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Soluciones flexibles

26 jun 2019

La aplicación de empaque: fundamentos del sellado por ultrasonido

Introducción

Los tiempos cortos de soldadura y los resultados repetibles del sellado de soldadura son típicos de la soldadura ultrasónica de películas, películas compuestas recubiertas y materiales de embalaje.

La soldadura ultrasónica es una alternativa confiable y económica para los procesos térmicos típicos que aseguran los sellos herméticos a pesar de la contaminación del producto, los procesos de soldadura repetibles y analizables, el ahorro de material de empaque debido a las líneas de sellado más pequeñas y el aumento de OEE (Overall Equipment Effectiveness) o Eficiencia Total del Equipo.

La tecnología de soldadura ultrasónica es particularmente adecuada para procesos de envasado con altos requisitos de tasa de producción y aplicaciones con exigentes requisitos de monitoreo y validación de procesos. El ajuste inteligente de los parámetros de soldadura a las variaciones relacionadas con el ambiente o el proceso permite una calidad de soldadura uniforme.

Generación de vibraciones ultrasónicas

El generador ultrasónico convierte la tensión de alimentación en una tensión de alta frecuencia de entre 20 y 35 kHz. Esta señal eléctrica es convertida en vibraciones mecánicas por el convertidor utilizando el efecto piezoeléctrico inverso. Las vibraciones mecánicas generadas se transfieren, mientras aumenta la amplitud general, a los materiales a soldar por medio del reforzador y el sonotrodo. El sonotrodo, que es la herramienta de soldadura activa, introduce las vibraciones longitudinales en el área de sellado bajo una fuerza definida.

Una frecuencia ultrasónica de 30 kHz, por ejemplo, significa 30.000 ciclos por segundo a una amplitud de 10 a 30 μm. El yunque es la contraparte pasiva del sonotrodo y proporciona la superficie rígida requerida para la soldadura. La fuerza aplicada y la vibración mecánica crean calor por fricción en el material plástico y entre las superficies de contacto del material de embalaje, lo que a su vez hace que el material se derrita. (Fig.1)

Fig.1 HowStuffWorks

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Fig.1

El principio de funcionamiento

Igual a los procesos térmicos, la soldadura ultrasónica también genera materiales fundidos para lograr la unión molecular de las capas. La principal diferencia es que el calor se genera internamente en el material de empaque en lugar de por conducción desde las capas externas a las superficies internas de sellado.

Durante el proceso de soldadura ultrasónica, las vibraciones mecánicas se transfieren al material de embalaje mediante el sonotrodo. Esto tiene lugar a una frecuencia específica, con una fuerza definida y la amplitud correspondiente, durante un período de tiempo específico. La deformación resultante de las vibraciones ultrasónicas causa fricción entre las cadenas moleculares y las superficies de las capas del material de embalaje.

El enfoque de la energía por medio del diseño de la herramienta o los directores de energía integrados en el componente hace que el material se funda en las ubicaciones requeridas. La fusión inicial aumenta la absorción de energía, lo que a su vez conduce a la aceleración de la fusión.

Las herramientas ultrasónicas frías disipan rápidamente el calor generado para que el sello producido sea muy fuerte y estable, inmediatamente después de la soldadura. En consecuencia, las cargas térmicas que afectan a los materiales de embalaje y los productos envasados ​​son muy bajas. (Fig.2)

Fig.2 HowStuffWorks

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Fig. 2

Plásticos soldables

Todos los materiales termoplásticos pueden soldarse mediante ultrasonido; los enlaces moleculares se pueden lograr con plásticos de tipos iguales. Para plásticos heterogéneos, las juntas de forma pueden ser creadas por medio de incrustación mecánica.

Debido a la amplia gama de requisitos funcionales para el embalaje, es común que los materiales que se van a sellar incluyan varias capas, cada una con diferentes propiedades. Por ejemplouna estructura típica de múltiples capas puede incluir una capa de soporte, una capa de barrera y una capa de sellado. La capa de sellado generalmente está hecha de un material plástico del grupo de poliolefinas, por ej. PE o PP.Las respectivas capas pueden estar compuestas de diferentes subcapas. En combinación con un gran número de diferentes tipos de plásticos, lo cual da como resultado una gran variedad de materiales de embalaje.El ultrasonido también se pueden usar para producir sellos pelables, los cuales fallan por cohesión. (Fig.3)

Ejemplos de tipos de empaque con buena soldabilidad ultrasónica:

  • Bolsa autoparable para autoclave: PET / Aluminio / CPP
  • Bolsa autoparable sin autoclave: PET / Aluminio / PE
  • Bolsa de almohada para ensalada: BOPP o OPP / PE
  • Bolsa de almohada para queso: OPA / PE
  • Embalaje de cartón: PE / cartón/PE/Aluminio/PE
  • Blíster: de PE /PET o PET / Poliolefina
  • Cápsulas de café: PP / EVOH / PP
Fig.3 RincoUltrasonic

RincoUltrasonic
Fig. 3

Parámetros de proceso

Los beneficios del proceso de soldadura por ultrasonido son el resultado de la gran variedad de parámetros que se pueden usar para el ajuste preciso del proceso, su evaluación y el control de calidad. A través de la parametrización precisa, se puede lograr lo siguiente:

  • Velocidad de fusión óptima para sellos de soldadura herméticos, fuertes y visualmente atractivos.
  • Fácil reproducibilidad de la calidad del proceso de soldadura.

Los principales parámetros del proceso de soldadura ultrasónica son:

  • Frecuencia.
  • Amplitud.
  • Fuerza de soldadura.
  • Criterios de apagado.

El criterio de apagado es el parámetro que define el ciclo de trabajo de la vibración ultrasónica. Según el tipo y la aplicación de empaque, se utiliza uno de los siguientes parámetros ultrasónicos para los criterios de apagado:

  • Tiempo.
  • Energía.
  • Profundidad de soldadura relativa.
  • Profundidad de soldadura absoluta.

La acumulación de la fuerza de soldadura, el recorrido de las herramientas de soldadura y la secuencia del proceso, son funciones de la máquina de empaque. Las condiciones para una buena soldadura incluyen el tiempo de cierre apropiado y fuerzas estables durante todo el proceso de soldado.

Conclusiones

Una de las grandes ventajas de la soldadura ultrasónica es el desplazamiento de partículas de producto desde el área de sellado. Se pueden lograr sellos de soldadura firmes y fuertes incluso para productos que son difíciles de dosificar reduciendo significativamente las tasas de rechazo.

Dado que el calor se genera internamente en el sello y no tiene que transmitirse a través del material de embalaje, las cargas térmicas que actúan sobre el material de embalaje y los productos envasados ​​son muy bajas. La contracción de la película se puede descartar por completo. Las herramientas de soldadura en frío aseguran un enfriamiento rápido y, por lo tanto, una mayor estabilidad del sello. No se producen fases prolongadas de calentamiento y enfriamiento, así como riesgos de quemaduras para los operadores de máquinas. El esfuerzo de limpieza y el tiempo de mantenimiento causados ​​por los residuos del producto que se pegan a las herramientas se reducen significativamente. Esto también reduce considerablemente los tiempos de no producción.

El enfoque preciso de la energía ultrasónica da como resultado líneas de sellado más delgadas, lo que ahorra material de embalaje. La resistencia del sellado ultrasónico es comparable a las tecnologías de soldadura convencionales, pero ofrece beneficios adicionales, como una mayor eficiencia y un ahorro general de material de embalaje.

En el próximo blog entraremos a revisar y analizar la metodología para análisis de falla en los sistemas de empaque cuando trabajan con empaques flexibles, basados en esa estrecha relación de la ya mencionada aplicación de empaque : producto a empacar – máquina empacadora – laminado o material flexible.

 

¡¡¡Hasta la próxima!!!


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MARCELO PROTO
15 de noviembre de 2019 a las 11:00

excelentes articulos sobre ultrasonido!! llevo 20 años trabajando con envasadoras y ahora quiero implementar esto en algunos clientes y/o equipos nuevos. Actualmente importo de china envasadoras y multicabezales sin partes electronicas... yo le pongo esa parte y reformo/refuerzo el resto. me interesa aplicar, pero el proveedor mas cercano esta en Brasil...necesitaria mas detalles tecnicos y estructurales de como va montado y si las mordazas se fabrican o se piden a medida al proveedor, materiales constructivos, etc. saludos, Marcelo

WILMER SAAVEDRA CHACIN
18 de noviembre de 2019 a las 16:27

Hola Marcelo, Por correo te envío información de una patente que puede darte alguna idea. Sin embargo me gustaría me comentes más específicamente la información que deseas y así poder ayudarte mejor. Proveedores como Bosch y Ultrasonics de pronto te pueden ser de gran ayuda. Atte Wilmer

JOSE ALBERTO FRANCO
18 de julio de 2019 a las 15:11

Buenas Tardes , Muy buen articulo , me gustaría conocer mas de la tecnología propuesta , para esto me pueden facilitar el contacto de la persona. Muchas gracias

WILMER
19 de julio de 2019 a las 05:49

José Alberto, Mi correo es wilmersaavedra1@gmail.com Atte Wilmer