Brevet FR2602992A1 — publié le 19880226

DISPOSITIF DE PERFORATION EN CONTINU PAR ULTRA-SONS La présente invention se rapporte à un dispositif ultrasonique et à une méthode pour réaliser un modèle matriciel de perforations dans une bande de matériau et, plus particulièrement, à un dispositif et à une méthode de perforation en continu d'une bande de matériau défIlant à grande vitesse. On sait que la perforation par ultra-sons de matière plastique thermodurcie a tendance à provoquer la fracture de ce type de matériau. En. conséquence, un système de perforation antérieur décrit dans le Brevet US 4.160.055 délivré le 3 juillet 1979 suggère que les perforations soient effectuées dans une matière plastique non durcie. L'objet de la perforation de 10 plastique non durci est d'éviter la rupture par l'utilisation de matériaux plus souples, plus flexibles, qui autorisent des poinçons à perforer facilement le matériau. Un des désavantages du dispositif susmentionné est son faible débit. En raison de l'utilisation de matériaux mous dans le processus de perforation, 15 un tel système ne peut traiter le matériau de manière continue à grande vitesse. Un appareil et une méthode de perforation en continu et à grande vitesse d'une bande de matériau sont décrits dans le brevet US 4.472.461 délivré le 18 septembre 1984. Ce dispositif perfore le matériau en déplaçant 20 la bande devant un cylindre ou un tube fixe à éjection de gaz. Le tube contient des ouvertures discrètes, espacées, d'émission de gaz qui percent des trous dans le matériau non cuit, enrobé d'une manière adhésive, lorsque l'on fait déf:ler le matériau devant le tube. Ce dispositif peut accomplir une perforation de la bande, mais son débit 25 de perforation est limité à environ 15 mètres de matériau par minute, ou moins. La présente invention montre qu'une bande de matériau, par exemple un film mince plastifié et durci, peut être perforée en continu par un focalisateur ultrasonique sans déchirer le plastique, et avec un débit augmenté 30 jusqu'à environ 67 mètres par minute. Le dispositif et la méthode de l'invention accomplissent le résultat ci-dessus avec une matière plastique solide ou 2 2602992 durcie. La bande de matériau est temporairement prise entre un cylindre rotatif moleté et un focalisateur ultrasonique, et l'on fait avancer le matériau à une grande vitesse linéaire d'environ 61 mètres par minute. Le focalisateur ultrasonique disposé de manière adjacente au cylindre rotatif moleté, sur le 05 côté opposé de la bande de matériau, impose un contact perforant rapide et temporaire entre la bande et les poinçons perforateurs de la surface moletée. Le matériau conserve son intégrité structurale lorsqu'il est perforé au niveau des poinçons perforateurs de la surface moletée. Un rouleau de matière plastique en feuille, avec sur une face un enro10 bage adhésif sensible à la pression, ledit enrobage sensible à la pression étant recouvert d'un papier couché antiadhésif, est monté sur un axe dérouleur rotatif. La bande de matière plastique (avec la couverture en papier couché antiadhésif) est guidée dans un dispositif de tension de la bande assurant une tension constante tout au long de l'opération qui suit. La bande 15 traverse un dispositif de perforation, puis est rembobinée. Le dispositif de perforation est composé d'un cylindre gaufré et d'un cadre presseur. Le cylindre gaufré peut avoir une surface moletée ou à pointes, chacune engendrant une multitude de points de contacts qui produisent un modèle 20 d'ensemble de perforations. Ces surfaces peuvent être préparées par moletage ou par gravure. Afin d'accroître la vie utile de la surface du cylindre, il est recommandé de le durcir. Une meilleure dureté des pointes est assurée par l'utilisation de la méthode de gravure par électro-érosion. Les pointes peuvent prendre la 25 forme de pyramides ou d'aiguilles rondes. Elles peuvent être pointues ou légèrement tronquées. Le cadre presseur est un carbure plat, durci, plaqué sur le chant d'une plaque d'acier spécialement usinée. Cette partie combinée est désignée sous le terme "focalisateur". Le focalisateur est monté en position verticale et 30 est fixé à un amplificateur. Lorsqu'une énergie ultrasonique est appliquée à l'amplificateur, le focalisateur ultrasonique vibre de manière interne avec une très faible amplitude sous de très hautes fréquences. Le focalisateur ultrasonique et l'amplificateur sont montés dans un mécanisme les traversant verticalement qui 35 permet un positionnement précis par rapport à la surface du cylindre gaufré. Toutefois, la procédure préférée est que la bande de matériau soit renversée, c'est-à-dire, faisant d'abord contact avec les aiguilles de la surface gaufrée. Le cadrage différent du focalisateur ultrasonique produit des formes différentes de perforations. Un bon