Brevet FR3030316A1 — publié le 20160624

DISPOSITIF DE MISE EN VIBRATION PAR ULTRASONS D'UN ENSEMBLE INERTE POUR LA DECOUPE DE PRODUITS INDUSTRIELS, NOTAMMENT DES PRODUITS ALIMENTAIRES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est relatif à un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un ensemble inerte. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de la découpe par ultrasons de produits industriel, et en particulier dans le secteur de l'industrie agro-alimentaire. ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Dans le domaine de la coupe par ultrasons, il est connu d'utiliser un dispositif de mise en vibration par ultrasons comportant un élément électrostatique qui est excité par une vibration ultrasonore se propageant perpendiculairement au fil de coupe. Ainsi, les vibrations ultrasoniques de la lame, bien que d'amplitude modérée, ont une telle accélération que l'objet tend à ne pas adhérer à la lame et permettent d'augmenter le pouvoir de coupe de la lame. Néanmoins, selon les objets à découper il peut être utile d'affûter régulièrement la lame de manière à garder un outil de coupe optimal. Or, l'opération d'affûtage a pour conséquence d'impacter les caractéristiques vibratoires de la lame et par conséquent de modifier la fréquence de résonance de la lame, ce qui engendre un déséquilibre de l'ensemble électroacoustique. Il est souvent possible de modifier intégralement la forme de la lame, par exemple par usinage, suite à une opération d'affûtage, de manière à réajuster sa fréquence de résonance, mais cette opération est complexe, longue, coûteuse, pénalisante car elle doit intervenir dès qu'un affûtage de la lame est réalisé et risque d'engendrer la casse de l'émetteur et du générateur ultrason si ce réajustement de la fréquence de résonance de la lame n'est pas suffisant. De plus, la machine de coupe comportant un tel dispositif de coupe par ultrasons est dimensionnée pour fonctionner à une plage de fréquence donnée, ce qui impose des contraintes dimensionnelles de la lame. Ainsi, un opérateur désirant utiliser une même machine de coupe avec des profils de lame différents en fonction des produits à découper se retrouvent dans l'incapacité d'interchanger des lames avec des profils différents ou des dimensions différentes si ces lames en question ne sont pas conçues initialement pour résonner à la même fréquence de résonance. Pour remédier à ces problèmes il a été proposé, dans un autre domaine que celui des outils de découpe par ultrasons, un dispositif de mise en vibration d'un élément interne, i.e. non résonant, par ultrasons à l'aide d'une tête ultrasonique accordée. Ce dispositif particulier est décrit dans la demande de brevet FR2651693 pour permettre le soudage par ultrasons. Le dispositif décrit dans ce document permet de remédier aux difficultés de mise en vibration connues d'un élément inerte et aux difficultés liées au désaccordement des différents éléments de l'ensemble électroacoustique. A cet effet, le dispositif propose d'utiliser une sonotrode en forme de croix dont les branches sont accordées à la fréquence de l'émetteur (1/2 longueur d'onde). Les branches de la sonotrode sont en intéraction d'une part avec un émetteur à ultrasons et d'autre part avec un élément inerte à faire vibrer, les deux autres branches de la croix sont libres de façon à vibrer en résonance en créant ainsi une bande passante de fréquence de l'ensemble électroacoustique centrée sur la fréquence de l'émetteur ultrasons. Ce dispositif permet ainsi de faciliter la mise en vibration d'un élément inerte en s'affranchissant des problèmes cités précédemment. Toutefois, un tel dispositif n'est pas utilisable en tant que tel dans le domaine de la découpe par ultrasons de produits industriels. En effet, le dispositif décrit ne permet pas de centrer suffisamment la bande passante de l'ensemble électroacoustique sur la fréquence de résonance de l'émetteur, ce qui ne permet pas d'obtenir des rendements suffisamment important. En outre, l'amplitude de vibration de l'élément inerte obtenue par ce dispositif n'est également pas suffisante pour une utilisation autre que le soudage. Ainsi pour une application de découpe de produits industriels, tels que des produits agro-alimentaires, la trop faible amplitude de l'élément inerte du dispositif ne permet de réaliser convenablement des découpes telles qu'il est possible de les réaliser avec les dispositifs de découpe par ultrasons connus avec lesquels la lame est résonante. Le dispositif proposé dans le document FR2651693 n'est pas non plus adapté pour être intégré dans une machine fixe de découpe car sa géométrie limite grandement les possibilités d'implantation sur machine. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe inerte, particulièrement adapté pour la coupe de produits industriels, et plus particulièrement aux produits agro-alimentaires, avec une amplitude de vibration grandement améliorée et avec également un meilleur rendement. Le dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe inerte selon l'invention vise également à proposer une architecture à multiples configurations permettant de s'adapter à tout type d'utilisation et facilitant par conséquent son implantation dans une machine de coupe par ultrasons de produits industriels. A cette fin, l'invention concerne un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe inerte, pour la coupe de produits industriels, ledit dispositif comportant : - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un émetteur à ultrasons ; - un outil de coupe inerte à faire vibrer ; - une sonotrode accordée à la fréquence de l'émetteur ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite sonotrode comporte une partie principale en forme de disque présentant un axe de révolution et deux branches latérales cylindriques s'étendant de part et d'autre de la partie principale, selon une direction parallèle à l'axe de révolution, ledit disque présentant un pourtour périphérique sur lequel est raccordé ledit outil de coupe ; ledit émetteur à ultrasons étant raccordé à une première branche latérale cylindrique. On entend par le terme sonotrode, un élément, avantageusement métallique, qui restitue une énergie vibratoire par « contraction/dilatation » lorsqu'il est soumis à des ultrasons. On entend par le terme inerte un élément qui n'est pas accordé à la fréquence de résonance de l'émetteur. Ainsi, contrairement au dispositif décrit dans le document FR2651693 l'ensemble électroacoustique ainsi formé par le dispositif génère une bande passante de fréquence mieux centrée sur la fréquence de l'émetteur. Le dispositif selon l'invention permet également de transmettre à l'élément inerte, l'outil de coupe dans notre application, des vibrations avec des amplitudes plus importantes que celles permises avec le dispositif décrit dans le document FR2651693. Le dispositif selon l'invention permet également d'obtenir un meilleur rendement qu'avec le dispositif décrit dans le document FR2651693. Le dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe inerte pour la coupe de produits agro-alimentaires selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ladite partie principale présente un diamètre extérieur dont la valeur est égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur ; - la partie principale présente une épaisseur et en ce que les branches latérales cylindriques présentent un diamètre extérieur, ladite sonotrode étant dimensionnée de sorte que le rapport entre le diamètre extérieur des branches latérales cylindriques et l'épaisseur de la partie principale soit supérieur à 1 ; - la partie principale en forme de disque comporte deux flancs, les flancs présentant un profil rectiligne ou un profil courbe ; - ledit dispositif comporte une sonotrode auxiliaire stabilisatrice raccordée à une deuxième branche latérale cylindrique ; - ladite sonotrode stabilisatrice présente une géométrie en forme de cylindre ou de cône tronqué ; - ladite sonotrode stabilisatrice présente une longueur qui est multiple de la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur ; - ledit dispositif comporte un moyen de fixation permettant de solidariser ledit dispositif de mise en vibration sur un ensemble non résonant ; - le pourtour périphérique de ladite partie principale de la sonotrode comporte au moins un méplat créant un surface d'appui plane sur laquelle est raccordée ledit outil de coupe ; - le pourtour périphérique de ladite partie principale de la sonotrode comporte une pluralité de méplats répartis sur le pourtour périphérique créant des surfaces d'appui planes pour pouvoir raccorder des éléments vibrants et/ou des éléments inertes. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées : - la figure 1 est une vue d'ensemble du dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe inerte pour la coupe de produits agro-alimentaires selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de la sonotrode en forme de couronne du dispositif selon l'invention ; - les figures 3a, 3b et 3c sont des vues en coupe selon un plan de coupe transversal de trois exemples de réalisation de la couronne du dispositif illustré à la figure 2. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente en perspective le dispositif de mise en vibration par ultrasons 100 selon l'invention raccordé à un élément interne à mettre en 113 vibration, tel qu'un outil de coupe pour la découpe de produits agro-alimentaires. Le dispositif 100 comporte : - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe constitué d'un émetteur à ultrasons 110 émettant à une fréquence comprise entre 20 kHz et 100 15 kHz, et préférentiellement entre 20 kHz et 40 kHz ; l'émetteur a pour objectif de mettre en vibration l'ensemble des éléments résonants du dispositif 100 ; - une sonotrode 120 en forme de couronne accordée à la fréquence de l'émetteur 110 ; 20 - une sonotrode auxiliaire stabilisatrice 130 ou masse stabilisatrice également accordée à la fréquence de l'émetteur 110 ; - un système de fixation 140 permettant de pouvoir raccorder l'ensemble vibrant constitué par le dispositif 100 à un ensemble fixe non résonant tel qu'une machine, sans décentrer la bande passante de l'ensemble 25 électroacoustique ; - un outil de coupe 160, inerte, i.e. non accordé à la fréquence de l'émetteur 110 et raccordé physiquement à la couronne 120 éventuellement par une rallonge résonante 150 si nécessaire. Le dispositif 100 constitue ainsi un ensemble accordé à la fréquence de 30 résonance de l'émetteur 110, à l'exception de l'outil de coupe 160. Le profil en couronne de la sonotrode 120 a pour but de transmettre un maximum d'amplitude et de rendement de vibration à l'outil de coupe 160 tout en permettant une mise en vibration de la sonotrode stabilisatrice 130. La couronne 120, illustrée de manière plus détaillée à la figure 2, est constituée par : - une partie principale centrale 121 sensiblement en forme de disque présentant une symétrie de révolution par rapport à un axe de révolution X ; la partie principale 121 présentant un diamètre extérieur Dpe et une épaisseur Ep ; - deux branches latérales 122, 123 de forme cylindrique orientées selon l'axe de révolution de la partie principale centrale 121 et situées de part et d'autre de la partie principale 121 ; les deux branches latérales 122, 123 présentent un diamètre extérieur Dbe. Les deux branches latérales 122, 123 sont solidaires de la partie principale 121 par l'intermédiaire de congés de raccordement 124. La première branche 122 est raccordée à l'émetteur à ultrasons 110 et la deuxième branche 123 est adaptée pour pouvoir raccorder la masse stabilisatrice 130. La masse stabilisatrice ou sonotrode auxiliaire stabilisatrice est un élément optionnel toutefois la présence d'une telle masse stabilisatrice positionnée dans la continuité de l'émetteur à ultrasons permet d'optimiser davantage les performances du dispositif de mise en vibration 100 et d'augmenter le rendement de l'ensemble électroacoustique. Le pourtour périphérique 126 de la partie principale 121 de la couronne 120 comporte des méplats 125 formant des surfaces planes optimisées pour recevoir d'une part le système de fixation 140 et d'autre part l'outil de coupe 160. Sur l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, la couronne 120 comporte quatre méplats 125 uniformément répartis sur le pourtour de la partie principale 121; le nombre de méplats de la couronne étant ajustable en fonction du nombre d'éléments vibrants que l'on souhaite positionner. Ainsi la forme circulaire de la sonotrode offre l'avantage de pouvoir faire varier librement la position, voire le nombre, des éléments inertes à faire vibrer. La couronne 120 ainsi décrite permet de mettre des éléments en vibration selon trois directions, l'émetteur 110 et la masse stabilisatrice 130 étant avantageusement positionnés dans une même direction perpendiculaire au plan transverse de la couronne qui est parallèle au plan de positionnement des éléments, référencé A-A sur la figure 1. Les méplats 125 permettent la fixation et la mise en vibration des différents éléments dans ce plan de positionnement A-A. Les figures 3a, 3b et 3c représentent des coupes selon un plan transversal de la couronne 120. Ces figures 3a, 3b, 3c permettent d'illustrer plus précisément trois exemples de réalisation des profils des flancs de la partie principale de la couronne. En effet, la partie principale centrale 121 comportent deux flancs 127, 128 sur lesquels sont raccordés les deux branches latérales 122, 123. La géométrie de ces flancs permet de modifier l'amplitude des vibrations transmises à l'outil de coupe. Ainsi, il est possible de modifier le profil des flancs en fonction du niveau d'amplitude souhaité et en fonction des