Termosellado

Introducción

El termosellado es el proceso de soldado de un termoplástico a otro termoplástico u otro material compatible usando calor y presión. El método de contacto directo de sellado por calor utiliza un troquel o barra de sellado caliente para aplicar calor a un área de contacto específico para sellar o soldar los termoplásticos juntos mientras que el sellado por inducción utiliza electromagnetismo para la generación del calor necesario para la soldadura. El sellado térmico se utiliza para muchas aplicaciones, incluyendo conectores electrónicos, adhesivos activados térmicamente y películas. Una variedad de termoselladoras están disponibles para unir materiales termoplásticos tales como películas plásticas: sellador de barra caliente, selladora de impulso, etc.

Los adhesivo de fusión en caliente (hot melt) se pueden aplicar en tiras o perlas en el punto de unión. También se puede aplicar a una de las superficies durante una etapa de fabricación anterior y luego se reactiva mediante calor para la unión.

Termoselladoras

Una termoselladora o sellador térmico es una máquina utilizada para el sellado de materiales termoplásticos utilizando calor. Esto puede ser con materiales termoplásticos monocapas o que tienen varias capas, siendo al menos una termoplástica. El termosellado puede unir dos materiales similares entre sí o pueden unirse a materiales distintos, uno de los cuales debe tener una capa termoplástica.

Existen dos tipos principales de termoselladoras por contacto directo: por barra caliente y por impulso según sea el sistema de calentamiento de la herramienta, continuo o discontinuo respectivamente.

Están disponibles otros sistemas de sellado en los cuales el calentamiento del sustrato se realiza sin contacto directo con los materiales a unir como, por ejemplo, el sellado por inducción o por gas caliente. Pero todos los sistemas requieren la aplicación de presión para el logro de la soldadura.

Tipos de termoselladoras

Selladoras por barra caliente

Poseen una herramienta que es calentada y se mantiene a una temperatura constante (también conocido como sellado térmico por contacto directo).

Esquema de sellado por barra caliente

Estos utilizan una o más barras calentadas que hace contactar el material con la interfase caliente y formar una unión. Las barras, planchas y troqueles tienen diferentes configuraciones y se pueden cubrir con una capa anti-adherente o utilizan diversos materiales de interposición (ejemplo: recubrimiento de teflón) para evitar que se pegue a la herramienta caliente.

Sellador por barra caliente manual

Sellador térmico continuo

También conocidos como selladores de banda, utilizan correas en movimiento sobre los elementos de calefacción. Generalmente están disponibles en alimentación horizontal y vertical, diseñadas para sellar bolsas. El modelo vertical es ideal para embalaje de bolsas que contienen artículos vertibles como polvos o líquidos. 

Selladoras de banda (horizontal y vertical)

Selladores térmicos por impulso

Tienen elementos de calefacción (uno o dos) usualmente de nicromo (aleación de níquel y cromo) colocados entre un caucho sintético resistente y una superficie antiadherente.

Esquema de sellado por impulso

Los elementos calefactores no se calientan continuamente; se genera calor sólo cuando fluye la corriente. Cuando los materiales se colocan en el cierre por calor, se mantienen en su lugar por la presión. Una corriente eléctrica calienta el elemento de calentamiento durante un tiempo especificado para crear la temperatura requerida. Las mordazas mantienen el material en su lugar después de que se detuvo el calentamiento, a veces con agua de refrigeración.

Sellador por impulso manual

Sellador por alambre caliente

Implica un alambre caliente que corta las superficies y los une con un cordón de borde fundido. Para esta misma función existen selladoras que presentan cuchillas de corte. Esto no se emplea por lo general cuando las propiedades de barrera son críticas.

Termosellado por alambre y por cuchilla

Dentro de la termoselladoras por alambre caliente se pueden encontrar las termoselladora tipo “L”. Son específicas para el envasado con películas termocontraíbles. Con el accionamiento de su cabezal sueldan y cortan el material embolsando el producto. Tienen la particularidad que pueden soldar en forma de ele. Posteriormente, se sopla aire caliente para la contracción del film plástico.

