Soldadura de plásticos para un mejor diseño y desempeño

Los cierres mecánicos, los adhesivos y los procesos de soldadura son empleados para formar uniones entre plásticos. Los cierres mecánicos proporcionan una unión rápida, pero poco resistente a fugas y los esfuerzos localizados pueden ocasionar desprendimiento del material. Los adhesivos, en cambio, pueden suministrar propiedades sólidas de unión, pero en ocasiones son difíciles de manejar y tienen un curado lento. Además, requieren una preparación previa de la superficie para asegurar buenos resultados. En cambio, la soldadura se utiliza para producir uniones con propiedades mecánicas similares a las del material original con excelente solidez, resistencia y vida útil.

La soldadura de plásticos se puede dividir en procesos que involucran movimiento mecánico (ultrasonido, fricción, vibración) y en los que involucran calentamiento externo (placas calientes, gas caliente y láser). Encuentre en este artículo una breve descripción de los métodos más utilizados, así como un vistazo de algunas de las novedades en el mercado que permiten modificar el diseño de piezas, contribuyen a disminuir el costo del herramental en procesos como inyección y también reducen el consumo de suministros como adhesivos y procesos posteriores de ensamble.

Ultrasonido, soldadura para especialidades
Este método utiliza vibraciones mecánicas de alta frecuencia para formar la unión. Las partes a ensamblar se mantienen unidas bajo presión y son sometidas a vibraciones ultrasónicas con frecuencias entre 20 y 40 KHz en ángulos rectos con el área de contacto. Alternando esfuerzos de alta frecuencia se genera calor en la interfaz de la unión para producir la soldadura. Las herramientas para este proceso son sofisticadas, así que su uso está dirigido a la producción de altos volúmenes de piezas soldadas. Las aplicaciones incluyen válvulas y filtros para equipos médicos, componentes automotrices y piezas técnicas de alto desempeño.

Bielomatik ofrece equipos para soldadura por ultrasonido de la serie K35XX con construcción modular para proporcionar flexibilidad. Estos equipos tienen actuadores neumáticos para componentes de ultrasonido entre 20 y 50 kHz. El sistema de soldadura tiene medición de profundidad con una precisión de 1/10 mm y cuenta con generadores controlados con microprocesadores de ajuste automático de frecuencia y sistema de diagnóstico integrado.

Con rangos de frecuencia estandarizados de 20, 30 y 40 kHz y potencias de salida de hasta 4000 W, Branson ofrece un surtido completo de componentes y sistemas de soldadura por ultrasonido. Los equipos vienen en diferentes configuraciones en los sistemas de control, desde las unidades base gobernables de forma externa, hasta los equipos que combinan generador y PC de control de proceso. Los últimos permiten modificar controladamente, mediante módem u otros medios de conexión remotos, los parámetros de fuerza y amplitud durante la realización de la soldadura.

Por su parte, Dukane ofrece soldadura para aplicaciones como películas y empaques. Los equipos incluyen frecuencias de 15, 20, 30, 40, 50 y 70 kHz. Los componentes de la serie DPC están disponibles como unidades sencillas o sistemas ensamblados para ser integrados con equipos automatizados. Los modelos 220 y 210 permiten ajustar la presión y ofrecen un amplio rango de controladores de proceso con potencias desde 500 hasta 2200 watts. Otra de las novedades de la compañía son los sistemas con ultrasonido de la serie iQ que utilizan un controlador avanzado para el suministro de potencia. Los sistemas iQ procesan los datos de la operación en 0,5ms e incluyen sistemas de prensado de 40/30 kHz con un mecanismo diseñado para aplicaciones delicadas, con tolerancias estrechas. La línea iQ es modular y configurable, los controladores manejan el tiempo, energía, distancia, fuerza, potencia y pueden calibrarse y validarse para aplicaciones médicas. Todos los suministros de potencia ultrasónicos de la serie iQ tienen un flujo controlado en un túnel de enfriamiento para reducir la oportunidad de contaminación en ambientes con polvo. La serie cuenta con una pantalla LCD para facilidad en la visualización.

Para la fabricación de dispositivos médicos y otros artículos plásticos con requerimientos especiales, Hermann presentó los nuevos sistemas de soldadura MEDIALOG. Las máquinas están diseñadas para obtener acabados suaves y consideraciones de cuarto limpio. El aire de entrada es filtrado y el de salida se envía directamente al sistema de ventilación. Los equipos MEDIALOG están disponibles en dos tamaños, el HS para 20 y 30 kHz y el PS para 35 kHz. Los generadores completamente digitales tienen capacidades de hasta 5.000 Watt. El MEDIALOG incluye un componente FDA (FSC) que cumple con los requerimientos de la Food and Drug Administration.

