Brevet FR2603227A1 — publié le 19880304

Machine de soudage par ultrasons de films de matière thermoplastique. L'invention concerne une machine pour souder par ultrasons des pellicules ou films de matière thermoplastique. Le procédé de soudage par ultrasons de feuilles ou films de matière plastique est bien connu. Il est rappelé que ce procédé consiste à appliquer sur la matière thermoplastique un outil de soudage, appelé sonotrode, vibrant à une fréquence ultrasonore générée par un convertisseur électroacoustique. Le soudage de deux feuilles consiste à placer les feuilles superposées l'une sur l'autre entre une machoire ou enclume et la sonotrode, et à exercer une pression de celle-ci sur les feuilles, moyennant quoi l'énergie ultrasonique est transmise aux feuilles au niveau de la sonotrode et réalise la soudure par fusion de la matière thermoplastique le long de l'interface de contact entre l'extrémité de la sonotrode et la feuille sur laquelle elle est appliquée. Un appareil mettant en oeuvre ce procédé est décrit dans le document FR 2 226 218. Cet appareil comporte un ensemble vibrant composé d'un convertisseur électroacoustique, d'un résonateur et de la sonotrode assemblés axialement de manière classique, cet ensemble étant mobile axialement, et actionné par un dispositif de commande pour presser les feuilles à souder contre une enclume fixe. Dans cet appareil, c'est donc le dispositif vibrant qui est mobile, ce qui pose des problèmes de maintien et de guidage de celui-ci. De plus, le dispositif de commande du mouvement de la sonotrode et d'application de l'effort de pression, constitué dans le cas de l'appareil précité pour un vérin pneumatique, est lié à l'ensemble vibrant et donc soumis lui-même aux vibrations. Par ailleurs, aucun dispositif ne limite le mouvement de l'ensemble mobile, ce qui risque de provoquer une diminution trop importante de l'épaisseur de la zone soudée et même une rupture du film plastique à cet endroit. Un autre appareil plus perfectionné, et qui permet de résoudre certains de ces problèmes est décrit dans le brevet FR 2 490 543. Dans cet appareil, l'ensemble vibrant est fixe sur le bâti de l'appareil et l'enclume est solidaire d'un support mobile permettant de régler l'entrefer, c'est-à-dire l'écartement entre sonotrode et enclume. Cet appareil comporte un système complexe de réajustement périodique de la valeur de l'entrefer qui répond à l'utilisation particulière dudit appareil pour le soudage en continu de films, c'est-à-dire que le film se déplace entre l'enclume et la sonotrode pendant le fonctionement de l'ensemble vibrant pour former une soudure sur une grande longueur. Dans ce système, on ne règle pas en fait la pression de soudage mais uniquement l'entrefer, la pression de soudage pouvant ainsi varier si les épaisseurs de film varient lors de son défilement entre deux réajustements. Ce dispositif, conçu pour exécuter des soudures en continu, et comportant en outre des moyens de régulation et des automatismes nécessaires à la réalisation du cycle de fonctionnement, est en fait trop complexe, et donc coûteux, pour une machine exécutant des soudures discontinues dont la longueur est compatible avec l'utilisation d'une sonotrode présentant une longueur active suffisante pour réaliser toute la soudure en une seule opération. De plus, ces machines utilisent, outre l'énergie électrique, de l'énergie pneumatique ou hydraulique, ce qui nécessite, soit une source de ces fluides, soit des moyens pour les produire, intégrés auxdites machines, et qui en augmentent l'encombrement et également le coût. De ce fait, ces machines sont plus particulièrement destinées à fonctionner à poste fixe, dans un atelier adéquat, et ne conviennent guère pour des utilisations "légères", c' est-è-dire pour des utilisateurs n'en ayant pas une utilisation intensive sur des grandes séries, mais qui, au contraire, souhaitent réaliser des soudures de longueurs variées sur des produits différents, ou de manière non répétitive. Un but de l'invention est donc de fournir une machine de soudage par