Os materiais na parte superior deste tênis esportivo New Balance foram montados por soldagem ultrassônica em vez de costura tradicional. Foto cedida por Kenneth Straka, Novo balanço Na comédia musical de 1982 "Victor Victoria, "Julie Andrews canta uma nota alta no final do show de cabaré parisiense de sua personagem. Ela sustenta a nota e taças de champanhe ao redor da sala se espatifam. Isso demonstrou de maneira brilhante como sons agudos ou de alta frequência podem quebrar materiais. Mas você sabia que sons de alta frequência podem ser usados para unir materiais? Uma tecnologia chamada soldagem ultrassônica é usada para montar produtos de muitas indústrias - que vão de dispositivos médicos a tênis e automóveis.
Tipicamente, você pode unir materiais usando fixadores como pregos, parafusos ou rosca. Isso é apropriado para metais, Madeira, tecidos e plásticos. Para muitos plásticos, colas são usadas; colas formam ligações químicas entre a própria cola e as superfícies dos materiais plásticos unidos. Os metais podem ser mantidos juntos pelo aquecimento de outros metais como um agente de ligação, como solda de chumbo em conexões elétricas. Alternativamente, os metais podem ser fundidos diretamente juntos (soldagem); uma vez que as superfícies de metal derretido esfriem, os metais se unem. A soldagem geralmente requer uma chama aberta ou tocha para atingir as altas temperaturas necessárias para fundir as superfícies de metal. Então, pode ser um processo caro para alguns trabalhos de manufatura.
Um novo, método de soldagem mais econômico foi introduzido na década de 1940. A tecnica, soldadura ultra-sónica, usou ondas sonoras de alta frequência e pressão para unir metais e exigiu menos energia do que a soldagem convencional. A soldagem ultrassônica de metal desenvolveu-se durante os anos 1950 até os anos 1990, à medida que os componentes eletrônicos usados no equipamento se tornaram mais sofisticados e os computadores puderam controlar o processo. Desde então, a técnica foi aplicada a plásticos, onde realmente se tornou popular.
Neste artigo, veremos o equipamento e o processo físico da soldagem ultrassônica, como a New Balance o usou para fazer tênis esportivos, e as vantagens e desvantagens desta técnica. Primeiro, vamos dar uma olhada mais de perto em como as ondas sonoras unem os materiais, metal e plástico.
Agradecimentos especiaisGostaríamos de agradecer a Kenneth Straka, Desenvolvedor de Produto Sênior para New Balance, por sua ajuda com este artigo.
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Diagrama do mecanismo de soldagem ultrassônica Crédito da imagem HowStuffWorks Esfregue as mãos rapidamente. Notou alguma coisa? Eles aqueceram, direito? Se você pegar um martelo e bater em uma superfície de metal rápida e repetidamente, você vai descobrir que o lugar onde o martelo bate no metal aquece, também. Em ambos os exemplos, o calor é devido ao atrito. Agora imagine esfregar as mãos ou bater no martelo milhares de vezes por segundo. O calor de atrito gerado pode elevar a temperatura significativamente em um tempo muito curto. Basicamente, som de alta frequência (ultrassom) causa vibrações rápidas nos materiais a serem soldados. As vibrações fazem com que os materiais se esfreguem e o atrito aumenta a temperatura nas superfícies em contato. Este rápido calor de atrito é o que estabelece as condições para que os materiais se liguem.
O equipamento de soldagem ultrassônica tem quatro partes principais. Uma fonte de alimentação converte eletricidade de baixa frequência (50-60 Hz) em eletricidade de alta frequência (20 - 40 kHz; 1 kHz =1000 Hz). Próximo, um transdutor ou conversor transforma a eletricidade de alta frequência em som de alta frequência (ultrassom). Um reforço aumenta as vibrações do ultrassom. Finalmente, um chifre ou sonotrodo focaliza as vibrações de ultrassom e as entrega aos materiais a serem soldados. Além dessas peças, há uma bigorna sobre a qual os materiais soldados são empilhados e mantidos. Também existe algum método para aplicar força (geralmente pressão de ar fornecida por um pistão pneumático) para manter os materiais juntos durante a soldagem.
