Tecnologia de ultrassons
Sela embalagens, solda peças moldadas em plástico, perfura moldes ou corta têxteis ou alimentos? Nesse caso, os ultrassons podem ser do seu interesse – uma tecnologia rápida e eficiente em termos de materiais e de energia para o seu processo de produção. Os ultrassons representam uma tecnologia impressionante que funciona de forma rápida, precisa e eficiente.
Junte-se a nós e descubra mais sobre este tema. Convidamo-lo a descobrir, de forma simples, como funciona a tecnologia de ultrassons, como são construídos os nossos dispositivos de ultrassons e que aplicações são possíveis com estes dispositivos – talvez existam opções capazes de otimizar ainda mais a sua produção.
O que é o ultrassom?
O ultrassom é uma oscilação mecânica com uma frequência entre 20 kHz e 10 GHz. Isto significa que é inaudível para os seres humanos, uma vez que a nossa capacidade auditiva está limitada a frequências entre 16 Hz e 20 kHz.
O ultrassom é gerado a partir de energia elétrica de alta frequência e convertido em energia mecânica. Sendo uma oscilação mecânica, o som propaga-se a uma velocidade definida no ar e noutros meios sob a forma de uma onda de pressão. A frequência é uma medida da rapidez com que se sucedem as repetições de um processo periódico, como, por exemplo, a expansão e a contração das nossas ferramentas de ultrassons. Um Hertz representa uma oscilação por segundo.
Como funcionam os métodos de união e separação por ultrassons?
Na soldadura e no corte com ultrassons, a energia convertida em ondas sonoras é utilizada para derreter o plástico. Dependendo da aplicação, é utilizada uma frequência diferente. Como a RINCO ULTRASONICS utiliza uma vasta gama de frequências entre 20 e 70 kHz, podemos apresentar a solução de ultrassons ideal e personalizada para qualquer tarefa de soldadura e corte.
O método de ultrassons
Neste vídeo, mostramos-lhe exatamente como funciona todo o processo.
Como é que a corrente de uma tomada se transforma em ultrassons?
Para a conversão da energia elétrica (corrente) em oscilações mecânicas (ultrassons), é necessário um gerador e um conversor. O gerador converte primeiro a energia da tensão de rede de 200/230 V e 50/60 Hz (tomada) numa tensão HF com uma frequência definida de pelo menos 20 kHz. Dependendo da aplicação, são possíveis frequências de 20 a 70 kHz.
A oscilação mecânica é gerada a partir da energia elétrica de alta frequência no conversor a jusante. O interior inclui discos piezoelétricos que são excitados pela energia elétrica e se contraem e expandem de forma alternada. Este movimento resulta na oscilação do conversor. Os ultrassons apresentam então uma amplitude e uma frequência definidas pelo gerador, que são transmitidas do conversor para o booster a jusante e para o sonotrodo.
O sonotrodo é a ferramenta de soldadura ou de corte que faz contacto com a peça de trabalho.
O conversor, o booster e o sonotrodo são frequentemente referidos em conjunto como um sistema de oscilador. Estes componentes têm de estar harmonizados a nível acústico para poderem funcionar de forma eficiente.
Como é que os plásticos, os têxteis ou os alimentos podem ser soldados ou cortados com ultrassons?
Na união por ultrassons ou na soldadura por ultrassons, as oscilações mecânicas geradas no conversor são transmitidas ao material através do sonotrodo. Estas provocam a oscilação das moléculas de plástico devido ao calor de fricção. O plástico derrete e é plastificado. Com a pressão de união aplicada a seguir, pode ser novamente moldado. Isto acontece não só durante a soldadura, mas também durante o flangeamento, a rebitagem, a moldagem ou o embutimento, uma vez que o princípio básico da soldadura por ultrassons é o mesmo para todas as variantes de união.