résultat est obtenu avec le 40 cadre presseur sur le focalisateur ultrasonique touchant le papier. Dans ce 3 2602992 cas, le papier n'est pas déchiré, I'ouverture appropriée étant formée dans le plastique par le cylindre gaufré dont les pointes peuvent être légèrement tronquées. La bande est perforée avec ce mécanisme et des trous "de respiration" 05 permanents adaptés sont formés dans le laminé, quelle que soit la face de la bande en contact avec la machine perforatrice. Un cylindre dur (Rockwell C55-62) est préféré. Le cadre presseur est positionné de façon qu'aucun contact ne se produise avec les aiguilles à pleine amplitude de vibration. Dans cette position, les aiguilles pénètrent 10 totalement la feuille plastique et la couche adhésive, tout en ne faisant que toucher ou pénétrer partiellement la feuille de papier protecteur de l'adhésif. Cette feuille de papier sera ignorée dans la suite de l'opération. Un mécanisme de commande pour le cylindre gauffré permet des changements de vitesse de la bande lorsque différentes combinaisons puissance/ 15 vitesse sont expérimentées. A la puissance maximum disponible du focalisateur ultrasonique, la vitesse de la bande de plastique laminée, jusqu'à environ 20 m linéaires/mn, produit des résultats satisfaisants lorsque l'on utilise une largeur de feuille d'environ 7,6 cm. Comme une quantité finie d'énergie ultrasonique est utili20 sée sur une surface par unité de temps (largeur x longueur = constante), une largeur de bande inférieure pourra être traitée à plus grande vitesse linéaire et une bande plus large à une vitesse moindre. On admet aussi que l'énergie requise pour produire des perforations devra être proportionnée à l'épaisseur de la bande pour que l'on obtienne le même taux de production. On sait que lorsqu'une feuille solide de matière plastique passe au travers d'un ensemble de poinçons, par exemple des aiguilles ou une surface gaufrée, de petits trous sont formés, temporairement. Lorsque l'on retire les poinçons, le trou tend à se refermer, se rapprochant de sa conformation de surface originelle et rendant la feuille presque imperméable. Certains ont tenté d'empêcher la fermeture des ouvertures en chauffant les pointes de l'outil de perçage. Cette méthode est parvenue au résultat recherché, mais avec une vitesse très faible et peu productive (Brevet de référence US 3.073.304 du 15 janvier 1963). Une température plus importante accroît légèrement le taux. Avec une température accrue, des changements 35 chimiques et physiques dangeureux se produisent dans la feuille de plastique et dans la couche d'adhésif. Une autre méthode classique est de découper une multitude de trous de faible diamètre dans la feuille. Ceci fragilise la feuille et crée un problème de déchets des moreceaux enlevés. De plus, ceci doit être synchronisé avec la production du produit attendu de façon à 40 percer le motif de perforations au centre du produit. 4 2602992 On dispose d'un cylindre perforateur, ayant une surface gravée ou gaufrée, offrant une multitude de petites pointes ou pyramides. Un cadre presseur stationnaire est monté adjacent et tangentiel à la surface du cylindre perforateur. On fait passer une bande consistant en une mince feuille de matière plastique (PVC plastifié), une couche d'adhésif sensible à la pression sur une face, et une feuille de papier couché anti-adhésif couvrant la surface adhésive exposée, entre la surface perforante et le cadre presseur, sans qu'il y ait formation de perforations permanentes résiduelles. Toutefois, lorsque l'on fait vibrer le focalisateur ultrasonique en VHF dans un plan radial au cylindre perforateur, des perforations permanentes sont formées dans la bande qui défile. On applique au focalisateur ultrasonique une énergie ultrasonique qui produit une très haute fréquence, une faible amplitude, et une vibration 15 selon la relation désirée pour le rouleau. Chaque pointe sur la surface produit une découpure dans la bande conforme à la forme de la pointe. Le vinyle forme une strie ou un cratère, I'adhésif étant poussé sur le bord de la découpure. Après passage dans le dispositif, la déformation ainsi formée demeure 20 stable. La résistance de la feuille n'est pas diminuée grâce à la strie de renforcement autour de chaque petite découpure. En augmentant la quantité d'énergie ultrasonique, on peut accroitre presque proportionnellement la vitesse de défilement de la bande. Dans le brevet US 4.311.540, délivré le 19 janvier 1982, est illustré un 25 procédé de liaison par ultra-sons des fibres d'une nappe de matériau. Le procédé comprend une bande de matériau fait d'une nappe de fibres non agrégées que l'on veut souder entre elles, afin de produire un tissu. Le système de la méthode est caractérisé par un focalisateur ultrasonique à distance convenable d'un cylindre