FR2605264A1 - Procede et dispositif d'assemblage par ultrasons - Google Patents

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Abstract

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ASSEMBLAGE ENTRE EUX D'UNE MATIERE THERMOPLASTIQUE ET D'UN MATERIAU DU TYPE CELLULOSIQUE, COMME DU CARTON, DU BOIS, DU PAPIER, DES MATIERES TEXTILES TISSEES OU NON TISSEES OU DES PRODUITS ANALOGUES. ILS SONT CARACTERISES PAR UNE APPLICATION DES TECHNIQUES DE SOUDAGE PAR ULTRA-SONS TELLE QUE L'ON PROVOQUE NON SEULEMENT UN RAMOLLISSEMENT DE LA MATIERE THERMOPLASTIQUE A ASSEMBLER MAIS EGALEMENT UNE MIGRATION DE LADITE MATIERE DANS AU MOINS CERTAINES ZONES DU MATERIAU CELLULOSIQUE DESTINE A ETRE REUNI A LADITE MATIERE THERMOPLASTIQUE. APPLICATION : FABRICATION D'EMBALLAGES, PRESENTOIRS D'ECHANTILLONS, ETC.

Description

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif d'assemblage par ultrasons.
On connaît déjà, dans de nombreuses réalisations, des installations de soudage à l'aide d'ultrasons qui comprennent, généralement, un générateur d'ultrasons, un convertisseur à céramiques piézo et un modificateur d'amplitude ou "booster" relié à une sonotrode laquelle est propre à coopérer avec une enclume. Les matériaux soudés à l'aide de telles installations sont des matières thermoplastiques comme par exemple des polyéthylènes ou des polypropylènes en ce qui concerne les matières thermoplastiques partiellement cristallines ou des méthacrylates, des polycarbonates ou du chlorure de polyvinyle dans le cas des matières thermoplastiques amorphes.Les matières plastiques partiellement cristallines ne peuvent être parfaitement soudées qu'avec elles-mêmes, de sorte qu'un polyéthylène basse pression ne peut pas être effectivement soudé par ultrasons à un polyéthylène haute pression ; des difficultés analogues se rencontrent dans le cas de matières thermoplastiques amorphes de sorte que les techniques de soudage par ultrasons ne sont utilisées que dans certains domaines où leur emploi est parfaitement connu.
Cependant, en raison de l'avantage que procure le soudage par ultrasons, lorsqu'il peut être mis en oeuvre, des travaux ont été poursuivis par la Demanderesse dans le but d'assembler entre elles par cette technique des pièces ou parties de pièces en matériaux différents et, en tout cas, du type de ceux considérés jusqu'à ce jour comme ne pouvant pas être réunis entre eux par soudage par ultrasons.
A la suite de ces travaux, la Demanderesse a maintenant trouvé, de manière surprenante, qu'il était possible, dans certaines conditions, d'obtenir l'assemblage satisfaisant d'un matériau thermoplastique et d'un autre matériau du type cellulosique, comme du carton, du bois, du papier, des matières textiles tissées ou non tissées ou des produits analogues, en mettant en oeuvre les techniques de soudage par ultra-sons de manière telle que l'on provoque non seulement un ramollissement de la matière thermoplastique à assembler mais également une migration de ladite matière dans au moins certaines zones du matériau cellulosique destiné à être réuni à ladite matière thermoplastique.
Sans qu'on puisse donner d'explication théorique entièrement satisfaisante du phénomène, on pense que cette migration de la matière thermoplastique résulte d'un fluage qui la fait pénétrer, dans le cas d'un carton, à l'intérieur des espaces que ménagent les fibres constitutives dudit carton.
Pour la mise en oeuvre du procédé on détermine la fréquence des ultra-sons appliqués, la géométrie de la sonotrode et l'amplitude de vibration de manière à obtenir le ramollissement de la matière thermoplastique sans provoquer, toutefois, de dégradation comme une brûlure de ladite matière et/ou du matériau cellulosique dont le procédé permet l'assemblage.
