Brevet FR3076480A1 — publié le 20190712

COUTEAU MONOBLOC EN CARBURE DE TUNGSTENE POUR DECOUPE PAR ULTRASONS Domaine technique La présente invention concerne le domaine de la découpe par ultrasons de pièces de matériaux divers et variés, au moyen d'un couteau. Elle a trait plus particulièrement à une nouvelle conception de couteau. Les applications industrielles concernées par l'invention, sont nombreuses. Parmi celles-ci, il peut s'agir de découpes spécifiques dans des matières souples, notamment dans des nids d'abeille en aluminium, en kevlare, en plastique ...destinés à des pièces spécifiques, notamment des pièces dans le domaine de l'aéronautique, Art antérieur La découpe assistée par ultrasons est un procédé pour la découpe de matériaux sans dégagement de polluants ou déchets de matière avec une lame excitée par ultrasons. Plus précisément, un système de mise en oeuvre d'une telle découpe comprend tout d'abord un générateur à ultrasons qui transforme l'énergie, typiquement sous une tension de 100 à 250 Volts, à 50-60 Hz en un signal électrique de 800 à1000 Volts, a 20-30 kHz. Ce signal est appliqué à des céramiques piézoélectriques à l'intérieur d'un convertisseur qui vont transformer le signal en vibrations mécaniques haute fréquence. Ces vibrations vont être amplifiées par un amplificateur, usuellement appelé « booster » et le convertisseur, créant ainsi une masse. L'amplification ou la réduction de l'amplitude est obtenue grâce à certaines caractéristiques de conception ou à la forme géométrique du booster. Le couteau qui est la partie active et terminale du système porte l'amplitude à son maximum et en contact avec la matière à découper. Les vibrations provoquent un échauffement des fibres qui se figent dès lors que l'on stoppe les vibrations. Cet échauffement réalise ainsi la découpe de la matière. On a représenté en figures 1 et 1A, un couteau 1 découpe par ultrasons existant. Celui s'étend selon un axe longitudinal X est constitué d'une partie proximale 2 formant la queue de préhension du pour la préhension du couteau dans un support vibrant 2 par ultrasons et d'une partie distale 3 formant la lame de découpe. La queue 2 est généralement filetée pour permettre la fixation du couteau au reste du système de découpe. Comme visible en figure 1A, la lame 3 a une forme générale avec deux surfaces parallèles jointes de part et d'autre par une surface triangulaire isocèle dont les 5 bords apparents 30, 31 forment la surface de coupe proprement dite. A titre d'exemple, comme symbolisé en figure 2, l'angle formé entre les bords de coupe 30, 31 est de l'ordre de 30°. Plus précisément, jusqu'à présent, la queue 2 est en acier et la lame 3 est en carbure de tungstène. Pour assembler le couteau, la queue 2 et la lame 3 sont fabriquées 10 indépendamment, puis la queue 2 est emmanchée dans le corps de la lame 3 et un cordon de brasure 4 réalisé de manière continue vient les fixer ensemble. La figure 2 montre en vue de coupe une lame 3 d'un tel couteau existant qui vient découper la matière M en se déplaçant selon la direction D, avec un angle d'inclinaison de l'ordre de 15°. 15 De manière générale, les avantages d'une découpe par ultrasons comparés aux autres outils coupants sont des coupes rapides et précises avec un meilleur état de surface final, des efforts de coupe générés plus faibles, des surfaces de coupe propres ainsi que les temps de découpe et d'arrêt réduits pour le nettoyage des couteaux. Ces avantages sont constatés systématiquement lorsque la découpe est réalisée 20 en ligne droite. Cependant, avec une telle géométrie de lame, il subsiste une difficulté importante de réaliser correctement des découpes selon des trajectoires courbes pour l'obtention de formes complexes. Par ailleurs, l'inconvénient majeur des couteaux existants est leur faible durée 25 de vie, soit parce qu'ils sont mis au rebut dès leur validation par tests chez le fabricant, soit parce qu'ils cassent de manière intempestive en cours de découpe in-situ, ce qui peut entraîner des surcoûts importants. Il existe donc un besoin de proposer une nouvelle conception de couteau destiné à la découpe par ultrasons, notamment afin sa durée de vie et de permettre des 30 découpes précises et rapides selon des trajectoires courbes pour l'obtention de formes complexes. Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. 