Na separação por ultrassons ou no corte por ultrassons, a oscilação mecânica é transmitida ao material por uma lâmina de corte. A pressão mínima e a fricção superficial resultante separam o plástico, os têxteis, a borracha e vários alimentos. O calor de fricção também desempenha um papel importante no corte por ultrassons. Facilita o processo de separação e permite que até alimentos os delicados mantenham graças à pressão mínima. Também produz cortes particularmente perfeitos. Os têxteis de fibras sintéticas são separados de forma perfeita graças ao calor gerado e o calor de fricção sela diretamente as arestas de corte para não se desfiarem.
Como funciona um processo normal de (soldadura) ultrassons?
Para compreender, é necessário observar atentamente. Aqui, explicamos o processo através de um ciclo de soldadura por ultrassons. Um ciclo de soldadura por ultrassons dura apenas um breve instante. Geralmente, consiste em seis passos, que se sucedem muito rapidamente num único movimento de curso.
No passo 1, o avanço move-se com o sistema de oscilador da posição inicial até à posição de desaceleração. O movimento no primeiro passo é muito dinâmico e abranda no passo 2, de forma a colocar o sonotrodo na peça de trabalho com o máximo cuidado. No passo 3, a pressão é aumentada até um valor predefinido (ponto de acionamento) antes de os ultrassons serem aplicados às peças de trabalho no passo 4 – este é o processo de soldadura propriamente dito, que muitas vezes demora apenas uma fração de segundo. A pressão é então mantida durante a fase de arrefecimento (passo 5) antes de o avanço regressar à posição inicial no passo 6.
Estas seis posições podem ser adaptadas com precisão à aplicação e ao material associado através de vários modos e parâmetros para unir de forma fiável qualquer peça de plástico. Esta sequência aplica-se à soldadura e à moldagem. No caso da perfuração, apenas a fase de arrefecimento sob pressão é omitida. No submenu de corte por ultrassons, explicamos mais detalhadamente o funcionamento do processo de corte.
Que requisitos é que a tecnologia de ultrassons pode satisfazer?
A tecnologia de ultrassons caracteriza-se por ser eficiente em termos de energia, rápida e limpa. É particularmente adequada quando são necessários tempos de processamento curtos e uma elevada segurança do processo. No entanto, a tecnologia de ultrassons também deve ser definitivamente considerada perante requisitos como alta qualidade de costura e estética, alta resistência e reprodutibilidade exata. Além disso, adapta-se particularmente bem ao perfil de requisitos quando não podem ou devem ser utilizados outros componentes, materiais adicionais ou adesivos.
Os componentes de ultrassons podem ser facilmente integrados em sistemas existentes.
Nos submenus correspondentes, indicamos os requisitos que cada método de ultrassons consegue satisfazer.
O que pode ser unido ou separado com ultrassons?
A tecnologia de ultrassons é um método de união rápido que também poupa energia e materiais. É igualmente muito versátil. É adequada para união sempre que forem utilizados termoplásticos. Por exemplo, as peças moldadas em plásticos termoplásticos podem ser unidas muito facilmente através de ultrassons. Este método é particularmente popular nas indústrias automóvel, de tecnologia de ponta e da medicina. As películas podem ser soldadas ou seladas de forma estanque e segura. No entanto, os têxteis técnicos e os não-tecidos com uma percentagem de termoplásticos também podem ser unidos ou separados de forma eficiente.
Na indústria alimentar, em particular, os ultrassons não são apenas utilizados para selar embalagens, mas também para fatiar e cortar alimentos. Os produtos de confeitaria, produtos de pastelaria, o queijo, os legumes ou os wraps são divididos em porções iguais com ultrassons e são colocados nas embalagens com uma forma apelativa e arestas de corte perfeitas.
Que materiais podem ser unidos ou separados?
Geralmente, a união por ultrassons é adequada para todos os plásticos termoplásticos. Estes dividem-se em termoplásticos semicristalinos – POM, CA, LCP, PEEK, PA, PBT, PE, PPS, PP, PTFE – e termoplásticos amorfos. Os termoplásticos amorfos incluem, por exemplo, ABS, MABS, PMMA, PC, PET, PS ou PVC. Por norma, é possível soldar materiais idênticos - porém, também é possível unir materiais diferentes entre si. Poderá obter mais informações aqui.
