CA2224816C - Dispositif de decoupage par ultrasons - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de découpage par ultrasons comportan t un générateur d'ultrasons présentant une fréquence propre donnée, couplé à u n outil de découpe. L'outil de découpe est un disque (5) entraîné en rotation et le générateur d'ultrasons (10, 11) est couplé à une région centrale (4) du disq ue (5) par l'intermédiaire d'un moyen de couplage (30, 40), ladite région centrale (4) étant disposée sur un ventre d'amplitude des vibrations ultrasonores produit es par le générateur d'ultrasons (10, 11).

Description

DISPOSITIF DE DECOUPAGE PAR ULTRASONS
La présente invention a pour objet un dispositif de découpage par ultrasons comportant un générateur d'ultrasons présentant une fréquence propre donnée, couplé à un outil de découpe.
Le découpage industriel, en particulier de produits alimentaires, peut être réalisé à l'aide d'un certain nombre de techniques disponibles incluant des dispositifs traditionnels, tels que les dispositifs de découpe à guillotine, ou bien encore des dispositifs qui ont fait l'objet de développements relativement récents, tels que la découpe des aliments au jet d'eau supersonique. Cette dernière technique fait en.
particulier l'objet d'un Article de Jean-Luc BOUTONNIER, publié dans la Revue des ENIL (n 163), pages 5 à 12.
Une autre technique connue et relativement récente est celle du couteau à ultrasons. En particulier, une unité de découpage qui est décrite dans la Demande de Brevet japonais n 4-75898, déposée par la Société NIGATA
et publiée le 10 mars 1992, met en oeuvre des couteaux à
ultrasons qui sont animés de mouvements alternatifs, chaque couteau étant mis en vibrations par un générateur d'ultrasons qui est simplement couplé à une extrémité de la lame du couteau de manière à faire vibrer celle-ci.
Une technique similaire est décrite dans la Demande de Brevet japonais JP-122 2892, également de la Société
NIGATA, publiée le 6 septembre 1989.
La technique de découpage par lames vibrantes par ultrasons permet d'assurer une découpe propre, mais au détriment de la rapidité, étant donné que la vitesse linéaire de déplacement des produits et donc la vitesse linéaire de découpage est limitée à une vitesse qui ne dépasse guère en pratique un mètre par minute.
La présente invention a pour objet un dispositif de découpage par ultrasons ne comportant pas l'inconvénient précité, et qui permet en particulier

2 d'atteindre des vitesses linéaires de découpage de plusieurs mètres par minute, et pouvant atteindre 10 mètres/minute.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de découpage permettant un découpage sans enlèvement de matière.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de découpage qui puisse être utilisé pour des produits réputés difficiles à découper, tels que la pâtisserie, le pain ou bien encore le pain de mie, se trouvant à l'état chaud à la sortie d'un four de cuisson.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de découpage qui puisse être facilement nettoyé, et qui en particulier puisse être nettoyé en continu, de manière à permettre un découpage dans des conditions de propreté élevées.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de découpage présentant un couplage amélioré
entre le générateur d'ultrasons et l'outil de découpage.
Le dispositif selon l'invention présente un outil de découpage qui est un disque entraîné en rotation, et le générateur d'ultrasons est couplé à une région centrale du disque par l'intermédiaire d'un moyen de couplage, ladite région centrale étant disposée sur un ventre d'amplitude des vibrations ultrasonores produites par le générateur d'ultrasons selon un mode donné.
Le dispositif de découpage selon l'invention utilise donc un générateur d'ultrasons classique, et le moyen de couplage selon l'invention a pour fonction de transformer un mouvement dirigé selon l'axe du disque en un mouvement mettant en vibrations la surface du disque perpendiculairement à cet axe, soit dans un mode radial, soit de préférence dans un mode de flexion.
Le moyen de couplage comporte un barreau dont la longueur est avantageusement égale à la moitié de la longueur d'onde (;~) correspondant, pour le matériau qui

3 compose le barreau, à la fréquence propre f du générateur d'ultrasons. Ledit barreau a une extrémité amont couplée au générateur d'ultrasons, ainsi qu'une extrémité aval couplée au disque, le barreau ayant une section non constante et décroissante de l'amont vers l'aval. Le barreau présente de préférence une région amont de longueur a./4, une région aval de longueur X/4, la région aval ayant une section constante, inférieure à celle, également constante, de la région amont.
Le moyen de couplage comporte également un élément de couplage de longueur î,/2 qui prolonge le barreau. Cet élément de couplage peut être un résonateur cylindrique, la région centrale du disque étant alors disposée sur un ventre d'amplitude longitudinale, de manière à permettre le mode préféré d'excitation- du disque par des vibrations de flexion. Selon un mode de réalisation préféré, la région centrale du disque est avantageusement disposée en sandwich entre l'extrémité
aval du barreau et l'extrémité amont de l'élément de couplage.
L'invention concerne également un dispositif caractérisé en ce que l'unité de découpe comporte une pluralité de disques comportant au moins un disque amont couplé à l'extrémité aval du barreau et un disque aval couplé à l'extrémité amont dudit élément de couplage, l'élément de couplage ayant une extrémité aval libre, et en ce que les disques sont espacés entre eux par des entretoises de couplage intermédiaires de manière à être disposés sur des ventres de vibrations induisant leur déplacement en mode flexion.
L'invention concerne enfin un dispositif caractérisé en ce que l'unité de découpe comporte une pluralité de disques comportant au moins un disque amont couplé à l'extrémité aval du barreau et un disque aval couplé à l'extrémité amont dudit élément de couplage, l'élément de couplage ayant une extrémité aval libre, et

