El equipo de soldadura ultrasónica es una tecnología indispensable para producir equipos de protección personal de no tejidos.
Por Mark Cragin
En cualquier medida, la demanda mundial de máscaras faciales de grado médico y respiradores N95 se disparó a principios de 2020 con el inicio de la pandemia provocada por el COVID-19. La Organización Mundial de la Salud estimó que se necesitan 89 millones de máscaras médicas en todo el mundo cada mes solo para proteger a los proveedores de servicios médicos. Sin embargo, la demanda de máscaras va mucho más allá de proteger al personal médico. En unos 50 países, los ciudadanos comunes también están buscando máscaras, o se hacen las suyas, para cumplir con los mandatos y las recomendaciones del gobierno sobre el uso máscaras de parte de los Centros para el Control y Prevención de Enfermedades (CDC por sus siglas en inglés). El rápido inicio de la pandemia y sus circunstancias han complicado a las cadenas de suministro de productos médicos en todo el mundo y como resultado hay una gran escasez de Equipos de Protección Personal o Personal Protective Equipment (PPE por sus siglas en inglés), particularmente de máscaras faciales. La repentina escasez mundial hizo que muchos tipos de PPE sean difíciles de conseguir a cualquier precio. El cambio ha llevado a los gobiernos, fabricantes y compradores de productos médicos en todo el mundo a repensar el valor de mantener o recrear un suministro doméstico de máscaras faciales de calidad médica. Y así, los fabricantes en Estados Unidos, Australia, India y otros países se han unido a China, líder mundial del mercado, en la expansión y el fortalecimiento de sus cadenas de suministro para la producción de máscaras con inversiones para una mayor capacidad de no tejidos y nuevas líneas de producción de máscaras. Según las estimaciones del mercado, las compras de máscaras faciales se realizarán a tasas drásticamente más altas durante los próximos cinco a siete años.
En el sureste de Estados Unidos, los fabricantes de artículos médicos de la región continúan preparando la producción de máscaras faciales quirúrgicas y máscaras N95 para satisfacer la demanda. Para los productores de equipos de soldadura ultrasónica – que se utiliza para unir múltiples capas de no tejidos en una máscara – la demanda se ha notado en reuniones constantes, en la cotización continua con ingenieros de manufactura e integradores de sistemas, en el aumento en las ventas de equipos ultrasónicos, y una gran demanda para el inicio y soporte técnico de equipos de soldadura asociados con la producción de máscaras. El bajo costo y la utilidad de los no tejidos los han hecho esenciales en la batalla global para prevenir la propagación de infecciones. Cuando se convierten en PPE, como máscaras médicas, batas y exfoliantes, e incluso cubiertas para los pies, los no tejidos desechables pueden proporcionar una protección efectiva y económica contra los microorganismos. La clave de su efectividad está en la construcción multicapa, que combina una capa interna que pesa de 10 a 25 gramos por metro cuadrado (g/m2), una capa externa de polipropileno hilado (PP por sus siglas en inglés) que pesa de 25 a 40 g/m2 y una capa intermedia típicamente de 25 g/m2 de fibras de PP fundidas por soplado (meltblown). Mientras que las capas internas y externas spunbond de PP proporcionan protección y estructura, la capa intermedia de fibras de PP meltblown es la clave para filtrar los patógenos. Si las fibras meltblown en esta capa tienen carga negativa durante la fabricación, pueden atraer y retener partículas extremadamente pequeñas.
Una tecnología como esta, junto con un diseño experto y una fabricación de alta calidad, son las razones por las cuales un producto como la máscara respiratoria N95 puede proteger eficazmente al personal médico que trabaja con pacientes con COVID-19.
Soldadura Ultrasónica en la Fabricación de Máscaras
El equipo de soldadura ultrasónica que es esencial para la producción de máscaras faciales y máscaras respiratorias de grado médico a menudo, pero no siempre, está integrado en máquinas de producción de máscaras más grandes y totalmente automatizadas. Estas máquinas generalmente se alimentan con dos o tres rollos de material no tejido – las capas interna, media y externa – que se procesa continuamente. En palabras sencillas, los soldadores ultrasónicos convierten la energía eléctrica en vibración mecánica de alta frecuencia, que se transmite mediante herramientas en material termoplástico.
La vibración crea calor por fricción que funde el plástico, una operación que puede enfocarse y utilizarse para:
- Cortar un rollo grande de tela no tejida en tiras más estrechas, donde los bordes cortados se cosen/sellan simultáneamente por el calor;
- “Acolchar” múltiples capas de material no tejido en un producto laminado, como una mascarilla multicapa, o;
- Adherir varias capas de tela no tejida en una costura terminada, por ejemplo, el borde de una máscara facial, o colocar una tira de tela no tejida para sujetar o un elástico para la oreja en el borde de una máscara.
La estructura básica de una soldadora ultrasónica utilizada para no tejidos se asemeja a la de una máquina de coser en muchos aspectos. Las capas de material se dibujan continuamente a través de una superficie plana, moviéndose entre la “pila” de soldadura en un lado y una rueda giratoria (“yunque” de soldadura) en el otro. Los componentes de la pila de soldadura (un convertidor, un amplificador y un sonotrodo) están montados en un brazo de accionamiento móvil que comprime suave y continuamente las capas no tejidas sobre el yunque giratorio. Ahí, el sonotrodo libera la energía ultrasónica para soldar las capas juntas, mientras la cara del yunque giratorio estampa la costura terminada.