Assim como os plásticos podem ser unidos, os têxteis também podem ser separados com recurso a ultrassons. Para além de plásticos, borracha, não-tecidos e têxteis técnicos, a separação por ultrassons também permite cortar e fatiar vários alimentos. A grande vantagem neste caso é o facto de as arestas de corte ficarem muito perfeitas e não ser necessário limpar a lâmina.
Estrutura de uma máquina de soldar por ultrassons típica
As máquinas de soldar por ultrassons são compostas por um gerador com sistema de controlo, uma coluna de prensa, um avanço e um sistema de oscilador. Este, por sua vez, é composto por um conversor, um booster e um sonotrodo. Inclui igualmente um suporte para a peça de trabalho, uma placa de base e uma unidade de acionamento para estações de trabalho individuais.
Gerador – Produz a alta tensão e a frequência de ultrassons (1)
O gerador de ultrassons desempenha várias funções ao mesmo tempo. Converte a corrente alternada da tomada e produz a alta tensão necessária com uma frequência de 20 a 70 kHz. Também regula a amplitude através da tensão e alimenta o conversor com energia elétrica. A Rinco Ultrasonics disponibiliza os geradores com vários níveis de potência diferentes. Na maior parte dos casos, o controlo do dispositivo encontra-se alojado na mesma caixa. Geralmente, os dispositivos de soldadura por ultrassons são normalmente operados através de um ecrã tátil local ou externo. Os geradores estão disponíveis com uma caixa ou como um módulo de gerador de ultrassons puro sem caixa.
Coluna de prensa – Suporta o avanço (2)
O avanço está montado na coluna de prensa. É responsável pela estabilidade da máquina.
Avanço – Para o movimento de curso pneumático ou elétrico (3)
O avanço executa o movimento de curso. Este componente móvel do dispositivo de ultrassons pode ser acionado de forma pneumática ou elétrica. O sistema de oscilador está ligado ao avanço.
Sistema de oscilador – conversor, booster e sonotrodo (4)
O sistema de oscilador ligado ao avanço representa a peça central da máquina de ultrassons, uma vez que é aqui que a oscilação de ultrassons é gerada.
É composto por um conversor, um booster e o sonotrodo.
Conversor – Converte a corrente em oscilação (5)
O conversor de ultrassons – também conhecido como transdutor – converte a energia elétrica em oscilações mecânicas. Estas oscilações são geradas quando a tensão de alta frequência é aplicada aos cristais piezoelétricos dos discos piezoelétricos.
Booster – Amplifica a oscilação de ultrassons (6)
O booster amplifica fisicamente as oscilações de ultrassons geradas devido à sua conceção. Aumenta a sua amplitude.
Todo o sistema de oscilador é ligado à máquina ou ao braço de robô através do booster.
Sonotrodo – Ferramenta de soldadura por ultrassons (7)
O sonotrodo é a verdadeira ferramenta de soldadura ou corte. Transmite a oscilação de ultrassons à peça de trabalho. Esta derrete devido aos ultrassons e solidifica à medida que arrefece.
O sonotrodo está ligado ao booster e é feito de alumínio, titânio ou aço. Cada sonotrodo recebe uma forma adaptada à peça de trabalho – isto significa que é fabricada de forma específica. Para obter uma ligação de soldadura perfeita, o sonotrodo tem de ser fabricado com a máxima precisão e ser adaptado de forma exata à frequência específica da aplicação.
Suporte – Suporte da peça de trabalho (8)
Para garantir que a peça de trabalho não escorrega durante a soldadura por ultrassons e que fixa de forma ideal, é colocada num suporte. Este é frequentemente designado por suporte, bigorna ou suporte da peça de trabalho.
Placa de base - Pode ser nivelada (9)
O suporte da peça de trabalho é fixado à placa de base. Esta pode ser nivelada e alinhada de forma precisa com o sonotrodo para obter uma costura de soldadura de alta precisão.