4 en ce que les disques sont espacés entre eux par des entretoises de couplage intermédiaires de manière à être disposés avec un pas p sensiblement égal à un quart de la longueur d'onde et décalés d'un huitième de longueur d'onde par rapport à des ventres de vibrations induisant leur déplacement en mode flexion.
Il est particulièrement avantageux que l'unité
de découpe comporte un axe central sur lequel sont montés les entretoises et le générateur d'ultrasons et un dispositif de serrage coopérant avec l'axe pour serrer les disques positionnés entre les entretoises.
Les disques peuvent présenter des évidements en anneau conservant la symétrie de révolution des disques. Ceci permet d'en réduire le poids sans altérer les performances du dispositif.
L'unité de découpe peut comporter un dispositif d'ajustement, de préférence individuel, de la force de serrage des disques.
Le dispositif peut être caractérisé en ce qu'il comporte n dites unités de découpe ayant chacune une pluralité de disques espacés entre eux de n x a et qui sont décalés l'un par rapport à l'autre de manière à
produire des découpes d'égale épaisseur a.
Ledit mode donné est, de préférence, essentiellement dépourvu de mise en flexion du ou des éléments de couplage, notamment des entretoises.
Selon une deuxième variante relative à une excitation du disque par des vibrations radiales, l'élément de couplage est une pièce profilée dont le diamètre est de préférence sensiblement égal àk/2 et la région centrale du disque est disposée sur un ventre d'amplitude radiale, c'est-à-dire sur un noeud d'amplitude longitudinale. En particulier, la région centrale du disque peut être disposée entre deux régions d'égale longueur de la pièce profilée, ces dites régions d'égale longueur pouvant alors être symétriques par rapport au disque, et présenter un diamètre allant en diminuant lorsque la distance au disque augmente.
L'invention concerne également une utilisation du dispositif telle que défini ci-dessus, pour la découpe

5 de produits tels que du pain, du pain de mie ou de la pâtisserie plus particulièrement à l'état chaud, notamment lors de la sortie du four de ces produits. Le dispositif selon l'invention peut être également utilisé
en particulier pour la découpe de produits carnés, crus ou cuits, ou bien de produits de salaison.
La fréquence du générateur d'ultrasons est avantageusement comprise entre 20 et 40 KHz et la vitesse dé rotation du disque entre 100 et 800 tours/minute.
L'amplitude vibratoire du disque est avantageusement comprise entre 15 et 25 .
La vitesse linéaire de déplacement du produit à découper est avantageusement comprise entre 2 et 10 mètres/minute, ce qui assure des cadences industrielles nettement améliorées par rapport aux outils de découpe à
ultrasons connus, mettant en oeuvre un couteau ou une scie alternative.
L'invention concerne également un procédé de découpe par ultrasons d'un produit, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif tel que défini ci-dessus. Selon un mode de réalisation préféré, la découpe est réalisée sur un produit sortant du four et à l'état chaud, la découpe étant suivie d'un conditionnement du produit, ce qui permet d'obtenir une très grande qualité
de propreté. En particulier, pour des produits tels que du pain de mie, on peut éviter l'étape précédemment nécessaire de refroidissement et de ressuage qui implique un temps assez long au cours duquel le produit est exposé
à l'air libre d'où une contamination microbienne, une perte de poids du produit, une perte de moelleux de celui-ci, et la nécessité de soumettre le produit avant

6 séchage à une étape spécifique de décontamination permettant d'assurer sa conservation ultérieure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins ci-annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement le procédé selon l'invention appliqué à la fabrication de pain de mie ;
- les figures 2a et 2b représentent respectivement un générateur d'ultrasons et les diagrammes respectifs de contrainte et d'élongation ;
- la figure 2ç représente le générateur d'ultrasons de la figure 2a auquel est adjoint un barreau amplificateur servant à amplifier l'amplitude des vibrations ultrasoniques, cette figure représentant également les diagrammes des contraintes et des amplitudes correspondants ;
- les figures 3a, 3b et 3ç représentent respectivement un mode de réalisation préféré du dispositif de découpage selon l'invention, mettant en oeuvre une excitation d'un disque par flexion, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention mettant en oeuvre une excitation radiale du disque, et enfin les diagrammes illustrant les amplitudes longitudinales et radiales le long du dispositif de découpage précité ;
- les figures 4a et 4b représentent deux variantes d'unités de découpe multilames selon l'invention, - la figure 5 représente un premier mode de réalisation d'une unité de découpe multilames selon l'invention, - et la figure 6 représente un mode de réalisation préféré d'une unité de découpe multilames selon l'invention.

