Brevet FR3057195A1 — publié le 20180413

DISPOSITIF DE MISE EN VIBRATION PAR ULTRASONS D'UN FIL VIBRANT POUR LA DECOUPE DE PRODUITS INDUSTRIELS, ET NOTAMMENT DES PRODUITS ALIMENTAIRES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est relatif au domaine de la découpe de produits industriels, et en notamment au domaine de la découpe de produits agroalimentaires. L'invention concerne plus particulièrement la découpe de produits industriels, notamment de produits alimentaires, au moyen d'un fil de coupe. ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION A l'heure où les produits alimentaires sont de plus en plus souvent présentés prétranchés afin d'en faciliter l'utilisation ou la consommation, la maîtrise des opérations de tranchage et de découpage reste une problématique délicate pour de nombreux produits : produits mous, moelleux, collants, friables, hétérogènes, de petites dimensions ou encore de grandes dimensions. Afin de pouvoir répondre à ces différentes problématiques, de nouveaux outils et procédés de découpe sont continuellement mis au point. Ainsi, il a été développé des nouvelles techniques permettant d'améliorer les 20 découpes de certains produits comme par exemple la découpe par jet d'eau à haute pression (jet hyperbare) ou encore la découpe par vibrations ultrasonores mettant en vibration une lame. La découpe par ultrasons est un procédé utilisant un dispositif de mise en vibration par ultrasons mettant en mouvement à haute fréquence une lame rigide 25 présentant au moins une arête tranchante. Ainsi, les vibrations ultrasoniques de la lame rigide, bien que d'amplitude modérée, ont une telles caractéristiques (vitesse, accélération, fréquence de vibration) que l'objet tend à ne pas adhérer 3057195 2 à la lame et permettent d'augmenter le pouvoir de coupe de la lame. Par conséquent, ce procédé de découpe est particulièrement adapté pour la découpe de produits fragiles ne tolérant pas de grandes déformations sous l'effet d'une lame, les produits riches en matière grasse ou en sucre et donc collants, pour la 5 découpe en parts de produits ronds, pour la découpe de produits de différentes hauteurs (typiquement variant entre 10 et 120 mm), pour la découpe de produits de grandes épaisseurs (typiquement de 60 à 200mm), et encore pour la découpe de tranches fines (de l'ordre de 2mm). Ainsi, la découpe par ultrasons permet de répondre à de nombreux objectifs et contraintes de découpe. 10 Toutefois, l'utilisation d'un tel procédé de découpe par ultrasons au moyen d'une lame rigide vibrante présente quelques inconvénients. 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 15 conséquent de modifier la fréquence de résonance de la lame, ce qui engendre un déséquilibre de l'ensemble électroacoustique. De plus, cette opération d'affûtage n'est pas toujours une opération réalisable, notamment lorsque l'endommagement de la lame est trop important. Bien qu'il soit 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, cette opération est complexe, longue, coûteuse, limitée et 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 à ultrasons est dimensionnée pour fonctionner à une plage de fréquence donnée, ce qui impose des contraintes dimensionnelles de la lame. Enfin, ces machines de coupe utilisant des dispositifs par ultrasons représentent un investissement important et présentent l'inconvénient d'être peu versatiles car 3057195 3 elles sont généralement dimensionnées et utilisées pour des applications spécifiques. Par conséquent, il peut arriver que ces machines de découpe par ultrasons ne soient pas adaptées pour la découpe de produits de grandes dimensions. En effet, la largeur maximale d'une lame résonante est fonction de 5 la fréquence de résonance. Plus la fréquente augmente plus la largeur de la lame décroit. Ainsi à une fréquence ultrasonore de 20kHz, la largeur d'une lame résonante se situe autour de 400mm pour une lame en alliage de titane. Par conséquent, la découpe de produits de grandes dimensions nécessite la juxtaposition de plusieurs lames jumelles ce qui complexifie l'implantation et rend 10 inadapté la découpe de produits de grandes dimensions car trop couteuse à mettre en place. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de découpe de produits industriels, et plus particulièrement de découpe de produits agro-alimentaires, 15 particulièrement versatile, facilement adaptable en fonction des applications et des dimensions du produits à découper, présentant les avantages d'efficacité d'un dispositif de découpe par mise en vibration par ultrasons d'une lame résonante connu de l'état de la technique, tout en présentant un avantage économique par rapport aux dispositifs de découpe par ultrasons connus de l'état 20 de la technique. A cette fin, l'invention concerne un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe pour la coupe de produits industriels, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un générateur 25 et un émetteur à ultrasons ; - un ensemble résonant accordé à la fréquence de l'émetteur et permettant la transmission d'une vibration ultrasonore ; ledit ensemble résonant présentant un axe longitudinal (X) ; - un fil de coupe raccordé à l'ensemble résonant et mis vibration par ledit ensemble résonant ; ledit fil de coupe étant maintenu en tension par des 3057195 4 moyens de mise en tension tendant le fil de coupe selon une direction parallèle au dit axe longitudinal (X) dudit ensemble résonant. Le dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe pour la coupe de produits industriels selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs 5 des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit ensemble résonant comporte un élément vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) ; - ledit ensemble résonant comporte un élément vibrant selon un mode de 10 traction-compression selon l'axe longitudinal (X) et permettant la modification de l'amplitude de la vibration ultrasonore transmise au fil de coupe ; - ledit ensemble résonant comporte un élément transversal vibrant selon un mode de flexion solidaire dudit élément vibrant selon un mode de traction- 15 compression selon l'axe longitudinal (X) ; - ledit élément transversal vibrant selon un mode de flexion est localisé à une extrémité dudit élément vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) ; - ledit élément transversal vibrant selon un mode de flexion et ledit élément 20 vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) sont une pièce monobloc ; - ledit élément transversal vibrant selon un mode de flexion et ledit élément vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) sont deux pièces distinctes solidarisées par des moyens de maintien ; 25 - ledit élément transversal vibrant selon un mode de flexion comporte des moyens d'accroche dudit fil de coupe ; - ledit ensemble résonant comporte une bride de maintien permettant de solidariser ledit ensemble résonant sur un premier support non résonant ; 3057195 5 - ledit ensemble résonant comporte un élément vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) et en ce que la bride de maintien est positionnée au niveau d'un plan nodal du élément vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) ; 5 - lesdits moyens de mise en tension du fil de coupe sont solidaires d'un deuxième support non résonant ; - ledit premier support non résonant et ledit deuxième support non résonant sont une même et unique pièce ou sont deux pièces distinctes ; - ledit ensemble résonant présente une longueur multiple de la demi- 10 longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur ; - ledit dispositif comporte une pluralité de fils de coupe agencés parallèlement à l'axe longitudinal (X) de l'ensemble résonant ; - le fil de coupe a une longueur variable ; - le dispositif est un dispositif de coupe de produits alimentaires. 15 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 un schéma de principe d'un premier exemple de réalisation 20 d'un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un fil vibrant pour la coupe de produits agro-alimentaires selon l'invention ; - la figure 2 illustre de manière plus détaillée l'ensemble résonant du dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un fil vibrant pour la coupe de produits agro-alimentaires illustré à la figure 1 ; 25 - la figure 3 représente un deuxième exemple de réalisation d'un ensemble résonant d'un dispositif de mise en vibration par ultrasons d'un fil vibrant pour la coupe de produits agro-alimentaires selon l'invention. 3057195 6 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente un schéma d'ensemble d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif de mise en vibration par ultrasons 100 pour la mise en vibration d'un fil de coupe 200. 