Termoselladora tipo “L”

Sellador por inducción

Se denomina sellado por inducción, a un método, sin contacto, de calentar un disco metálico para sellar herméticamente la parte superior de recipientes de plástico o de vidrio. Este proceso de sellado se realiza luego que el contenedor ha sido llenado con su contenido y la tapa se ha colocado en su posición.

El método utiliza el principio de inducción electromagnética para generar calor y fijar el material del sello.

Sellado por inducción

La tapa presenta una película delgada que es la inductora. Esta película puede ser de diversos materiales, distribuidos en varias capas. El estrato superior es de papel, generalmente adherida con pegamento a la tapa. La capa siguiente es de cera, que se utiliza para adherir una laminilla de aluminio al papel. El estrato inferior es un film de polímero laminado sobre el metal. Luego que la tapa o cierre se coloca en posición, al contenedor se le hace pasar bajo una bobina de inducción, la cual emite un campo electromagnético oscilante.

Capas de la tapa

Cuando el contenedor o botella pasa bajo la espira de inducción la lámina de aluminio que conduce la electricidad comienza a calentarse. El calor derrite la cera, la cual se absorbe en la pulpa del papel y libera a la laminilla metálica de la tapa. El film polímero también se calienta y fluye hacia el reborde de la abertura del contenedor. Al enfriarse, el polímero forma una unión con el contenedor y establece así un sello hermético. Este proceso, que ocurre en un lapso de unos pocos segundos, no afecta al recipiente, ni a su contenido.

Selladora automática por inducción

Otros tipos de máquinas selladoras

Sellado por alta frecuencia

Durante el proceso, las piezas a unir se someten a un campo eléctrico de alta frecuencia aplicada entre dos barras de metal. El campo eléctrico dinámico provoca la vibración molecular en el plástico. Algunos de los movimientos oscilatorios resultantes se convierten en energía térmica, haciendo que el material a calentar.

Los productos fabricados por soldadura de alta frecuencia incluyen carteras de papelería, inflables, lonas y bolsas de sangre.

La técnica se restringe generalmente a de PVC, EVA y poliuretanos.

Sellado por ultrasonido

La soldadura ultrasónica implica el uso de alta frecuencia de energía mecánica para ablandar o fundir el termoplástico en la línea de la articulación. Piezas a unir se mantienen juntas bajo presión y después se someten a vibraciones ultrasónicas, por lo general a una frecuencia de 20 o 40 kHz. La soldadura ultrasónica es un proceso rápido, con tiempos de soldadura típicamente menos de un segundo, y puede ser fácilmente automatizado. Se trata de una opción para el sellado de embalajes tales como pomos.

Termosellado por gas caliente

El calentamiento de las zonas a sellar es realizado mediante aire caliente para lograr el ablandamiento del termoplástico con la posterior aplicación de presión para lograr la soldadura. Puede utilizarse para armar los paneles laterales de plástico de construcciones agrícolas de peso ligero, tales como invernaderos y cobertizos. Esta técnica también es utilizada para cerramiento de pomos.

Calidad de sellado

Un buen sellado es el resultado de tiempo, temperatura y presión correctos para determinado material termoplástico. Varios métodos de ensayo están disponibles para medir la resistencia de los sellos por calor. Como así también, hay varios métodos disponibles para determinar la capacidad de un paquete o envase sellado para retener su integridad, características de barrera y la esterilidad.

Los métodos de prueba pueden incluir: resistencia del sellado (ASTM F2824 y F88), estallido por presurización y fluencia durante tiempos prolongados (ASTM F1140 y F2054), integridad de vacío (ASTM D3078), etc.

Ensayo de resistencia del sellado

Aplicaciones principales

Una de las principales aplicación para el proceso de sellado térmico es en la industria del envasado para el sellado de bolsas, potes, pomos y otros tipos de envases.