Então, quais materiais e indústrias tiram proveito desse processo inteligente? A soldagem ultrassônica de plásticos é amplamente utilizada na fabricação de eletrônicos, dispositivos médicos e peças de automóveis. Por exemplo, soldagem ultrassônica é usada para fazer conexões elétricas em placas de circuito de computador, e montar componentes eletrônicos, como transformadores, motores elétricos e condensadores. Dispositivos médicos, como cateteres, válvulas, filtros e máscaras também são montados por meio de soldagem ultrassônica. A indústria de embalagens usa essa técnica para fazer filmes, montar tubos e embalagens blister. Até a Ford Motor Company explorou o uso de soldagem ultrassônica para fazer chassis de alumínio em carros.
Agora que você sabe o básico por trás da soldagem ultrassônica, vamos dar uma olhada no próprio processo de soldagem.
Diagrama do processo de soldagem ultrassônica Crédito da imagem HowStuffWorks O processo básico de soldagem ultrassônica pode ser descrito pelas seguintes etapas:
Os tempos de soldagem, as pressões e temperaturas aplicadas são controladas por um computador ou microprocessador dentro do aparelho de soldagem. E o que realmente acontece durante o processo de soldagem depende da natureza dos materiais. Em metais, as vibrações ultrassônicas são distribuídas paralelamente ao plano dos materiais. O calor de fricção aumenta a temperatura das superfícies de metal para cerca de um terço da temperatura de fusão, mas não derrete os metais. Em vez de, o calor remove óxidos de metal e filmes das superfícies. Isso permite que os átomos de metal se movam entre as duas superfícies e formem ligações que mantêm os metais unidos.
No caso de plásticos, as vibrações são perpendiculares ao plano dos materiais e o calor de fricção aumenta a temperatura o suficiente para derreter os plásticos. As moléculas de plástico se misturam e formam ligações. Após o resfriamento, as superfícies de plástico são soldadas umas às outras. Os tempos de soldagem podem variar, mas as soldas podem se formar em apenas 0,25 segundos.
Os fatores que variam na soldagem ultrassônica são a frequência das ondas sonoras (geralmente 20, 30 ou 40 kHz), a pressão aplicada para manter os materiais juntos, e o tempo durante o qual o ultrassom é aplicado (frações de segundo a mais de um segundo).
As técnicas de soldagem ultrassônica descritas até agora são boas para materiais (metais, plásticos) que são semelhantes. Mas e os materiais que não são semelhantes. Vamos abordar essa questão observando como a New Balance usou a soldagem ultrassônica para montar calçados esportivos.
Montagem de calçados esportivos:Após a aplicação de película termofusível na camurça sintética, o filme é prensado. Foto cedida por Kenneth Straka, Novo balanço Veja um par de tênis esportivos. Embora os sapatos tradicionais possam ser feitos de um único material, como lona ou couro de camurça, muitos calçados esportivos têm vários materiais, como polímeros plásticos leves, camurça ou camurça sintética, e malha combinados. Esses materiais compósitos tornam os sapatos leves, flexível, durável e respirável. Por exemplo, um estilo de tênis esportivo New Balance tem uma parte superior que consiste em três partes.
Mas como você junta esses materiais? Mais comumente, as empresas de calçados costuram os materiais. Cerca de dois a três anos atrás, Contudo, A New Balance se propôs a fazer a parte superior de um sapato sem costura. Depois de experimentar com filmes adesivos de polímero e ferros, eles descobriram uma maneira de fazer essa parte do sapato usando soldagem ultrassônica.
