Los materiales de la parte superior de este calzado deportivo New Balance se ensamblaron mediante soldadura ultrasónica en lugar de costura tradicional. Foto cortesía de Kenneth Straka, Nuevo equilibrio En la comedia musical de 1982 "Victor Victoria, "Julie Andrews canta una nota alta al final del acto de cabaret parisino de su personaje. Mantiene la nota y las copas de champán en la habitación se rompen. Esto demostró brillantemente cómo los sonidos agudos o de alta frecuencia pueden romper los materiales. Pero, ¿lo sabías? que los sonidos de alta frecuencia se pueden utilizar para unir materiales? Una tecnología llamada soldadura ultrasónica se utiliza para ensamblar productos de muchas industrias, que van desde dispositivos médicos hasta calzado deportivo y automóviles.
Típicamente, puede unir materiales utilizando sujetadores como clavos, tornillos o rosca. Esto es apropiado para metales, madera, tejidos y plásticos. Para muchos plásticos, se utilizan pegamentos; los pegamentos forman enlaces químicos entre el propio pegamento y las superficies de los materiales plásticos adheridos. Los metales se pueden mantener juntos calentando otros metales como agente de unión, como soldadura de plomo en conexiones eléctricas. Alternativamente, los metales se pueden fundir directamente (soldadura); una vez que las superficies de metal derretido se enfríen, los metales se unen. La soldadura generalmente requiere una llama abierta o un soplete para lograr las altas temperaturas necesarias para fundir las superficies metálicas. Entonces, puede ser un proceso costoso para algunos trabajos de fabricación.
Un nuevo En la década de 1940 se introdujo un método de soldadura más rentable. La técnica, soldadura ultrasónica, usó ondas sonoras de alta frecuencia y presión para unir metales y requirió menos energía que la soldadura convencional. La soldadura ultrasónica de metales se desarrolló durante la década de 1950 hasta la de 1990 a medida que los componentes electrónicos utilizados en el equipo se volvían más sofisticados y las computadoras podían controlar el proceso. Desde este momento, la técnica se ha aplicado a los plásticos, donde realmente se ha vuelto popular.
En este articulo, veremos el equipo y el proceso físico de la soldadura ultrasónica, cómo New Balance lo ha utilizado para fabricar calzado deportivo, y las ventajas y desventajas de esta técnica. Primero, echemos un vistazo más de cerca a cómo las ondas sonoras unen materiales, tanto de metal como de plástico.
Gracias especialesNos gustaría agradecer a Kenneth Straka, Desarrollador de productos senior para New Balance, por su ayuda con este artículo.
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Diagrama del mecanismo de soldadura ultrasónica Crédito de la imagen HowStuffWorks Frótese las manos rápidamente. ¿Notaste algo? Calentaron ¿Derecha? Si toma un martillo y golpea una superficie de metal rápida y repetidamente, encontrará que el lugar donde el martillo golpea el metal se calienta, también. En ambos ejemplos, el calor se debe a la fricción. Ahora imagina frotándote las manos o golpeando ese martillo miles de veces por segundo. El calor de fricción generado puede elevar la temperatura significativamente en muy poco tiempo. Básicamente, El sonido de alta frecuencia (ultrasonido) provoca vibraciones rápidas dentro de los materiales que se van a soldar. Las vibraciones hacen que los materiales se froten entre sí y la fricción eleva la temperatura en las superficies en contacto. Este rápido calor de fricción es lo que establece las condiciones para que los materiales se unan.
El equipo de soldadura por ultrasonidos tiene cuatro partes principales. Una fuente de alimentación convierte la electricidad de baja frecuencia (50-60 Hz) en electricidad de alta frecuencia (20-40 kHz; 1 kHz =1000 Hz). Próximo, un transductor o convertidor convierte la electricidad de alta frecuencia en sonido de alta frecuencia (ultrasonido). Un amplificador aumenta las vibraciones del ultrasonido. Finalmente, un cuerno o sonotrodo enfoca las vibraciones del ultrasonido y las entrega a los materiales a soldar. Además de estas piezas, hay un yunque sobre el que se apilan y sujetan los materiales soldados. También existe algún método para aplicar fuerza (generalmente presión de aire suministrada por un pistón neumático) para mantener los materiales juntos durante la soldadura.
