Saldatura della plastica con il suono

**US 3,224,916**, *Metodo sonico per la saldatura di parti termoplastiche*, **Robert S. Soloff** e Seymour G. Linsley, cessionari a **Branson Instruments**; depositato il **6 dicembre 1963**, Numero di serie 328,500, concesso il **21 dicembre 1965**; 8 rivendicazioni, classe US 156-73. Scaduto. Il disegno in questa pagina è il foglio 1 del brevetto stesso: FIG. 1 è il giunto, FIG. 2 il corno, FIG. 3 la sezione. La descrizione riguarda *la saldatura di assemblaggi di parti termoplastiche con* una *sorgente di energia sonica ad alta intensità*, ed è esplicita nel dire che le parti devono essere portate *in contatto intimo* e che il metodo si estende a *materiali termoplastici difficili da fondere* — che è la rivendicazione interessante, perché sono esattamente quelli su cui anche la colla fallisce. orA trovane uno. Apri un assemblaggio stampato a basso costo che non ti dispiace distruggere — un giocattolo, il manico di un rasoio usa e getta, il fusto di una penna, l'involucro di un piccolo elettrodomestico. Osserva le superfici di accoppiamento al microscopio. Su un giunto saldato troverai, su una sola faccia, una **piccola nervatura triangolare** che corre lungo la linea del giunto — alta una frazione di millimetro e di solito larga circa quanto la sua base. Questo è il direttore di energia. Su una parte già saldata sarà appiattita e il materiale fuso sarà fuoriuscito ai due lati come un sottile cordone. Misura la nervatura con il microscopio e il calibro. Il passaggio 4 mostra perché proprio quella dimensione e non un'altra.

Se hai accesso a una saldatrice a ultrasuoni — una per materiali plastici, non una per metalli o un bagno di pulizia — esegui questa prova come si deve. Se non ce l'hai, il passaggio 3 propone un sostituto da banco che illustra lo stesso meccanismo. Stampa o modella due campioni piatti con una faccia di giunzione di 40 × 10 mm. Su uno di essi applica un direttore di energia triangolare alto 0,4 mm e largo 0,5 mm, che percorra tutta la lunghezza. Lascia l'altra coppia piatta per il confronto. Predisponi la saldatrice: dima rigida sotto la parte inferiore, sonotrodo piatto sulla parte superiore, e inizia con un tempo di saldatura breve e una forza bassa. Salda, poi separa il giunto nella morsa con il dinamometro a molla e registra la forza e **dove si è rotto**. Esplora tre variabili, una alla volta, e traccia il grafico di ciascuna: - **Tempo di saldatura** — troppo breve e il direttore non è collassato; troppo lungo e il fuso viene espulso e il giunto si impoverisce. - **Forza** — troppo poca e le facce non restano in contatto per tutto il ciclo; troppa e il direttore viene schiacciato prima di fondere, il che annulla il riscaldamento per taglio. - **Ampiezza**, se la macchina lo consente. Una buona saldatura si rompe nel **materiale base** accanto al giunto, non nel giunto. Il campione di controllo a faccia piatta terrà a malapena, ed è proprio questo il senso del direttore. L'attrezzatura a ultrasuoni è rumorosa in un modo che un fonometro registra come modesto: gran parte della potenza è al di sopra dell'udito, mentre le sottoarmoniche no. Indossa protezioni per l'udito, tieni le dita lontane dal percorso del sonotrodo e non toccare mai un sonotrodo che è stato in funzione.