Debido a que una máscara facial típica requiere dos costuras soldadas, una en la parte superior y otra en la parte inferior, tanto en lo ancho como en lo largo, así como dos uniones en cada lado para sujetar las tiras sujetadoras o elásticas, una máquina automática para hacer máscaras incorpora múltiples estaciones de soldadura ultrasónica. Los soldadores paralelos continuamente cosen en la parte superior e inferior a lo ancho de la máscara en el primer paso del proceso. Luego, de cortar a la medida los laminados de la máscara, se mueven perpendiculares a la línea y proceden a través de otra estación de soldadura paralela que cose su longitud en ambos lados, de nuevo usando una soldadura continua que tiene lugar cuando el material se mueve a través de un yunque giratorio. A partir de este punto, las tiras o correas precortadas se colocan y se sumergen o “sueltan” en la parte superior e inferior, esta vez en un yunque plano, completando la construcción de la máscara. La tecnología de soldadura ultrasónica, junto con un buen diseño de la maquinaria y la automatización, hacen que la unión de telas no tejidas parezca sencilla. Sin embargo, se necesita mucha tecnología y habilidad detrás de escena para enfocar la vibración de alta frecuencia en una fuerza que corta, acolcha y une con precisión y confiabilidad en grado médico.
El control del proceso de soldadura (la electrónica y programación que dan potencia a la pila y liberan la energía de soldadura), se origina en la fuente de poder del soldador, llevado por cableado a los componentes de soldadura de trabajo. La mayoría de las operaciones de soldadura que involucran materiales no tejidos utilizan una fuente de poder de 20 kilohertz, a la que se puede acceder por programación a través de una pantalla de interfaz hombre máquina (HMI por sus siglas en inglés) en el equipo o una conexión de computadora en red.
Para operaciones de soldadura continua en no tejidos, muchos fabricantes de máquinas de máscaras confían en la fuente de energía Branson™ DCX de Emerson, que tiene un diseño potente y compacto con controles de amplitud de circuito cerrado, diagnóstico avanzado y fácil configuración.
Además de un yunque plano o giratorio, los otros componentes cruciales del sistema de soldadura son aquellos que se encuentran en la pila, se montan en un brazo de accionamiento y comprenden:
- Un convertidor, que convierte la energía eléctrica de la fuente de alimentación en vibraciones mecánicas de la frecuencia adecuada para la soldadura,
- Un amplificador, que aumenta o disminuye la intensidad de la vibración según sea necesario, y
- un sonotrodo o punta, cuya forma y composición están específicamente diseñados para la tarea de corte o unión a mano de tela no tejida.
Antes y durante la introducción de la tecnología de soldadura ultrasónica en una instalación médica de no tejidos, es común que los expertos en soldadura ultrasónica trabajen estrechamente con el fabricante para desarrollar y optimizar todos los aspectos de la tecnología. Frecuentemente, cada aplicación de soldadura en no tejido requiere un sonotrodo especializado y un conjunto optimizado de parámetros de soldadura.
Estos parámetros, generalmente creados usando un enfoque DOE, proporcionan una gama de configuraciones de programa de soldadura comprobadas, las cuales permiten que el equipo de producción se adapte al proceso ordinario y a las variaciones de material mientras entrega soldaduras de calidad.
Beneficios y Eficiencias del Proceso Ultrasónico
Ya sea que la soldadura ultrasónica sea usada para producir máscaras faciales y respiradores, vestimenta quirúrgica o cualquier otra gama de PPE médicos, los beneficios de otros métodos de producción la han convertido en una tecnología esencial para procesar materiales no tejidos utilizados para combatir COVID-19 y otras enfermedades. Estos beneficios incluyen:
- Velocidad y productividad excepcionales. La tecnología de soldadura ultrasónica corta, cose y une los no tejidos con una velocidad excepcional. En las líneas de producción continua, los ultrasónicos pueden soldar capas no tejidas en una fracción de segundo, creando uniones repetibles que son tan fuertes como el material original.
- Costuras y uniones fuertes y continuas. En comparación con el cosido, la tecnología ultrasónica ofrece grandes beneficios porque crea costuras y uniones de alta resistencia e integridad sin necesidad de hilo y sin crear agujeros mecánicos en las telas, que pueden contener y ocultar microorganismos o contaminantes.
- Cero consumibles o contaminantes. En comparación con los adhesivos, la tecnología ultrasónica elimina el gasto adicional de los consumibles, el esfuerzo extra de aplicación, el tiempo adicional requerido para la instalación y el secado y el riesgo adicional de exposición a contaminantes químicos. Las costuras ultrasónicas están listas para usarse tan pronto como se producen.
- Mejora técnica continua. La tecnología ultrasónica para no tejidos continua evolucionando y mejorando, con frecuencia aprovechando las nuevas características y capacidades desarrolladas para otras industrias. Por ejemplo, el último equipo ultrasónico Branson para la producción de no tejidos, el sistema Branson DCX-F, que incorpora capacidades de comunicación Fieldbus las cuales permiten que múltiples sistemas individuales se unan entre sí. Esto permite al usuario no solo controlar los parámetros de soldadura para un sistema individual sino también monitorear el estado de un proceso completo.
Nota del editor: Mark Cragin es Gerente Regional para el Sureste de Assembly Technologies en Emerson ubicada en Lawrenceville, Georgia, que ofrece soluciones de soldadura ultrasónica para textiles.
Julio-Agosto de 2020