5 Le dispositif de mise en vibration par ultrasons 100 selon l'invention comporte : - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe constitué d'un générateur 111 et d'un émetteur à ultrasons 110 vibrant à une fréquence comprise entre 20 kHz et 100 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 ainsi que le fil de coupe 200 ; - un ensemble résonant 120 accordé à la fréquence de l'émetteur 110 faisant office de sonotrode permettant une transmission d'une vibration ultrasonore au fil de coupe 200 ; - un moyen de mise en tension 140 dudit fil de coupe 200 permettant de 15 régler la tension du fil de coupe 200. Dans le premier exemple de réalisation illustré aux figure 1 et 2, l'ensemble résonant 120 est constitué par : - un élément 121 vibrant en traction-compression selon l'axe longitudinal X de l'ensemble résonant 120, ledit élément 121 présentant une longueur 20 multiple de la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110 (avantageusement une longueur égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence de l'émetteur 110) ; - une bride de maintien 160 permettant de solidariser l'ensemble résonant 120 sur un support 150 non résonant ; la bride de maintien 160 est 25 positionnée au niveau d'un plan nodal de l'élément vibrant 121 de sorte que la bride de maintien 160 ne présente pas de déplacement longitudinal X mais uniquement un déplacement dans le sens radial de faible amplitude à la fréquence de l'émetteur 110 ; - un élément transversal 122 positionnée à une extrémité de l'élément 30 vibrant 121 servant d'élément d'accroche du fil de coupe 200 ; l'élément 3057195 7 transversal 122 étant positionné de manière transversale par rapport à l'axe longitudinal X de l'ensemble résonant 120 de sorte qu'il vibre en flexion et transmette ce mode vibratoire au fil de coupe 200. Selon ce premier mode de réalisation, l'élément transversal 122 vibrant en flexion 5 est intégré à l'élément 121 vibrant en traction-compression sorte que l'élément vibrant 121 et l'élément transversal 122 forment une pièce monobloc. L'élément 121 vibrant en traction-compression sur l'axe longitudinal X peut également être un booster ultrason classiquement utilisé dans les applications ultrasonores. Un tel booster permet de modifier l'amplitude de la vibration 10 ultrasonore transmise au fil de coupe 200. L'élément transversal 122 présente des moyens d'accroche 123 pour le positionnement et le maintien d'une extrémité du fil de coupe 200. Selon un exemple de réalisation, les moyens d'accroche 123 sont formés par un orifice traversant l'élément transversal 122 et ménagé à proximité du pourtour 15 périphérique de l'élément transversal 122. Toutefois, les moyens d'accroche 123 peuvent être formés par n'importe quel moyen permettant la fixation et l'accroche de l'extrémité du fil de coupe 200 à l'élément transversal 122. Ainsi, à titre d'exemple, les moyens d'accroche peuvent être formés par un système de serrage au moyen par exemple d'une vis 20 et d'un écrou venant pincer le fil de coupe, un simple orifice permettant le passage du câble, une équerre solidaire de l'élément transversal présentant un orifice pour le passage du fil de coupe ou encore un système de serrage. A fréquence fixe, l'amplitude de vibration du fil de coupe 200 est réglable en modifiant électroniquement la consigne d'amplitude ultrasonore du générateur à 25 ultrasons, en modifiant un des éléments de la chaine acoustique (émetteur, booster), en modifiant la position des moyens d'accroche 123 du fil de coupe 200 ménagés sur l'élément transversal 122, ou encore en modifiant la tension du fil de coupe 200 via le moyen de mise en tension 140 du fil de coupe 200. 3057195 8 Le moyen de mise en tension 140 du fil de coupe 200 est solidaire d'un support non résonant 150'. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, le moyen de mise en tension 140 est positionné sur un support 150' différent du support non résonant 150 sur lequel est positionné et maintenu l'ensemble résonant 120. Bien 5 entendu, il est également possible de réaliser un unique support de sorte que le moyen de mise en tension 140 et l'ensemble résonant 120 soient sur un même support. Le moyen de mise en tension 140 est positionné sensiblement en regard de l'ensemble résonant 120 de sorte que le fil de coupe 200 s'étende préférentiellement selon une direction parallèle à l'axe longitudinal X de l'ensemble résonant 120. Ce moyen de mise en tension 140 