7 L'invention a donc pour objet un dispositif de découpage qui soit utilisable dans des conditions de découpage relativement difficiles, en particulier dans le cas de pâtisserie ou de pain de mie sortant chaud du four. On sait qu'il est particulièrement difficile, par exemple, de découper des tranches minces dans un pain de mie qui vient d'être cuit. Dans la pratique, il faut laisser celui-ci reposer, lors d'une étape dite de ressuage, pouvant atteindre 24 heures et au cours de laquelle le pain de mie perd une partie de son humidité.
Le pain de mie est ensuite découpé et mis en sachet.
Cette opération présente l'inconvénient, outre d'exposer le produit à l'air libre et de le contaminer, de conduire à un produit moins moelleux que s'il avait pu être découpé immédiatement et, bien qu'il soit soumis à une étape spécifique de décontamination, dont la durée de conservation est relativement limitée. Comme on le montrera dans la suite de la description, le fait de découper le produit à l'état chaud et de l'ensacher immédiatement après, permet d'éviter tous les inconvénients précités et conduit à un produit dont les qualités organoleptiques sont améliorées et dont la durée de conservation est notablement augmentée.
Les difficultés de découpage peuvent être expliquées de la manière suivante.
Quand une lame entre dans un matériau avec une certaine vitesse et une certaine masse, on peut considérer qu'il se produit essentiellement deux types de phénomènes qui ont été décrits par les auteurs DAURSKIJ
et MATCHIKHINE :
- établissement d'une contrainte qui déforme le produit, puis provoque sa rupture, - contact entre deux entités animées de mouvements relatifs opposés, d'où apparition de forces de frottement qui tendent à ralentir l'entrée de l'outil dans le produit.

8 Le découpage d'un matériau solide est obtenu à
la suite de trois phénomènes intervenant successivement, à savoir une déformation élastique, une déformation plastique et la propagation d'une ligne de rupture.
Trois notions sont donc essentielles pour décrire les différents comportements de déformation des matériaux solides .
- déformation élastique . la déformation est réversible, - déformation plastique ou visqueuse . la déformation est irréversible et le matériau s'écoule par glissement des couches les unes sur les autres. Pour la plupart des matériaux solides, ce phénomène se traduit par un écoulement à partir d'un certain séu'il dé
contrainte supérieur à la limite de leur phase élastique, - rupture : si on continue d'augmenter la contrainte ou la déformation du matériau alors qu'il est dans sa phase plastique ou visqueuse, on augmente le glissement des couches les unes par rapport aux autres, et il arrive un moment où certaines couches ne se touchent plus et où une fissure apparaît. Cette fissure dont la propagation se fait suivant des lois très complexes conduit à la rupture sur toute l'épaisseur du matériau.
Aboutir à la rupture contrôlée d'un matériau est l'objectif du découpage.
Dans la phase élastique, l'énergie est emmagasinée et elle est complètement restituée dès que la contrainte s'annule de sorte que le matériau récupère sa forme initiale.
Dans la phase visqueuse ou plastique, l'énergie est utilisée pour déformer le matériau par glissement des couches les unes sur les autres et elle est donc consommée pour vaincre les forces de frottement et la déformation persiste quand la contrainte ou la déformation cesse.

9 PCT/FR96/00932 Dans la phase de rupture, l'énergie est utilisée pour faire progresser la fissure et elle est donc complètement consommée par la création de nouvelles surfaces.
Quand on réalise un découpage, on applique au matériau, pendant un temps très court, une contrainte supérieure à sa résistance à la rupture. On ne prend pas toujours en compte les paramètres caractérisant la phase élastique parce qu'elle est souvent négligeable devant la phase plastique et ceci d'autant plus que les déformations sont rapides. Les paramètres les plus importants sont ceux qui caractérisent la phase d'écoulement du matériau.
En pratique, les trois phases, élastique, plastique et rupture, se succèdent toujours lorsque l'on réalise la découpe d'un matériau solide, mais leur manifestation est plus ou moins visible suivant la nature du matériau. Par exemple, la gélose a essentiellement un comportement élastique, le beurre a essentiellement un comportement plastique et le chocolat a essentiellement un comportement de propagation de fracture.
Dans la plupart des matériaux, on a souvent une combinaison de ces trois comportements types.
Lors d'un découpage, on veut rester maître de la géométrie du trait de coupe pour obtenir des morceaux de forme voulue. Or, il arrive que pour un matériau donné, on ne maîtrise pas toujours sa déformation pour un niveau de contrainte donné. Ceci est d'autant plus vrai pour les produits alimentaires dont de nombreuses caractéristiques évoluent dans le temps avant d'atteindre un état d'équilibre. De plus, l'apparition des fissures au sein du matériau reste assez aléatoire. Pour éviter cela, on pratique généralement le découpage par érosion ou abrasion, c'est-à-dire qu'on utilise un outil tranchant dont le meilleur exemple est la scie. Le tranchant est usiné perpendiculairement à l'outil et l'on procède ainsi par déformation en surface de petites quantités de matériau, ce qui est plus facile à
maîtriser, mais il y a alors découpage avec enlèvement de matière.
5 Avec un outil tranchant, on applique donc très rapidement au matériau une contrainte supérieure à sa résistance à la rupture et il se produit en chaque point situé sur le trait de coupe une succession de trois phases de déformation, élastique, plastique et rupture,