En outre, et pour l'obtention d'un assemblage satisfaisant, l'invention prévoit aussi un réglage adéquat des paramètres que constituent la force d'appui de la sonotrode, le temps d'émission des ultra-sons, ainsi que le temps et la force d'appui de la sonotrode après l'émission desdits ultra-sons.
On détermine ainsi, en fonction de la matière thermoplastique à assembler, de l'épaisseur de ladite matière et de celle du matériau cellulosique,la quantité d'énergie suffisante pour approcher la température de fusion ou de ramollissement de la matière thermoplastique sur une surface d'aire déterminée, cet apport d'énergie étant en outre calculé pour, complémentairement, compenser les pertes par absorption et conduction des zones en matériau cellulosique, de l'enclume et des parties mécaniques attenantes.
Le choix des paramètres est à la portée de l'homme de l'art, lequel les détermine en tenant compte du fait que l'énergie totale (E) exprimée en joule est le produit de la puissance (P), en watt, par le temps d'application en seconde : c'est-à-dire
Figure img00030001
Dans un mode d'exécution préféré du procédé, la fréquence du générateur à ultra-sons est comprise entre 20 et 40 kHz, l'amplitude de vibration entre 20 et 50 , le temps d'émission des ultra-sons étant compris entre 0,2 et 1 seconde avec une force d'appui de la sonotrode comprise entre 6 et 120 kg.
Dans ce mode d'exécution préféré, également, le temps d'appui de la sonotrode après émission des ultrasons sur les matériaux à assembler entre eux est avantageusement compris entre 0,3 et 0,6 seconde
Dans un mode d'exécution du procédé,la sonotrode est au contact de la matière thermoplastique et l'enclume au contact du matériau cellulosique.
Dans un autre mode d'exécution du procédé,la sonotrode est au contact du matériau cellulosique et l'enclume au contact de la matière thermoplastique.
Le procédé selon l'invention peut également être mis en oeuvre pour l'assemblage entre eux d'une matière thermoplastique et d'un matériau cellulosique accolés suivant une pluralité de feuilles ou films, par exemple sous forme d'un matériau cellulosique comme du carton interposé entre deux feuilles de matière thermoplastique ou, inversement, sous forme d'une ou plusieurs feuilles de matière thermoplastique interposées entre deux feuilles de carton ou analogue, le procédé étant alors particulièrement bien approprié pour la fabrication d'emballages du type des "blister" ou du type des sachets munis d'un cavalier de carton pour leur présentation sur le lieu de vente ou de consommation.
Le procédé de l'invention trouve application pour la solidarisation de feuilles, films ou analogues de matière thermoplastique ou de complexes comportant une telle matière avec des matériaux cellulosiques comme du bois moulé, du bois déroulé, des produits à base de cellulose moulée, des produits du type des compounds cellulose/plastique, des textiles à base de tels matériaux cellulosiques ou incorporant ce type de matériaux en mélange avec des fibres synthétiques, des produits "non-tissés" à base de tels matériaux ou incorporant de tels matériaux.
Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comprend alors une sonotrode et/ou une enclume de forme(s) appropriée(s) pour favoriser la migration de la matière thermoplastique ramollie dans certaines zones du matériau cellulosique.
Dans un mode de réalisation, l'enclume et/ou la sonotrode comporte(nt) des stries rectilignes, transversales ou pyramidales, mais dont les sommets ou pointes sont tronqués afin d'augmenter la surface de contact de l'enclume et/ou de la sonotrode avec les matières à assembler entre elles, une telle disposition favorisant en outre l'obtention d'une bonne résistance à l'arrachement et au cisaillement en raison des "reliefs" créés à l'interface de la matière thermoplastique et du matériau cellulosique.
L'absence d'angles vifs permet d'éviter des amorces de rupture et/ou de perforation de la matière thermoplastique en feuille ou film.
