Transcript Les ultrasons de puissance

Les ultrasons de puissance
Théorie et technologie
(Introduction)
Présentation des ultrasons
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Un domaine de spécialistes
• Tryphon Tournesol
• HighTaiX
• Et quelques autres…
Présentation des ultrasons
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Sommaire
•
•
•
•
Quelques principes théoriques
Technologie des ultrasons de puissance
Les applications industrielles
Le marché et ses acteurs
Présentation des ultrasons
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Quelques 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 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 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
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La génération ultrasonore
Diagramme
des
mouvements
• Le triplet de Langevin
• Des céramiques piezoélectriques polarisées
• Un champ électrique
alternatif
• Des vibrations de faible
amplitude (qques µm)
et de force élevée
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Diagramme
des
amplitudes
Diagramme
des
contraintes
λ/4
λ/4
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L’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
V1
V2
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A2
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L’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 ultrasonore
• Amplification
progressive au
niveau des ventres
de vibration.
• Des nœuds à
amplitude nulle et
à fortes
contraintes.
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Convertisseur
Langevin ±9µm
Booster
Amplificateur ±18µm
Sonotrode ±27µm
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Exemple de chaîne ultrasonore
•
•
•
•
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Excitation électrique
Convertisseur
Booster
Sonotrode
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Le 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
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P
sonotrode
enclume
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Le travail en entrefer
• Entrefer maintenu à la
demi-amplitude
• Effets combinés thermique
et mécanique
• Adapté à la coupe et la
e
soudure de matériaux
minces
• Absence de contact entre
sonotrode et enclume
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sonotrode
a/2
a/2
enclume
ea/2
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Les 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
poste fixe
• Travail en pression
• Utilisation de vecteurs
d’énergie
• Effet thermique
• Pièces jusqu’à
plusieurs mm
• Applications dans
l’automobile, la
téléphonie,etc.
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Sonotrode
Vecteur
d’énergie
Pièces
Enclume
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Exemple de soudage à poste
fixe
• Toutes coques
thermoplastiques
• Étanchéité maîtrisée
• Autres exemples:
projecteurs et tableaux de
bord automobile
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Coupe/soudage des
thermoplastiques à poste fixe
• Matériaux minces
• Utilisation d’enclumes
de forme
• Travail en pression
et/ou en entrefer
• Applications dans le
textile, le biomédical,
etc.
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Sonotrode
Enclume de forme
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Exemple de coupe /soudage à
poste fixe
• Emballage pour la
parfumerie de luxe
• Soudage et coupe de 5
feuilles de produits
• Grande résistance
mécanique
Coupe/soudage
Soudage
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Coupe/soudage des
thermoplastiques 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.
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sonotrode
thermoplastique
Tambour
rotatif
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Exemple de coupe/soudage en
continu
soudage
• Sac d’aspirateur
universel
• Polypropylène nontissé et injecté
• 3 types d’opération sur
un seul tambour rotatif
de forme
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coupe
coupe/soudage
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Exemple de coupe/soudage en
continu
Soudage en continu
Coupe soudage à poste fixe
• Sur-chaussures pour
l’alimentaire, la chimie,
le nucléaire, etc.
• Soudage en continu de
l’élastique
• Coupe/soudage à poste
fixe du complexe textile
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Soudage des métaux
sonotrode
• Effet mécanique de
grippage
• Soudage à basse
température et sans apport
• La plupart des nonferreux
• Applications dans
l’emballage,
l’électronique,
l’énergie,etc.
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métaux
enclume
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Exemples de soudage
métalliques
• Protections intérieures
de four en aluminium
• Soudage par points
• Panneaux solaires
• Soudage en continu
• Cuivre/cuivre
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Les acteurs du marché
• Les fournisseurs de chaînes ultrasonores
• Les intégrateurs d’applications
• Les laboratoires de recherche
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Les fournisseurs de chaînes
ultrasonores
• « 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’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
en 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….
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