Il sonotrodo, questo sconosciuto!

Nella saldatura ad ultrasuoni, un ruolo fondamentale, lo gioca il sonotrodo. Ma che cos’è questo “utensile” e a cosa serve nello specifico?  Andiamo a scoprirlo passo, passo.

Viene detto sonotrodo il componente che trasmette la vibrazione al pezzo da assemblare (saldatura a ultrasuoni delle materie plastiche). Esso deve svolgere le seguenti funzioni:

  • trasmissione dell'energia vibratoria
  • trasmissione della forza di pressione
  • trasmissione dell'ampiezza
  • sagomatura durante la deformazione plastica

La concezione e la fabbricazione di un sonotrodo, esigono una particolare attenzione, poiché solo una concezione rispondente perfettamente alle esigenze del pezzo da assemblare, garantisce dei buoni risultati. I sonotrodi costruiti in modo non appropriato (frequenza non adatta, trasformazione ed ampiezza non favorevoli) possono portare alla rottura del trasduttore.

            

(Esempi di sonotrodi, varie dimensioni)

I materiali che si impiegano nella costruzione dei sonotrodi sono tre, ognuno di questi ha le proprie caratteristiche specifiche e vengono scelti a secondo del tipo di impiego.

I.        Alluminio: utilizzato per sonotrodi non particolarmente stressati da un punto di vista di sollecitazioni meccaniche, oppure per grandi dimensioni in cui sia il peso che il costo hanno un impatto importante. Il  
          materiale più utilizzato è una lega di alluminio avente caratteristiche meccaniche (durezza e velocità di propagazione del suono) favorevoli. In genere Ergal o Avional.

II.       Titanio: questo è un materiale utilizzato nel caso in cui le condizioni di lavoro sono importanti. Le sua caratteristiche metallurgiche gli conferiscono le migliori proprietà vibratorie e un’ottima durata della vita
          che può essere anche aumentata con specifici trattamenti superficiali. Per materie plastiche contenenti cariche di vetro, in genere si utilizza il titanio.

III.      Acciaio sinterizzato: viene utilizzato specificatamente per la saldatura di particolari che risultano particolarmente aggressivi su materiali metallici quali alluminio o titanio. Presenta una durezza elevata e viene
          sempre utilizzato dopo il processo di tempra. Per inserimento di particolari metallici si utilizza questo tipo di materiale.

Affinché la saldatura risulti ottimale, si consiglia di non utilizzare sonotrodi di grandi dimensioni. La superficie di vibrazione deve essere infatti il più possibile uniforme. Quindi, nel caso di pezzi di grandi dimensioni, si utilizzano più gruppi vibranti. In particolare:

  • Ampiezza massima applicabile all'entrata del sonotrodo ξ1=40 µm
  • Ampiezza massima in uscita dal sonotrodo per forme semplici e tondi ξ2=90-120 µm
  • Ampiezza massima in uscita per sonotrodi grandi con scanalature ξ2=60 µm
  • No spigoli vivi. Tutti gli spigoli devono essere raggiati per evitare pericoli di rottura
  • Utilizzo di chiavi adatte per il montaggio

L’utilizzo di sistemi di progettazione evoluti, ha permesso di studiare il comportamento del sonotrodo durante la fase di progettazione. I sonotrodi possono essere progettati in ambiente 3D e simulati con FEM. E’ possibile studiare il comportamento in vibrazione, portando il sonotrodo ad una ampiezza molto uniforme. Ciò si traduce in un rendimento elevato durante la saldatura evitando nel contempo, possibili criticità che potrebbero portare a rottura. Il FEM, permette anche di stabilire con molta precisione, la frequenza di risonanza del sonotrodo.

                          

(esempi di simulazione FEM per costruzione sonotrodi)

 

Esistono vari tipi di sonotrodi, adatti alle varie esigenze. I più comuni sono:

  • Sonotrodo a gradino: ha una forma circolare dove i due diametri sono raccordati con un raggio piccolo. Esso produce una forte ampiezza. La struttura del sonotrodo è sottoposta a forte sollecitazione meccanica.
  • Sonotrodo esponenziale: ha una curva di affaticamento ideale. L'ampiezza è relativamente bassa. È molto usato nelle operazioni di inserimento di parti metalliche in termoplastici.
  • Sonotrodo catenoidale: è il più utilizzato. È caratterizzato da una buona ampiezza e da un basso affaticamento.
  • Sonotrodo rettangolare: è molto utilizzato. Per evitare oscillazioni orizzontali o di riflessione che possono rompere il sonotrodo, si devono ricavare delle scanalature (slot). Il sonotrodo rettangolare viene spesso utilizzato come adattatore per altri sonotrodi nel caso di saldature multiple.
  • Sonotrodo a campana: viene usato per saldature circolari di grandi dimensioni. Anche in questo sonotrodo si devono ricavare le scanalature.

Per saperne di più sulla saldatura ad ultrasuoni ed i relativi componenti, potrebbe interessarti anche “Saldatura a ultrasuoni: i protagonisti, ovvero gli elementi coinvolti” e per maggiori informazioni puoi contattare Sirius Electric Srl (www.siriuselectric.it) , azienda italiana leader nella produzione e commercializzazione di saldatrici per materie plastiche e nella progettazione e realizzazione di sonotrodi.

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