Brevet FR2490543A1 — publié le 19820326

Appareil et procédé de soudage Dar ultrasons de pellicules ou films de matière thermoplastique. La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil utilisant une énergie vibratoire de haute fréquence pour former un joint entre des films ou pellicules de matière thermoplastique. Plus spécialement, la présente invention concerne un procédé et un appareil dans lesquels deux ou plus de deux films de matière thermoplastique superposés sont introduits dans un intervalle ou une lumière qui sépare un outil vibrant par ultrasons ( également connu sous 1 'appellation "cornet"."sonotrode" ou "-résonateur"] et une enclume fixée à un support mobile. L'enclume et son sup- port sont pressés contre la face inférieure des films su- perposés constituant la pièce à traiter, cependant que le cornet, appliqué à force contre la face supérieure de ladite pièce, transmet l'énergie ultrasonique à cette pièce pour former un joint ou une soudure entre les surfa- ces des films superposés emprisonnées dans l'intervalle. La pièce étant introduite dans l'intervalle selon un dépla- cement continu, on obtient un soudage. Des appareils de ce type ont été décrits, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N0 2 633 894, 3 294 616 ou 3 666 599. Ces appareils de soudage proposés par l'art an- térieur n'ont pas donné entière satisfaction lorsqu'il convient de souder des films relativement minces tels que ceux utilisés pour confectionner des sachets d'emballage de sandwichs ou nourriture rapide. Souvent, les importantes forces de compression,conjuguées à la charge statique ha- bituelle pour souder un film de matière thermoplastique à de grands débits d'alimentation,déchirent ledit film lors- que ce dernier est mis en mouvement à partir de sa posi- tion d'arrêt pour atteindre sa vitesse opérationnelle. En outre, les exigences de plus grande puissance d'un tel appareil de soudage,exécutant une soudure satisfaisante lorsque les débits d'alimentation augmentent, entrainent une dilatation thermique inopportune du cornet et/ou de l'enclume. Une dilatation thermique supplémentaire., due à une dissipation de la chaleur dans le cornet, se produit lorsque ce dernier vibre pendant une longue période. Une telle dilatation thermique réduit la largeur de l'inter- valle critique entre le cornet et l'enclume opposée, et il en résulte une soudure de moindre qualité. Des effets inopportuns analogues sont dus à l'usure par fonctionne- ment des surfaces du cornet et de l'enclume. Une autre difficulté, donnant naissance à des soudures de qualité insuffisante, complique ces phénomènes affectant la largeur de l'intervalle, par suite d'un man- que d'uniformité de l'épaisseur du film lorsque ce der- nier passe par ledit intervalle. Il peut résulter, de telles variations intervenant pendant le soudage, que l'outil vibrant sectionne partiellement ou entièrement le film lorsque l'épaisseur de ce dernier augmente. D'autre part, une diminution de l'épaisseur du film peut empêcher la transmission- d'énergie vibratoire à la matière thermo- plastique, d'o il résulte un soudage défectueux. Pour surmonter les difficultés mentionnées ci- avant, la présente invention propose de réajuster pério- diquement l'intervalle séparant le cornet et l'enclume, afin de contrebalancer l'usure des surfaces du cornet et de l'enclume; d'équilibrer les variations intervenant dans la largeur dudit intervalle et résultant de la dilatation thermique dudit cornet ou de ladite enclume; et, enfin, pour compenser les variations et l'absence d'uniformité de l'épaisseur du film. Selon les caractéristiques essentielles de l'in- vention, l'enclume est solidaire d'un support mobile, qui est déplacé périodiquement ou de manière cyclique à l'é- cart de la surface du cornet, afin d'augmenter la largeur de l'intervalle, qui, immédiatement après, est ramené approximativement à sa position initiale en étant appli- qué, par une légère pression d'ajustement, contre la face inférieure de la pièce à traiter; puis qui est maintenu rigidement dans cette position pendant un laps de temps prédéterminé ou correspondant à une quantité déterminée de pièces alimentées. Cette opération, consistant à élargir l'intervalle, puis à le -rétrécir à nouveau par suite du serrage, peut être-qualifiée de " réajustement de l'in- tervalle ". Le réajustement périodique de l'intervalle compense les variations