Brevet FR2930740A1 — publié le 20091106

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de soudage de deux couches de matière plastique thermosoudable, superposées, suivant une ligne de soudure, les deux couches étant appliquées l'une contre l'autre entre un appui et un serre-flan, à l'aide d'un faisceau laser passant dans le serre-flan, transparent au faisceau laser. L'invention concerne également une installation de soudage de deux couches de matière plastique thermosoudable, superposées, suivant une ligne de soudure comprenant un appui et un serre-flan entre lesquels sont serrées les deux couches à souder le long de la ligne de sou-dure, et un laser générant un faisceau de soudage, le serre-flan étant transparent au faisceau laser. Etat de la technique Il est connu dans de nombreux domaines de souder des couches ou des nappes de matière plastique thermosoudable soit pour relier deux nappes et former des volumes, des réserves, etc, par exemple pour des films d'emballage à bulles. Il est également connu, dans un domaine plus particulier, de souder les deux bords d'une bande de matière plastique pour former un tube qui sera lui-même sectionné ensuite en manchons, par exemple en manchons thermorétractables pour habiller des produits un à un ou grouper des produits pour former des paquets. Il existe ainsi de manière générale des procédés de thermosoudage de matière plastique utilisant une règle et notamment une forme chauffée correspondant à la forme partielle ou totale de la ligne de sou-dure. Ce procédé peut s'utiliser également pour souder en conti- nu, en remplaçant la règle chauffante par une roulette et en faisant défiler les couches, nappes ou bords de nappe à souder sous la roulette. Il est également connu d'utiliser des colles thermofusibles ou des colles activées par rayons ultraviolets et sur un appui. Enfin, il est connu de souder des tubes en utilisant le fais- ceau laser ; solution qui a l'avantage de la rapidité mais le soudage est souvent irrégulier et imparfait. De plus, même si le soudage peut être re- lativement rapide, sa vitesse reste limitée, insuffisante par exemple pour des installations de manchonnage de bouteilles fonctionnant à vitesse élevée par exemple en cinématique continue. L'une des principales limites imposées est celle de la puissance du faisceau laser qui doit être limitée pour ne pas faire fondre de manière excessive la matière plastique à souder, au risque de la sublimer ou de la percer. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé et une installation de soudage par faisceau laser de deux couches de matière plastique ou des bords de nappe de matière plastique, superposées, permettant de réaliser très rapidement et très efficacement une ligne de soudure d'excellente tenue. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un procédé du 15 type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on chauffe la face de la couche côté appui à une température inférieure à la température de soudage de la matière plastique des couches. L'invention concerne également une installation du type dé-fini ci-dessus caractérisée en ce que l'appui comporte un élément chauf- 20 fant muni d'un moyen de chauffage et d'un moyen de régulation de la température de la couche côté appui et le moyen de régulation maintient la température de l'appui à une température inférieure à la température de soudage de la matière thermosoudable des couches. Le procédé et l'installation selon l'invention permettent de 25 réaliser très rapidement une soudure par faisceau laser dont la puissance reste relativement faible pour ne pas percer la matière plastique et no- tamment à la vitesse de fonctionnement de certaines installation tra- vaillant en cinématique continue, par exemple dans des installations de manchonnage de bouteilles ou produits de ce type avec un manchon 30 thermorétractable, juste avant que celui-ci ne soit posé sur l'objet tel qu'une bouteille, une boîte ou un ensemble d'objets regroupés en paquets. Le procédé et l'installation permettent de faire des lignes de soudure discontinues, c'est-à-dire pièce par pièce ou encore en continu et en particulier, de souder les deux bords de deux nappes pour former une 35 nappe de plus grande dimension ou de souder les deux bords d'une même nappe pour réaliser une forme tubulaire. En particulier, selon l'invention, on soude les deux nappes ou les bords de nappe défilant en continu sui- vant un mouvement de défilement relatif entre l'appui et le serre-flan sous le faisceau laser. Suivant une autre caractéristique avantageuse, on chauffe la face de la couche côté appui par conduction ou rayonnement. Le sou- dage peut concerner les deux bords d'une ou de deux nappes formant les couches à souder. Les couches ou les bords à souder peuvent défiler en continu entre l'appui et le serre-flan sous le faisceau laser et sur l'appui chauffé. Suivant une autre caractéristique, l'installation comporte un appui et un serre-flan mobiles, entraînant les nappes de matière thermosoudable sous le faisceau suivant un mouvement relatif pour réaliser une ligne de soudage parallèle à la direction de défilement des couches à souder. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le moyen de 15 chauffage est un moyen de chauffage rayonnant et l'élément chauffant est transparent au rayonnement. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'élément chauffant est muni d'un moyen de chauffage par conduction. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'appui et le 20 serre-flan, mobile, sont constitués par des cylindres, le faisceau laser arrivant à l'intérieur du cylindre constituant le serre-flan et ce dernier est transparent au faisceau laser. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 25 détaillée à l'aide des modes de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation de soudage de deux couches de matière plastique thermosoudable selon l'invention, 30 - la figure 2 montre un autre schéma d'une installation de soudage de couches de matière plastique selon l'invention, - la figure 3 montre une variante d'installation, - la figure 4 montre un détail d'un appui de soudage de l'installation selon l'invention. 35 Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, l'invention concerne un procédé et une installation de soudage de deux nappes de matière plastique thermosoudable ou plus généralement, de deux couches de matière plastique ther- mosoudable selon une ligne de soudage de largeur à définir. Ces deux couches peuvent appartenir à la même nappe ou à deux nappes différentes ; il peut également s'agir du bord de deux nappes ou des deux bords d'une même nappe. Enfin, des soudures peuvent être faites non seule- ment le long du bord mais dans une partie quelconque de deux couches de matière plastique thermosoudable. Comme exemple de matière plastique thermosoudable, on envisage notamment le polyéthylène. Selon la figure 1, l'installation est destinée à souder deux lo couches de matière thermosoudable Cl, C2 dont les bords B1, B2 se chevauchent suivant la ligne de soudage LS schématisée par une ligner verticale. L'installation comporte un laser 100 avec une optique 110 alignée sur l'axe ZZ correspondant à la ligne de soudage LS. Le cas échéant, l'optique 110 déplace le faisceau du laser 100 suivant une trajectoire dé- 15 terminée. L'installation comprend un appui 220 sur lequel viennent les deux couches Cl, C2 et contre lequel elles sont pressées par un dispositif tel qu'un serre-flan 250 mobile, actionné par exemple par un actionneur 260. Le serre-flan 250 définit avec l'appui 200, un intervalle de 20 soudage IS. Cet intervalle est ouvert pour l'entrée et la sortie des deux couches Cl, C2 puis, le serre-flan est abaissé sur les bords B1, B2 des deux couches Cl, C2 pour les presser contre l'appui 200 dans l'intervalle LS. Le serre-flan 250 est transparent au faisceau du laser 100, 25 110 aligné dans l'axe ZZ. L'appui 200 comporte selon l'invention, un élément chauffant 220 constituant sa surface d'appui ou intégré dans celle-ci ; l'élément chauffant 220 en une matière anti-adhérente est muni d'un moyen de chauffage 230 pour être chauffée à une température régulée (t) inférieure 30 à une température (ts) qui est la température de thermosoudage de la matière plastique constituant les deux couches Cl, C2. L'élément chauffant 220 de l'appui est relié à une alimenta-tion 240. L'installation est également équipée d'un circuit de corn- 35 mande 300 qui gère le fonctionnement du laser 100, le mouvement des couches à souder Cl, C2, le mouvement du serre-flan par les actionneurs 260 et le chauffage de l'élément chauffant 220 de l'appui. L'installation peut fonctionner en continu ou de façon dis-continue dans la mesure où la ligne de soudage LS est perpendiculaire au plan de la figure 1, les deux couches C1, C2 à souder avancent dans cette direction. Il peut également s'agir de deux couches Cl, C2 introduites transversalement dans l'intervalle de soudage IS lorsque le serre-flan 250 