10 mais pendant la durée du découpage, ces trois phases coexistent dans toute l'épaisseur du matériau.
Si l'on s'en tient au cas du pain de mie sortant du four, on constate que ce produit est difficile à découper en tranches minces en raison du fait qu'il tend à devenir collant et à engendrer des fractures irrégulières par blocs.
L'intérêt de la technique de découpage par ultrasons selon l'invention telle que décrite ci-après est de modifier ce comportement et de permettre, grâce à
la mise en oeuvre d'un outil, circulaire de préférence, dépourvu de dents, et mis en vibrations, d'arriver à un écartement régulier de la matière à découper et à un découpage franc du produit de préférence sans enlèvement de matière. Le découpage étant effectué par un disque qui est toujours en rotation évite les inconvénients des couteaux à ultrasons qui, étant donné qu'ils sont soumis à un mouvement alternatif, présentent une vitesse propre qui s'annule à chaque inversion du sens du mouvement, ce qui constitue un inconvénient majeur dans le cas de produits "collants" qui tendent rapidement à encrasser la lame du couteau, laquelle ne peut être nettoyée sans interrompre le découpage.
Conformément à la figure 1, des produits tels que des pains de mie, désignés par le repère général 1, sont cuits dans un four 2 puis sont ensuite amenés sur un dispositif d'avancée 3, tel qu'un tapis roulant, se

11 déplaçant longitudinalement dans le sens de la flèche F1 jusqu'à une installation de coupe comportant un ou plusieurs disques 5 entraînés en rotation dans le sens de la flèche F2 autour de leur partie centrale 4.
L'installation comporte éventuellement un dispositif de découpe à guillotine 6 actionné dans le sens de la flèche F3 et destiné à réaliser un tranchage transversal en amont ou, comme représenté, en aval du disque 5. Le produit découpé à l'état chaud est ensuite disposé sur un deuxième dispositif d'amenée 7 vers une installation d'ensachage 9 au cours de laquelle les produits 1 sont conditionnés dans des sachets 8.
Le disque rotatif 5 est soumis à des vibrations ultrasoniques engendrées par un dispositif qui va être décrit ci-après et qui permet d'atteindre des vitesses linéaires élevées du dispositif de transport 3, tout en permettant un découpage de tranches minces dans des pains de mie sortant du four.
On remarquera également que le disque n'étant en contact avec le produit à découper que sur une partie de sa circonférence, il peut être nettoyé et/ou désinfecté en permanence par un dispositif 50 connu en soi.
La figure 2a représente un émetteur d'ultrasons connu en soi, désigné par le repère général 10. Il est constitué d'un sandwich de céramiques piézoélectriques 11, composé par exemple de deux disques, en précontrainte entre deux masses métalliques, à savoir un pavillon 12 et une contre-masse 14. L'ensemble vibre en résonance mécanique avec l'excitation électrique fournie par le générateur 11. On applique à cet effet aux céramiques une tension alternative dV à laquelle correspond une variation alternative de champ électrique dE, d'où résulte une variation alternative d'épaisseur des céramiques dT. A chaque variation d'épaisseur dT
correspond alors une variation de pression dP.

12 L'application d'une tension alternative dV aux bornes de l'émetteur ainsi constitué induit des ondes de pression qui, à partir des deux disques de céramique, se réfléchissent aux extrémités 16 et 18 de l'émetteur.
Si on dimensionne la longueur d'un barreau à
une valeur telle que la fréquence des vibrations longitudinales de celui-ci correspondent exactement à la fréquence f d'excitation électrique, le barreau devient le siège d'ondes stationnaires et vibre en résonance avec l'excitation électrique. Cette condition est obtenue pour un barreau 10 dont la longueur totale, comprise entre les faces d'extrémité 16 et 18, est égale à~,/2, k désignant la longueur d'ondes dans le barreau correspondant à la fréquence f. Les céramiques 11 sont disposées au centre et le pavillon 12 et la contre-masse 13 sont disposés symétriquement de part et d'autre des céramiques 11.
Comme les vibrations de l'émetteur 11 que l'on peut obtenir en pratique sont de l'ordre de 10 à 14 crête à crête suivant le type de générateur utilisé, il faut procéder à une amplification de ces vibrations pour obtenir des amplitudes suffisantes.
A cet effet et comme représenté à la figure 2ç, on fixe à l'émetteur un barreau métallique de longueur k/2 accordé à la fréquence propre de l'émetteur soit par exemple 20KHz. Le barreau 20 comporte un premier tronçon 22 de longueur X/4 présentant une section constante S1 qui est plus importante que la section également constante S2 du deuxième tronçon 24, également de longueur k/4. La face 26 du tronçon 22 est accolée à
la face 18 de la contre-masse 14. Le diagramme des amplitudes et des contraintes est représenté à la figure 2ç, sur laquelle le mouvement de la face 16 est représenté par la courbe x0, le mouvement des faces 18 et 26 par la courbe x1 et le mouvement de la face 28 du tronçon 24 par la courbe x2.

