Présentation des ultrasons 1 Les ultrasons de puissance Théorie et technologie (Introduction)

Présentation des ultrasons 1

Les ultrasons de puissanceLes ultrasons de puissance

Théorie et technologie

(Introduction)

Présentation des ultrasons 2

Un domaine de spécialistesUn domaine de spécialistes

• Tryphon Tournesol• HighTaiX• Et quelques autres…

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SommaireSommaire

• Quelques principes théoriques

• Technologie des ultrasons de puissance

• Les applications industrielles

• Le marché et ses acteurs

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Quelques principes théoriquesQuelques principes théoriques

• Ultrasons: ondes de 20.000 à 1010 Hz

• Ultrasons de puissance: de 20 à 70 KHz

• Vitesse de propagation du son dans les métaux: de l’ordre de 5000m/s

• Longueur d’onde: L = V/f = 0,25m (à 20KHz )

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L’effet ultrasonoreL’effet ultrasonore

• L’effet ultrasonore c’est:– Une onde ultrasonore stationnaire maintenue

dans un outil (sonotrode)– Un effet mécanique (marteau-piqueur)– Un effet thermique (outil chaud)

• Ces deux effets sont utilisés pour souder et/ou couper des matériaux

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L’énergie ultrasonoreL’énergie ultrasonore

• Pour souder et/ou couper des matériaux, il faut de l’énergie.

• Eus= P * A * T

– P = pression appliquée aux matériaux– A = amplitude ultrasonore– T = temps

Présentation des ultrasons 7

La génération ultrasonoreLa génération ultrasonore

• Le triplet de Langevin• Des céramiques piezo-

électriques polarisées• Un champ électrique

alternatif• Des vibrations de faible

amplitude (qques µm) et de force élevée

Diagrammedesmouvements

Diagrammedesamplitudes

Diagrammedescontraintes

λ/4

λ/4

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L’amplification ultrasonoreL’amplification ultrasonore

• Les amplitudes générées sont faibles (±9µm)

• Amplification dans un matériau en demi longueur d’onde:

A1/A2=V2Z2/V1Z1

A: amplitudes

V: volumes

Z: impédances acoustiques

A1

A2

V1

V2

Présentation des ultrasons 9

L’amplification ultrasonoreL’amplification ultrasonore

• Modélisation sous nastran

• En vert : amplitude d’excitation

• En rouge : amplitude résultante

• En noir : nœud de vibration

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La chaîne ultrasonoreLa chaîne ultrasonore

• Amplification progressive au niveau des ventres de vibration.

• Des nœuds à amplitude nulle et à fortes contraintes.

ConvertisseurLangevin ±9µm

BoosterAmplificateur ±18µm

Sonotrode ±27µm

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Exemple de chaîne ultrasonoreExemple de chaîne ultrasonore

• Excitation électrique• Convertisseur• Booster• Sonotrode

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Le travail en pressionLe travail en pression

• La sonotrode est utilisée comme un outil chaud

• La pression assure la cohésion mécanique

• Travail principalement adapté au soudage des thermoplastiques à poste fixe

P

enclume

sonotrode

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Le travail en entreferLe travail en entrefer

• Entrefer maintenu à la demi-amplitude

• Effets combinés thermique et mécanique

• Adapté à la coupe et la soudure de matériaux minces

• Absence de contact entre sonotrode et enclume ea/2

a/2

a/2e

sonotrode

enclume

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Les applications industriellesLes applications industrielles

• Soudage des thermoplastiques à poste fixe• Coupe/soudage des thermoplastiques à

poste fixe• Coupe/soudage des thermoplastiques en

continu• Assemblage de thermoplastiques

hétérogènes• Soudages de métaux

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Soudage thermoplastiques à Soudage thermoplastiques à poste fixeposte fixe

• Travail en pression• Utilisation de vecteurs

d’énergie• Effet thermique• Pièces jusqu’à

plusieurs mm• Applications dans

l’automobile, la téléphonie,etc.

Pièces

Sonotrode

Vecteur d’énergie

Enclume

Pièces

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Exemple de soudage à poste Exemple de soudage à poste fixefixe

• Toutes coques thermoplastiques

• Étanchéité maîtrisée• Autres exemples:

projecteurs et tableaux de bord automobile

Présentation des ultrasons 17

Coupe/soudage des Coupe/soudage des thermoplastiques à poste fixethermoplastiques à poste fixe

• Matériaux minces• Utilisation d’enclumes

de forme• Travail en pression

et/ou en entrefer• Applications dans le

textile, le biomédical, etc. Enclume de forme

Sonotrode

Présentation des ultrasons 18

Exemple de coupe /soudage à Exemple de coupe /soudage à poste fixeposte fixe

• Emballage pour la parfumerie de luxe

• Soudage et coupe de 5 feuilles de produits

• Grande résistance mécanique

Coupe/soudage Soudage

Présentation des ultrasons 19

Coupe/soudage des Coupe/soudage des thermoplastiques en continuthermoplastiques en continu

• Matériaux minces• Utilisation de

tambours rotatifs de forme

• Travail en pression et/ou en entrefer

• Applications dans l’alimentaire, l’électroménager, l’hygiène,etc.

Tambour rotatif

sonotrode

thermoplastique

Présentation des ultrasons 20

Exemple de coupe/soudage en Exemple de coupe/soudage en continucontinu

• Sac d’aspirateur universel

• Polypropylène non-tissé et injecté

• 3 types d’opération sur un seul tambour rotatif de forme

soudage

coupe

coupe/soudage

Présentation des ultrasons 21

Exemple de coupe/soudage en Exemple de coupe/soudage en continucontinu

• Sur-chaussures pour l’alimentaire, la chimie, le nucléaire, etc.

• Soudage en continu de l’élastique

• Coupe/soudage à poste fixe du complexe textile

Soudage en continu

Coupe soudage à poste fixe

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Soudage des métauxSoudage des métaux

• Effet mécanique de grippage

• Soudage à basse température et sans apport

• La plupart des non-ferreux

• Applications dans l’emballage, l’électronique, l’énergie,etc.

enclume

métaux

sonotrode

Présentation des ultrasons 23

Exemples de soudage Exemples de soudage métalliquesmétalliques

• Protections intérieures de four en aluminium

• Soudage par points

• Panneaux solaires• Soudage en continu• Cuivre/cuivre

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Les acteurs du marchéLes acteurs du marché

• Les fournisseurs de chaînes ultrasonores

• Les intégrateurs d’applications

• Les laboratoires de recherche

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Les fournisseurs de chaînes Les fournisseurs de chaînes ultrasonoresultrasonores

• «  majors » généralistes :– Branson (usa)

– Rinco (Suisse) groupe Crest (usa)

– Dukane (usa)

– Mécasonic (France) groupe Crest (usa)

• Quelques niches en europe:– Stapla (Allemagne)

– Hermann (Allemagne)

– Sinaptec (France), Decoup+ (France), Sonimat (France)

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Les intégrateurs d’applicationsLes intégrateurs d’applications

• Intégrateurs pour le soudage de coques thermoplastiques: – moins d’une dizaine en France dont un

fabricant (Mécasonic)

• Intégrateurs pour les autres applications:– Moins de 5 en europe

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Les laboratoires de recherche Les laboratoires de recherche en Europeen Europe

• Ceux des fabricants de chaînes ultrasonores(Rinco, Mécasonic, Stapla )

• Ceux des fabricants de matériaux thermoplastiques (Dupont, Toman, Bayer , etc.)

• Laboratoire des procédés non conventionnels (ENSAM Paris)

• Quelques intégrateurs privés….