Entonces, ¿qué materiales e industrias aprovechan este ingenioso proceso? La soldadura ultrasónica de plásticos se utiliza ampliamente en la fabricación de productos electrónicos, dispositivos médicos y repuestos para automóviles. Por ejemplo, La soldadura ultrasónica se utiliza para realizar conexiones eléctricas en placas de circuitos de computadora, y ensamblar componentes electrónicos como transformadores, Motores eléctricos y condensadores. Dispositivos médicos, como catéteres, válvulas, Los filtros y máscaras faciales también se ensamblan mediante soldadura ultrasónica. La industria del embalaje utiliza esta técnica para fabricar películas, ensamblar tubos y blísters. Incluso Ford Motor Company ha explorado el uso de soldadura ultrasónica para fabricar chasis de aluminio en automóviles.
Ahora que conoce los conceptos básicos de la soldadura ultrasónica, veamos el proceso de soldadura en sí.
Diagrama del proceso de soldadura ultrasónica Crédito de la imagen HowStuffWorks El proceso básico de soldadura ultrasónica se puede describir mediante los siguientes pasos:
Los tiempos de soldadura, las presiones y temperaturas aplicadas son controladas por una computadora o microprocesador dentro del aparato de soldadura. Y lo que sucede realmente durante el proceso de soldadura depende de la naturaleza de los materiales. En metales, las vibraciones ultrasónicas se entregan paralelas al plano de los materiales. El calor de fricción aumenta la temperatura de las superficies metálicas a aproximadamente un tercio de la temperatura de fusión, pero no derrite los metales. En lugar de, el calor elimina los óxidos metálicos y las películas de las superficies. Esto permite que los átomos de metal se muevan entre las dos superficies y formen enlaces que mantienen unidos a los metales.
En el caso de los plásticos, las vibraciones son perpendiculares al plano de los materiales y el calor de fricción aumenta la temperatura lo suficiente como para fundir los plásticos. Las moléculas de plástico se mezclan y forman enlaces. Al enfriarse, las superficies de plástico están soldadas entre sí. Los tiempos de soldadura pueden variar, pero las soldaduras pueden formarse en tan solo 0,25 segundos.
Los factores que varían en la soldadura ultrasónica son la frecuencia de las ondas sonoras (generalmente 20, 30 o 40 kHz), la presión aplicada para mantener unidos los materiales, y el tiempo durante el cual se aplica el ultrasonido (fracciones de segundo a más de un segundo).
Las técnicas de soldadura ultrasónica descritas hasta ahora son buenas para materiales (metales, plásticos) que son similares. Pero ¿qué pasa con los materiales que no son similares? Abordemos esta pregunta observando cómo New Balance ha utilizado la soldadura ultrasónica para ensamblar calzado deportivo.
Montaje del calzado deportivo:después de aplicar la película termofusible al ante sintético, la película está prensada. Foto cortesía de Kenneth Straka, Nuevo equilibrio Mira un par de zapatos deportivos. Si bien los zapatos tradicionales pueden estar hechos de un solo material, como lona o gamuza, Muchos zapatos deportivos tienen varios materiales, como polímeros plásticos ligeros, ante o ante sintético, y malla combinada. Estos materiales compuestos hacen que los zapatos sean livianos, flexible, duradero y transpirable. Por ejemplo, un estilo de calzado deportivo New Balance tiene una parte superior que consta de tres partes.
Pero, ¿cómo se juntan estos materiales? Más comúnmente, las empresas de calzado cosen los materiales. Hace unos dos o tres años, sin embargo, New Balance se propuso hacer la parte superior de un zapato sin costuras. Después de experimentar con planchas y películas adhesivas de polímero, se les ocurrió una forma de hacer esta parte del zapato mediante soldadura ultrasónica.