Unidade de acionamento – Para acionar o processo de soldadura por ultrassons (10)
O processo de soldadura por ultrassons propriamente dito é iniciado pela unidade de acionamento. Para garantir a máxima segurança para o operador da máquina, o processo de soldadura por ultrassons só pode ser iniciado com duas mãos. A segurança adicional é garantida por um botão de paragem de emergência, que também está ligado à unidade de acionamento.
Quais são as vantagens da união por ultrassons e da separação por ultrassons na prática?
A união por ultrassons e a separação por ultrassons são versáteis, económicas e ecológicas.
Ligações resistentes
A soldadura por ultrassons permite a obtenção de ligações particularmente resistentes.
Como os termoplásticos se ligam a nível molecular devido à energia fornecida pelos ultrassons, é formada uma ligação mecanicamente resistente. Esta é dimensionalmente estável e/ou hermeticamente estanque.
Eficiente, rentável, tempos de ciclo curtos
O método de ultrassons é eficiente em termos de materiais e de tempo, bem como uma tecnologia rentável. Os tempos de ciclo são muito curtos. Com o método de ultrassons, é possível alcançar tempos de união muito curtos ou uma velocidade de separação rápida em qualquer altura. Geralmente, o tempo de união puro demora apenas uma fração de segundo. As máquinas de ultrassons requerem muito pouca energia.
Tecnologia precisa
A união ou a separação por ultrassons é uma tecnologia muito precisa. Os parâmetros de soldadura podem ser definidos com precisão para a união por ultrassons. É possível obter resultados de soldadura particularmente precisos com dispositivos de soldadura por ultrassons operados eletricamente.
A precisão da tecnologia de ultrassons também é evidente na separação por ultrassons. Os cortes são precisos e, por norma, as arestas de corte são particularmente perfeitas.
Resultados de soldadura estéticos
A precisão da soldadura por ultrassons está associada a resultados esteticamente apelativos. Graças à tecnologia precisa, é possível satisfazer todos os requisitos estéticos, quer se trate de uma costura e uma ligação por rebite esteticamente apelativas ou de superfícies sem marcas.
Os resultados particularmente estéticos proporcionados pelos ultrassons também são evidentes no corte de alimentos. A separação por ultrassons permite que os alimentos sejam cortados sem deformações, mesmo que sejam constituídos por diferentes camadas macias e sólidas, como é o caso, por exemplo, dos bolos de creme.
Económico e pronto a funcionar rapidamente
Um tempo de processo curto permite poupar custos. As máquinas para a soldadura por ultrassons e os dispositivos para o corte por ultrassons ficam imediatamente operacionais, sem qualquer tempo de aquecimento. Esta é uma diferença importante em relação aos métodos de união térmica, como a rebitagem a quente ou a soldadura por elemento aquecido.
Como a peça de trabalho a ser processada apenas aquece ligeiramente, após o ciclo de soldadura é necessário apenas um curto intervalo de tempo, inferior a um segundo, para que a costura de soldadura solidifique e adquira resistência.
Método suave para produtos sensíveis
A tecnologia de ultrassons é ideal para produtos sensíveis à temperatura.
Como apenas a costura de soldadura é ligeiramente aquecida durante a soldadura de peças de plástico com ultrassons ou a própria superfície de corte durante a separação por ultrassons, a tecnologia é adequada para várias aplicações.
A selagem por ultrassons é particularmente recomendada para a embalagem de produtos sensíveis ao calor, como cosméticos, medicamentos ou alimentos.
União e separação limpas, ecológicas e sustentáveis
A união e a separação por ultrassons são, por si só, métodos de união e separação sustentáveis e ecológicos.
Não são necessários quaisquer materiais adicionais para unir dois plásticos termoplásticos no método de ultrassons. Não são necessárias colas ou uniões roscadas. Como não são utilizados materiais ou componentes adicionais, a soldadura de plásticos por ultrassons permite uma separação para reciclagem e poupar recursos a longo prazo.
Como o calor só é gerado onde é necessário, é possível minimizar o consumo de energia. As próprias peças de plástico também não necessitam de qualquer pré-tratamento. Isto também protege o meio ambiente. Como não são necessários materiais adicionais, o manuseamento também é limpo e simples.
