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  2. Soldadura de plásticos por alta frecuencia   (15/03/2003)

Soldadura

Soldadura de plásticos por alta frecuencia

La unión más hermética
La soldadura por alta frecuencia es la preferida cuando lo importante son las soldaduras herméticas de calidad. Es el caso de las bolsas clínicas de plasma o las bolsas de agua así como todas aquellas aplicaciones que quieran evitar la fuga de gases o líquidos (artículos hinchables). Su aplicación es sencilla pero es necesario conocer algunas pequeñas reglas para sacarle el máximo provecho. Este artículo de la firma AEM (empresa especializada en soldadura) nos da algunas pistas.
Para soldar dos o más hojas de plástico, debemos calentar la zona de unión de todas ellas hasta la temperatura de fusión presionando al mismo tiempo. Conviene mantener la presión hasta que la unión soldada se enfríe.

Principios

Un plástico de tipo polar (PU, PVC, PET, EVA, ABS, TPO...) se calienta al ser sometido a un campo de alta frecuencia.

Cuando soldamos por alta frecuencia, el material plástico comprendido entre el electrodo (molde) y la mesa experimenta un calentamiento uniforme debido a las pérdidas dieléctricas que desarrolla en su seno al paso de la corriente de alta frecuencia. Si tenemos en cuenta que el electrodo y la mesa están generalmente fríos y que por tanto refrigeran las superficies exteriores del material plástico en contacto con ellas, la mayor temperatura se alcanza en el seno de la unión a realizar; justo donde es más necesario. Por tanto los plásticos se funden en el interior pero permanecen fríos en el exterior.

Esto nos permite aplicar una densidad de potencia elevada a las soldaduras, consiguiéndose tiempos muy cortos de soldadura, de entre 1 y 5 segundos.

Este es el principio de la soldadura por alta frecuencia, y no existe ningún otro método capaz de proporcionar soldaduras de calidad comparable. Se consiguen soldaduras herméticas (gases, líquidos, pastas), flexibles (no hay pérdida de plastificantes), y de excelente aspecto.

Los moldes (electrodos) son sencillos, económicos, apenas requieren mantenimiento y pueden ser realizados por el propio usuario. No se desajustan con el tiempo y son fácilmente intercambiables.

Una soldadora está compuesta por un generador, la prensa, el electrodo o molde y un sistema de control de temperatura:

Generador

La potencia nominal del generador limita la superficie máxima de huella de soldadura que la instalación es capaz de soldar.
  • Para las aplicaciones más frecuentes con dos hojas de plástico de espesores comprendidos entre 0,3 y 0,5 mm, la potencia necesaria es de 0,5 W/mm2, es decir 2000 mm2/kW.
  • Para las aplicaciones de gran calidad (hinchable) con mesas refrigeradas sin aislamiento, se recomienda dimensionar para 0,75 W/mm2, es decir 1500 mm2/kW.
  • Para aplicaciones concentradas en plásticos gruesos es suficiente con 0,33 W/mm2, es decir 3000 mm2/kW.
  • Como norma general se recomienda 0,5 W/mm2. Por lo tanto, para calcular la potencia necesaria debemos primero calcular la superficie máxima de soldadura de nuestra aplicación expresada en mm2, multiplicando la longitud aproximada de la huella de soldadura (en mm) por su anchura (en mm). Por ejemplo, una bolsa en forma de U para contener hojas de papel formato A4 tendrá dos soldaduras verticales de unos 300 mm de longitud cada una y una soldadura horizontal inferior de unos 230 mm, en total 300+300+230=830 mm de longitud. Si la anchura deseada de la huella es de 3 mm, la superficie total a soldar será 830x3=2490 mm2, y la potencia necesaria 2490x3=1245 W.

    Esta es la potencia mínima para soldar una de estas fundas. Si quisiéramos soldar 4 bolsas a la vez, la potencia mínima necesaria sería 4x1245=4980 W (5 kW). En este caso la elección está entre un modelo de 7,5 kW o bien 10 kW para aumentar el margen de seguridad.

Los generadores de las firma AEM oscilan con cavidades a 27,12 MHz +/- 0.6% tal como indican los convenios internacionales CISPR. y la EN 55011.

  • Incorporan sintonía automática AEM que permite mantener la uniformidad de la calidad de las soldaduras a pesar de que se produzcan cambios en el espesor o en las características de los plásticos a soldar.
    En una máquina que tenga varias bandejas, por ejemplo una mesa rotativa de cuatro estaciones, la sintonía automática permite trabajar con una pieza distinta en cada estación si la instalación dispone de cuatro mandos de selección.
  • El sistema antichispas a thyristores es ultrarrápido y su tiempo de respuesta es inferior a 10 microsegundos.
  • Relé de sobreintensidad al vacío.
  • El proceso de soldadura puede controlarse con temporizadores, o integrarlo en un PLC capaz de controlar a la vez toda la instalación.