13 On a vu précédemment que l'ensemble émetteur-amplificateur produit des vibrations ultrasoniques longitudinales. Le disque 5 ne pouvant être excité qu'à
partir de son centre 4, c'est-à-dire de son axe de rotation, il faut impérativement transformer le mouvement axial initial en mouvement radial orienté dans le plan du disque.
Suivant l'invention, deux modes de réalisation sont envisagés.
Conformément à la figure 3_çi, le disque 5 est monté en sandwich entre la face 28 du tronçon 24 et la face 32 d'un résonateur 30 qui est un barreau cylindrique de longueur k/2 qui se termine par une face terminale.
libre 34. Le barreau 30 fait office de résonateur et son rôle est d'assurer le retour d'ondes dans les conditions de résonance mécanique de l'ensemble. La transformation de mouvement est assurée par le fait que le disque 5 est situé, comme le montre la courbe al d'amplitude longitudinale, sur un ventre d'amplitude longitudinale vl. Il vibre selon un mode de flexion indépendamment de son diamètre. En pratique, son épaisseur reste comprise entre 2 et 4 mm afin de rester le plus proche possible du point théorique de ventre d'amplitude longitudinale Vl et de permettre une déformation maximale en flexion. On a représenté en encadré le profil agrandi du bord du disque 5. Au voisinage du bord du disque, l'épaisseur diminue au fur et à mesure que l'on se rapproche du bord du disque, étant entendu que, pour une découpe sans enlèvement de matière, le profil est lisse et dépourvu de dents.
Le mode de réalisation de la figure 3b met en oeuvre un élément 40 destiné à assurer la transformation du mouvement axial en mouvement radial. Il est fixé au voisinage d'un ventre d'amplitude radiale Vr correspondant à un noeud d'amplitude axiale. L'élément 40 est de forme généralement cylindrique et présente un tronçon amont 46 dont la face 42 est accolée à la face 28

14 du tronçon 24 et un tronçon aval 48 présentant une face libre 44. Le disque 5 est disposé au centre de l'élément 40 entre deux régions de couronne 45 et 47 de diamètre plus grand que celui des régions 46 et 48 auxquelles elles se raccordent par des profils arrondis 41 et 43.
Les régions 46 et 48 ont un diamètre supérieur à celui de la région 24, et dans l'exemple représenté, sensiblement égal à celui de la région 22. La longueur de l'élément 40, comprise entre ces faces 42 et 44 est égale àX/2 et le disque 5 est donc disposé à une distance A/4 de la face 28. Dans ces conditions, il est fixé au voisinage d'un ventre d'amplitude radiale Vr, comme le montre la courbe ar de la figure 3ç. En pratique; un profil conique devrait être adopté pour une épaisseur à la base de l'ordre de 10 mm. Les régions 45 et 47 de l'élément 40 présentent un diamètre voisin de X/2, ce qui crée ainsi radialement des conditions de résonance. C'est ce qui permet d'obtenir une amplitude radiale suffisante pour exciter le disque 5.
En ce qui concerne les matériaux, les pièces 12, 14, 20 et 30 peuvent être avantageusement réalisées en alliage de titane TA6V qui présente d'excellentes propriétés élastiques et qui, étant biocompatible, est donc chimiquement inerte vis à vis des produits à
découper. En outre, cet alliage est inoxydable, facilement usinable et de coût abordable pour les applications à envisager.
En ce qui concerne le disque 5, l'alliage précité peut être bien entendu préconisé mais, il est préférable d'utiliser pour cette pièce d'usure qui est susceptible d'être remplacée, un alliage moins coûteux tel qu'un alliage d'acier inoxydable du type utilisé pour les outils de découpe classiques, en particulier l'alliage Z200C13 qui réunit l'ensemble des qualités recherchées à savoir . inertie chimique, usinabilité, dureté élevée et coût acceptable. Ses propriétés élastiques sont inférieures à celles de l'alliage de titane précité, mais sont suffisantes pour l'application à envisager.
A titre indicatif, on rappelera que la vitesse 5 du son dans l'alliage TA6V est 4900 mètres/seconde alors qu'il est de 5200 mètres/seconde dans l'acier inoxydable Z200C13.
Les essais effectués montrent que les systèmes qui fonctionnent selon le mode flexion (figure 3a) ont 10 une fréquence résonnante d'ensemble imposée par le résonateur terminal 30. De ce fait, le diamètre du disque 5 influe peu sur la fréquence d'ensemble. Son épaisseur doit par contre être prise en compte puisqu'elle fait partie intégrante de l'empilage axial, émetteur, . 10,

