Soudage plastique par ultrasons : une grande fiabilité, une précision extrême et une répétabilité impressionnante

Le terme d’ultrasons désigne des vibrations mécaniques comparables à celles des instruments de musique mais d’une fréquence supérieure aux capacités auditives de l’oreille humaine (16 kHz).

Le soudage par ultrasons consiste à envoyer ces vibrations de haute fréquence vers deux pièces de plastique par le biais d’un outil vibrant métallique, la sonotrode. La soudure s’effectue à l’aide de la chaleur engendrée à l’interface des deux pièces. Cette chaleur est produite par l’excitation des molécules causée par l’émission d’ultrasons.

Le soudage par ultrasons utilise différents éléments :

• Le générateur d’ultrasons
• Le convertisseur piezo-électrique ou transducteur qui va transformer les ultrasons en vibrations mécaniques
• Le booster ou modificateur d’amplitude qui réduit ou augmente l’amplitude produite par le convertisseur
• La sonotrode qui transmet les ultrasons aux éléments à souder
• La presse dont le rôle est de maintenir en pression les éléments à souder

La sonotrode, le booster et le transducteur forment ce qu’on appelle la pile acoustique. La pression et la longueur d’onde sont étudiées en fonction de la nature de chaque matériau à souder. Une fois ces paramètres définis, on peut alors procéder à l’opération de soudage qui comprend les étapes suivantes :

• Alignement des pièces
• Mise en pression des pièces et descente de la sonotrode
• Emission d’ultrasons échauffant le matériau à son point de fusion
• Maintien de la pression durant la phase de refroidissement

Dans la mesure où le soudage par ultrasons ne produit pas d’échauffement périphérique, il constitue une technologie adaptée à l’assemblage d’éléments fusibles tels que les matières plastiques et polymères. Il permet un assemblage net et propre des matériaux, sans apport de matière, tout en offrant une jonction à la fois solide et durable.

Hautement résistante, cette technologie est couramment employée dans le domaine de l’emballage et du conditionnement ainsi que dans l’industrie médicale, alimentaire, automobile et la micro-industrie.

Il existe différents types de soudeuses par ultrasons. Certaines utilisent l’énergie pneumatique fournie par l’air comprimé, d’autres l’énergie électrique. Alors que le mouvement pneumatique empêche tout contrôle de vitesse et génère davantage de contraintes sur le joint de soudure, plus de bavures et une résistance moindre, le mouvement asservi électrique permet d’offrir une précision extrême. En outre, la nature aléatoire de la force appliquée dans le cas d’un mouvement pneumatique augmente le risque de variations d’une pièce à l’autre.

Le moteur asservi Dukane iQ présente de nombreux avantages, en comparaison avec les systèmes pneumatiques. Il permet de contrôler tous les aspects du soudage de manière précise. Le processus de soudage peut être activé à partir de 0,1 seconde après avoir atteint une quantité de force prédéfinie.

La fonte du matériau peut ainsi démarrer au bout de quelques millisecondes. La cellule de chargement de précision détecte alors aussitôt la fonte, ainsi la vitesse de mouvement augmente au fur et à mesure que la résistance diminue, conformément aux paramètres prédéfinis par l’utilisateur. Cette technologie brevetée de détection de fusion permet d’améliorer de manière considérable la précision du processus de soudage.

Une fois l’assemblage des pièces effectué, la vitesse diminue avant que ne démarre la phase de maintien. Les ultrasons sont alors interrompus tandis qu’une quantité de force prédéfinie reste appliquée. Ce processus contrôlé permet de générer un assemblage plus résistant, tout en réduisant le risque de bavures, les variations de soudures et les contraintes sur la zone soudée.  

La machine de soudage à asservissement iQ Servo combine un processeur multi cœur iQ Series à contrôle numérique et une presse asservie. En se basant sur une technologie à asservissement entièrement électrique, la machine de soudage par ultrasons iQ Servo élimine les risques de variabilité liés aux systèmes pneumatiques, de façon à offrir une précision et une répétabilité extrêmes.

Elle offre un contrôle précis de la vitesse, de la force et de l’emplacement de la pile ultrasonore qui se traduit par un processus fiable et optimisé. La machine à souder iQ Servo se démarque également par sa large plage de fréquences : 50, 40, 30, 20 et 15 kHz.

Grâce à la technologie de détection de fusion Melt-Mach, la machine iQ Servo est en mesure d’offrir un soudage à la fois plus résistant et plus fiable qu’un système pneumatique. La vitesse de la pile ultrasonore s’adapte à celle du débit de fonte de la matière plastique de façon à offrir un entremêlement moléculaire optimal.