L'invention a également pour objet les assemblages obtenus par mise en oeuvre du procédé et/ou utilisation d'un dispositif selon l'invention, notamment des emballages ou parties d'emballages comportant un ou des feuilles ou films de matière thermoplastique avec un ou des constituants en matériau cellulosique, comme un cavalier en carton pour un sachet ou des présentoirs d'échantillons compo= tant un ou plusieurs matériau(x) du type tissé ou non-tissé solidarisé avec une ou des plaques de matériau cellulosique comme du carton, ou encore des emballages du type "blister" ou des emballages avec ruban en matière textile ou en carton lequel accrolt l'aspect attractif du produit, d'une part, et peut être utilisé, d'autre part, pour servir de témoin d'inviolabilité, au voisinage de la ligne d'assemblage, compte tenu du fait que la séparation de la matière thermoplastique et du matériau cellulosique ne peut pas être objet nue sans laisser de traces visibles de la rupture de l'emballage.
L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référencé au dessin annexé dans lequel
- la figure 1 est une vue très schématique d'une partie de dispositif selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue également très schématique illustrant l'application du procédé et d'un dispositif selon l'invention à la fabrication d'un emballage.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui illustre schématiquement la partie opératoire d'un dispositif d'assemblage par ultra-sons selon l'invention.
Celui-ci comprend un générateur haute-fréquence 10 relié à un convertisseur 11 à céramiques piézo 12,auquel fait suite un dispositif de modificateur d'amplitude 13 lequel porte la sonotrode 14 en regard de laquelle est disposée une enclume 15, les pièces à assembler entre elles étant montrées schématiquement en "a" et "b", entre la sonotrode 14 et ladite enclume.
Selon l'invention, on détermine la fréquence du générateur 10, la géométrie de la sonotrode 14 et/oudel'enclume 15 et l'amplitude de vibration de la sonotrode de manière à obtenir un assemblage satisfaisant des pièces a et b entre elles,même dans le cas où l'une est une matière thermoplastique et l'autre en un matériau du type cellulosique, comme du carton, du bois, du papier, une matière textile ou un "non-tissé",à base d'un tel matériau cellulosique.
Selon l'invention, la sonotrode et les organes qui lui sont associés sont choisis de manière telle que le coefficient d'amplification acoustique soit suffisant pour ramollir ou plastifier la matière thermoplastique à assembler sans, toutefois, que ce coefficient d'amplification soit trop élevé, pour ne pas dégrader ou "brûler" la matière thermoplastique ou le matériau cellulosique.
De bons résultats ont été obtenus, pour des fréquences du générateur 10 comprises entre 20 et 40 kHz avec une amplitude de vibrations de la sonotrode comprise entre 20 et 50 .
Pour l'obtention d'un assemblage satisfaisant, l'invention prévoit en outre de régler de manière adéquate les paramètres que constituent la force d'appui de la sonotrode 14 sur les matériaux à assembler, le temps d'émission des ultra-sons ainsi que le temps et la force d'appui de la sonotrode 14 après émission desdits ultra-sons.
De bons résultats ont été obtenus, à cet égard, avec un temps d'émission des ultra-sons compris entre 0,2 et 1 seconde et une force d'appui de la sonotrode comprise entre 6 et 120 kg, le temps d'appui de la sonotrode après émission des ultra-sons sur les matériaux à assembler entre eux étant avantageusement compris entre 0,3 et 0,6 seconde
Selon l'invention, également, la sonotrode 14 et/ou l'enclume 15 sont conformées, dans leurs zones opératoires, suivant des stries et/ou des pointes, les unes et/ou les autres tronquées afin d'augmenter la surface de contact avec les matériaux a et b à assembler entre eux, pour augmenter la surface de contact, d'une part et, d'autre part, favoriser une bonne résistance à l'arrachement et/ou au cisaillement par la création de zones en "reliefs" à l'interface des matériaux à assembler entre eux.
Le procédé et le dispositif de l'invention peuvent être mis en oeuvre en prévoyant d'appliquer la sonotrode 14 sur la matière thermoplastique et enclume au contact du matériau cellulosique.
En variante,on prévoit d'appliquer la sonotrode 14 au contact du matériau cellulosique et l'enclume 15 au contact de la matière thermoplastique.