15 amplificateur 20 et résonateur 30.
En mode flexion, un disque de découpe de diamètre 600 mm permet de découper un produit de 280 mm de hauteur. Il est possible de découper des produits encore plus hauts, au détriment de la finesse de découpe, étant donné que dans ce cas, il faut augmenter l'épaisseur de la lame.
A l'inverse du montage flexion, le montage en mode radial, représenté sur la figure 3b, présente une fréquence de résonance qui dépend du diamètre du disque 5. Par exemple, le diamètre résonnant à 40KHz se situe autour de 200 mm.
Les figures 4a et 4b représentent deux variantes de machines permettant plus particulièrement de trancher des produits de panification ou des viennoiseries, par exemple pour trancher un pain de mie dont la hauteur est d'environ 120 mm, l'épaisseur a des tranches à réaliser étant de 12 mm 1 mm.
En pratique, il faut une vingtaine de lames.
Cette configuration est cependant difficile à
mettre en oeuvre car une lame de diamètre 300 mm et d'épaisseur 2mm a une masse de l'ordre du kilogramme

16 pour 20 lames il faut mettre en vibration 20 kg qui vont se répartir sur le diamètre.
Deux possibilités sont envisagées à titre d'exemple selon l'invention :
- disposer de plusieurs systèmes de lames (61 à 64) équipés d'autant de générateurs ultrasoniques (65 à
68) avec un intervalle inter-lames de 12 mm (figure 4a), - disposer de n systèmes de lames (71 à 75) équipés d'autant de générateurs ultrasoniques (76 à 80) avec un intervalle inter-lames de n x 12 mm (figure 4b où
n = 5).
Dans le premier cas (figure 4a), il n'y a pas de décalage du front de coupe entre chaque tranche. Cette solution présente cependant un problème de mise en oeuvre ultrasonore car la distance inter-lames de 12 + 1 mm est en relation directe avec la fréquence de l'excitation du système. Ceci amène pour cet entre-axe de 12 mm à une fréquence supérieure à 100 kHz, fréquence trop élevée pour assurer un transfert de puissance vibratoire efficace sur les lames qui sont des disques 5.
Dans le cas préféré (figure 4b), les lames (disques 5) étant décalées, le front de coupe n'est plus parallèle et peut poser des difficultés lors de l'engagement du produit. Cependant, l'écartement entre les disques 5 permet d'utiliser une fréquence plus basse davantage compatible avec les dimensions des disques 5.
Les difficultés qui pourraient se présenter lors de l'engagement du pain ne sont pas importantes. Les essais sur le prototype mono-disque ont montré une pénétration de la lame dans le pain nettement améliorée par la présence des ultrasons. Pour des systèmes suffisamment imbriqués, le pain ne se sépare pas intempestivement. De plus, les ultrasons diminuent fortement le coefficient de frottement apparent de la matière sur les disques en vibration donc a priori les disques 5 n'ont pas tendance à retenir le pain lors de son passage.

17 Aussi bien dans le cas de la figure 4a, que de la figure 4b, l'ensemble des disques 5 de chaque unité
de découpe est couplé à un même axe mis en vibration par un générateur d'ultra-sons. Les disques 5 sont positionnés à un ventre de vibrations longitudinales (ou près d'un ventre de vibrations). Il convient de régler la force de serrage des disques 5 de manière à assurer un bon couplage des ultrasons et en particulier une amplitude de déplacement homogène sur tous les disques, qui peut être avantageusement obtenue par un réglage individuel du serrage des disques 5, par exemple les collerettes 92 sont filetées et peuvent être serrées sur la région de centrage 98 elle-même filetée.
Comme le montre la figure 5, les disques sont montés sur un axe 97 par l'intermédiaire d'entretoises 90 qui coulissent le long de l'axe 97 et qui viennent prendre les disques 5 en sandwich, un serrage de l'ensemble étant prévu grâce à un bouchon 99 de manière à
obtenir un bon maintien des disques 5 et une surface de transmission augmentée au contact des disques 5.
Il existe plusieurs modes permettant de faire travailler les disques 5 en flexion. Pour une distance inter-lames de 60 mm, un premier mode se situe vers 30kHz et permet à partir d'un bon déplacement en translation au niveau des entretoises 90 d'induire un mouvement de flexion des disques 5.
Le second mode, qui se situe vers 36 kHz met en oeuvre par contre la flexion même des entretoises 90 en contact avec les disques 5.
Or, par expérience, on observe que lorsque la transmission des ultrasons s'effectue par l'intermédiaire d'interfaces mises en flexion, la transmission est de qualité inférieure. En effet, comme la liaison n'est pas parfaite, les différentes parties ne sont plus intimement liées.

18 C'est donc le mode autour de 30 kHz qui est essentiellement dépourvu de mise en flexion de l'interface 90 qui est préféré.
On constate qu'à entretoise identique, le mode exploité pour un système 2 à 4 lames reste inchangé
quasiment à la même fréquence. On peut observer qu'un système conçu pour un nombre pair (ou impair) de lames reste utilisable pour un nombre supérieur ou inférieur de lames dès l'instant où ce nombre reste pair (ou impair).
La forme de la lame a une certaine influence sur la fréquence : plus elle est légère et.surtout plus élastique, plus la baisse en fréquence est appréciable.
Le diamètre de la lame étant fixé à 300 mm, on peut alléger le disque 5 en l'évidant régulièrement suivant des anneaux 101 (voir encadré de la figure 5). La lame en forme de disque reste à symétrie de révolution.
L'épaisseur de la lame de 2,5 mm au départ, est fixée à 2 mm pour des raisons de masse à faire vibrer et d'élasticité améliorée.
En ce qui concerne l'influence de la distance inter-lames, on observe les points suivants :
- avec les lames envisagées (0 300 -épaisseur 2 mm), on peut travailler sans trop de problème avec une distance interlames de 48 mm (soit un pas de 50 mm), - plus la distance inter-lames est petite, plus la dissymétrie de l'entretoise est à prendre en compte . les deux extrémités de l'entretoise se rapprochent l'une de l'autre et il est plus difficile de placer un noeud (équilibre) à égale distance de ces dernières, - plus la distance inter-lames est petite, plus le nombre de lames à mettre en oeuvre par système est important. L'amortissement et les pertes non pris en compte dans les calculs peuvent devenir prépondérants et