Os ultrassons representam a base de uma tecnologia versátil
Através da tecnologia de ultrassons, são possíveis vários métodos diferentes: soldadura, corte, soldadura de separação, perfuração, selagem, moldagem, rebitagem, flangeamento ou embutimento.
Que métodos de ultrassons existem?
A tecnologia de ultrassons é adequada para processos e métodos de fabrico muito diferentes. Isto significa que é possível processar uma grande variedade de plásticos e têxteis ou mesmo de alimentos.
Os equipamentos de soldadura por ultrassons são os equipamentos mais frequentemente solicitados à RINCO ULTRASONICS. Graças aos tempos de ciclo curtos, a soldadura de peças de plástico com ultrassons é utilizada principalmente na produção e no processamento de peças para a indústria automóvel.
Soldadura por ultrassons
A soldadura por ultrassons é um método eficiente e sustentável para unir dois plásticos termoplásticos. Com um baixo consumo de energia, este método permite soldar, em milissegundos, películas, peças moldadas por injeção ou têxteis sintéticos. As costuras de soldadura são perfeitas e esteticamente apelativas. Não são visíveis quaisquer marcas após o processo de soldadura.
Corte por ultrassons
Os dispositivos de ultrassons da RINCO ULTRASONICS cortam têxteis sintéticos, borracha/plásticos ou alimentos.
A tecnologia de ultrassons precisa permite cortar alimentos sem deixar resíduos na ferramenta e sem deformações.
No processamento de têxteis, os ultrassons garantem arestas de corte perfeitas e seladas num único passo. Até a borracha pode ser cortada muito facilmente com ultrassons.
Perfuração por ultrassons
Tanto as peças moldadas termoplásticos como os têxteis técnicos podem ser perfurados por ultrassons. Com materiais termoplásticos, obtêm-se automaticamente arestas bonitas e redondas, sem quebras brancas. Com têxteis sintéticos, as arestas de corte são devidamente seladas já no processo de perfuração.
Selagem por ultrassons
O processo de selagem por ultrassons é particularmente económico em termos de materiais. Graças aos tempos de ciclo muito curtos, este método apresenta uma procura particularmente elevada no setor das embalagens, sendo também adequado para linhas de produção modernas com elevado rendimento. Mesmo na presença de contaminantes, como, por exemplo, água na costura estreita, é criada uma ligação firme.
Moldagem por fusão por ultrassons, rebitagem por ultrassons, flangeamento por ultrassons
Na moldagem por fusão com ultrassons, os materiais termoplásticos são rebitados ou flangeados com os mesmos ou outros materiais. Deste método resultam ligações rígidas sem qualquer folga, extremamente duradouras.
Embutimento por ultrassons
O embutimento por ultrassons é um passo do processo em que as peças de metal são injetadas em peças moldadas através de ultrassons. O método é muito rápido, requer muito pouca energia e apresenta resultados de alta precisão. Além disso, o método fica imediatamente operacional, uma vez que o metal não necessita de ser pré-aquecido.
Perguntas e respostas sobre a tecnologia de ultrassons
Como são gerados os ultrassons?
A energia elétrica de alta frequência induz a contração e a expansão dos cristais piezoelétricos. O gerador de ultrassons controla a velocidade do movimento e a respetiva amplitude. Para obter mais informações, consulte a secção "Como é que a corrente de uma tomada se transforma em ultrassons?"
Como é que os plásticos se ligam sob ultrassons?
A oscilação mecânica dos ultrassons e o calor de fricção resultante plastificam os plásticos a nível molecular. Quando os ultrassons param, as moléculas voltam a ligar-se umas às outras, o plástico endurece e é formada uma ligação permanente. Consulte também a secção "Como é que os plásticos, os têxteis ou os alimentos podem ser unidos ou separados com ultrassons?"
O plástico pode ser unido hermeticamente com ultrassons?