mentionnées ci-dessus et, par conséquent, il permet d'effectuer un soudage satisfai- sant de films de matière thermoplastique d'une épaisseur extrêmement faible, ou bien de films dont les tolérances d'épaisseur sont normalement inacceptables. De ce fait, l'invention vise en premier lieu à proposer un procédé et un appareil perfectionnés destinés à assurer une jonction continue de matériaux grâce à l'énergie ultrasonique. L'invention a également pour objet un procédé et un appareil de soudage par ultrasons, qui compensent auto- matiquement les effets exercés sur la largeur de l'inter- valle par la dilatation thermique et l'usure de la surfa- ce du cornet et de l'enclume. L'invention vise également à proposer un appareil qui facilite l'insertion d'un film dans l'intervalle sé- parant le cornet de l'enclume ( comme le proposent les dispositifs de l'art antérieur), et qui dispense de la nécessité de modifier à la main la largeur de l'intervalle lorsqu'on traite des pièces d'épaisseurs variables. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique de l'appareil selon la présente invention; la figure 2 est une vue en élévation avec coupe partielle et arrachement, illustrant une forme préférée de réalisation selon l'invention et montrant les surfaces superposées de matière thermoplastique supportées par l'enclume mobile et déplacées dans la direction du détec- teur; la figure 3 est une vue en élévation selon la ligne III-III de la figure 2; la figure 4 est une coupe fragmentaire illustrant une partie de ladite enclume; la figure 5 est une coupe à échelle agrandie de ladite enclume, selon la ligne V-V de la figure 4; et la figure 6 est un graphique mettant en évidence le rapport existant entre la vitesse de déplacement du film passant par l'intervalle et l'amplitude de vibration du cornet. Si l'on se réfère en particulier aux figures 1 et 2, on voit un support stationnaire 22 sur lequel est monté un convertisseur électro-acoustique 14. Ce conver- tisseur 14 est raccordé à un pavillon intermédiaire 16, relié à son tour à un outil ou cornet 18. Par l'intermé- diaire du pavillon 16, ce cornet 18 reçoit des vibrations mécaniques provenant du convertisseur 14,et il émet des vibrations amplifiées à sa face frontale ou de sortie. Ce cornet 18 est étagé, présente une section cylindrique ( voir la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No Re 25 033) et il est conçu pour être mis en résonance le long de son axe longitudinal. Les dimensions de ce cornet 18 sont telles que sa face frontale soit située sensible- ment à un ventre de son déplacement. longitu- dinal. Typiquement, le transducteur ( convertisseur, pa- villon intermédiaire et cornet) est dimensionné pour être mis-en résonance mécaniquement à une fréquence prédétermi- née, par exemple de 40 kHz, avec une amplitude de déplace- ment de crête à crête de 0,15 mm au maximum à la surface de sortie ( extrémité de sortie) du cornet 18. L'amplitu- de de déplacement du cornet selon l'invention varie en fonction du débit d'alimentation. Le transducteur décrit ne l'est qu'à titre d'exemple nullement limitatifet la réalisation du transducteur et des cornets,afin d'obtenir les amplitudes souhaitées de vibration à des fréquences spécifiques,est bien connue des spécialistes ( voir les brevets cités dans le préambule). On n'obtient un soudage convenable du film soumis à l'énergie ultrasonique que si la vitesse du cor- net varie en fonction de la-vitesse de déroulement du film ou du débit d'alimentation ( figure 6). Un détecteur 10 de vitesse du film est connecté à un régulateur de puis- sance 17, lequel est raccordé à un générateur électrique 24. Le détecteur 10 contrôle en permanence le débit d'ali- mentation du film et il oblige le régulateur 17 à régler la puissance délivrée par le générateur 24 au convertis- seur 14 d'une manière proportionnée à la vitesse détectée de déroulement du film. Un circuit électrique de commande, destiné à faire varier la vitesse ou amplitude de dépla- cement du cornet ( qui est fonction de la puissance), d'une manière proportionnée au débit d'alimentation du film, a été décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 666 599 précité. En observant la figure 3, la face frontale ou de sortie du cornet 18 est disposée en-regard d'une roue fixe réalisée par exemple en acier. Cette roue constitue une enclume 12 qui est empêchée de tourner au moyen