La fabricación de bolsas o los recipientes flexibles utiliza el sellado térmico, ya sea para la soldadura perimetral del material plástico de las bolsas como para el sellado de los extremos en las bolsas.

El sellado térmico se utiliza para unir conectores de las pantallas LCD (pantallas de cristal líquido) al PCB (placa de circuito impreso) en muchos productos electrónicos de consumo, así como en los dispositivos médicos y de telecomunicaciones.

En la industria médica, también se utiliza este proceso para sellar y evitar la contaminación de los dispositivos de prueba médica, material quirúrgico y bandejas de recogida de muestras.

Otra aplicación puede ser para la unión de varias películas plásticas para obtener una de mayor extensión como las utilizadas en invernaderos. 

Envasado de productos alimenticios

Instrumental quirúrgico

Envasado en film termocontraible

Termosellado de lona de PVC

Unión de conectores flexibles del LCD al PCB

Fuentes:

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Food and Package Engineering - Scott A. Morris
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http://www.proinplas.com
http://www.astm.org
http://www.tossheatseal.com

Soldadura de plásticos

Introducción

La soldadura de plástico es un proceso destinado a unir piezas constituidas de materiales termoplásticos. La soldadura tiene lugar por el reblandecimiento de las zonas a unir. Las moléculas del polímero adquieren cierta movilidad por acción de un agente externo (calor, vibración, fricción, disolvente, etc.). Al juntarse ambas piezas y aplicárseles presión, se logra la interacción de las moléculas de ambas partes a unir, entrelazándose. Una vez cesada la acción del agente externo, disminuye el movimiento de las moléculas quedando constituida una estructura entrelazada de las mismas, formándose la unión de ambas partes plásticas.

Soldadura de plásticos

En el mercado existen diversos procesos de soldadura para unir plásticos y la aplicación idónea de cada una de ellas depende de múltiples factores. El tipo de pieza o elemento a unir, las características del material plástico, el número de piezas a unir en un mismo proceso, la aplicación del producto final..., son tan solo algunas de las múltiples variables que pueden influir directamente en la elección de un tipo u otro de soldadura.

La soldadura puede ser utilizada para producir uniones con propiedades mecánicas que se acercan a las del material matriz. La soldadura de plástico se limita a los polímeros termoplásticos, debido a que estos materiales pueden ser ablandados y fundidos por el calor. Los polímeros termoestables una vez endurecidos no pueden ser ablandados de nuevo por calefacción. El calor necesario para la soldadura de los polímeros termoplásticos es menor que la requerida para los metales.

Técnicas de soldadura

Un número de técnicas se utilizan para la soldadura de plásticos. En general, las distintas formas de unir piezas plásticas por soldadura se pueden agrupar en cuatro grandes bloques:

- Mediante aportación de calor de un elemento calefactor externo: una técnica que se destina a termoplásticos que, ante al aumento de temperatura, se funden, pudiéndose unir por compresión las superficies fundidas;

- Por emisión de alta frecuencia y ultrasonido: un método que consiste en emitir ondas de una determinada frecuencia en las superficies a unir, generando un efecto de vibración entre las moléculas del material, que provoca un aumento de temperatura y lo reblandece.

- Por emisión de haz láser: un sistema que se reserva para unir piezas pequeñas en áreas determinadas, emitiendo un haz láser que calienta la superficie a soldar;

- Por vibración: un proceso altamente fiable que permite manejar grandes piezas de materiales exigentes o múltiples piezas por ciclo con facilidad.

Otra técnica de soldadura de plásticos que cabría mencionar, bastante empleada tanto a nivel industrial como doméstico, es la soldadura química mediante el uso de solventes.

Procesos

A continuación se detallan brevemente algunas de las principales técnicas de soldadura de termoplásticos empleadas en la industria.

Soldadura por placa caliente

Es la más simple de las técnicas de producción en masa para unir plásticos. Una placa calentada se sujeta entre las superficies a unir hasta que se ablanden. La placa se retira y las superficies se reúnen de nuevo bajo presión controlada durante un período específico.