Para montar la parte superior del zapato, los trabajadores comienzan con una pieza de material de gamuza sintética. Usan una prensa de hierro para unir una hoja delgada de película termofusible a la parte posterior del material. Próximo, un conjunto de soldadura ultrasónica presiona un empeine de patrón en un material de gamuza. Igualmente, una máquina de soldadura ultrasónica similar presiona la fila de ojos del sillín de otra pieza de gamuza sintética. La forma del empeine se corta en la gamuza. La fila de ojales del sillín y el material de malla se sueldan ultrasónicamente al empeine. En los procesos, el calor de fricción del soldador ultrasónico derrite la película termofusible, que une la fila de ojos del sillín y el material de malla al empeine. Luego, el empeine terminado se forma y se adhiere a las piezas de la suela y el talón utilizando solventes a base de agua.
Según Kenneth Straka, Desarrollador de productos senior para New Balance, los métodos de soldadura ultrasónica han aumentado la productividad al ahorrar tiempo. Los soldadores ultrasónicos no solo distribuyen el calor de manera más uniforme que las prensas de hierro, también se calientan y enfrían más rápido. Entonces, el proceso de ensamblaje requiere menos pasos y es más rápido que los métodos de costura tradicionales.
Ahora que hemos visto cómo se usa la soldadura ultrasónica para unir varios materiales, veamos las ventajas y desventajas de esta técnica.
Ensamblaje de calzado deportivo:unión de gamuza sintética Foto cortesía de Kenneth Straka, Nuevo equilibrio La soldadura ultrasónica tiene muchas ventajas sobre los métodos tradicionales. Para uno, la soldadura se produce a bajas temperaturas en relación con otros métodos. Entonces, el fabricante no necesita gastar grandes cantidades de combustible u otra energía para alcanzar altas temperaturas. Esto abarata el proceso. También es más rápido y seguro.
El proceso ocurre en fracciones de segundo a segundos. Entonces, se puede hacer más rápidamente que otros métodos. De hecho, Puede unir plásticos mejor y más rápido que las colas. Por ejemplo, las nuevas llaves inteligentes de los automóviles tienen un chip transpondedor. El coche solo puede arrancar cuando detecta el chip. Para hacer la llave un extremo de la llave de metal en blanco y el chip se colocan en la mitad de la tapa de plástico. La otra mitad se coloca sobre ellos y se une a la mitad de la base. Esta unión generalmente se haría con pegamento, que lleva tiempo curar. La misma tarea se puede realizar con soldadura ultrasónica en menos de un segundo.
La soldadura ultrasónica no requiere combustibles inflamables ni llamas abiertas, así que en comparación con otros métodos de soldadura, es un proceso más seguro. Los trabajadores no están expuestos a gases inflamables o disolventes nocivos. En electrónica, Los alambres de cobre generalmente se unen a los contactos eléctricos en las placas de circuito con soldadura. La misma tarea se puede realizar utilizando soldadura ultrasónica en una fracción del tiempo y sin exponer a los trabajadores a los vapores de la soldadura de plomo humeante. Aunque la audición de los trabajadores puede resultar dañada por la exposición a sonidos de alta frecuencia, este peligro potencial se reduce fácilmente encerrando la máquina de soldadura ultrasónica en una caja o jaula de seguridad y / o usando protección para los oídos.
Finalmente, Las soldaduras ultrasónicas son tan fuertes y duraderas como las soldaduras convencionales de los mismos materiales, que es solo una de las razones por las que el método se utiliza en la fabricación de automóviles. Para hacer que los autos sean más livianos y más eficientes en combustible, los fabricantes de automóviles están recurriendo al aluminio como principal metal en las carrocerías. La soldadura ultrasónica se puede utilizar para unir el metal en menos tiempo y a temperaturas más bajas que la soldadura tradicional.
La soldadura ultrasónica tiene sus limitaciones, aunque. Primero, las profundidades de las soldaduras son inferiores a un milímetro, por lo que el proceso funciona mejor en materiales delgados como plásticos, alambres o láminas delgadas de metal. Soldar por ultrasonidos una viga de acero para un edificio no sería práctico. Segundo, Funciona mejor cuando se sueldan materiales similares como plásticos o metales similares. Como viste con los zapatos New Balance, La soldadura ultrasónica de materiales diferentes requiere un material adicional; en el caso de los zapatos New Balance, es una película que se puede unir entre la gamuza sintética y la malla.
A pesar de estas limitaciones, la popularidad y el potencial de la soldadura ultrasónica sigue creciendo.