ultrasons qui soit simple, qui ne nécessite que la fourniture d'énergie électrique, et qui soit aisément manipulable de façon à pouvoir être utilisée pratiquement en tout lieu, et déplacée facilement d'un poste de travail à un autre. Un autre but de l'invention est de fournir une machine qui soit cependant fiable, réalise des soudures de bonne qualité grâce à un contrôle précis de l'effort de soudage et de l'épaisseur minimale de la soudure. Pour atteindre ces buts, il est proposé une machine de soudage par ultrasons de films de matière thermoplastique plats ou thermoformés comportant un ensemble vibrant composé d'une sonotrode, d'un convertisseur électro-acoustique et d'un résonateur ou modificateur d'amplitude qui transmet les vibrations, générées par le convertisseur et amplifiées, à la sonotrode, ledit ensemble vibrant étant fixé sur le bâti de la machine, qui comprend également une enclume, fixée sur un support mobile, et qui transmet la pression nécessaire pour le soudage aux films plastiques placés entre ladite enclume et la sonotrode, et qui comprend encore des moyens d'actionnement dudit support pour écarter ou rapprocher l'enclume de l'extrémité de la sonotrode. Selon l'invention, cette machine est caractérisée en ce que les moyens d'actionnement du support de l'enclume comportent un électroaimant du type à noyau plongeur qui provoque le mouvement de rapprochement de l'enclume et lui fournit la pression de soudage. Un avantage principal de l'invention est que la machine n'a besoin que d'une source d'énergie électrique. Selon une disposition particulière de l'invention, la machine comporte des moyens de réglage de la tension électrique appliquée sur l'électroaimant, et une butée réglable pour le support de l'enclume, ladite butée limitant le rapprochement de l'enclume vers l'extrémité de la sonotrode. Cette disposition est particulièrement avantageuse, car elle permet, grâce au réglage de la tension d'alimentation de l'électroaimant, de régler la pression de soudage, et, grace à la butée, de garantir une épaisseur minimale de la soudure, ce qui est un gage de la résistance de la soudure et évite de couper ou de déchirer le film plastique au niveau de ladite soudure. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va être faite d'un exemple de réalisation d'une machine conforme à l'invention. On se référera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue de face de la partie supérieure de la machine - la figure 2 est une vue en coupe selon II-II du mécanisme de la machine. Selon cette réalisation, le bâti 8 du mécanisme est fixé sur la structure de base de la machine, non représentée, et qui porte également les divers appareillages de commande tels que contacteurs électriques, systèmes de réglage oe la tension d'alimentation de l'électroaimant, convertisseur de fréquence pour l'alimentation du générateur d'ultrasons, etc... Un capot 90 est également fixé sur la machine et protège le mécanisme. Le bâti 8 est constitué de deux poutres verticales 83 maintenues écartées par une traverse supérieure 84 et une traverse inférieure 85. L'ensemble vibrant 2 est lié au bâti 8 par un système de fixation 82 réglable en hauteur. Pour cela, ce système de fixation comprend un support 86 sur lequel l'ensemble vibrant 2 est maintenu au niveau du résonateur 22 par une bride 87. Le support 86 est monté coulissant entre les deux poutres 83 et son mouvement est rendu possible grâce aux lumières verticales 88 réalisées dans ces poutres et que traversent les vis de fixation 89. Le réglage en hauteur s'effectue au moyen d'une vis 91 qui traverse le support 86 et s'appuie sur une tige 92 fixée entre les poutres 83. L'ensemble vibrant est fixé de façon telle que l'extrémité 24 de la sonotrode 21 soit dirigée vers le haut, l'enclume 41 se trouvant alors au-dessus de la sonotrode 21. L'ensemble vibrant se présente donc de la façon suivante : en bas se trouve le convertisseur 23 générateur de vibrations ultrasoniques de type connu, alimenté en énergie électrique par le générateur de haute-fréquence placé dans la structure