Las superficies fusionadas se dejan enfriar, formando una unión. La herramienta de soldadura o elemento calefactor está construido comúnmente de calentadores eléctricos insertos en una placa de aluminio.

Las temperaturas son generalmente entre 180°C y 230°C dependiendo del espesor y del tipo del material a soldar.

Etapas del proceso de soldado por placa caliente

Este proceso se utiliza comúnmente para soldar los extremos de tubos de plástico utilizados en la distribución de gas y agua, aguas residuales y evacuación de efluentes y en la industria química, la unión de tubos de llenado y conectores en los tanques de combustible moldeado por soplado para aplicaciones de automoción.

Muchos de los artículos de uso diario son producidos por este proceso: carcazas de aspiradoras, piezas para lavadoras y lavavajillas, piezas de automóviles, tales como depósitos de líquido de frenos, luces traseras, luces indicadoras, etc. La desventaja de este proceso es que es relativamente lento (intervalos de 10 a 20 segundos para artículos pequeños y hasta 30 minutos para tuberías muy grandes). Los platos calientes para el tipo convencional de soldadura (con temperaturas de hasta 300°C) son principalmente de aluminio. Los platos calientes para soldadura de alta temperatura se componen principalmente de aleación de cobre y de aluminio. La temperatura de las placas calientes es controlada por los reguladores electrónicos, con el sensor térmico situado lo más cerca posible a la superficie de trabajo.

Depósito de agua de plancha soldado por placa caliente

Soldadura por aire/gas caliente
Este proceso es similar a la soldadura oxi-acetileno de metales. La única diferencia es que la llama abierta de la soldadura de oxiacetileno se sustituye por una corriente de gas caliente. El aire comprimido, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno o dióxido de carbono se calienta mediante una bobina eléctrica a medida que pasa a través de una pistola de soldadura.
La soldadura de gas caliente es un proceso de fabricación para materiales termoplásticos.
El proceso, inventado a mediados del siglo XX, utiliza una corriente de gas caliente, normalmente aire, para calentar y derretir el material del sustrato termoplástico y una varilla de soldadura termoplástica. Se funde el material del sustrato y de la varilla para producir una soldadura. Para garantizar la soldadura, temperatura y presión adecuadas se deben aplicar a la varilla, junto con la correcta velocidad de soldadura y posición de la pistola.

Esquema de soldadura por aire caliente

Las aplicaciones típicas incluyen recipientes de almacenamiento de productos químicos, conducciones de ventilación y reparación de piezas de plástico, tales como los parachoques de automóviles. El nitrógeno se usa para plásticos sensibles al oxígeno. El aire comprimido es muy popular, ya que da resultados satisfactorios para muchos propósitos y es barato.

Los plásticos que pueden ser soldados son: PVC, polietileno, policarbonatos, poliamidas, etc. La principal ventaja de este proceso es que se pueden construir grandes fabricaciones complejas.

Este proceso es lento y la calidad de la soldadura depende totalmente de la habilidad del soldador.

Reparación de pieza plástica de automóvil mediante soldadura de aire caliente

Sellado por calor

El termosellado es el proceso de sellado de un termoplástico a otro termoplástico similar usando calor y presión. Principalmente es aplicado para la unión de películas o láminas plásticas entre sí o para la unión de estas a otro artículo plástico. El método de contacto directo de termosellado utiliza un dado o barra de soldadura constantemente calentado para aplicar calor a un área o línea específica de contacto para sellar o soldar los termoplásticos juntos.

Las aplicaciones comunes para el proceso de sellado térmico son para cierre hermético de bolsas y películas para alimentos o dispositivos médicos esterilizados, fabricación de bolsas, etc. Esta técnica también es utilizada en la industria electrónica para unir las pantallas LCD a los PCB en muchos productos electrónicos de consumo.