La sonotrode descend jusqu'à ce que l'effort préréglé de déclenchement de la fusion soit atteint. Dès lors, elle continue de descendre avec un profil de vitesse multipoint programmable, de façon à éviter toute contrainte, puis va comprimer la pièce dès le début de la fonte.

Le contrôle de la vitesse de la pile ultrasonore durant le cycle de soudage réduit la variabilité et augmente la résistance de la soudure. Le gain de précision obtenu, en comparaison avec les systèmes pneumatiques, permet de souder des pièces de 1 mm par 1 mm, faisant de cette technologie une véritable référence dans l’industrie médicale.

Le contrôle numérique intégral de l’alimentation avancée Dukane iQ permet à la machine iQ Servo de bénéficier d’une alimentation robuste et homogène. L’architecture multi-cœur avancée permet de faire grimper la vitesse du taux d’acquisition des données à 0,5 ms offrant ainsi une précision et une répétabilité accrues.

Grâce à l’algorithme à rampe linéaire, la pile acoustique atteint son amplitude de fonctionnement de façon progressive, ce qui permet de réduire les tensions anormales à la pile et à la tension électrique. La conception matérielle modulaire brevetée de la machine favorise l’interconnexion entre les composants internes de façon à diminuer les câblages, augmentant ainsi sa solidité et ses performances.

En outre, le fait d’utiliser une commande entièrement numérique permet d’offrir des configurations uniques, tout en facilitant les mises à niveau aux exigences futures.

L’alimentation avancée Dukane iQ offre également une grande fiabilité :

• Protection contre les surcharges avec indicateur d’état
• Régulation de tension ligne de façon à offrir une amplitude homogène
• Régulation de charge pour une amplitude d‘ultrason constante sans considérer la puissance acoustique absorbée
• Modulation de largeur d‘impulsion pour une plus grande efficacité, de façon à préserver la durée de vie des composants
• Réglage Digi-Trac de la fréquence de résonance numérique

Grâce à son support ultra-rigide, la presse asservie iQ offre un soudage plus homogène. La manivelle de colonne et le vérin à gaz permettent une configuration simple. Son système d‘assemblage compact à glissière à billes linéaire monorail permet un positionnement précis, un mouvement stable et un déplacement sans friction.

Adaptée aux assemblages délicats de précision, elle propose une force de déclenchement programmable de 1 N (toute version de fréquence).

En utilisant l’énergie électrique, la machine iQ Servo offre un rendement relativement élevé en comparaison avec les systèmes pneumatiques. Ces derniers n’utilisent réellement que 50% de l’air comprimé requis lors de l’opération, en raison des nombreuses pertes. Ce rendement occasionne une réduction notable des coûts de fonctionnement du processus, le coût de l’énergie nécessaire pour générer l’air comprimé restant élevé.

Afin de répondre aux besoins des micro-industries, la machine iQ Servo Mini reprend tous les atouts de la iQ Servo mais dans un petit format spécialement conçu pour les pièces de petite taille, ne pesant que quelques fractions de grammes. Equipée d’une mini-presse, elle propose une conception rigide et ultra robuste et intègre la technologie Melt-Match ainsi que la fonction d’acquisition supérieure des données.

Fondée en 1922, la société Dukane est spécialisée dans trois domaines :

• Les produits audiovisuels
• Les appareils subaquatiques de localisation
• Les systèmes d’assemblages thermiques, ultrasoniques et à friction

Basée à Chicago dans l’Illinois, elle dispose de filiales dans quasiment le monde entier et notamment en France où elle a récemment ouvert un second bureau à Fournes-en-Weepes, dans le département du Nord, en plus de celui ouvert en 2006 à Saint Priest, dans la région lyonnaise. Fournisseur de produits et de services de haute qualité, Dukane se positionne comme un partenaire de confiance auprès des professionnels de toutes les branches de l'industrie, de la production et du commerce.

Engagé dans une démarche d’innovation constante, Dukane IAS déposait en 2017 deux nouveaux brevets. L’un d’entre eux concerne la technologie Melt-Match évoquée plus haut. L’autre concerne un nouveau design de directeur d’énergie. De forme ronde, au lieu d’être en pointe, ce dernier améliore sensiblement les performances fonctionnelles de la pièce finale et permet de réduire les coûts de fabrication, la production de directeurs d’énergie en pointe nécessitant de recourir à l’électro-érosion et occasionnant ainsi un surcoût.

Ce directeur d’énergie de forme ronde permet également d’améliorer la répétabilité du processus de soudage.