Brevet FR3061063A1 — publié le 20180629

L'invention concerne le domaine du soudage de pièces en matière plastique, plus précisément de pièces de véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne une sonotrode apte à réaliser de telles opérations de soudage. Des pièces de véhicule automobile, comme par exemple un pare-chocs ou encore un 5 plancher, comprennent une pluralité d'éléments en matière plastique, par exemple réalisés dans un matériau thermoplastique, fixés les uns aux autres par soudage. Afin de réaliser ces opérations de soudage, il est possible d'utiliser une sonotrode. On entend par sonotrode un dispositif prenant de préférence de forme allongée, par exemple en forme de tige ou cylindrique, reliée à un générateur d'ultrasons. Cette 10 sonotrode reçoit des ultrasons provenant du générateur d'ultrason, à une fréquence généralement comprise entre 20kHz et 40 kHz, et restitue l'énergie vibratoire dans son extrémité en contact avec les matériaux à souder. La sonotrode comprend une extrémité lui permettant de souder deux éléments en matière plastique en contact l'un avec l'autre. La restitution de l'énergie vibratoire 15 provoque localement l'excitation des molécules de la matière, dégageant de l'énergie et entrainant une montée en température permettant de faire fondre les deux éléments en matière plastique au niveau de la zone de contact avec la sonotrode afin de souder les deux éléments entre eux. Après arrêt des ultrasons, il est nécessaire d'attendre que la matière plastique commence à refroidir avant de retirer la sonotrode sous peine de nuire 20 à la qualité de la soudure. Le nombre important d'éléments à souder les uns aux autres sur certaines pièces de véhicule automobile conduit à devoir réaliser un nombre de soudures important tout en respectant une cadence de production la plus rapide possible. Cependant, la répétition des soudures conduit à un échauffement progressif de la sonotrode. Lorsque la 25 sonotrode a accumulé une certaine quantité de chaleur, il est nécessaire de la laisser plus longtemps en place au niveau d'une zone de soudure. En effet, en cas de retrait trop rapide et surtout si la température est encore élevée localement, la matière fondue génèrerait des fils. Ce temps d'attente nuit au rendement. Il est alors intéressant de mettre en place un dispositif permettant de refroidir la 30 sonotrode et l'empêchant de monter en température. Il a été proposé dans l'art antérieur d'équiper le dispositif de soudure d'un tube alimenté en air comprimé et orienté vers l'extrémité libre de la sonotrode, c'est-à-dire l'extrémité comprenant la partie qui sera en contact avec la matière à souder. Cependant, un tel dispositif ne permet qu'un refroidissement local de la sonotrode, au 35 niveau de la sortie de l'air comprimé, avec par conséquent une surface d'échange restreinte. Les régions de la sonotrode n'étant pas reliées au tube alimenté en air comprimé, mais dans lesquelles la chaleur de la matière à souder se diffuse, vont alors 3061063 2 subir un échauffement. Cette solution n'a alors qu'un faible intérêt en terme de refroidissement de la sonotrode. Une autre solution envisagée consiste à percer un ensemble de trous linéaires dans le corps de la sonotrode afin de créer un circuit de fluide à l'intérieur de la sonotrode, 5 circuit alimenté en air comprimé. Cependant, un tel dispositif comprend plusieurs inconvénients. Premièrement, il est difficile de forer la sonotrode sur une grande longueur du fait de la difficulté de réalisation de grands forages. De plus, de tels forages peuvent avoir pour conséquence de fragiliser la sonotrode. Enfin, cette méthode ne permet de créer qu'un 10 circuit dont les canaux sont rectilignes. Dans ce cas, soit le circuit est présent uniquement dans une zone limitée de la sonotrode, soit les canaux rectilignes doivent être organisés pour faire un cheminement, avec ajout de bouchons sur certaines ouvertures ce qui complique le maintien de l'étanchéité avec les vibrations. Le refroidissement de la sonotrode n'est alors pas optimal. 