est ouvert. L'élément chauffant 220 est chauffé en continu à une température régulée. Il peut également être chauffé de façon discontinue mais toujours pour que sa température maximale (t) soit inférieure à la température de soudage (ts) de la matière plastique utilisée. Cette température sera réglée par le circuit de commande 300 en fonction de la matière plastique à souder. L'élément chauffant 220 chauffe la face en contact de la couche B1 appliquée directement sur la surface de l'élément chauffant, 15 principalement par conduction. Toutefois, l'élément chauffant 220 peut également comporter un moyen de chauffage fonctionnant par rayonne-ment, l'élément chauffant lui-même étant alors transparent au rayonne-ment infrarouge. Le fonctionnement du moyen de chauffage par rayonnement sera alors réglé par exemple par des essais pour qu'en fonc- 20 tion de la matière plastique à souder, l'énergie reçue par la face de la couche B1 en appui contre l'élément 220 ne soit pas chauffée à sa température de soudage. La figure 2 montre une variante de l'installation et du pro-cédé décrite de manière générale à la figure 1. Dans cette variante, on uti- 25 lisera les mêmes références qu'à la figure pour désigner les mêmes éléments ou des éléments de même fonction et dont la description dé-taillée ne sera pas nécessairement reprise. Cette installation est destinée à souder deux couches de matière plastique Cl, C2 représentées par un seul trait et qui défilent de manière continue ou discontinue dans la di- 30 rection XX (flèche A). L'installation se compose de moyens d'entraînement 400 des couches représentées schématiquement par deux cylindres d'entrée 410 et deux cylindres de sortie 420, qui font défiler les couches de matière plastique Cl, C2, superposées partiellement ou totalement, à tra- 35 vers l'installation selon un mouvement pas à pas ou continu, en fonction de la ligne de soudage à réaliser. Dans le cas d'une ligne de soudage transversale à la direction de déplacement, c'est-à-dire perpendiculaire au plan du dessin de la figure 2, les couches avanceront pas à pas, de la longueur séparant deux lignes de soudage. Dans le cas d'une ligne de soudage continue ou discontinue mais dans la direction XX, l'entraînement des couches sera de préférence continu et le laser 100 sera commandé de façon continue ou discontinue selon la position et la longueur de la ligne de soudage à réaliser. L'installation fait défiler les couches de matière plastique sur une table 430 équipée d'un appui 200 muni d'un élément chauffant 220 installé au niveau de la surface de l'appui. Au-dessus de l'appui se trouve un serre-flan 250 transparent à un faisceau du laser 100 qui émet le faisceau dans la direction ZZ. Le serre-flan 250 est, par exemple, un élément en quartz. Le serre-flan 250 représenté par un rectangle, est animé d'un mouvement de soulèvement et d'abaissement pour serrer ou libérer les couches de matière plastique Cl, C2. Il peut également s'agir d'un organe roulant permettant d'appuyer sur les couches en défilement. Dans ce cas, l'appui est de préférence également constitué par un organe tel qu'un cylindre de diamètre relativement grand pour que le contact de serrage des couches Cl, C2 avec l'organe roulant 250 également constitué par un cylindre, ne soit pas un contact linéaire mais corresponde à un contact sur une certaine largeur. La figure 3 montre un exemple d'une telle variante. L'appui est constitué par un cylindre 200A entraîné en rotation et coopérant avec un serre-flan 250A lui-même constitué par un cylindre entraîné en rota- tion. Les cylindres 200A, 250A définissent un intervalle de serrage dans lequel passent les couches de matière plastique Cl, C2 à souder. A l'intérieur du cylindre d'appui 200A, il y a un élément chauffant 220A qui chauffe le cylindre dans la zone de l'intervalle de passage. A l'intérieur du cylindre formant le serre-flan 250A, il y a le système optique 110 du laser qui dirige le faisceau suivant la ligne de soudage LS. Pour les besoins du dessin, les cylindres 200A et 250A sont légèrement écartés par rapport à la ligne représentant les deux couches Cl, C2 dans lesquelles on réalise les soudures S. En réalité, les couches sont pincées entre les deux cylindres. Comme dans cette variante de réalisation la laser ou du moins son optique 110A, est installé au moins partiellement dans le cylindre 250A formant le serre-flan, le cylindre est transparent au faisceau du laser. Pour le cylindre 200A formant l'appui, celui-ci est au