La soldadura por vibración se adapta a las demandas cambiantes

Muchos ingenieros automotrices tienen pesadillas con problemas de ruido, vibración y aspereza (NVH). Irónicamente, una de esas plagas, la vibración, se usa ampliamente para ensamblar muchos tipos de autopartes de plástico.

La soldadura por vibración, prima de la soldadura ultrasónica, es un proceso de ensamblaje popular porque tiene muchas ventajas. Puede unir termoplásticos similares y disímiles. La soldadura por vibración también puede ensamblar piezas producidas de diferentes maneras, como moldeo por soplado, moldeo por inyección o impresión 3D.

Además, la soldadura por vibración puede soldar piezas grandes con formas complejas. Es un proceso relativamente rápido para unir grandes piezas de plástico. Y, debido a que aplica presión antes del calor, se puede acomodar cierta cantidad de deformación parcial.

Los soldadores por vibración pueden unir prácticamente todos los termoplásticos, incluidos muchos tipos de nailon, poliamidas, policarbonatos y polipropilenos. El proceso de unión de 50 años también tolera aditivos, colorantes, rellenos y contaminantes.

La mayoría de los soldadores de vibración de hoy en día utilizan servos eléctricos y sistemas de accionamiento electromagnético lineal. La actuación servo reduce el mantenimiento, aumenta el tiempo de actividad y utiliza más del 30 por ciento menos de energía que las máquinas hidráulicas.

"La soldadura por vibración lineal mueve físicamente una de las dos partes horizontalmente bajo presión, creando calor a través de la fricción de la superficie que funde y suelda las partes", dice Phil Sandow, vicepresidente de ventas y marketing de Telsonic Ultrasonics Inc., que ofrece una línea completa de Soldadoras vibratorias de alta y baja frecuencia.

"En comparación con la soldadura ultrasónica, la soldadura por vibración funciona a frecuencias mucho más bajas, amplitudes más altas y una fuerza de sujeción mucho mayor, lo que crea grandes áreas de soldadura selladas", explica Sandow. "Los cabezales electromagnéticos eliminan el desgaste y la lubricación asociados con las superficies de apoyo. Los servos eléctricos nos permiten controlar la presión y lograr tolerancias más estrictas durante el fundido".

La soldadura por vibración es un proceso de ensamblaje bien establecido que es aplicable a una amplia gama de geometrías y materiales de piezas, lo que lo hace ideal para producir piezas que se utilizan en todo, desde automóviles hasta lavadoras.

"Una de las principales ventajas de la soldadura por vibración es que se puede utilizar para piezas muy grandes", dice Miranda Marcus, ingeniera sénior de unión de polímeros en EWI. "Se pueden unir piezas de hasta seis pies de largo. En comparación, la soldadura ultrasónica generalmente se limita a aproximadamente 12 pulgadas cuadradas [tamaño de cubo], e incluso entonces no proporcionará una soldadura continua.

"La única limitación real para el tamaño de las piezas que se pueden soldar es la rentabilidad de construir máquinas más grandes", explica Marcus. "Cinco a seis pies es el límite para los equipos fabricados actualmente. En este momento, no hay ningún incentivo financiero para construir más grande, porque hay muy pocos ensamblajes de plástico de más de dos por cinco pies que se beneficiarían de la soldadura por vibración.

"Mientras que muchos otros procesos pueden soldar piezas grandes, como la soldadura con placa caliente, láser e infrarrojos, la soldadura por vibración suele ser mucho más rápida", señala Marcus. "En el lado negativo, tiende a producir partículas (polvo de plástico), lo que no es aceptable para algunas aplicaciones. Además, la soldadura por vibración requiere una superficie más plana que la soldadura con placa caliente, láser e infrarrojos".

La soldadura por vibración tiene un tiempo de soldadura promedio de 10 a 15 segundos y un tiempo de espera de alrededor de 15 segundos. Según Marcus, los procesos de ensamblaje que pueden soldar piezas del mismo tamaño aproximado, como placas calientes e infrarrojos, tienen un tiempo de ciclo general de 45 segundos o más. La soldadura por láser puede ser tan rápida como la soldadura por vibración, pero a un costo significativamente mayor para piezas más grandes.

"La soldadura por vibración funciona mejor con materiales que son bastante rígidos y que tienen un alto coeficiente de fricción superficial", dice Marcus. "Los ejemplos incluyen acrilonitrilo butadieno estireno, poliamida, policarbonato y tereftalato de polibutadieno. El polipropileno se puede soldar bien por vibración si las piezas tienen paredes gruesas o si se agrega algo de relleno de vidrio.

"El politetrafluoroetileno (teflón) no funciona bien con la soldadura por vibración debido a su bajo coeficiente de fricción", advierte Marcus. "Alternativamente, mientras que el uretano termoplástico tiene un alto coeficiente de fricción, es demasiado blando para ser soldado por vibración.

