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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…
Présentation des ultrasons 3
SommaireSommaire
• Quelques principes théoriques
• Technologie des ultrasons de puissance
• Les applications industrielles
• Le marché et ses acteurs
Présentation des ultrasons 4
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 )
Présentation des ultrasons 5
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
Présentation des ultrasons 6
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
Présentation des ultrasons 8
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
Présentation des ultrasons 10
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
Présentation des ultrasons 11
Exemple de chaîne ultrasonoreExemple de chaîne ultrasonore
• Excitation électrique• Convertisseur• Booster• Sonotrode
Présentation des ultrasons 12
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
Présentation des ultrasons 13
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
Présentation des ultrasons 14
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
Présentation des ultrasons 15
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
Présentation des ultrasons 16
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
Présentation des ultrasons 22
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
Présentation des ultrasons 24
Les acteurs du marchéLes acteurs du marché
• Les fournisseurs de chaînes ultrasonores
• Les intégrateurs d’applications
• Les laboratoires de recherche
Présentation des ultrasons 25
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)
Présentation des ultrasons 26
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
Présentation des ultrasons 27
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….