Soldadura con placa caliente
Es la más simple de las técnicas utilizadas en la industria para unir plásticos. Una placa caliente se sujeta entre las superficies a unir hasta que se reblandecen. La placa se retira y las superficies entran en contacto bajo presión controlada por un periodo específico. Luego se permite que las superficies fundidas se enfríen, formando la unión. La herramienta de soldado o elemento de calefacción tiene incorporados calentadores eléctricos para prevenir que los plásticos se queden adheridos. Las temperaturas generalmente se encuentran entre 180°C y 230°C, dependiendo del espesor y el tipo de material a soldar.

Este proceso se utiliza normalmente para soldar las uniones de tubería plástica utilizada en la distribución de agua y gas, aguas residuales y disposición de efluentes. También se emplea en la unión de tubos con relleno y conectores sobre tanques moldeados por soplado para aplicaciones automotrices. Muchos productos de uso cotidiano también se unen por este proceso: mangueras de aspiradoras, componentes de lavadoras, partes automotrices como luces y tanques para líquido de frenos, etc.

Este proceso tiene la desventaja de ser relativamente lento, los tiempos de soldado varían entre 10 y 20 segundos para partes pequeñas y hasta 30 minutos para tuberías muy grandes. Las placas calientes para soldadura convencional (con temperaturas de hasta 300°C) están hechas en aluminio. Las placas para soldadura a altas temperaturas se fabrican principalmente en aleación de cobre aluminio. La temperatura para soldar por placas calientes se controla con reguladores electrónicos y sensores localizados lo más cercano posible a la superficie de trabajo.

Bielomatik ofrece máquinas de soldadura con placa caliente con movimiento horizontal o vertical. Los tamaños varían dependiendo de la aplicación y pueden ser de operación hidráulica o neumática. Los parámetros que se pueden ajustar en el proceso incluyen temperatura, tiempo de calentamiento, tiempo de enfriamiento, profundidad de la unión, monitoreo de la presión y tiempos de cambios. Las placas de movimiento vertical pueden girarse para facilitar su limpieza. Las aplicaciones de los equipos de Bielomatik son en la soldadura de partes interiores de automóviles, tanques de combustible, baterías, tuberías de entrada de aire, lavadoras, etc.

El fabricante Branson cuenta con equipos de soldadura por placa caliente con estructuras modulares y compactas. La estructura modular permite una gran cantidad de combinaciones. Gracias a la posibilidad de un control exacto del tiempo y la temperatura y a la dosificación de fuerza pueden soldarse incluso las piezas muy sensibles. Los equipos pueden integrarse con controladores para su automatización en una línea de proceso.

Dukane ofrece equipos con aplicaciones en el soldado de tanques de combustible, ductos de ventilación y reservorios.  El modelo HHB 1223P presenta una operación neumática, sistema que coordina el movimiento de la placa, dos zonas de temperatura, pantalla táctil con temporizador digital y controles de presión separados para la fusión y el sello. El equipo tiene una fuerza de cierre máxima de 1250 lb(5560N) y un tamaño máximo de la placa de 13”x24” (330x610mm).

Soldadura por vibración
En este proceso se unen dos partes termoplásticos bajo presión y con una determinada frecuencia y amplitud de vibración hasta generar suficiente calor para fundir el polímero. Luego de detener la vibración, las partes se alinean y se permite la solidificación del fundido , creando la soldadura. El proceso es rápido, con vibraciones en el rango de 100 a 240 Hz, con entre 1 y 5 mm de amplitud. La principal ventaja del proceso es la habilidad para soldar uniones lineales grandes con altas tasas de producción. También es posible soldar simultáneamente varios componentes con herramientas sencillas. Las principales aplicaciones se encuentran en la industria automotriz y de artículos para el hogar inyectados, extruidos, termoformados, soplados, o espumados.

Adescor ofrece equipos de soldadura por vibración orbital (spin welders) que pueden operar con tuberías y acoples de PEAD o polipropileno. Los tiempos de ciclo se encuentran alrededor de 10 segundos para tubería de 110mm ID. Todas las funciones de la máquina son controladas por un PLC y los sistemas eléctricos y neumáticos se diseñan de acuerdo a los requerimientos de las piezas.