permet également de régler la tension du fil de coupe 200 en fonction des applications. La position longitudinale du moyen de mise en tension 140 par rapport à l'ensemble résonant 120 est avantageusement modifiable de manière à pouvoir 15 adapter la longueur du fil de coupe 200 et donc la longueur de la zone de coupe à différentes applications. Pour cela, le support 150' présente des moyens ad hoc permettant de verrouiller/déverrouiller la position du moyen de mise en tension à différentes positions longitudinales par rapport à l'ensemble résonant 120. Ce mode de réalisation présentant un élément vibrant 121 et un élément 20 transversal 122 monoblocs permet d'optimiser la résonance du dispositif de mise en vibration en augmentant le rendement de transmission de la vibration au fil de coupe 200. Selon un deuxième exemple de réalisation illustré à la figure 3, l'élément transversal 222 ne fait pas partie intégrante de l'élément vibrant 221 mais est une 25 pièce distincte rapportée et solidarisée sur l'élément vibrant 221. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'élément transversal 222 est par exemple une rondelle solidarisée au moyen d'une vis 223 coopérant avec un orifice taraudé de l'élément vibrant 221. Ce mode de réalisation a pour avantage de faciliter le changement de position du fil de coupe 200, notamment par rotation de l'élément 30 transversal 222 autour de son axe de révolution de la vis 223. 3057195 9 L'élément transversal 122, 222 est par exemple un élément circulaire, telle qu'une rondelle mais peut présenter n'importe quelle forme polygonale tant que son épaisseur reste faible (par exemple de l'ordre de quelques millimètres). Contrairement aux lames rigides utilisées classiquement dans le domaine de la 5 découpe par ultrasons, l'utilisation d'un fil de coupe 200 a pour avantage de présenter une masse négligeable. Ainsi, l'utilisation de fil de coupe dans un dispositif de mise en vibration par ultrasons a pour avantage de minimiser le désaccord de l'ensemble électroacoustique. Par conséquent, l'utilisation d'un fil vibrant permet de s'affranchir de tout risque de casse de l'ensemble 10 électroacoustique, pouvant intervenir notamment lors de l'utilisation d'une lame rigide dont la fréquence de résonance de la lame n'est pas ajustée. Par conséquent, les opérations de conception et de mise en place d'un tel dispositif sont donc simplifiées. L'utilisation d'un fil de coupe permet également de s'affranchir des opérations complexes de d'affûtage et des inconvénients liés 15 à ces opérations. Le fil de coupe 200 est classiquement un fil alimentaire, par exemple réalisé en acier inoxydable, en alliage de titane ou encore en alliage d'acier présentant des caractéristiques de résistance mécaniques élevées. A titre d'exemple, le fil de coupe 200 est réalisé à partir d'un alliage d'acier au cobalt, par exemple 20 comprenant 39 à 41% de cobalt, 19 à 21% de Chrome, 14 à 16% de Nickel, 11,3 à 20,5% de Fer, 6 à 8% de Molybdène et 1,5 à 2,5% de Manganèse. Le fil de coupe 200 présente un diamètre de quelques millimètres maximum. Avantageusement, le fil de coupe 200 a un diamètre compris entre 0,5 mm et 2 mm. 25 Le fil de coupe 200 peut être un fil poli ou présenter des rugosités, cette dernière configuration présentant l'avantage d'améliorer les capacités de coupe du dispositif. L'invention a été particulièrement décrite pour la mise en vibration d'un fil de coupe pour la découpe de produits industriels, et plus particulièrement des agro- 3057195 10 alimentaires. Toutefois, bien que le problème soit lié au domaine particulier de la découpe de produits agro-alimentaires de grandes dimensions, le dispositif selon l'invention permet également d'apporter des améliorations dans d'autres domaines techniques. 5 L'invention a été particulièrement décrite avec un unique fil de coupe à faire vibrer ; toutefois, il est également envisagé de pouvoir faire vibrer plusieurs fils de coupe simultanément sans perturbation de la résonance de l'ensemble, notamment grâce à la faible masse des fils de coupe. Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des coupes dans n'importe 10 quelles directions par déplacement du dispositif de mise en vibration par rapport aux produits à découper comme avec les dispositifs de mise en vibration par ultrasons mettant en mouvement une lame rigide. Cependant, le dispositif selon l'invention permet également de laisser le dispositif fixe et de déplacer uniquement les produits à découper. Ceci est permis notamment par le fait qu'il 15 n'est pas nécessaire de réaliser un mouvement d'aller/retour comme avec une lame vibrante. Ainsi, il est possible de découper des produits selon un plan de coupe horizontale, les produits se déplaçant par exemple sur un tapis roulant et étant maintenus en position par des moyens ad hoc (maintien par dépression, etc). 20 REVENDICATIONS1. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un générateur (111) et un émetteur à ultrasons (110) ; - un ensemble résonant (120) accordé à la fréquence de l'émetteur et permettant la transmission d'une vibration ultrasonore ; ledit ensemble lo résonant (120) présentant un axe longitudinal (X) ; - un fil de coupe (200) raccordé à l'ensemble résonant (120) et mis vibration par ledit ensemble résonant (120) ; ledit fil de coupe (200) étant maintenu en tension par des moyens de mise en tension (140) tendant le fil de coupe (200) selon une direction parallèle au dit axe 15 longitudinal (X) dudit ensemble résonant (120). 2. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit ensemble résonant (120) comporte un élément (121) 20 vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X). 3. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que ledit ensemble résonant (120) comporte un élément 25 (121) vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X) et permettant la modification de l'amplitude de la vibration ultrasonore transmise au fil de coupe (200). 4. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) 30 pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que ledit ensemble résonant (120) comporte un élément 3057195 12 transversal (122, 222) vibrant selon un mode de flexion solidaire dudit élément (121, 221) vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X). 5 5. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit élément transversal (122, 222) vibrant selon un mode de flexion est localisé à une extrémité dudit élément (121, 221) vibrant selon un mode de traction-compression selon l'axe longitudinal (X). 6. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 4 à 5 caractérisé en ce que ledit élément transversal (122) vibrant selon un mode de flexion et ledit élément (121) vibrant selon un mode de traction- compression selon l'axe longitudinal (X) sont une pièce monobloc. 7. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 4 à 5 caractérisé en ce que ledit élément transversal (222) vibrant selon un mode de flexion et ledit élément (221) vibrant selon un mode de traction- compression selon l'axe longitudinal (X) sont deux pièces distinctes solidarisées par des moyens de maintien. 8. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que ledit élément transversal (122, 222) vibrant selon un mode de flexion comporte des moyens d'accroche (123) dudit fil de coupe (200). 9. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 1 à 8 3057195 13 caractérisé en ce que ledit ensemble résonant (120) comporte une bride de maintien (160) permettant de solidariser ledit ensemble résonant (120) sur un premier support (150) non résonant. 5 10. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon la revendication 9 caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en tension (140) du fil de coupe (200) sont solidaires d'un deuxième support (150') non résonant. 10 11. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit premier support (150) non résonant et ledit deuxième support (150') non résonant sont une même et unique pièce ou deux pièces distinctes. 15 12. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que ledit ensemble résonant (120) présente une longueur multiple de la demi-longueur d'onde de la fréquence de 20 l'émetteur (110). 13. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que ledit dispositif (100) comporte une pluralité de fils de 25 coupe (200) agencés parallèlement à l'axe longitudinal (X) de l'ensemble résonant (120). 14. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 1 à 13 30 caractérisé en ce que la longueur du fil de coupe (200) est variable. 3057195 14 15. Dispositif (100) de mise en vibration par ultrasons d'un fil de coupe (200) pour la coupe de produits industriels selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que le dispositif (100) est un dispositif de coupe de produits alimentaires. 5