3 Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un couteau, destiné à réaliser une découpe assistée par ultrasons, s'étendant selon un axe longitudinal et comprenant une partie proximale formant une queue pour la préhension du couteau dans un support vibrant par 5 ultrasons, et une partie distale formant une lame de coupe, le couteau étant monobloc en carbure de tungstène. Ainsi, l'invention consiste essentiellement à réaliser un couteau monobloc en carbure de tungstène. Les inventeurs ont cherché à analyser les causes d'une part des mises au rebut 10 pour cause de non vibration et d'autre part des casses lors de découpe, pour les couteaux existants. Ils ont ainsi déterminé les conditions d'utilisation, les matériaux associés à chacun des composants d'un système de découpe par ultrasons dont le couteau, les conditions aux limites (charges et contraintes de déplacement) et les critères de validation 15 des couteaux, à savoir les déplacements en bout et réponses de phase/fréquence. Suite à cette détermination, les différents paramètres trouvés ont été modélisés numériquement grâce au logiciel commercial connu sous l'appellation ANSYS. Les inventeurs sont alors parvenus à la conclusion que les cordons de brasure qui servent à assembler la queue et la lame d'une part n'étaient pas déformables en eux- 20 mêmes dans les modes de déformation par vibration des couteaux et pouvaient en quelque sorte déplacer les noeuds de vibration et d'autre part constituaient chacun une zone mécanique faible qui conduit à la rupture brutale des couteaux. Les inventeurs sont alors parvenus à la conclusion qu'il était nécessaire de supprimer ces cordons de brasure et donc de réaliser des couteaux monoblocs dans la 25 matière constitutive de la partie lame. Les inventeurs ont été à l'encontre d'un préjugé répandu selon lequel tous les couteaux mis en oeuvre pour une découpe par ultrasons doivent être nécessairement en deux parties assemblées entre elle par brasure. Initialement, ce préjugé vient du fait que les queues des couteaux ne pouvaient 30 être qu'en un métal tel que l'acier pour pouvoir être filetés à des fins de fixation et que réaliser un tel filetage dans un matériau dur utilisé pour la lame, tel que le carbure de tungstène était techniquement insurmontable. 4 Autrement dit, selon ce préjugé, un homme de l'art n'envisageait même pas d'effectuer des expériences en vue d'établir s'il était possible de réaliser un couteau monobloc en carbure de tungstène et si un tel couteau permettrait de pallier les inconvénients des cordons de brasure dans les couteaux existants. 5 Or, de facto, à ce jour, la technique pour réaliser un usinage de filets dans un corps monobloc en carbure de tungstène est aboutie, ce qu'ont réalisé les inventeurs. Et, ce faisant, ils ont pu constater que les couteaux monoblocs en carbure de tungstène avec une queue filetée donnaient entière satisfaction dans la découpe de pièces par ultrasons. 10 En outre, profitant de la modélisation du couteau monobloc selon l'invention qu'ils avaient réalisée et des informations obtenues sur les conditions de mise en oeuvre des couteaux existants, les inventeurs ont pensé à résoudre la difficulté de découpes selon des trajectoires courbes par ces derniers et/ou dans des types de matériaux. Ils ont ainsi pu définir de nouvelles géométries des couteaux monoblocs selon 15 l'invention qui offrent la possibilité de telles trajectoires courbes en vue d'obtenir des formes complexes. Ainsi, selon un premier mode de réalisation avantageux, la lame de coupe présente une section transversale à l'axe X en forme de parallélogramme. De préférence, selon ce mode, l'angle aigu formé entre deux bords de coupe de la lame étant compris 20 entre 10 et 30°. Cette géométrie à section parallélogramme est plutôt dédiée à la découpe de matériaux plus rigides, tels que les nids d'abeille en aluminium ou des matières types Inconel® avec des formes fines et complexes. Cette géométrie permet une meilleure découpe des formes complexes grâce à l'angle aigu avantageusement de 20°. Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, la lame de coupe présente 25 une section transversale à l'axe X en forme de losange. Selon ce mode, de préférence, l'angle aigu formé entre deux bords de coupe de la lame est compris entre 20 et 45°. Cette géométrie à section en losange est plutôt dédiée à la micro-découpe, à la découpe d'éléments de petite taille ou possédant des géométries complexes de petites tailles. On peut également envisager un mode selon lequel la lame présente une 30 section transversale en forme de triangle ou encore en forme de portion sphérique. Ces formes sont dédiées pour d'autres applications que des découpes dans des nids d'abeille ou pour une nouvelle industrialisation d'un procédé. 5 L'invention a également pour objet l'utilisation d'un couteau monobloc qui vient d'être décrit pour la découpe par ultrasons d'une structure en nid d'abeille, notamment en aluminium. Avantageusement, la découpe est réalisée selon une ou plusieurs trajectoires 5 courbes. L'utilisation du couteau peut être faite pour la découpe de pièces composites destinées à constituer une partie d'un d'avion, notamment des profilés de plancher. Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la 10 lecture de la description détaillée d'exemples de mise en oeuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue de côté d'un exemple de couteau pour découpe par ultrasons, selon l'état de l'art; - la figure lA est une vue en coupe transversale selon A-A de la figure 1 ; 15 - la figure 2 est une vue schématique en coupe montrant une lame d'un couteau selon les figures 1 et lA en cours de découpe d'une matière; - la figure 3 est une vue de côté d'un exemple de couteau pour découpe par ultrasons, selon l'invention; - la figure 3A est une vue en coupe transversale selon A-A de la figure 1 ; 20 - la figure 4 est une vue schématique en coupe de la lame d'un couteau selon les figures 3 et 3A, en cours de découpe d'une matière ; - les figures 5 à 7 sont des vues schématiques en coupe montrant différentes variantes de géométries de lame d'un couteau selon l'invention et en cours de découpe d'une matière. 25 On précise ici dans l'ensemble de la présente demande, les termes « distal » et « proximal » sont utilisés par référence à un couteau dans sa configuration montée sur un système de découpe par ultrasons. Ainsi, la partie distale du couteau est constituée par la lame de coupe qui est en contact et va réaliser la découpe de la matière. Les figures 1 et 2 relatives à un couteau selon l'état de l'art ont déjà été 30 commentées en préambule. Elles ne seront donc pas décrites ci-après. Un couteau selon l'invention, globalement désigné par la référence 1 est destiné à réaliser une découpe assistée par ultrasons d'une matière M. 6 Selon l'invention, le couteau 1 est monobloc et constituée d'un corps de révolution autour d'un axe (X) en carbure de tungstène, c'est-à-dire que la queue 2 et la lame de coupe 3 sont formés à partir d'un seul bloc de carbure de tungstène. En outre, la queue 2 peut être filetée. 5 La figure 3A montre la section transversale parallélogramme de la lame de coupe 3. La figure 4 montre l'avancée selon la direction D de la lame 3 du couteau monobloc en carbure de tungstène lors d'une découpe par ultrasons d'une matière M. Dans cet exemple, l'angle entre les bords de coupe 30, 31 est égal à 20° et l'angle de 10 coupe est égal à 0°. Plusieurs variantes de réalisation avantageuses de géométries de la lame 3 du couteau monobloc selon l'invention et de positionnement de coupe sont montrées aux différentes figures 5 à 7 avec respectivement : - une section transversale en losange avec un angle aigu entre bords de 15 coupe 30, 31 de 30° et avec un angle de coupe avec la matière M qui est nul ; - une section transversale en triangle isocèle et un angle de coupe nul ; - une section transversale en portion de sphère avec un angle de coupe nul. Le couteau monobloc en carbure de tungstène qui vient d'être décrit est particulièrement adapté pour réaliser une découpe par ultrasons d'une structure en nid 20 d'abeille en aluminium destinées à constituer une partie d'avion, notamment des planchers. D'autres variantes et avantages de l'invention peuvent être réalisés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, si dans l'exemple illustré, la fraise est réalisée monobloc, les dents de 25 coupe peuvent aussi bien être rapportées sur le corps de fraise par brasage ou être fixées par vissage. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; REVENDICATIONS1.Couteau (1), destiné à réaliser une découpe assistée par ultrasons, s'étendant selon un axe longitudinal (X) et comprenant une partie proximale formant une queue (2) pour la préhension du couteau dans un support vibrant par ultrasons, et une partie distale formant une lame de coupe (3), le couteau étant monobloc en carbure de tungstène. 2. Couteau (1) selon la revendication 1, dans lequel la lame de coupe présente une section transversale à l'axe X en forme de parallélogramme. 3. Couteau (1) selon la revendication 2, l'angle aigu formé entre deux bords de coupe (30, 31) de la lame étant compris entre 10 et 30°. 4.Couteau (1) selon la revendication 1, dans lequel la lame de coupe présente une section transversale à l'axe X en forme de losange. 5. Couteau (1) selon la revendication 4, l'angle aigu formé entre deux bords de coupe (30, 31) de la lame étant compris entre 20 et 45°. 6. Couteau (1) selon la revendication 1, dans lequel la lame de coupe présente une section transversale à l'axe X en forme de triangle isocèle. 7. Couteau (1) selon la revendication 1, dans lequel la lame de coupe présente une section transversale à l'axe X en forme de portion sphérique. 8. Utilisation d'un couteau selon l'une des revendications précédentes pour la découpe par ultrasons d'une structure en nid d'abeille, notamment en aluminium. 9. Utilisation selon la revendication 8, la découpe étant réalisée selon une ou plusieurs trajectoires courbes. 10. Utilisation selon la revendication 8 ou 9, pour la découpe de pièces composites destinées à constituer une partie d'un d'avion, notamment des profilés de plancher.