Measurement of the contact pressure in an ultrasonic welding machine for diapers production line

This thesis aims at the development and validation of a method for measuring the contact pressure in an ultrasonic welding machine installed in an automated diapers production line. Ultrasonic welding is an industrial technology that exploits high-frequency vibrations to create a solid part, starting from two workpieces maintained in contact by a static preload pressure. In order to obtain a high-quality weld, it is necessary to have a side seam with mechanical properties – mainly tensile strength - as homogeneous as possible in all its dimensions. In this perspective, the contact pressure plays a fundamental role since it enables the proper transmission of the vibration energy necessary to melt the materials at the interface between anvil and sonotrode. The contact pressure distribution on the welding surfaces needs therefore to be estimated with a cost-effective pressure measurement method. The absence of commercially available disposable devices led to the development and validation of an innovative method based on algorithms for pressure data acquisition and analysis. The experimental validation of the algorithms showed a measurement repeatability, expressed as the ratio between standard deviation and arithmetic mean, of 3%. The method was used to evaluate the effects on the pressure distribution of the anvil mounting and misalignment conditions, the thickness of the material to be welded and the applied preload.

Questa tesi mira allo sviluppo e alla validazione di un metodo per misurare la pressione di contatto in una macchina saldatrice ad ultrasuoni, installata su una linea di produzione automatizzata di pannolini. La saldatura ad ultrasuoni è una tecnologia industriale che sfrutta vibrazioni ad alta frequenza per creare una parte solida, a partire da due pezzi tenuti in contatto da una pressione di precarico. Per ottenere un prodotto di qualità, è necessario produrre un cordone di saldatura con proprietà meccaniche - resistenza alla trazione - il più omogenee possibile in tutte le sue dimensioni. Da questo punto di vista, la pressione di contatto svolge un ruolo fondamentale poiché consente la corretta trasmissione dell'energia di vibrazione, necessaria per fondere i materiali all'interfaccia tra incudine e sonotrodo. È necessario, quindi, che la distribuzione della pressione di contatto tra le superfici da saldare sia stimata con un metodo di misura efficace e allo stesso tempo economico. L'assenza di dispositivi monouso disponibili in commercio ha portato allo sviluppo e alla validazione di un metodo innovativo basato su algoritmi per l’acquisizione e l’analisi dati di pressione. La validazione sperimentale degli algoritmi ha illustrato una ripetibilità della misura, espressa come rapporto tra la deviazione standard e la media aritmetica, del 3%. Il metodo è stato utilizzato per valutare gli effetti sulla distribuzione della pressione delle condizioni di montaggio e disallineamento dell'anvil, dello spessore del materiale da saldare e del precarico applicato.