15 Une solution permettant de créer un circuit ayant une structure complexe (c'est-à-dire composée de canaux non rectilignes) consiste à réaliser une sonotrode en plusieurs blocs qui sont forés selon des angles de forage différents puis à assembler les différents blocs pour créer la sonotrode. Cependant cela nécessite de réaliser un alignement parfait des différents blocs sous peine d'obturer partiellement voire totalement le circuit de fluide. 20 De plus, la sonotrode étant un dispositif traversé par des vibrations, cette structure en plusieurs blocs peut conduire à une fragilisation de la sonotrode. Un but de l'invention est de supprimer, ou tout au moins, de limiter notablement tout ou partie des inconvénients précités. Dans ce but, l'invention a pour objet une sonotrode pour soudage de deux pièces en 25 matière plastique caractérisé en ce que la sonotrode est réalisée d'un seul tenant, et en ce qu'elle comprend : - au moins un orifice d'entrée, - au moins un orifice de sortie, et au moins un conduit formant un canal interne communiquant avec les orifices d'entrée 30 et de sortie de sorte que la sonotrode comprend au moins un circuit de fluide s'étendant depuis l'orifice d'entrée, à travers le canal interne et jusqu'à l'orifice de sortie, le canal interne ayant une forme non linéaire apte à optimiser l'échange thermique avec le fluide le parcourant. Ainsi, on obtient une sonotrode comprenant une capacité de refroidissement 35 supérieure à l'art antérieur du fait que la forme du circuit va permettre un meilleur échange thermique entre la sonotrode et le fluide de refroidissement et ainsi engendrer le refroidissement d'un plus grand volume de la sonotrode, et aussi facilitera la création 3061063 3 et le maintien d'un régime turbulent du fluide de refroidissement, ce qui améliore les échanges thermiques et donc le refroidissement par rapport à un régime d'écoulement laminaire. Il est même envisageable que la sonotrode ne chauffe pas du tout malgré la répétition des soudures. De plus, cette sonotrode est réalisée en un seul bloc, ce qui permet de conserver une structure solide et ce malgré la présence d'un circuit de refroidissement interne d'une forme apte à générer et maintenir des turbulences dans le fluide le parcourant. Optionnellement, la sonotrode selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le conduit est apte à générer et maintenir des turbulences au niveau du fluide le parcourant ; le conduit a une forme choisie parmi la forme en double-hélice ou la forme en treillis ; la sonotrode comprend un volume creux compris entre 5% et 60% du volume total de la sonotrode, préférentiellement entre 8% et 40%, encore plus préférentiellement entre 20% et 34%; la sonotrode comprend une surface d'échange comprise entre 5 000 et 50 000 mm2, préférentiellement entre 6 500 et 35 000 mm2, encore plus préférentiellement entre 11 000 et 25 000 mm2 ; - le conduit est apte à être traversé par un gaz, de préférence de l'air ; la sonotrode est réalisée par fabrication additive, et ; - la sonotrode est réalisée en titane, aluminium ou acier, avec ou sans traitement thermique. Nous allons maintenant présenter trois modes de réalisation de l'invention à l'appui 25 des figures annexées, pour les mêmes dimensions extérieures de sonotrode, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'une sonotrode selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective d'un conduit selon un premier mode de réalisation de l'invention; 30 - les figures 3 est une vue en perspective d'une variante du conduit de la figure 2; les figures 4 et 5 sont des vues en perspective d'un conduit selon un second mode de réalisation de l'invention, et ; - les figures 6 et 7 sont des vues en perspective d'un conduit selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; 35 On se réfère maintenant aux figures 1 et 2 qui représentent