19 risquent d'induire un dysfonctionnement important des lames extrêmes.
On pourra en pratique utiliser des entretoises 90 ayant des formes tubulaires droites, munies à leurs extrémités de collerettes complémentaires 91 et 92 se centrant l'une sur l'autre et centrant également les disques 5 (figure 5). Les lames 5 en forme de disques sont régulièrement espacées de manière à se situer à des ventres de vibrations, correspondant à une mise en vibration des disques 5 en mode flexion.
I1 est particulièrement avantageux de découpler mécaniquement le générateur d'ultrasons (11, 12, 14) et l'ensemble porte-outils (97, 90, 5) de la partie maintien et mise en rotation de l'unité de-découpe, par exemple en couplant le dispositif de maintien et de mise en rotation au boîtier du transducteur de génération d'ultrasons. De la sorte, la partie mise en excitation est beaucoup plus courte, l'excitation ultra-sonore est plus directe, ce qui permet de minimiser la perte d'ultrasons dans les supports (tels que les paliers et les courroies) entre le dispositif excitateur et les disques 5, et en outre le démontage est facilité tant pour le nettoyage que pour la réparation.
Le cas d'un nombre impair (5 lames) implique des modifications dimensionnelles sur la première 94 et la dernière 95 entretoises qui sont, de toute façon, géométriquement différentes des autres de par leur appui côté générateur ultrasonore (14, 11, 12) et côté bouchon 99 (extrémité de l'outil).
L'ensemble excitateur + outil se compose - d'un moteur ultrasonore (14, 11, 12, cf.
Fig.3a), - d'une partie mécanique d'adaptation (amplificateur) 24, - d'un axe 97 qui vient se fixer dans l'amplificateur 24, - de 5 lames en forme de disques 5, - d'une entretoise 94 côté générateur ultrasonore, - de 4 entretoises 90 assurant un écartement 5 de lames de 48 mm bord à bord (50 mm centre à centre), - d'une entretoise 95 côté bouchon qui peut être intégrée au bouchon 99, cette entretoise étant dimensionnée pour assurer le retour d'onde, - d'un bouchon 99 qui se vise sur l'axe 97 10 permettant le serrage de l'ensemble.
La fréquence nominale de fonctionnement est 32,2 kHz.
Sur toutes ces pièces sont prévus des éléments de centrage, des états de surface et des tolérances 15 rigoureux de façon à permettre la meilleure qualité de montage et d'assemblage.
L'identification d'un plan nodal 21 dans la partie amplificateur 22 permet de venir fixer si besoin est, une plaque inox qui permettra d'isoler la zone de

20 tranchage pour des questions d'ultra-propreté.
On peut envisager de travailler par exemple avec des unités de 7 lames de diamètre extérieur 210 mm avec une distance inter-lames de 36 mm ou bien encore avec des unités de 11 lames de diamètre extérieur égal à
150 mm avec une distance inter-lames de 24 mm, les fréquences étant dans ces deux cas par exemple comprises entre 35 et 40 kHz pour un pas des lames sensiblement égal à une demi-longueur d'onde.
Un mode de réalisation permettant d'abaisser la fréquence de fonctionnement consiste à disposer les lames ou disques 5 avec un pas constant p sensiblement égal à un quart de longueur d'onde, ceux-ci étant à cet effet décalés longitudinalement d'environ un huitième de longueur d'onde (X/8) par rapport aux ventres de vibrations longitudinales (voir fig. 6). Avec un pas de