moins thermoconducteur ou transparent de façon transmettre la chaleur de l'élément chauffant 220A alimenté par le dispositif 240A. L'élément chauffant 220A peut également être intégré dans le cylindre, par exemple sous la forme de lignes de résistances électriques qui sont par exemple dirigées suivant des génératrices et qui sont alimentées lorsqu'elles passent dans l'intervalle de soudage entre les deux cylindres 200A et 250A. Le cylindre 200A peut également être chauffé en permanence et sur toute sa surface suivant la vitesse à laquelle travaille l'installation. Dans les différents modes de réalisation, le système optique 110 à la sortie du laser 100 est commandé de façon connue pour balayer la ligne de soudage LS dans la mesure où la ligne de soudage est transversale à la direction de défilement (XX, A). Il est également possible de souder une ligne en zigzag, plus large que la trace du faisceau laser ou de faire passer le faisceau laser plusieurs fois pour réaliser une soudure plus large qu'une simple ligne et qui alors est constituée en théorie par plusieurs lignes de soudage, le cas échéant, confondues. La figure 4 montre un mode de réalisation simplifiée d'un appui avec son élément chauffant 220B venant au niveau de la surface de l'appui 200B. Cet élément chauffant 220B est constitué par une plaquette intégrée dans l'appui et comportant une résistance chauffante 230B. Il peut également s'agir de canaux traversés par un fluide chauffant ou en- core d'éléments radiants. De façon générale, l'élément chauffant 220B chauffe la face inférieure de la couche de matière thermoplastique (Cl, C2) venant au-dessus de lui, à l'opposé de la face de l'autre couche (C2 ou C 1) tournée vers le faisceau laser, par chauffage par conduction ou par rayonnement. Suivant la ligne de soudage à réaliser, le chauffage est continu ou discontinu, commandé par le circuit de commande 300 de l'installation. 15 REVENDICATIONS1 °) Procédé de soudage de deux couches de matière plastique thermosoudable, superposées, suivant une ligne de soudure, les deux couches étant appliquées l'une contre l'autre entre un appui et un serre-flan, à l'aide d'un faisceau laser traversant le serre-flan, transparent au faisceau laser, caractérisé en ce qu' on chauffe la face de la couche côté appui à une température (t) inférieure à la température de soudage (ts) de la matière plastique des couches (Cl, C2). 2°) Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on chauffe la face de la couche côté appui par conduction ou rayonne-ment. 3°) Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on soude deux bords d'une ou de deux nappes formant les couches à sou-der. 20 4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on soude deux couches/ bords de couche défilant en continu entre l'appui et le serre-flan sous le faisceau laser. 25 5°) Installation de soudage de deux couches de matière plastique thermosoudable, superposées, suivant une ligne de soudure (LS), comprenant un appui (200) et un serre-flan (250) entre lesquels sont serrées les deux couches à souder (Cl, C2) le long de la ligne de soudure (LS), et un laser (100) 30 générant un faisceau de soudage, le serre-flan (250) étant transparent au faisceau laser, caractérisée en ce que l'appui (200) comporte un élément chauffant (220) muni d'un moyen de chauffage (230) et d'un moyen de régulation (240) de la température de la 35 couche côté appui (200) et le moyen de régulation (240) maintient la température de l'appui (200) à une température (t) inférieure à la température de soudage (ts) de la matière thermosoudable des couches (Cl, C2).6°) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu' elle comporte un appui (200A) et un serre-flan (250A) mobiles, entraînant les nappes (Cl, C2) de matière thermosoudable sous le faisceau suivant un mouvement relatif pour réaliser une ligne de soudage parallèle à la di-rection de défilement ()X) des couches (Cl, C2) à souder. 7°) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyen de chauffage est un moyen de chauffage rayonnant et l'élément chauffant est transparent au rayonnement. 8°) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'élément chauffant (220) est muni d'un moyen de chauffage par conduction. 9°) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'appui (200A) et le serre-flan (250A), mobile, sont constitués par des cylindres, le faisceau laser arrivant à l'intérieur du cylindre constituant le serre-flan et ce dernier est transparent au faisceau laser.25