une sonotrode 2 comprenant un corps principal 4 et deux extrémités, une extrémité supérieure et une extrémité inférieure 8. La sonotrode peut être réalisée en métal, par exemple en titane, 3061063 4 aluminium ou acier, ou dans toute autre matériau adapté à sa fonction, avec ou sans traitement thermique. Une extrémité supérieure de la sonotrode 2 est apte à relier la sonotrode avec un générateur d'ultrasons. Une extrémité inférieure 8 de la sonotrode 2 est apte à être en 5 contact avec des éléments en matière plastique à souder. Pour cela, l'extrémité inférieure 8 peut être en V ou en cornière permettant à la sonotrode de recouvrir les zones à souder, ou bien, comme cela est représentée à la figure 1, comprendre plusieurs rangées (dont le nombre peut varier) de dents 10 permettant à la sonotrode de traverser la première épaisseur de matière plastique au niveau des zones à souder. 10 La sonotrode 2 peut comprendre deux conduits 12 et 14 formant canaux internes permettant la circulation d'un fluide de refroidissement, par exemple de l'air comprimé, à l'intérieur de la sonotrode 2, comme illustré sur la figure 2. Le conduit 12 comprend un orifice d'entrée 16 et un orifice de sortie 18. Le conduit 14 comprend un orifice d'entrée 20 et un orifice de sortie 22. Ces orifices peuvent évidemment être inversés, les orifices 15 18 et 22 devenant des orifices d'entrée et les orifices 16 et 20 devenant des orifices de sortie. Ces orifices peuvent déboucher sur les parois latérales du corps principal 4 de la sonotrode 2. Les deux conduits 12 et 14 sont enroulés l'un autour de l'autre afin de former une structure en forme de double-hélice, chacune des hélices ayant un pas identique à 20 l'autre. Cette identité de pas est visible sur la figure 2, mais également sur la figure 3, sur laquelle on voit que le pas P1 de l'hélice 12 est identique au pas P2 de l'hélice 14. Cette identité permet de répartir les conduits 12 et 14 uniformément sur la longueur de la sonotrode 2. Les pas des hélices peuvent être différents. Cette structure en double-hélice permet de répartir largement les conduits 12 et 14 dans le volume de la sonotrode, engendrant ainsi une surface d'échange qui peut refroidir une grande partie du volume de la sonotrode et cette géométrie avec des courbures permet aussi de créer plus facilement des turbulences dans le fluide de refroidissement, par exemple l'air comprimé, circulant dans les conduits 12 et 14. De plus, pour un même débit de fluide, le canal interne peut avoir un diamètre plus petit qu'une sonotrode selon l'art antérieur (dans l'art antérieur le diamètre minimal est imposé par la contrainte de devoir forer profondément, i.e. avec un foret d'un diamètre suffisamment important) et le régime d'écoulement est par conséquent plus facilement turbulent. Afin de pouvoir réaliser une sonotrode 2 comprenant des canaux ayant la structure illustrée à la figure 2, la sonotrode 2 peut être, à l'instar de toutes les sonotrodes décrites ci-après, réalisée par impression en trois dimension (3D), technique permettant de construire la sonotrode 2 couche après couches et ainsi créer une sonotrode 2 d'un seul tenant et comprenant les conduits 12 et 14. Ces conduits 12 et 14 s'étendent sur environ 3061063 5 70% de la longueur de la sonotrode 2 et en moyenne 40% de sa largeur. Dans ce mode de réalisation, le volume vide de la sonotrode 2 est égal à 8 265 mm3 pour un volume total de 100 428 mm3, soit un pourcentage de zones creuses égal à 9% du volume total de la sonotrode. La surface d'échange thermique est quant à elle égale 5 à 6 609 mm2. La figure 3 représente une variante de réalisation du conduit de la figure 2. La sonotrode selon cette variante ne comprend qu'un seul conduit 24 formant canal interne et par conséquent un seul orifice d'entrée 26 et un seul orifice de sortie 28. Le conduit 24 forme, à l'instar des conduits 12 et 14 de la figure 2, une structure en forme de double 10 hélice. Une boucle