Tre modi per fondere un'interfaccia senza un generatore ultrasonico, ciascuno che insegna una parte diversa della stessa idea. Eseguili tutti e tre e confronta le fratture. **Saldatura per rotazione.** Fissa un mozzo cilindrico stampato nel mandrino della trapano a colonna, tieni il suo accoppiamento nella morsa sottostante, ruota a qualche centinaio di giri al minuto e premili insieme. L'attrito fonde l'interfaccia in uno o due secondi; ferma il mandrino e mantieni la pressione mentre si solidifica. È lo stesso meccanismo del brevetto — lavoro meccanico nell'interfaccia — con la rotazione al posto della vibrazione. Funziona solo su giunti circolari, ed è esattamente per questo che valeva la pena inventare gli ultrasuoni. **Saldatura con solvente.** Su PVC o acrilico, un cemento solvente non incolla: **scioglie** entrambe le superfici così che le catene si diffondono reciprocamente, e poi evapora lasciando un unico pezzo. Applicane poco su entrambe le superfici, premi, bloccale con morsetti e lasciale molto più a lungo di quanto sembri necessario — un giunto con solvente a un'ora ha una frazione della sua resistenza finale. Prova lo stesso cemento sul polipropilene: non succede nulla, perché nessun solvente comune agisce su una poliolefina. Quel fallimento vale la pena di essere prodotto deliberatamente. **Saldatura a piastra calda.** Premi entrambe le superfici contro una piastra calda pulita a circa 30 °C sopra il punto di fusione finché si forma un cordone, ritrai e premile insieme. Grezza e lenta, ma produce il giunto più resistente dei tre su polietilene e polipropilene — ed è così che le tubazioni in plastica vengono giuntate sottoterra. Rompili tutti e osserva le superfici di frattura al microscopio. Una vera saldatura mostra polimero stirato e fibroso; una saldatura fallita mostra due superfici lisce che non sono mai state una sola.

**Attribuzione.** US 3,224,916, *Sonic method of welding thermoplastic parts*, Robert S. Soloff e Seymour G. Linsley, cessionari della Branson Instruments; depositato il 6 dicembre 1963, concesso il 21 dicembre 1965, scaduto. Il disegno in questa pagina è quello del brevetto stesso. **Perché si è diffuso così rapidamente.** La saldatura ad ultrasuoni non richiede materiali di consumo, tempi di polimerizzazione, solventi da maneggiare né un terzo materiale nel pezzo. Un ciclo dura una frazione di secondo, quindi si adatta a una linea di assemblaggio alla velocità dello stampaggio e, poiché lascia il pezzo freddo, quest'ultimo può essere maneggiato immediatamente. Praticamente ogni carcassa stampata per prodotti di consumo che non è avvitata viene saldata in questo modo. **Il energy director è la vera invenzione.** Applicare ultrasuoni a un giunto piano riscalda leggermente tutto e non salda nulla; il passaggio 4 mostra il perché. Concentrare la deformazione in un piccolo triangolo stampato è ciò che trasforma un problema di riscaldamento diffuso in uno di fusione localizzata, e non costa nulla, perché viene realizzato nello stampo una sola volta. **Come si colloca questo rispetto al gradino dell'adesivo.** I progetti di adesivi del catalogo riguardano l'unione di *materiali diversi* con una terza sostanza. La saldatura è il caso opposto: stesso polimero, nessuna terza sostanza, e il giunto diventa indistinguibile dai pezzi. Quando entrambe sono possibili, la saldatura vince in velocità, resistenza e riciclabilità; l'adesivo vince quando i materiali sono diversi, quando il giunto deve sigillare un intervallo o quando i pezzi non possono essere pressati insieme. **Limiti onesti.** La saldatura ad ultrasuoni è adatta **solo ai termoplastici** e, nella quasi totalità dei casi, al *medesimo* polimero su entrambi i lati: polimeri diversi non si interdiffondono. Richiede un elemento di giunzione stampato, quindi deve essere progettata fin dall'inizio e non può essere aggiunta in seguito. I polimeri semicristallini come polipropilene e nylon si saldano molto meno facilmente di quelli amorfi come ABS, perché l'energia viene assorbita nella fusione dei cristalli anziché nel portare il giunto oltre la temperatura di transizione vetrosa. Inoltre, l'attrezzatura non è né economica né innocua, motivo per cui esiste il passaggio 3.