de base de la machine. Au-dessus du convertisseur 23, se trouve le résonateur 22, appelé aussi modificateur d'amplitude, et enfin en partie supérieure, la sonotrode. Ces éléments sont de type connu et assemblés de manière habituelle en ce domaine. Il est cependant précisé que la machine décrite ici étant prévue pour réaliser, en une seule opération de soudage, des soudures dont la longueur peut aller jusqu'à environ 250 mm, la largeur de la sonotrode est de cet ordre de grandeur, alors que son épaisseur à son extrémité supérieure 24 n'est que de quelques millimètres. Ces dimensions ne sont données qu'à titre indicatif pour situer l'encombrement général de la machine, et ne sont nullement limitatives de l'invention. Au-dessus de l'extrémité 24 de la sonotrode se trouve donc l'enclume 41 qui est destinée à presser les films 1 à souder contre la sonotrode. L'enclume 41 est fixée sur un support 47 lui-même lié à un levier 43 par deux vis 50 et un pivot 51 dont l'axe 48 est l'axe longitudinal du levier 43 perpendiculaire à son axe d'articulation 49. Les vis 50 passent dans des trous oblongs 52 du levier 43 et se vissent dans le support 47. De cette façon, le support 47 peut, après avoir légèrement desserré les vis 50, pivoter autour du pivot 51, ce qui permet de régler le parallélisme de l'enclume 41 par rapport à la face supérieure de la sonotrode 21. Le levier 43 est articulé selon l'axe 49 par deux tourillons 53 qui s'engagent dans des alésages réalisés dans les poutres 83. Le petit bras de levier 44 est situé du côté de l'enclume, c'est-à-dire qu'il est constitué principalement par le support 47 de ladite enclume 41. L'autre bras 45 du levier comporte à son extrémité une articulation 46 sur laquelle se raccorde l'extrémité d'une tige de commande 63 qui constitue le prolongement réglable du noyau plongeur 62 d'un électroaimant 61 dont la partie fixe est elle-même articulée sur la traverse inférieure 85 du bâti. Au-dessus et vers l'extrémité du grand bras de levier 45, une vis réglable 81 est vissée dans la traverse supérieure 84 et constitue une butée réglable pour ledit levier lorsqu'il pivote dans le sens de rapprochement de l'enclume vers la sonotrode. Sur le bâti est également fixée, devant la sonotrode et l'enclume, une table de travail 100 inclinée vers la sonotrode, et supportée par deux bras 101 montés coulissants sur des colonnes 102 liées par leurs extrémités au bâti ou au capot 90. De cette façon, on peut régler en hauteur la table 100, en fonction des dimensions du produit sur lequel est effectuée la soudure. De plus, la table de travail étant inclinée, par exemple de 10 environ, par rapport à l'axe longitudinal de l'ensemble vibrant, on peut, dans le cas du soudage d'une barquette plastique 11, positionner correctement celle-ci sur la table de travail 100 en évitant que le talon 26 de la sonotrode 21 ne fasse obstacle en butant contre la partie basse de ladite barquette (voir figure 2). On va maintenant décrire plus en détail le fonctionnement de la machine. Il est tout d'abord nécessaire de procéder aux différents réglages des organes de la machine. En premier lieu, une fois que l'ensemble de vibrations 2 est bridé sur son support 86, on règle la hauteur de celui-ci par la vis 91 de façon à positionner la face supérieure de la sonotrode à la hauteur souhaitée, c'est-à-dire proche de l'enclume, et surtout de façon que la face supérieure de la sonotrode soit parallèle à l'enclume dans le sens transversal de celles-ci, pour garantir une soudure d'épaisseur constante sur sa largeur. Simultanément, on réglera la position du support 47 sur le levier 43, par rotation autour du pivot 51, pour amener l'enclume 41 parallèle à la face supérieure de la sonotrode 21 dans le sens longitudinal de celles-ci, pour garantir une soudure d'épaisseur constante sur toute sa longueur. Bien entendu, on tiendra compte, lors de ces réglages, de l'épaisseur finale désirée de la soudure. Cette épaisseur sera ensuite définitivement réglée au moyen de la vis de butée 81. La table de travail étant amenée dans la position