È anche più veloce e più sicuro.
Il processo avviene in frazioni di secondo a secondi. Così, può essere fatto più rapidamente di altri metodi. Infatti, può incollare la plastica meglio e più velocemente delle colle. Per esempio, le nuove chiavi intelligenti nelle auto hanno un chip transponder al loro interno. L'auto può avviarsi solo quando rileva il chip. Per fare la chiave, un'estremità della chiave di metallo vuota e il chip vengono inseriti in una metà della parte superiore di plastica. L'altra metà viene posizionata sopra di essi e incollata alla metà di base. Questo legame sarebbe solitamente fatto con la colla, che richiede tempo per curare. Lo stesso compito può essere svolto con la saldatura a ultrasuoni in meno di un secondo.
La saldatura ad ultrasuoni non richiede combustibili infiammabili e fiamme libere, quindi rispetto ad altri metodi di saldatura, è un processo più sicuro. I lavoratori non sono esposti a gas infiammabili o solventi nocivi. Nell'elettronica, i fili di rame sono solitamente collegati ai contatti elettrici sui circuiti stampati con saldatura. Lo stesso compito può essere svolto utilizzando la saldatura ad ultrasuoni in una frazione del tempo e senza esporre i lavoratori ai fumi della saldatura al piombo senza fiamma. Sebbene l'udito dei lavoratori possa essere danneggiato dall'esposizione a suoni ad alta frequenza, questo potenziale pericolo può essere facilmente ridotto racchiudendo la saldatrice ad ultrasuoni in una cassetta o gabbia di sicurezza e/o utilizzando protezioni per le orecchie.
Finalmente, le saldature ad ultrasuoni sono resistenti e durevoli quanto le saldature convenzionali degli stessi materiali, che è solo uno dei motivi per cui il metodo viene utilizzato nella produzione di automobili. Per rendere le auto più leggere e più efficienti nei consumi, le case automobilistiche si stanno rivolgendo all'alluminio come metallo principale nelle carrozzerie. La saldatura ad ultrasuoni può essere utilizzata per incollare il metallo in minor tempo e a temperature inferiori rispetto alla saldatura tradizionale.
La saldatura ad ultrasuoni ha i suoi limiti, anche se. Primo, le profondità delle saldature sono inferiori al millimetro, quindi il processo funziona meglio su materiali sottili come la plastica, fili o lamiere sottili. La saldatura a ultrasuoni di una trave in acciaio per un edificio non sarebbe pratica. Secondo, funziona meglio quando si saldano materiali simili come plastica o metalli simili. Come hai visto con le scarpe New Balance, la saldatura ad ultrasuoni di materiali dissimili richiede un materiale aggiuntivo - nel caso delle scarpe New Balance, è un film che può essere incollato tra la pelle scamosciata sintetica e la rete.
Nonostante queste limitazioni, la popolarità e il potenziale della saldatura ad ultrasuoni continuano a crescere.