Prensa

La prensa debe ser robusta y lo más rígida e indeformable posible. Las características principales son:
  • Fuerza de cierre suficiente:
    Para aplicaciones normales se calcula con 0.05 kg/mm2 (5kg/cm2). En el ejemplo anterior para soldar cuatro bolsas, cada una de las cuales tenía 2490 mm2 de superficie a soldar, la fuerza necesaria en la prensa es 4x2490x0,05=498 kg. Se debe escoger una prensa con una fuerza de 500 kg o superior.
  • Carrera de la prensa:
    Suele tener un valor comprendido entre 50 y 200 mm. Se pueden utilizar topes.
  • Distancia entre portaelectrodos y mesa:
    En algunas aplicaciones con electrodo y contraelectrodo, como en soldadura de blísteres, se precisan distancias importantes del orden de 350 a 400 mm. En la mayoría de aplicaciones es suficiente con 100 mm.
    El portaelectrodos donde se fijan los electrodos (molde) dispone de cuatro tornillos de nivelación con pivote central.
  • El accionamiento de la prensa puede ser hidráulico o neumático. El accionamiento neumático es más universal y es el preferido para fuerzas inferiores a 1.000 kg. El accionamiento hidráulico permite mayores fuerzas de cierre, y es el más adecuado para fuerzas a partir de 2.000 kg.

Electrodos

El electrodo es el molde que determina la forma de la soldadura sobre los plásticos.

La mayor parte de los moldes son de construcción sencilla: perfiles normalizados de latón, con o sin cuchilla, fijados sobre una placa plana de aluminio. AEM comercializa una completa gama de perfiles (grabado, lisos, con cuchilla, distintos espesores), escuadras de fijación, placas de montaje, etc. así como útiles manuales para doblar perfiles para que cada cliente pueda confeccionarse sus propios electrodos. Además AEM puede construir electrodos completos a partir de los dibujos o piezas de muestra.

Tipos de electrodos:

Los electrodos más sencillos consisten en un perfil normalizado de latón, con o sin dibujo, sujeto con escuadras sobre una chapa de aluminio. La soldadura reproducirá el relieve del canto del perfil.

A un lado del perfil de latón se puede añadir una cuchilla de corte, calibrada en función del espesor de los plásticos a cortar. Esto permitirá separar sin esfuerzo ("pelar") la pieza soldada de la lámina original.

El electrodo puede tener un tope de material aislante de forma que la penetración del perfil de latón en el plástico quede limitada por este tope mecánico.

Se pueden fabricar electrodos o partes de electrodos de gran complejidad geométrica, en 2 ó 3 dimensiones. Estas piezas se fabrican por control numérico en centros de mecanizado a partir de planos detallados o por digitalización de muestras. En estos casos se requiere la mecanización del electrodo y del contraelectrodo.

AEM fabrica electrodos de gran complejidad, con accionamientos internos, plegadores de plástico, soldadura a distintos niveles y con materiales cambiantes.

foto
Soldadora AEM-SH-25kW con mesa de 25 metros para soldadura de toldos

Control de temperatura

En una máquina de soldar por alta frecuencia, el electrodo y la mesa no resultan calentados por la acción de las corrientes de alta frecuencia.

Por el contrario el plástico sí resulta calentado hasta su punto de fusión. Dado que durante el proceso el plástico está prensado entre el electrodo y la mesa, se produce una transmisión de energía desde el plástico hacia la mesa y hacia el electrodo. Las mesas suelen ser de gran espesor y superficie por lo que su temperatura no se ve muy alterada. Por el contrario los perfiles de los electrodos son de masa y peso reducido y su temperatura se eleva con facilidad. Este calentamiento es tanto más importante cuanto más potente es la máquina y cuanto más alto es el ritmo de trabajo, por ejemplo en máquinas con arrastre automático.

Para conseguir una calidad uniforme es necesario que la temperatura del electrodo sea estable y para ello AEM dispone de sistemas de refrigeración/estabilización con circuito cerrado de recirculación de fluido. En estos equipos se selecciona una temperatura de trabajo, por ejemplo 40 ºC, y el equipo calentará automáticamente el electrodo al principio de la jornada, y lo enfriará al cabo de unas cuantas operaciones. El fluido refrigerante circula directamente por un tubo metálico soldado al electrodo, o bien por una placa fijada al portaelectrodos sobre la que está fijado el electrodo. Esta segunda solución resulta más práctica.

En aplicaciones con plásticos rígidos o para máquinas de grandes producciones, en vez de una placa refrigerante se fija sobre el portaelectrodos una placa calefactora cuya temperatura es regulable. Los electrodos a ella fijados adquirirán esta temperatura.


Aplicaciones de la soldadura

Las soldadoras de alta frecuencia son insustituibles en la industria de bolsas para contener líquidos, como bolsas clínicas para plasma o sangre, donde no se admiten fugas de contenido, así como en la industria de artículos hinchables.

Automóvil:
Embalaje:
Ocio:

  • Paneles de puerta
  • Blisters
  • Calzado deportivo
  • Refuerzos en moquetas
  • Bolsas
  • Juguetes
  • Tapicería
  • Líquidos
  • Colchones de agua
  • Parasoles
  • Etiquetas
  • Ropa de agua
  • Fundas y bolsas
  • Piscinas
  • Toldos para camión

Medicina:
Oficina:
Aplicaciones especiales:

  • Bolsas de sangre
  • Dossiers
  • Bolsas parenterales
  • Carpetas
  • Cualquier soldadura
  • Bolsas para contener orina
  • Clasificadores
  • Bolsas para colostomía
  • Colchones clínicos

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