21 50 mm, la fréquence est de l'ordre de 22kHz, pour l'exemple représenté à la figure 5.
Pour déterminer une unité multi-lames, on choisit le diamètre des lames, leur pas et les caractéristiques géométriques des pièces qui la composent (entretoises, etc...). Un calcul par exemple par la méthode des éléments finis, permet de déterminer la valeur de la longueur d'onde X correspondant à la structure. Cette longueur d'onde ~ dépend de la configuration des pièces, c'est-à-dire que dans sa détermination intervient un facteur de forme. En particulier, l'unité de découpe représentée à la figure 5 met en oeuvre des entretoises 90 tubulaires et une tige 97 serrée par un bouchon 99, cette situation influant sur la valeur de la longueur d'onde.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de découpage par ultrasons comportant au moins une unité de découpe comportant un générateur d'ultrasons présentant une fréquence propre donnée, couplé à au moins un outil de découpe, unité de découpe dans laquelle l'outil de découpe est un disque (5) entraîné en rotation, et en ce que le générateur d'ultrasons (10, 11) est couplé à une région centrale (4) du disque (5) par l'intermédiaire d'un moyen de couplage (30, 40), ladite région centrale (4) étant disposée sur un ventre d'amplitude des vibrations ultrasonores produites par le générateur d'ultrasons (10, 11), selon un mode donné ou au voisinage dudit ventre, caractérisé
en ce que le moyen de couplage comporte un barreau (20) dont la longueur (.lambda./2) est égale à la moitié de la longueur d'onde (M correspondant à la fréquence propre F
du générateur d'ultrasons (10, 11), et ayant une extrémité amont (26) couplée au générateur d'ultrasons (10, 11) et une extrémité aval (28) couplée au disque (5), le barreau (20) ayant une section non constante et décroissante de l'amont vers l'aval et en ce que le moyen de couplage comporte également un élément de couplage (30, 40, 95) de longueur .lambda./2 qui prolonge le barreau de manière à assurer le retour d'ondes.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barreau (20) présente une région amont (22) de longueur .lambda./4 et une région aval (24) de longueur .lambda./4, la région aval (24) ayant une section constante inférieure à celle, également constante, de la région amont (22).

3. Dispositif selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de couplage (30) est un résonateur cylindrique et en ce que la région centrale (4) du disque (5) est disposée sur un ventre d'amplitude longitudinale, en sandwich entre l'extrémité

aval (28) du barreau (20) et l'extrémité amont de l'élément de couplage (30).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité de découpe comporte une pluralité de disques (5) comportant au moins un disque amont couplé à l'extrémité aval (28) du barreau (20) et un disque aval couplé à l'extrémité amont dudit élément de couplage (95), l'élément de couplage (30) ayant une extrémité aval libre, et en ce que les disques sont espacés entre eux par des entretoises de couplage intermédiaires (90) de manière à être disposés sur des ventres de vibrations induisant leur déplacement en mode flexion.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité de découpe comporte une pluralité de disques (5) comportant au moins un disque amont couplé à l'extrémité aval (28) du barreau (20) et un disque aval couplé à l'extrémité amont dudit élément de couplage (95), l'élément de couplage (30) ayant une extrémité aval libre, et en ce que les disques sont espacés entre eux par des entretoises de couplage intermédiaires (90) de manière à être disposés avec un pas p sensiblement égal à un quart de longueur d'onde et décalés de sensiblement un huitième de longueur d'onde par rapport à des ventres de vibrations induisant leur déplacement en mode flexion.

6. Dispositif selon une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'unité de découpe comporte un axe central (97) sur lequel sont montées les entretoises (90) et le générateur d'ultrasons (11, 12, 14) et un dispositif de serrage (99) coopérant avec l'axe (97) pour serrer les disques (5) positionnés entre les entretoises (90).

7. Dispositif selon une des revendications 4 à
6, caractérisé en ce que les disques (5) présentent des évidements en anneau conservant la symétrie de révolution des disques.

8. Dispositif selon une des revendications 4 à
7, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (99) d'ajustement, de préférence individuel, de la force de serrage des disques (5).

9. Dispositif selon une des revendications 4 à
8, caractérisé en ce qu'il comporte n dites unités de découpe ayant chacune une pluralité de disques espacés entre eux de n x a et qui sont décalés l'un par rapport à
l'autre de manière à produire des découpes d'égale épaisseur a.

10. Dispositif selon une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que ledit mode donné est essentiellement dépourvu de mise en flexion du ou des éléments de couplage.

11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de couplage est une pièce profilée (40) s'étendant radialement et en ce que la région centrale (4) du disque (5) est disposée sur un ventre d'amplitude radiale et en ce que la région centrale (4) du disque (5) est disposée entre deux régions d'égale longueur de la pièce profilée (40).

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdites deux régions d'égale longueur sont symétriques par rapport au disque (5) et présentent un diamètre allant en diminuant lorsque la distance au disque augmente.

13. Dispositif selon une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la pièce profilée (40) a un diamètre sensiblement égal à .lambda./2.

14. Utilisation du dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le produit à découper est du pain, du pain de mie, ou de la pâtisserie, plus particulièrement à l'état chaud.

15. Utilisation du dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le produit à découper est un produit carné cru ou cuit, ou bien un produit de salaison.

16. Utilisation selon une des revendications 14 ou 15, caractérisée en ce que la fréquence du générateur d'ultrasons (10, 11) est comprise entre 20 et 40KHz, et en ce que la vitesse de rotation du disque est comprise entre 100 et 800 tours/minute.

17. Utilisation selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'amplitude vibratoire du disque (5) est comprise entre 15 et 25 microns.

18. Utilisation selon une des revendications 16 ou 17, caractérisée en ce que la vitesse linéaire de déplacement du produit à découper (1) est comprise entre 2 et 10 m/mn.

19. Procédé de découpage par ultrasons d'un produit, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif selon une des revendications 1 à 13, et en ce que le découpage est réalisé sur un produit sortant du four et à l'état chaud et en ce que le découpage est suivi d'un conditionnement du produit avant son refroidissement.