Sellado térmico de bolsa con alimentos

Soldadura por extrusión

La soldadura por extrusión permite aplicar soldaduras más grandes en un solo paso de soldadura. Es la técnica preferida para uniones de materiales de más de 6 mm de espesor. La varilla de material de aporte se introduce en una extrusora miniatura de plástico, el material es plastificado y forzado a salir de la extrusora contra las partes a unir, que se suavizan con un chorro de aire caliente para permitir que la unión tenga lugar.

Soldadura por extrusión

Soldadura por inyección

La soldadura por inyección es similar a la soldadura de extrusión, excepto, con algunas variaciones en la soldadora portátil, se puede insertar la punta en los agujeros de defectos de plástico de diferentes tamaños. El Drader injectiweld es un ejemplo de tal herramienta.

Soldadura por inyección

Soldadura por ultrasonido

Este método utiliza vibraciones de alta frecuencia mecánicas para formar la unión. Las piezas a ensamblar se mantienen juntas bajo presión entre el sonotrodo oscilante y un yunque o cuna inmóvil y se someten a vibraciones ultrasónicas de frecuencia de 20 a 40 KHz en ángulo recto con el área de contacto.

Esquema de soldadura por ultrasonido

La acción de la alta frecuencia genera calor en la interfaz común para producir una soldadura de buena calidad. Los equipos para este proceso son bastante caros por lo que se prefiere su uso en grandes series de producción.

La soldadura se limita a los componentes con longitudes de soldadura que no excedan de unos pocos centímetros.

Etapas de soldadura por ultrasonido

Las aplicaciones van desde válvulas y filtros utilizados en equipos médicos, a los cuerpos de cassette, componentes de automoción y carcazas de electrodomésticos.

Piezas soldadas por ultrasonido (luces de bicicleta)

Soldadura por alta frecuencia

Ciertos plásticos con dipolos químicos, tales como PVC, poliuretanos y poliamidas pueden ser calentados con ondas electromagnéticas de alta frecuencia. La soldadura de alta frecuencia utiliza esta propiedad para ablandar los plásticos a unirse. El calentamiento puede ser localizado, y el proceso puede ser continuo. También conocido como sellado dieléctrico o termosellado RF (Radio Frecuencia).

En la soldadura con alta frecuencia (HF) los materiales se unen utilizando la energía de un campo electromagnético (27,12 MHz) y aplicando presión sobre las superficies a soldar. La energía la produce un generador y la herramienta usada para aplicarla se denomina electrodo. La energía eléctrica hace que las moléculas del interior de los materiales empiecen a moverse, lo cual produce calor, que a su vez reblandece los materiales a soldar, que entonces se unen entre sí.

Esquema de soldadura por alta frecuencia

Como ejemplos de aplicaciones de esta técnica pueden citarse toldos para camiones y embarcaciones, lonas plásticas, tiendas y carpas, liners de piscinas, toldos de sol, productos inflables, depósitos para líquidos, pantallas de cine, camas de agua, túneles de ventilación, barreras de contención, etc.

Salvavidas inflable de PVC soldado/sellado por alta frecuencia

Soldadura por láser

La soldadura por láser es adecuada para unir películas y piezas plásticas. Se utiliza un rayo láser para fundir el plástico en la región de la unión. El láser genera un haz intenso de radiación (por lo general en la zona infrarroja del espectro electromagnético), que se centra sobre el material a unir. Esto excita a una frecuencia de resonancia en la molécula, lo que resulta en el calentamiento del material circundante.

Esquema de soldadura por láser

La soldadura por láser es un proceso de producción de alto volumen con la ventaja de no crear vibraciones y la generación de inflamación mínima de la soldadura. Los beneficios de un sistema de láser incluyen; un haz de potencia controlable, lo que reduce el riesgo de la distorsión o daños a los componentes; enfoque preciso del haz de láser permitiendo que se formen uniones precisas en un proceso sin contacto, que es a la vez limpio e higiénico. La soldadura por láser se puede realizar de una manera de disparo único o continuo, pero los materiales a unir requieren de sujeción. Generalmente se utiliza para la unión de un termoplástico transparente al laser (no absorbente del infrarrojo) con un termoplástico opaco absorbente del infrarrojo, el cual se calienta y funde para generar la soldadura.