El fabricante Branson cuenta con sistemas compactos de soldadura por vibración orbital que permiten elaborar piezas con longitud lateral de hasta 250 mm. El grupo motriz del cabezal vibrador, compuesto de imanes permanentes e imanes electromagnéticos dispuestos en estrella junto con resortes circulares, funciona sin contacto con un bajo nivel de desgaste. Branson también ofrece máquinas de vibración lineal aptas para la elaboración de termoplásticos con alto porcentaje de relleno y combinación de fibras. Con los modelos estándar pueden unirse piezas con dimensiones de hasta 2000 mm x 800 mm. Para el procesado de piezas pequeñas puede recurrirse a la soldadura por sets múltiples. En la soldadura por vibración lineal Branson ofrece los procesos con una frecuencia operativa de 100 Hz y una de 240 Hz.

El equipo VWA 3900 de Dukane tiene una estructura bastante rígida para manejar hasta 114 kg, manteniendo una frecuencia superior a 200 Hz con un motor de 30 hp. El equipo está diseñado para la soldadura de parachoques, paneles de instrumentos y aplicaciones de gran tamaño. El sistema monitorea y controla la calidad del ensamble con un sistema de control avanzado.

Bielomatik ofrece los equipos de la serie K3210 a K3225 con tamaños entre 600/400mm hasta 2000/700mm para manejar hasta 180 kg. Las fuerzas de fricción poeden aplicarse hasta 40 kN para producir grandes uniones. Los equipos trabajan con frecuencias variables y se adaptan al peso del herramental. El software QA monitorea y controla parámetros relevantes del proceso como presión, profundidad del fundido, amplitud, etc.

Soldadura láser
La soldadura por láser es apropiada para la unión de láminas y termoplásticos moldeados. Utiliza un rayo láser para fundir el plástico en la región de la unión. El láser genera  un rayo intenso de radiación (normalmente la región infrarrojo del espectro electromagnético)  que se focaliza sobre el material a ser unido. La radiación excita una frecuencia resonante en la molécula, resultando en calentamiento del material circundante.

La soldadura con láser es un proceso para altas tasas de producción con la ventaja de no crear vibraciones y generar un mínimo de flash (rebabas) en la soldadura. Los beneficios de un sistema láser incluyen una potencia controlada para el rayo, reducción del riesgo de distorsión o daño de los componentes, enfoque del láser para permitir uniones más precisas, y una mayor limpieza e higiene. La soldadura por láser puede ser desarrollada en un disparo sencillo o en forma continua, pero los materiales a unir requieren estar sujetados. Las velocidades de soldadura dependen de la absorción del polímero.

Bielomatik cuenta con equipos de soldadura con láser con diodos de capacidades entre 70 y 250 Watts y para componentes con tamaños de hasta 700 x 350mm. Los sistemas pueden realizar líneas de soldadura en tres dimensiones, controlar la dimensión del fundido y el proceso durante la operación con sistemas de cámaras CCD. Los materiales que pueden soldarse con estos equipos incluyen principalmente PA 6, PA 6.6, PBT y termoplásticos desarrollados especialmente como PP. Algunas de las aplicaciones son en la unión de materiales sensibles para aplicaciones médicas y electrónicas.

La compañía Branson ofrece equipos que no perjudican materiales sensibles ya que la soldadura se hace sin vibración, sin movimiento alguno. No se forman partículas, y los cordones de soldadura son firmes. Dukane también cuenta con equipos de soldadura láser para la unión de piezas con geometrías complejas. Los láser de Dukane son LEDs que operan con longitudes de onda de 808 y 940 nm, los sistemas son compactos y livianos y utilizan tecnología con robots para posicionar el rayo en el contorno de la soldadura.

Jenoptik ofrece equipos de soldadura con láser de estado sólido y con diodos que producen la fuente de luz para el proceso. Por ejemplo, el sistema láser JENOPTIK-VOTAN P concentra la energía del láser en un pequeño punto de trabajo, de hasta 40 µm de ancho.

Leister cuenta con equipos para la soldadura por láser de películas plásticas transparentes, no tejidos y TPEs. El sistema Globo-welding permite la unión de geometrías tridimensionales sin necesidad de un dispositivo de cierre adicional, la presión se aplica solamente donde tiene efecto la radiación láser.

Laserline fabrica equipos de soldadura láser con componentes como pirómetros para soldadura a temperatura controlada  o cámaras CCD para la visualización del proceso. En operación cuasi simultánea, el sistema guía el foco del láser a lo largo de un contorno en 2D. Los equipos están disponibles con potencias entre 100 y 500 W y áreas de barrido entre 30x40 y 260x260mm2.