terminale 30 remplace alors les extrémités des conduits 12 et 14 débouchant sur les orifices 18 et 22. Dans cette variante de réalisation, le volume vide de la sonotrode 2 est égal à 8 869 mm3 pour un volume total de 100 428 mm3, soit un pourcentage de zones creuses égal à 9,7% du volume total de la sonotrode. La surface d'échange thermique est quant à elle 15 égale à 7 093 mm2. Le canal 24 s'étend sur environ 70% de la longueur de la sonotrode 2 et en moyenne sur 40% de sa largeur. Dans ce qui va suivre, on décrira deux autres modes de réalisation de l'invention en se référant aux figures 4 à 7. Sur ces figures, les éléments analogues à ceux des figures 20 précédentes sont désignés par des références numériques identiques. Dans un second mode de réalisation illustré aux figures 4 et 5, la sonotrode 2 peut comprendre un conduit 32 formant un canal interne relié à deux orifices 36 et 38 d'entrée et de sortie de fluide de refroidissement. Le conduit 32 comprend une pluralité de portions rectilignes 33 s'étendant 25 parallèlement les unes aux autres dans une direction parallèle à un axe longitudinal A. Les portions 33 sont situées à égale distance les unes des autres et forment un cercle dans un plan de coupe parallèle à un axe transversal B. Cette disposition, qui peut varier par rapport à celle des figures 4 et 5, permet de répartir uniformément les zones creuses dans la sonotrode 2 afin d'optimiser le refroidissement de cette dernière. Les portions 33 30 sont reliées les unes aux autres par l'intermédiaire de deux portions circulaires 34 situées sensiblement au niveau des orifices 36 et 38 et s'étendant dans une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal A. Le circuit de fluide s'étend sur environ 80% de la longueur de la sonotrode 2 et en moyenne sur 60% de sa largeur. Dans ce mode de réalisation, le volume vide de la sonotrode est égal à 17 259 mm3 35 pour un volume total de 100 428 mm3, soit un pourcentage de zones creuses égal à 20,8% du volume total de la sonotrode. La surface d'échange thermique est quant à elle égale à 11 828 mm2. 3061063 6 Dans un troisième mode de réalisation de l'invention illustré aux figures 6 et 7, la sonotrode peut comprendre un conduit 40 en forme treillis relié à deux orifices d'entrée et de sortie (non représentés), conduit formant un circuit interne de diffusion de fluide de refroidissement. 5 A l'instar du conduit 32, le conduit 40 comprend une pluralité de portions rectilignes 42 s'étendant parallèlement les unes aux autres dans une direction parallèle à l'axe longitudinal A. Les portions 42 sont situées à égale distance les unes des autres et forment un réseau ayant une forme adaptée à la région de la sonotrode dans laquelle ils sont situés. Par exemple, dans la partie supérieure de la sonotrode proche de l'extrémité, 10 les portions 42 forment un réseau de forme cylindrique. Dans la partie inférieure de la sonotrode proche de l'extrémité 8, les portions 42 forment un réseau dont la section dans un plan parallèle à l'axe B a la forme d'un parallélépipède rectangle. Cette disposition, qui peut varier par rapport à celle des figures 6 et 7, permet de répartir uniformément les zones creuses dans la sonotrode 2 afin d'optimiser le refroidissement de cette dernière. 15 Les portions rectilignes 42 sont reliées les unes aux autres par l'intermédiaire de portions de liaison 44 s'étendant dans des directions formant un angle compris entre 30° et 60°, de préférence sensiblement égal à 45° avec la direction dans laquelle s'étendent les portions rectilignes 42. Les angles formés au niveau de la jonction entre les portions 42 et 44 permettent de produire plus facilement la sonotrode en fabrication additive et 20 présentent aussi l'avantage de générer plus facilement de grandes turbulences du fluide de refroidissement parcourant le conduit 40. Dans ce mode de réalisation, le conduit s'étend sur environ 80% de la longueur de la sonotrode 2 et environ 80% de sa