d'une vis de blocage 13 ou d'un moyen de fixation analogue ( fi- gure 4). L'enclume 12 consiste en un simple bloc de ma- tière, usiné de manière à présenter deux surfaces bombées venant au contact du film. Un rayon de bombement de 1,25 cm s'est avéré permettred'obtenir une enclume satisfaisante. Une gorge annulaire 12a est intercalée entre les surfaces en contact avec le film ( figure 5). En observant à nouveau les figures 1 et 2, l'en- clume 12 est fixée à un support mobile 15 qui, présentant la forme d'une outre, est monté pivotant sur le support stationnaire 22 au moyen d'un axe 11. De ce fait, l'enclu- me 12 peut effectuer un déplacement limité sensiblement longitudinal à l'écart de la face frontale du cornet 18 et en direction de cette face. Des moyens sont également prévus pour exercer une légère force d'ajustement,qui presse l'enclume et les pièces à traiter contre la face frontale plane du cornet. Dans l'exemple considéré, un ressort 20, dont l'extrémité supérieure est logée dans un évidement ménagé dans le sup- port 15 de l'enclume (cependant que son extrémité infé- rieure est appliquée contre une vis 19 assujettie par filetage au support stationnaire 22), permet d'obtenir une telle force variable en fonction de la position de la vis. La foroe exercée de bas en haut Dar le ressort n'est cependant pas critique, mais des résultats satisfaisants ont été obtenus avec des forces comprises dans une plage de 50 à 600 grammes. Un goujon 21, également relié au support 15 de l'enclume, coopère avec un plongeur ou pointeau 23a. Ce dernier peut faire partie d'un vérin 23 qui, commandé par un fluide, est logé de manière adéquate dans le sup- port stationnaire 22. L'extrémité supérieure du goujon 21 est assujettie au support 15 de l'enclume au moyen d'un filetage 25. Lorsqu'il est déployé, le pointeau 23a maintient le support 15 et l'enclume 12 dans une position fixe par rapport à la face du cornet, déterminant ainsi l'intervalle correspondant au laps de temps prédéterminé ou au cycle de soudage pendant lequel une é.nergie ultra- sonique est délivrée au film lorsqu'il passe en regard de la face frontale du cornet. Lorsque le cycle prédéterminé de soudage s'achève, le pointeau 23a est rétracté et il relâche le serrage qu'il imposait au goujon 21. - A l'intérieur du support stationnaire 22, est également logé un mécanisme de déplacement, tel qu'un vérin pneumatique 27 de type classique, dont la tige 29 du piston est à même de déplacer le support 15, donc l'en- clume 12. Le mouvement descendant du support 15 de l'en- clume a lieu lorsque le pointeau 23a a dégagé le goujon 21-. Ce mouvement descendant dudit support 15 est limité par une vis réglable 28, solidarisée par filetage au sup- port stationnaire 22. Un mécanisme 31,contrôlant l'écartement, est re- lié à la fois aux vérins 23 et 27. Ce mécanisme 31 renfer- me une minuterie ou un dispositif analogue permettant de coordonner les déplacements du pointeau 23a et de la tige 29 du piston,au début et à la fin de chaque cycle prédé- terminé de soudage. Il convient à présent de décrire le fonctionne- ment de l'appareil s.elon l'invention. Ce fonctionnement sera mieux compris en se référant à la figure 2. Au début d'un laps de temps ou cycle de soudage prédéterminé, alors que le pointeau 23a ne serre plus le goujon 21, la tige 29 du riston du vérin 27 est poussée en avant pour venir en contact avec le support mobile 15 de l'enclume, déplaçant ainsi l'enclume 12 à l'écart de la surface de sortie du cornet 18, déplacement limité par la vis 28. En outre, le support 15 de l'enclume comprime le ressort 20. Deux ou plus de deux couches d'un film de matière thermoplastique,devant être soudées,sont intro- duites dans l'intervalle séparant l'enclume et le cornet. A cet instant, le déroulement du film dans la direction du transport est interrompu. Le mécanisme 31 oblige alors le vérin 27 à rétracter la tige 29 de son piston, de ma- nière à libérer le support 15 de l'enclume,et à faire en sorte que le ressort 20 presse l'enclume 12 et les pièces à traiter contre la face de sortie du cornet 18. Ensuite, un fluide sous pression,libéré par le mécanisme 31,oblige le pointeau 23a à venir en prise avec le gou- jon 21, de manière à bloquer ou à serrer la face-de l'enclume mobile 12 dans une position fixe par rapport à la face du cornet. L'intervalle ( lumière) ménagé dans ce cas correspond,en fait,à