applications. Le profil des flancs peut être rectiligne comme illustré à la figure 3a ou encore conique comme illustré à la figure 3b. De manière préférentielle, le profil des flancs 127, 128 présente une forme courbe de type caténoidale comme illustré à la figure 3c. Avantageusement, la couronne 120 est dimensionnée de manière à obtenir un rapport entre le diamètre extérieur Dbe des branches latérales 122, 123 et l'épaisseur Ep de la partie centrale 121 supérieure à 1. Le respect de ce rapport permet d'optimiser l'efficacité du dispositif 100 et ainsi transmettre davantage de vibrations à l'outil de coupe 160. Le diamètre extérieur Dpe de la partie principale 121 de la couronne 120 correspond à un multiple d'une demi-longeur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110, et avantageusement le diamètre Dpe est égal à une demi-longueur d'onde, de sorte que la couronne 120 soit résonante avec l'émetteur à ultrasons 110. La sonotrode stabilisatrice 130 est dimensionnée pour pouvoir vibrer en résonance avec la couronne 120 et l'émetteur 110. Par conséquent, la sonotrode stabilisatrice 130 présente une longueur qui est multiple de la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110. Avantageusement, la longueur de la sonotrode stabilisatrice 130 est égale à la demi-longueur d'onde de l'émetteur 110. La sonotrode stabilisatrice 130 participe donc à la mise en vibration de l'outil de coupe 160. Il est également possible d'optimiser l'amplitude de l'outil de coupe 160 en modifiant simplement la forme de cette sonotrode stabilisatrice 130. Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de moduler simplement l'amplitude transmise à l'outil de coupe 160 sur un même dispositif de mise en vibration 100 simplement en interchangeant des sonotrodes stabilisatrices 130 présentant différentes formes. Préférentiellement, la sonotrode stabilisatrice 130 présente une forme cylindrique ou encore une forme de cône tronqué, dont le plus grand diamètre est positionné en regard de la couronne 120. Ainsi, la sonotrode 120 en forme de couronne complétée par la sonotrode stabilisatrice 130 positionnée dans le prolongement de l'émetteur 110 permet d'optimiser le recentrage de la bande passante de l'ensemble électroacoustique par rapport à la fréquence de résonance de l'émetteur 110, et participe à l'augmentation du rendement du dispositif électroacoustique et de l'amplitude des vibrations transmises à l'outil de coupe 110. Le système de fixation 140 permet de raccorder l'ensemble vibrant à un ensemble non vibrant, telle qu'une machine, sans décentrer la bande passante de l'ensemble électroacoustique. Par conséquent, le système de fixation est également dimensionné de manière à pouvoir vibrer avec les autres éléments du dispositif 100. Le système de fixation 140 peut également être constitué d'un « booster » ultrason, composant classiquement utilisé dans les applications ultrasonores. Le système de fixation présente une longueur multiple de la longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110, et avantageusement égale la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110. La rallonge résonante 150 est dimensionnée de manière à permettre la transmission d'une vibration radiale de la couronne 130 à l'outil de coupe 160. De manière identique aux autres éléments constituant l'ensemble vibratoire, la longueur de la rallonge 150 est un multiple de la longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110, et avantageusement égale à une demi-longueur d'onde. Cette rallonge résonante 150, optionnelle, peut être un élément communément appelé « booster » afin de pouvoir éventuellement permettre une modification de l'amplitude radiale transmise à l'outil de coupe inerte 160 si nécessaire. L'outil de coupe 160 à faire vibrer peut être avantageusement une lame métallique, un système vibrant comme un fil, une lame composite, des outils de forme de type emporte-pièce. Grâce au dispositif selon l'invention, il n'existe plus de limite ni de contrainte liée aux opérations de réaffutage des lames de coupe dans la mesure où l'augmentation de la fréquence de résonance de la lame, inhérente à cette réparation, ne déstabilise plus l'ensemble électroacoustique. Le dispositif selon l'invention permet également de réaliser des découpes de produits de dimensions variées avec un même dispositif et une même machine, notamment par la possibilité d'utiliser une gamme variée de lames sans contraintes de dimensions. L'invention a été particulièrement décrite pour la mise en vibration d'un outil de coupe pour la découpe de produits