largeur. Dans ce mode de réalisation, le volume vide de la sonotrode 2 est égal à 25 352 mm3 25 pour un volume total de 100 428 mm3, soit un pourcentage de zones creuses égal à 33,8% du volume total de la sonotrode. La surface d'échange thermique est quant à elle égale à 19 078 mm2. En fonctionnement, de l'air comprimé (ou tout autre fluide de refroidissement) est injecté dans le ou les conduits de la sonotrode lors de son fonctionnement. Le fait d'avoir 30 d'une part un ou des conduits s'étendant sur une longueur comprise entre 70% et 80% de la longueur de la sonotrode 2 et sur une largeur comprise entre 40% et 80% de la largeur de la sonotrode 2 et d'autre part une structure de conduit permettant de générer et de maintenir des turbulences dans le flux de fluide le long de son parcours permet de refroidir efficacement la sonotrode 2 voire d'éviter un échauffement de cette dernière en 35 fonctionnement. Cela permet de maintenir une cadence très élevée concernant la fabrication de pièce en matière plastique comprenant des éléments à souder les uns aux autres. 3061063 7 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est par exemple envisageable d'avoir des formes de conduit différentes de celles décrites ci-dessus tout en conservant des propriétés de refroidissement similaires. 5 3061063 8 Nomenclature letmode de réalisation 2 : sonotrode 5 4 : corps principal 8 : extrémité inférieure 10 : dents 12: ler conduit 14 : 2ème conduit 10 16: 1er orifice du 1er conduit 18 : 2ème orifice du premier conduit 20: ler orifice du 2ème conduit 22 : 2ème orifice du 2ème conduit 24 : conduit unique 15 26: 1er orifice du conduit unique 28 : 2ème orifice du conduit unique 30 : boucle terminale ^ : pas du conduit 12 P2: pas du conduit 14 20 2ème mode de réalisation 32 : conduit 33: portions rectilignes 34 : portions circulaires 36: 1er orifice du conduit 25 38: 2è" orifice du conduit A: axe longitudinal B : axe transversal 3ème mode de réalisation 40 : conduit 30 42 : portions rectilignes 44: portions de liaison A: axe longitudinal B : axe transversal REVENDICATIONS1. Sonotrode (2) pour soudage de deux pièces en matière plastique caractérisé en ce que la sonotrode est réalisée d'un seul tenant, et en ce qu'elle comprend : - au moins un orifice d'entrée (16, 20, 26 ; 36 ; 46), - au moins un orifice de sortie (18, 22,28 ; 38 ; 48), et au moins un conduit (12, 14, 24 ; 32 ; 40) formant un canal interne communiquant avec les orifices d'entrée et de sortie de sorte que la sonotrode comprend au moins un circuit de fluide s'étendant depuis l'orifice d'entrée, à travers le canal interne et jusqu'à l'orifice de sortie, le canal interne ayant une forme non linéaire apte à optimiser l'échange thermique avec le fluide le parcourant. 2. Sonotrode (2) selon la revendication 1, dans laquelle le conduit (12, 14, 24; 32; 480) est apte à générer et maintenir des turbulences au niveau du fluide le parcourant. 3. Sonotrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le conduit (12, 14, 24 ; 40) a une forme choisie parmi la forme en double-hélice ou la forme en treillis. 4. Sonotrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un volume creux compris entre 5% et 60% du volume total de la sonotrode, préférentiellement entre 8% et 40%, encore plus préférentiellement entre 20% et 34%. 5. Sonotrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une surface d'échange comprise entre 5 000 et 50 000 mm2, préférentiellement entre 6 500 et 35 000 mm2, encore plus préférentiellement entre 11 000 et 25 000 mm2. 6. Sonotrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit (12, 14, 24 ; 32 ; 40) est apte à être traversé par un gaz, de préférence de l'air. 7. Sonotrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la sonotrode étant réalisée par fabrication additive. 8. Sonotrode (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la sonotrode étant réalisée en titane, aluminium ou acier, avec ou sans traitement thermique.35