Sim. Uma costura de união hermeticamente estanque é particularmente importante para as embalagens de alimentos e para a tecnologia médica. Isto pode ser conseguido com soldadura por ultrassons ou selagem por ultrassons.
Quanto tempo demora o processo de união com ultrassons?
Muito pouco. Por vezes, é mais rápido do que um piscar de olhos. No entanto, é difícil fazer uma afirmação geral, uma vez que o tempo de união depende da aplicação. Geralmente, demora apenas alguns milissegundos. Mesmo todo o processo de união, incluindo a fase de arrefecimento, demora apenas alguns segundos na maior parte dos casos. Consulte também a secção "Como funciona um processo normal de (soldadura) ultrassons?"
A que frequência de ultrassons ocorre a união ou a separação?
São utilizadas frequências entre 20 e 70 kHz para a união e a separação por ultrassons.
Uma vez tomada a decisão a favor do processo de ultrassons, porque é que é necessário escolher uma frequência - 20, 35 ou 70 kHz?
A frequência certa para uma aplicação depende de vários parâmetros. Para além do material e do tamanho do produto, estes incluem a distância em relação à superfície de acoplamento (ou seja, a superfície ao longo da qual ocorre a soldadura) e a espessura do material. Quanto mais material for necessário percorrer até à superfície de acoplamento, mais energia se perderá ao longo do caminho devido à atenuação do material.
Uma outra razão para especificar uma frequência é o facto de o sonotrodo também ter de ser adaptado a essa frequência. As ferramentas grandes, por exemplo, só podem ser utilizadas a frequências mais baixas - 20 kHz.
As ferramentas de ultrassons existentes, os sonotrodos, podem ser personalizadas?
Não, normalmente não. Como cada alteração no sonotrodo altera a sua frequência natural, podem ocorrer ressonâncias. Isto resulta, geralmente, em erros no processo de soldadura. Por vezes, o sonotrodo pode até ficar danificado e partir-se. Para novos requisitos, é preferível utilizar um novo sonotrodo e calibrar novamente as frequências.
Por outro lado, o suporte da peça de trabalho pode ser adaptado a novas geometrias de produtos ou produtos em qualquer altura, uma vez que não depende das frequências de soldadura e não desempenha qualquer papel na ressonância.
Os ultrassons são perigosos?
Não, os ultrassons não são perigosos. No entanto, é possível que certas peças de aplicação amplifiquem a acústica devido à sua conceção. Isto pode ser percecionado como um rangido desconfortável. Por isso, recomendamos a utilização de uma proteção para os ouvidos durante o processo de união.
Que máquinas estão disponíveis para a união por ultrassons e a separação por ultrassons?
Disponibilizamos dispositivos de posto de trabalho individuais na forma de estações de trabalho de mesa ou dispositivos manuais, bem como componentes de ultrassons para OEM, para integração em máquinas especiais e linhas de automatização. Poderá encontrar toda a nossa gama aqui.
As máquinas e os dispositivos para a união e a separação têm de ser aquecidos primeiro ou algo semelhante?
Não, não é necessário aquecimento ou algo parecido. As máquinas e os dispositivos de ultrassons ficam imediatamente operacionais.
É possível obter resultados de soldadura ou de separação reproduzíveis com ultrassons?
Sim, a tecnologia de ultrassons proporciona resultados de soldadura consistentes e reproduzíveis. Os nossos dispositivos e máquinas são da mais alta qualidade e garantem soldaduras e separações limpas.
O que é uma amplitude?
A amplitude é o desvio máximo de uma oscilação harmónica da posição do valor médio aritmético.
Quem é que descobriu o "efeito piezoelétrico"?
Pierre Curie e o seu irmão Jacques descobriram o efeito piezoelétrico em 1880.
Qual é a velocidade do som no alumínio, no aço ou no titânio?
Cerca de 6000 metros por segundo.
A oscilação de ultrassons propaga-se no sentido longitudinal ou transversal?
Geralmente, os ultrassons oscilam de forma esférica, mas a conceção dos nossos produtos faz com que se propaguem no sentido longitudinal.