Las velocidades de soldadura dependen de la absorción de polímero.

Soldadura láser de faro trasero de automóvil

Soldadura por vibración

Este proceso también se conoce como soldadura por fricción lineal. Dos piezas termoplásticas se frotan entre sí bajo presión a una frecuencia y amplitud adecuada, hasta que se genera el calor suficiente para fundir el polímero.

Después se detiene la vibración, las partes se alinean y el polímero fundido se deja solidificar creándose la soldadura. El proceso es similar a soldadura rotatoria, excepto que el movimiento es lineal en lugar de rotatorio. El proceso es rápido, las vibraciones aplicadas normalmente son de 100 - 240 Hz, 1-5 mm de amplitud.

La principal ventaja de este proceso es su capacidad para soldar grandes uniones lineales complejas a altas tasas de producción. Otras ventajas son la capacidad para soldar un número de componentes de forma simultánea, la simplicidad de los equipos y la aptitud para la soldadura de casi todos los materiales termoplásticos.

Equipo para soldadura por fricción lineal

La soldadura por vibración ha encontrado sus principales aplicaciones en la industria del automóvil y de los electrodomésticos.

La soldadura por vibración se puede aplicar a casi todos los materiales termoplásticos, ya sea moldeado por inyección, extruido, moldeado por soplado, termoformado, espumado o estampado.

Depósito de líquido de freno soldado por vibración lineal

Soldadura por fricción (rotacional)

La soldadura por fricción de termoplásticos es también llamada soldadura por frotamiento rotativo. La soldadura por rotación es una forma particular de la soldadura por fricción. En este proceso uno de los sustratos es fijo, mientras que el otro se hace girar con una velocidad angular controlada. Cuando las partes se presionan entre sí, el calor de fricción hace que el polímero funda y una soldadura se crea en el enfriamiento. Los principales parámetros de soldadura incluyen la velocidad de rotación, la presión por fricción, presión de forja, tiempo de soldadura y área de soldadura.

Esquema de soldadura por fricción rotacional

Las ventajas de la soldadura por fricción son la alta calidad de la soldadura y la sencillez y reproducibilidad del proceso. El inconveniente de este proceso es que, en su forma más simple, sólo es adecuada para aplicaciones en las que al menos uno de los componentes es circular y no requiere alineación angular.

Esta es una forma común de producción de bajo y medio costo de ruedas de plástico, por ejemplo, de juguetes o carritos de compra.

Soldador rotacional

Soldadura por disolvente

En la soldadura por disolvente, se aplica un disolvente que pueda disolver temporalmente el polímero a temperatura ambiente. Cuando esto ocurre, las cadenas de polímero son libres de moverse en el líquido y pueden mezclarse con otras cadenas disueltos de manera similar en el otro componente. Dado suficiente tiempo, el disolvente se evapora, de modo que las cadenas pierden su movilidad. Esto deja una masa sólida de cadenas de polímero entrelazadas que constituye una soldadura.

Esta técnica se utiliza comúnmente para la conexión de tuberías de PVC y ABS, como en la tubería de la casa. También es empleada para reparación de piezas plásticas.

Esquema de unión de tubo de PVC por soldadura química

Existe una larga lista de disolventes, tales como tolueno, dicloroetano, acetona, cloroformo, acetato de butilo, ciclohexanona, etc., que por su composición química tienen la propiedad de disolver ciertos materiales plásticos. Uno de los más utilizados es la acetona, que es empleada para la soldadura de piezas de ABS.

Unión de tubería de PVC por soldadura química

Fuentes:
Welding processes for plastics, Advance materials and processes - Robert A.Grimm
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