"La soldadura por vibración a menudo es mejor para lograr uniones entre partes diferentes que otros procesos", explica Marcus. "Eso puede deberse a la mayor interrupción mecánica del fundido durante el proceso, debido a las vibraciones de gran amplitud en el plano de soldadura. Sin embargo, en general, los plásticos semicristalinos no se unirán a plásticos semicristalinos diferentes.

"Normalmente, se usa una junta a tope para la soldadura por vibración", dice Marcus. "Es importante que haya suficiente área de contacto en la unión y espacio libre para adaptarse a la vibración que se producirá durante la soldadura.

"Si el ancho de la junta es más angosto que la amplitud de la vibración, entonces las partes pueden perder contacto [en algún momento durante] la soldadura, lo que genera oportunidades de deformación o daño", agrega Marcus. "Si la apariencia es una preocupación, se puede agregar una trampa de destello para ocultar el fundido que se extruirá durante la soldadura".

Si bien la soldadura por vibración se usa para ensamblar una variedad de productos de plástico en muchas industrias, tradicionalmente se ha asociado con aplicaciones automotrices.

"Los fabricantes de equipos originales y los proveedores de primer nivel utilizan el proceso para producir en masa tolvas y marcos de bolsas de aire, faros, luces traseras, grupos de instrumentos y paneles de instrumentos", dice Priyank Kishor, gerente global de productos para productos no ultrasónicos en Emerson Automation Solutions. "Muchos tipos de piezas debajo del capó también se ensamblan con soldadura por vibración, incluidos filtros, tanques de fluidos y colectores".

En particular, los colectores de admisión de aire, los cartuchos de carbón y los resonadores han impulsado la demanda de soldadoras por vibración durante décadas. De hecho, la soldadura por vibración se desarrolló a principios de la década de 1970 para producir en masa cartuchos de carbón para cumplir con los nuevos requisitos de emisiones.

En la actualidad, algunos grandes proveedores de automóviles, como Mann+Hummel y Marelli, utilizan miles de soldadores por vibración para producir en masa piezas que soportan los trenes de potencia de los motores de combustión interna (ICE).

Pero, a medida que la industria automotriz continúa evolucionando hacia transmisiones eléctricas, los volúmenes de producción tradicionales de colectores y otras piezas ICE disminuirán en las próximas dos décadas. No es sorprendente que muchos fabricantes que han confiado mucho en la soldadura por vibración en el pasado ahora estén cambiando su atención a la tecnología de movilidad eléctrica, como las baterías y las celdas de combustible.

"Aunque el crecimiento del mercado tradicional se ha estancado, aún vendemos muchas herramientas y soldadoras por vibración", dice Ray Laflamme, gerente mundial de marketing automotriz de Dukane Corp. "Y los vehículos eléctricos brindan varias aplicaciones nuevas para la soldadura por vibración.

"Los gabinetes de baterías representan un mercado emergente", señala Laflamme. "Los conductos de enfriamiento son otra aplicación. Al igual que los colectores de admisión de aire en un ICE, los vehículos eléctricos deben enfriarse. La soldadura por vibración es ideal por las mismas razones: es una forma efectiva de producir piezas grandes en masa que deben sellarse herméticamente. , la mayoría de las aplicaciones utilizan materiales semicristalinos.

"Muchos paneles de instrumentos ahora se ensamblan con soldadores de vibración de baja frecuencia, y esta tendencia debería continuar con los vehículos eléctricos", explica Laflamme. “De hecho, debido a los esfuerzos de aligeramiento, esperamos ver menos piezas de metal en los futuros paneles de instrumentos. Los ingenieros automotrices quieren usar más estructuras de plástico para manejar los requisitos de choque e impacto.

"También hay una tendencia en la industria automotriz hacia el uso de piezas de plástico más grandes, debido a los esfuerzos de aligeramiento", dice Laflamme. "A medida que se use menos metal en el futuro, la soldadura por vibración puede volverse popular para ensamblar paneles de carrocería y otras partes estructurales".

Más allá de las aplicaciones automotrices, los fabricantes de electrodomésticos continúan invirtiendo en tecnología de soldadura por vibración para ensamblar todo, desde brazos rociadores de lavavajillas de plástico hasta tinas de lavadoras.

"Estamos empezando a ver más aplicaciones que implican puertas transparentes", explica Laflamme. "Si los ingenieros no pueden ensamblarlos con sujetadores y juntas, recurren a la soldadura por vibración para obtener un sello hermético.

"También vemos algunas aplicaciones interesantes en la industria de dispositivos médicos, como catéteres, filtros y recipientes que recogen fluidos corporales", añade Laflamme. "Otro mercado emergente es la industria del embalaje. Debido a que algunos nuevos tipos de contenedores y patines de plástico reutilizables son grandes, se producen con tecnología de soldadura por vibración".