industriels, et plus particulièrement des agro-alimentaires. Toutefois, bien que le problème soit lié au domaine particulier de la découpe de produits agro-alimentaires, le dispositif selon l'invention permet également d'apporter des améliorations dans d'autres domaines techniques nécessitant la mise en vibration d'un élément. Ainsi, l'outil de coupe décrit dans la présente demande peut facilement être remplacé par d'autres éléments inertes par exemple pour réaliser des opérations de découpe de produit non alimentaire, de mise en vibration d'échangeurs de chaleur, de nettoyage, de décolmatage d'éléments filtrants, de mise en vibration de système bactéricides, etc. L'invention a été particulièrement décrite avec une unique position de l'outil de coupe inerte. Toutefois, il est prévu de pouvoir déplacer facilement et librement l'outil de coupe sur le pourtour périphérique de la couronne. L'invention a été particulièrement décrite avec un seul élément inerte à faire vibrer ; toutefois, il est également envisager de pouvoir faire vibrer plusieurs éléments inertes simultanément notamment grâce à la forme particulière de la sonotrode. L'invention a été particulièrement décrite avec une architecture particulière, toutefois, il est prévu de pouvoir modifier le positionnement de l'émetteur, de la sonotrode stabilisatrice, de l'élément inerte et du système de fixation en fonction des contraintes d'encombrement et des applications souhaitées. REVENDICATIONS1. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte, pour la coupe de produits industriels ledit dispositif comportant: - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un émetteur à ultrasons (110) ; - un outil de coupe (160) inerte à faire vibrer ; - une sonotrode accordée à la fréquence de l'émetteur (120) ; lo ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite sonotrode (120) comporte une partie principale (121) en forme de disque présentant un axe de révolution (X) et deux branches latérales cylindriques (122, 123) s'étendant de part et d'autre de la partie principale (121), selon une direction parallèle à l'axe de révolution (X), 15 ledit disque (121) présentant un pourtour périphérique (126) sur lequel est raccordé ledit outil de coupe (160) ; ledit émetteur à ultrasons (110) étant raccordé à une première branche latérale cylindrique (122). 20 2. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite partie principale (121) présente un diamètre extérieur (Dpe) dont la valeur est égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur (110). 25 3. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie principale (121) présente une épaisseur (En) et en ce que les branches latérales cylindriques (122, 123) présentent un 30 diamètre extérieur (Dbe), ladite sonotrode (120) étant dimensionnée de sorte que le rapport entre le diamètre extérieur (Dbe) des brancheslatérales cylindriques (122, 123) et l'épaisseur (En) de la partie principale (121) soit supérieur à 1. 4. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie principale (121) en forme de disque comporte deux flancs (127, 128), les flancs (127, 128) présentant un profil rectiligne ou un profil courbe. 5. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif (100) comporte une sonotrode auxiliaire stabilisatrice (130) raccordée à une deuxième branche latérale cylindrique (123). 6. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite sonotrode stabilisatrice (130) présente une géométrie en forme de cylindre ou de cône tronqué. 7. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que ladite sonotrode stabilisatrice présente une longueur qui est multiple de la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur (110). 8. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif (100) comporte un moyen de fixation (140) permettant de solidariser ledit dispositif de mise en vibration (100) sur une ensemble non résonant. 9. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le pourtour périphérique (126) de ladite partie principale (121) de la sonotrode (120) comporte au moins un méplat (125) créant un surface d'appui plane sur laquelle est raccordée ledit outil de coupe (160). 10. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un outil de coupe (160) inerte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le pourtour périphérique (126) de ladite partie principale (121) de la sonotrode (120) comporte une pluralité de méplats (125) répartis sur le pourtour périphérique (126) créant des surfaces d'appui planes pour pouvoir raccorder des éléments vibrants et/ou des éléments inertes.