l'épaisseur des films devant être soudés. Après que l'enclume 12 a été bloquée dans sa position fixe, le régulateur de puissance 17 est actionné pour faire en sorte que le générateur -24 alimente en énergie électrique le convertisseur 14, afin de délivrer au cornet une énergie vibratoire de haute fréquence ( ty- piquement à une fréquence de 40 kHz). A l'origine, lors- que la matière est immobile, le cornet vibre à une am- plitude très basse ( valeur de discontinuité), comme le montre la figure 6. Aussitôt après l'excitation initiale de haute fréquence du convertisseur 14, le déroulement du film passant par l'intervalle démarre. Associée à la sortie du détecteur 10, qui émet un signal de commande au régulateur de puissance 17, l'amplitude de vibration du cornet augmente en fonction de la vitesse croissante à laquelle le film passe par l'intervalle compris entre l'enclume et la face frontale du cornet en résonance, puis le film est soudé. Lorsqu'on travaille avec un film de polyéthylène ou de polypropylène de forte densité, pré- sentant une épaisseur de 0,05 mm, la vitesse typique d'alimentation en film est d'environ 55 m par minute. Pour obtenir un soudage satisfaisant, la vitesse du cornet(ou l'amplitude de déplacement du résonateur)varie sensible- ment d'une manière directement proportionnelle à la vitesse de déroulement du film. A la fin d'un laps de temps prédéterminé,ou lorsqu'une quantité de matière a été délivrée ( dont la valeur maximale théorique est déter- minée par le degré de dilatation thermique et d'usure du cornet et de l'enclume, mais dont la valeur maximale pra- tique est typiquement déterminée par la longueur d'un sa- chet en matière plastique),la vitesse du film passant par l'intervalle est ramenée à zéro. Lorsque cette vites- se est nulle, le cornet vibre avec une amplitude de vi- bration très basse, qui est ensuite ramenée à zéro. Par suite de l'actionnement du mécanisme 31 contrôlant l'é- cartement, le pointeau 23a est dégagé du goujon 21 et la tige 29 du piston est déployée afin de déplacer l'en- clume 12 à l'écart du cornet et de la pièce. Pendant les étapes suivantes, le réajustement de l'intervalle contre- balance automatiquement la dilatation thermique et l'u- sure des organes émettant des.ultrasons, en plus des variations d'épaisseur des films devant être joints. L'ap- pareil selon la présente invention permet un perfection- nement sensible de la vitesse de soudage du film, et il accroit en même temps la résistance de la soudure par ultrasons ainsi obtenue. Bien que les grandeurs indiquées dans la des- cription ci-dessus l'aient été pour une fréquence de kHz, il apparaîtra à l'homme de l'art qu'une autre fré- quence ultrasonique peut être utilisée, dans une plage de 20 kHz à environ 80 kHz, et que, de ce fait, aucune portée limitative ne saurait être donnée aux grandeurs indiquées ci-avant. Il va donc de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de soudage par ultrasons, caracté- risé par le fait qu'il comprend: un convertisseur électroacoustique (14) conçu pour produire des vibrations mécaniques de haute fréquence en réponse à une énergie électrique qu'il reçoit; un cornet ou sonotrode (18) ,raccordé audit convertisseur (14) afin de recevoir lesdites vibrations à une extrémité d'en- trée, et appliquant, par une extrémité opposée de sortie, lesdites vibrations à la matière en contact avec ledit cornet (18); une enclume mobile (12,15) qui, disposée en regard de ladite extrémité de sortie dudit cornet (18), délimite avec ce dernier (18) un intervalle par lequel passe la matière thermoplastique devant être soudée, ladite mati- ère, en contact forcé avec ledit cornet (18), étant en- suite soudée lorsqu'elle reçoit une énergie ultrasonique provenant de ladite extrémité de sortie; un organe (20) d'application de force, relié à la- dite enclume (12,15) afin de pousser cette dernière vers ladite extrémité de sortie dudit cornet (18); un mécanisme de déplacement (27, 29) qui, relié à ladite enclume (12,15), entraîne, lorsqu'il est actionné, le déplacement de ladite enclume dans une-direction op- posée à celle de la force appliquée par ledit organe (20), un dispositif de serrage (21, 23, 23a), destiné à serrer ladite enclume (12,15) dans une position fixe par rapport à ladite extrémité de sortie, de manière à maintenir un intervalle prédéterminé entre ladite ex- trémité de sortie et ladite enclume (12,15) en fonction de la position de ladite extrémité de sortie; de la for- ce exercée par ledit organe (20); et de l'épaisseur de la matière placée dans ledit intervalle; et un mécanisme de contrôle (31), raccordé audit mé- il canisme de déplacement (27, 29) et audit dispositif de serrage (21,23,23a) de manière à commander périodique- ment ledit mécanisme (27, 29) et ledit dispositif (21, 23,23a), afin de réajuster périodiquement ledit inter- valle et de maintenir cet ajustement pendant une durée prédéterminée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé par le fait qu'il comporte un support (22) destiné à maintenir le convertisseur (14) dans une position sta- tionnaire par rapport à l'enclume (12,15). 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé par le fait qu'il comporte un régulateur de puis- sance (17) permettant de régler l'énergie électrique ap- pliquée au convertisseur (14). 4. Appareil selon la revendication 3, caractéri- sé par le fait qu'il comporte un détecteur (10) qui dé- tecte la vitesse à laquelle la matière passe par l'inter- valle, et qui applique au régulateur de puissance (17) un signal fonction de la vitesse. 5. Appareil selon la revendication 3 ou.4, carac- térisé par le fait que le régulateur de puissance (17) entraîne un accroissement de l'amplitude de vibration du cornet (18) lorsqu'augmente la vitesse à laquelle la matière passe par l'intervalle. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que l'en- clume (12,15) présente un support (15) en forme de poutre, donc une extrémité, opposée à l'extrémité de sortie du cornet (18), supporte une enclume (12), et dont l'autre extrémité est montée (en 11) sur un sup- port stationnaire (22), afin de permettre un pivotement limité en direction de ladite extrémité de sortie et à l'écart de cette dernière. 7. Appareil selon la revendication 6, caractéri- sé par le fait que l'enclume (12) comporte au moins une surface bombée et stationnaire, disposée en regard de l'extrémité de sortie. 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7, ca- ractérisé par le fait que l'organe d'application de force consiste en un ressort (20) qui, intercalé entre le support (15) en forme de poutre et le support (22), coopère avec des moyens, tels qu'une vis (19), qui règlent la force appliquée par ledit ressort (20). 9. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que le mé- canisme de déplacement (27, 29) consiste en des vérins actionnés par un fluide. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que le dispositif de serrage (21,23,23a) comprend un goujon (21) relié à l'enclume mobile (12,15), ainsi que des organes de déplacement (23,23a) actionnés par le méca- nisme de contrôle (31) pour bloquer ledit goujon (21) dans sa position par rapport à l'extrémité de sortie du cornet (18). 11. Procédé de soudage de pellicule ou film de matière thermoplastique en utilisant une énergie ultra- sonique, caractérisé par le fait qu'il consiste à: prévoir un cornet qui, lorsqu'il est actionné, vibre à une certaine fréquence ultrasonique, ainsi qu'une enclume opposée, de manière à délimiter un in- tervalle par lequel le film à souder peut passer pour être ensuite soudé lorsque ledit cornet lui transmet une énergie ultrasonique; réajuster périodiquement la position de ladite enclume par rapport audit cornet, afin de régler l'in- tervalle séparant ledit cornet et ladite enclume, com- pensant ainsi les variations intervenant dans ledit cornet, ladite enclume et le film à souder; et maintenir ledit intervalle sensiblement constant entre deux étapes de réajustement périodique, en serrant ladite enclume dans sa position relative audit cornet. 12. Procédé selon la revendication 11, caracté- risé par le fait que le réajustement périodique de la position de l'enclume a lieu après un laps de temps prédéterminé. 13. Procédé selon la revendication 11- ou 12, caractérisé par le fait que le réajustement périodique de la position de l'enclume a lieu après qu'une quantité prédéterminée de film a passé par l'intervalle. 14. Procédé selon la revendication 11, 12 ou 13, caractérisé par le fait que le réajustement périodique a lieu lorsque le cornet est sensiblement à l'état non actionné. 15. Procédé selon la revendication l'une quel- conque des revendications 11 à 14, caractérisé par le fait que le réajustement périodique a lieu lorsque le film est immobile dans l'intervalle.