adéquate, fonction du produit, tel que blisters, barquettes ou sachets d'emballage en matière thermoplastique, le produit est alors mis en position sur la table, les extrémités des feuilles plastiques à souder étant introduites entre la sonotrode et l'enclume qui en avait auparavant été écartée sous l'effet du poids du grand bras de levier 45 de la tige 63 et du noyau plongeur 62 de l'aimant 61, ce dernier n'étant pas alors alimenté par la tension électrique de commande. Lorsque le film ou l'emballage est correctement positionné, on commande, par exemple par une pédale agissant sur un interrupteur, la mise en service d'un circuit qui agit directement sur un programmateur qui pilote l'électroaimant et le temps d'émission d'ultrasons ainsi que la durée du maintien en pression de la sonotrode contre l'enclume. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la tension d'alimentation de l'électro-aimant est régulée de façon que dans un premier temps, déterminée par une temporisation réglable, la tension augmente progressivement selon une rampe de montée, de O à 24 V par exemple, cette première étape correspondant à l'approche de l'enclume vers les films à souder. L'augmentation progressive de la tension, et en conséquence, de la force de l'electro-aimant, évite un mouvement trop brusque du levier 43. A la fin de cette première étape, l'enclume se trouve donc au contact du film plastique. La tension d'alimentation de l'électro-aimant est alors à nouveau progressivement augmentée, par exemple jusqu'à 35 ou 48 V, la valeur maximum étant ajustable au moyen d'un potentiomètre, et dépendant essentiellement du type de la matière thermoplastique mise en oeuvre. Pendant cette deuxième étape, l'enclume exerce une pression sur le film à souder, cette pression étant directement fonction de la tension appliquée à l'électroaimant. Lorsque la pression atteint la valeur de consigne fixée, déterminée par la valeur de la tension maximale réglée par le potentiomètre, le programmateur commande l'alimentation en courant à haute fréquence de l'ensemble vibrant et donc l'émission d'ultrasons par la sonotrode. Sous l'effet des ultrasons et de la pression exercée par l'enclume, le plastique se ramollit et s'écrase jusqu'à ce que le levier arrive en butée sur la vis 81, et la soudure se réalise. La durée de l'opération de soudage, c'est-à-dire le temps d'émission des ultrasons, est fixée par le programmateur qui, à la fin de cette période, commande la coupure de l'alimentation de l'ensemble vibrant et de l'électroaimant. A ce moment, la soudure est terminée et l'enclume se soulève par pivotement du levier 43, sous le propre poids du bras 45 de la tige 43 et du noyau 62. Il est précisé que la durée des différentes phases, ainsi que la pente des rampes de montée en tension, sont bien évidemment réglables, mais qu'en marche normale, une seule action sur la pédale de commande suffit à assurer la réalisation automatique du cyle de soudage. Bien entendu, la description qui précède d'un exemple de réalisation de l'invention n'est nullement limitative et des modifications pourront y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, les différents systèmes de réglage peuvent être modifiés dans la limite où leurs fonctions et leurs effets sont respectés. De même, il est possible d'utiliser des tensions de commande de 1 ' électro-aimant différentes de celles indiquées. Il est cependant précisé que, de préférence, la machine pourra être alimentée å partir d'une source de courant électrique sous environ 220 V, ce qui permet l'utilisation de la machine en tout lieu sans aucune contrainte quant à son approvisionnement en énergie. Le cycle de soudage précédemment décrit peut aussi etre modifié. En particulier, l'ensemble vibrant peut être alimenté avant que la pression exercée par l'enclume n'atteigne son maximum. De même, le temps de soudage, c'est-à-dire le temps d'émission des ultrasons peut être déterminé sans tenir compte de la position du levier, qu'il soit ou non en butée. Dans ce cas, l'alimentation de la sonotrode et de l'électroaimant