rotat'f. Le cylindre possède une série de 30 saillies émoussées disposées selon un dessin matriciel. On fait passer la nappe entre le focalisateur ultrasonique et le cylindre, les fibres contig es aux saillies émoussées de la surface du cylindre étant chauffées par le focalisateur ultrasonique, provoquant la soudure. Bien que la ou les caractéristique(s) de l'invention considérée(s) comme 35 nouvelle(s) apparaisse(nt) dans les revendications, I'invention et la manière dont elle est mise en oeuvre seront mieux comprises en se référant à la description qui suit et aux dessins l'accompagnant. La Figure 1 représente une vue schématique de face du dispositif de l'invention; la Figure 2 est une vue en coupe de la bande perforée de matériau 2602992 telle que vue le long des lignes 2-2 de la Figure 1 la Figure 3 est une vue en coupe de la surface gaufrée de rouleaux perforants du système de l'invention telle que vue le long des lignes 3-3 de la Figure 1; la Figure 4 est une vue latérale du focalisateur ultrasonique du dispositif inventé, tel que vu le long des lignes 4-4 de la Figure 1, et la Figure 5 est une vue de dessus de la bande perforée de matériau représentée à la Figure 2, et telle que vue selon les lignes 5-5 de la Figure 3. En se référant maintenant aux figures détaillées, les références identiques désignent des parties identiques quelles que soient les différentes figures sur lesquelles elles apparaissent. De manière générale, I'invention concerne un dispositif et une méthode pour former en continu par ultra-sons une trame de perforations dans une 15 bande de matériau, par exemple du plastique. Le matériau est déplacé en continu devant un focalisateur ultrasonique qui force le matériau contre un cylindre rotatif ayant une surface moletée de saillies pointues. Les saillies créent des trous par fusion entre un focalisateur ultrasonique et le cylindre moleté, et une matrice de perforations est formée en continu. En se référant maintenant à la Figure 1, le dispositif perforateur 10 de l'invention est représenté selon une vue de face schématique. Le dispositif 10 comprend un cylindre rotatif 12 de stockage (flèche 11) ayant un tambour 13 sur lequel est enroulée une certaine quantité de matériau 14 sous forme de bande. Le matériau en bande 14 est enroulé après avoir suivi un chemine25 ment pour son traitement (flèche 15) partant du cylindre dérouleur 50, au moyen d'une roue motrice 16 qui est entraînée par une courroie 17 dans le sens de la flèche A. Le matériau en bande 14, comprenant une bande de matière plastique 48 et un papier- support 9, comme le montre la Figure 2, quitte le cylindre 30 dérouleur 50. Il alimente alors un tendeur 45, constitué par trois galets 39, 42 et 43, respectivement. Les galets 39, 42 et 43 sont montés rotatifs. Le cylindre de stockage 12 est associé à un tendeur 18 comportant des galets 19 et 21 coopérant avec un cylindre 22 à axe flottant, qui est libre d'opérer un mouvement de translation dans l'encoche 23 formée dans une paroi verticale 35 24. Le cylindre flottant 22 comprend une surface de contact 25 sur laquelle passe la bande 14, et immédiatement derrière, une surface sur laquelle passe une extrémité d'une courroie de tension élastique 26. La courroie de tension élastique est fixée rotativement à son autre extrémité à la poulie rotative 27. En fonction de la vitesse d'entraînement de la roue motrice 16, la 40 courroie de tension élastique 26 fait que le cylindre flottant 22 maintient 6 2602992 une tension appropriée sur la bande 14, le cylindre 22 opérant un mouvement de translation dans l'encoche 23. La bande 14 se déplaçant en continu passe sur le galet fixe 43, autour du galet fixe 39, puis sur le galet fixe 42. Du galet 42, la bande 14 va alimenter un poste de perforation 30. Le poste de perforation 30 comporte un focalisateur ultrasonique 29 en forme de cornet (également représenté à la Figure 4), d'une longueur "1" égale à la largeur "d" (Figure 3) d'un tambour adjacent 32 rotatif (flèche 31). Le focalisateur ultrasonique 29 en forme de cornet est fabriqué par la Branson Sonic Power Company de Danbury, Connecticut. Le tambour rotatif 32 possède une surface 34 gaufrée, comme le montre la Figure 3. La surface gaufrée 34 comporte une matrice de perforations pointues 35, comme représenté. Lorsque la bande 14 est amenée à passer (flèche 36) sur le tambour 32, le focalisateur ultrasonique 29 avec son cadre presseur 44 est de préférence positionné en contact simplement contigu avec la bande 14, position o la bande 14 est forcée contre les pointes 35, provoquant la perforation de la bande par le tambour 32. Le focalisateur ultrasonique 29 est abaissé (flèche 38) et amené en contact avec la bande 14, par l'intermédiaire d'ergots de guidage 40 solidaires du focalisateur ultrasonique et d'un rail de guidage 41 