Para montar a parte superior do sapato, os trabalhadores começam com um pedaço de material sintético de camurça. Eles usam uma prensa de ferro para colar uma folha fina de filme hot melt na parte de trás do material. Próximo, um conjunto de soldagem ultrassônica pressiona um vamp padrão em um material de camurça. Da mesma forma, uma máquina de solda ultrassônica semelhante pressiona a fileira de olhal de outra peça de camurça sintética. A forma de vampiro é cortada da camurça. A fileira de olhal de sela e o material de malha são soldados por ultrassom ao vamp. Nos processos, o calor de fricção do soldador ultrassônico derrete o filme hot melt, que liga a fileira do olho da sela e o material de malha ao vamp. O vamp acabado então é moldado e ligado às peças da sola e do calcanhar usando solventes à base de água.
De acordo com Kenneth Straka, Desenvolvedor de Produto Sênior para New Balance, os métodos de soldagem ultrassônica aumentaram a produtividade, economizando tempo. Não só os soldadores ultrassônicos distribuem o calor de maneira mais uniforme do que as prensas de ferro, eles também aquecem e esfriam mais rápido. Então, o processo de montagem requer menos etapas e é mais rápido do que os métodos de costura tradicionais.
Agora que vimos como a soldagem ultrassônica é usada para unir vários materiais, vamos dar uma olhada nas vantagens e desvantagens dessa técnica.
Montagem de calçados esportivos:colagem de camurça sintética Foto cedida por Kenneth Straka, Novo balanço A soldagem ultrassônica tem muitas vantagens sobre os métodos tradicionais. Para um, a soldagem ocorre em baixas temperaturas em relação a outros métodos. Então, o fabricante não precisa gastar grandes quantidades de combustível ou outra energia para atingir altas temperaturas. Isso torna o processo mais barato. Também é mais rápido e seguro.
O processo ocorre em frações de segundo a segundos. Então, isso pode ser feito mais rapidamente do que outros métodos. Na verdade, pode colar plásticos melhor e mais rápido do que colas. Por exemplo, as novas chaves inteligentes nos carros têm um chip transponder. O carro só pode dar a partida quando detecta o chip. Para fazer a chave, uma extremidade da chave de metal e o chip são colocados em uma das metades da tampa de plástico. A outra metade é colocada sobre eles e ligada à metade da base. Essa colagem normalmente seria feita com cola, o que leva tempo para curar. A mesma tarefa pode ser realizada com soldagem ultrassônica em menos de um segundo.
A soldagem ultrassônica não requer combustíveis inflamáveis e chamas abertas, então, em comparação com outros métodos de soldagem, é um processo mais seguro. Os trabalhadores não são expostos a gases inflamáveis ou solventes nocivos. Na eletronica, fios de cobre são geralmente ligados a contatos elétricos em placas de circuito com solda. A mesma tarefa pode ser realizada usando soldagem ultrassônica em uma fração do tempo e sem expor os trabalhadores aos vapores da solda de chumbo em brasa. Embora a audição dos trabalhadores possa ser prejudicada pela exposição a sons de alta frequência, este perigo potencial é facilmente reduzido encerrando a máquina de solda ultrassônica em uma caixa de segurança ou gaiola e / ou usando proteção de ouvido.
Finalmente, As soldas ultrassônicas são tão fortes e duráveis quanto as soldas convencionais dos mesmos materiais - que é apenas uma das razões pelas quais o método está sendo usado na fabricação de automóveis. Para tornar os carros mais leves e mais eficientes em termos de combustível, as montadoras estão adotando o alumínio como principal metal nas carrocerias dos automóveis. A soldagem ultrassônica pode ser usada para unir o metal em menos tempo e em temperaturas mais baixas do que a soldagem tradicional.
A soldagem ultrassônica tem suas limitações, no entanto. Primeiro, as profundidades das soldas são menores que um milímetro, então o processo funciona melhor em materiais finos como plásticos, fios ou folhas finas de metal. Soldar ultrassonicamente uma viga de aço para um edifício não seria prático. Segundo, funciona melhor ao soldar materiais semelhantes, como plásticos ou metais semelhantes. Como você viu com os tênis New Balance, A soldagem ultrassônica de materiais diferentes requer um material adicional - no caso das sapatas New Balance, é um filme que pode ser colado entre a camurça sintética e a malha.
Apesar dessas limitações, a popularidade e o potencial da soldagem ultrassônica continuam a crescer.