peut éventuellement être interrompue avant que le levier porte-enclume n'ait atteint sa position de butée, la vis de butée n'ayant alors qu'un role de sécurité pour garantir une épaisseur minimale de la soudure en cas de défaillance du programmateur. REVENDICATIONS 1. Machine de soudage par ultrasons de films (1) de matière thermoplastique plats ou thermoformés comportant un ensemble vibrant (2) composé d'une sonotrode (21), d'un convertisseur électroacoustique (23) et d'un résonateur ou modificateur d'amplitude (22) qui transmet les vibrations générées par le convertisseur et amplifiées à la sonotrode (21), ledit ensemble de vibrations étant fixé sur le bâti (8) de la machine, qui comprend également une enclume (41), fixée sur un support mobile (42), et qui transmet la pression nécessaire pour le soudage aux films plastiques (1) placés entre ladite enclume (41) et la sonotrode (21), et qui comprend encore des moyens d'actionnement (6) dudit support pour écarter ou rapprocher l'enclume de l'extrémité de la sonotrode, caractérisée en ce que les moyens d'actionnement du support de l'enclume comportent un électroaimant (61) du type à noyau plongeur qui provoque le mouvement de rapprochement de l'enclume et lui fournit la pression de soudage. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble de vibrations (2) est orienté de façon que l'extrémité (24) de la sonotrode (21) soit dirigée vers le haut et en ce que l'enclume (41) est située au-dessus de la sonotrode. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de réglage de la tension électrique appliquée sur ltélectro-aimant. 4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, carctérisée en ce que le support (42) de l'enclume (41) est un levier (43) articulé sur le bâti (8) et qui porte l'enclume (41) à l'extrémité d'un premier bras (44), l'autre bras (45) comportant une articulation (46) sur laquelle se raccorde l'extrémité d'une tige (63) de prolongement du noyau plongeur (62) de l'électro-aimant (61). 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le mouvement d'écartement de l'enclume (41) et de la sonotrode (21) est provoqué par le poids du bras de levier (45) du côté de l'électro-aimant (61) et par le poids du noyau (62) de celui-ci et des moyens de liaison (63) du noyau (62) au levier (43). 6. Machine selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une butée (81) réglable pour le support (42) de l'enclume (41), ladite butée limitant le rapprochement de l'enclume (41) vers l'extrémité de la sonotrode (21). 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que la butée réglable limitant la course de serrage de l'enclume est une vis (81) agissant vers l'extrémité du bras de levier (45) opposée a l'enclume (91). 8. Machine selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que l'enclume (41) est fixée sur un support (47) pivotant par rapport au levier (43) autour d'un axe (48) longitudinal et perpendiculaire à l'axe (49) d'articulation dudit levier. 9. Machine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'ensemble de vibrations (2) est lié au bêti (8) par un système de fixation (82) réglable en hauteur. 10. Machine selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte, devant la sonotrode (21) et l'enclume (41), une table de travail (100) inclinée vers la sonotrode et réglable en hauteur. 11. Machine selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la tension d'alimentation de l'électro-aimant est régulée de façon que dans un premier temps, déterminée par une temporisation réglable, la tension augmente progressivement, de O à 24 V par exemple, cette première étape correspondant à l'approche de l'enclume vers les films à souder, et en ce que, dans une seconde étape, la tension est encore augmentée pour que l'enclume exerce une pression sur les films jusqu'à une valeur de pression maximale, déterminée par une tension maximale réglable appliquée à l'électroaimant, l'obtention de cette tension maximale entrainant la mise en service de la sonotrode pendant un temps déterminé pour réaliser la soudure.