sur lequel glissent verticalement les ergots 40. La position du focalisateur ultrasonique à des distances sélectionnées 25 peut produire différents types de perforations. De préférence, il ne doit pas y avoir d'impact entre les pointes 35 et le cadre presseur 44. La surface en métal dur du cadre presseur 44 est usée par frottement si cela se produit et les pointes 35 sont émoussées. Après perforation, la bande 14 défile sur le jeu de galets 18. La bande 30 14 est guidée ensuite vers le cylindre de stockage 12 tournant dans la direction de la flèche 11 et sur le tambour 13. Tous les tambours, cylindres et galets sont montés rotatifs sur la paroi 24 qui fait partie de l'ossature de la machine. En se référant aux Figures 2 et 5, les perforations 47 réalisées dans la 35 bande 14 sont montrées respectivement selon une vue en coupe et en plan. La vitesse à laquelle la bande peut défiler dans le dispositif peut atteindre approximativement 67 mètres / minute. Le focalisateur ultrasonique fonctionne dans des fréquences avoisinant les 20 kHz. Le plastique utilisé dans le système est de préférence du PVC mais peut 7 2602992 être également du polyéthylène ou du polypropylène. Les termes et expressions employés sont utilisés comme des termes descriptifs; il est toutefois reconnu que différentes modifications sont possibles. R E V E N D I CATI ON S 1. Dispositif de perforation rapide en continu par ultra-sons d'une bande de matériau plastique (14) mince pour obtenir un dessin matriciel de trous de respiration, comprenant: des premiers moyens (50) définissant un trajet d'alimentation pour le 05 transport de ladite bande de matériau mince composée d'un laminé d'une feuille de papier couché anti-adhésif (9) et d'un plastique adhésif (48), un premier poste disposé le long dudit trajet d'alimentation en aval dudit trajet d'alimentation et comprenant des moyens tendeurs (18, 45) destinés à fournir une tension appropriée à ladite bande de matériau 10 lorsqu'elle progresse le long dudit trajet d'alimentation, un second poste disposé le long dudit trajet d'alimentation en aval dudit premier poste et comprenant des moyens de perforation par ultra-sons (30) destinés à provoquer la formation en continu d'un dessin matriciel de trous dans ladite bande de matériau (14), et des seconds moyens (12, 18) définissant un trajet d'alimentation pour le transport de ladite bande mince de matériau à partir dudit second poste. 2. Dispositif de perforation selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE lesdits moyens de perforation par ultra-sons (30) comprennent un tambour (32) possédant une surface gauffrée et qui est monté rotatif de 20 façon contig e à ladite bande continue de matériau (14) disposée sur un côté de celui-ci, et un focalisateur ultrasonique (29) en forme de cornet adjacent audit tambour et disposé sur le côté opposé de ladite bande continue de matériau afin de perforer rapidement par ultra-sons, selon un dessin matriciel de trous, ladite bande de matériau lorsqu'elle se déplace au-dessus dudit 25 tambour rotatif. 3. Dispositif de perforation selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE lesdits premiers moyens d'alimentation comprennent un cylindre dérouleur (50) qui est entraîné rotativement de manière synchronisée avec un cylindre de stockage (12) desdits seconds moyens d'alimentation, et EN CE 30 QUE ladite bande de matériau (14) se déplace entre lesdits cylindres le long du trajet d'alimentation avec une vitesse d'avancement comprise entre 55 et 67 mètres par minute. 4. Dispositif de perforation selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE ladite bande de matériau comprend une mince couche de plastique 35 ayant un support détachable. 5. Dispositif de perforation selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE lesdits moyens tendeurs (18) comprennent un cylindre (22) à axe flottant sur lequel passe ladite bande continue de matériau (14), des moyens définissant une encoche (23) adjacente audit cylindre (22), des moyens pour 9 2602992 fixer ledit cylindre (22) de manière mobile autorisant un mouvement par glissement dans ladite encoche, et une courroie de tension élastique (26) qui est attachée à une extrémité (27) et fixée de manière mobile audit cylindre (22) à l'autre extrémité, ladite courroie de tension permettant audit cylindre 05 d'éliminer le relachement de ladite bande de matériau. 6. Dispositif de perforation selon la revendication 2, CARACTERISE EN CE QUE la bande de plastique (48) de ladite bande de matériau (14) fait directement face audit tambour à surface gauffrée (32). 7. Dispositif de perforation selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, CARACTERISE EN CE QUE ladite bande de plastique est choisie dans un groupe consistant en chlorure de polyvinyle, polyéthylène ou polypropylène.