Dans encore d'autres réalisations, qui trouvent application, notamment pour la réalisation d'emballages, la sonotrode 14 et l'enclume 15 sont toutes deux au contact de la matière thermoplastique sous forme de feuille ou film et un matériau cellulosique en feuille ou plaque, comme du carton, est interposé entre les deux couches de matière thermoplastique. En variante, une ou des feuille(s) de matière thermoplastique, comme 20 et 21, figure 2, sont interposées entre un ou deux flan(s) en matériau cellulosique 22, 23, par exemple du carton, sous forme d'un cavalier 25 lequel est placé avec les feuilles de matière thermoplastique entre la sonotrode 14 et l'enclume 15 qui est représentée, schématiquement, avec des stries ou pointes 26.
Le procédé et le dispositif de l'invention trouvent ainsi application poflr la solidarisation de feuilles, films ou analogues de matière thermoplastique ou de complexes comportant une telle matière avec des matériaux cellulosiques les plus variés comme du bois moulé, du bois déroulé, des produits à base de pulpe de cellulose moulée ou autrement formée, des produits du type des compounds cellulose/matière plastique (c'est-à-dire des matériaux dans lesquels la pulpe de matériau cellulosique est additionnée de fibres et/ou de poudres plastiques choisies pour être compatibles avec la matière thermoplastique à assembler audit compound), des textiles à base de matériau cellulosique, ou incorporant de tels matériaux sous forme de mélange avec des fibres synthétiques ou encore des produits "non-tissés" à base de tels matériaux ou qui comprennent de tels matériaux.
Les exemples qui suivent permettront, à cet égard, d'illustrer l'invention.
EXEMPLE 1
On assemble à l'aide du procédé et du dispositif de l'invention une feuille de carton micro-cannelé et une feuille de polystyrène, l'ensemble ayant une épaisseur comprise entre 0,8 et 1,2 mm.
On procède à l'assemblage sur une zone annulaire, d'une aire comprise entre 140 et 200 mm2 avec un générateur 10 réglé à 20 kHz
Pour une amplitude de vibrations de 50 #, le temps d'émission d'ultra-sons est de 0,3 seconde, le temps de maintien de la sonotrode après émission des ultra-sons également de 0,3 seconde et la force d'appui de 80 kg.
Une solidarisation satisfaisante est obtenue avec une enclume de forme cylindrique striée et une sono-.
trode à face de travail plane.
Le remplacement de l'enclume par une enclume de même forme mais striée conduit également à de bons résultats.
On constate, sur un tel assemblage, que les matériaux réunis entre eux présentent une bonne résistance à l'arrachement et au cisaillement. Lorsque des forces suffisantes sont appliquées, et que les matériaux sont séparés, on constate que des traces de carton apparaissent sur le polystyrène, et vice-versa, de sorte que l'on peut ainsi former, pour certains emballages, des témoins d'inviolabilité d'un récipient ou analogu#e.
EXEMPLE 2
Une feuille de polystyrène d'une épaisseur d'environ 0,3 mm est solidarisée avec une embase en pulpe 2 de papier sur une surface cylindrique d'environ 50 mm2. Le générateur 10 d'ultra-sons est réglé à une fréquence d'environ 35 à 40 kHz et l'amplitude de vibration est choisie sensiblement égale à 20-25 #.
Pour un temps d'émission des ultra-sons de 0,2 seconde , et un temps d'appui de la sonotrode après émission des ultra-sons d'environ 0,3 seconde, de bons résultats sont obtenus pour une force d'application de la sonotrode comprise entre 6 et 10 kg.
Dans cette réalisation l'enclume cylindrique était munie de stries à pointes de diamant d'un pas de 2 mu, et tronquées sur une hauteur de 0,4 mm.
L'enclume 15 était au contact de la pulpe de papier et la sonotrode d'un diamètre de 8 mm au contact de la feuille de polystyrène.
Des résultats analogues à ceux obtenus dans l'exemple 1 ont été relevés.
EXEMPLE 3
Pour la fabrication d'un sachet en film de polyéthylène d'une épaisseur de 100 à 150 , garni d'un cavalier de carton, on fait appel à une sonotrode plate dont l'amplitude de vibrations est réglée à environ 50 #, pour une fréquence du générateur de 20 kHz.
Pour l'obtention d'une zone d'assemblage de 250 mm, et d'une surface d'environ 750 mm2, on émet les ultra-sons pendant 0,8 d 1 seconde, en exerçant une force d'appui de l'ordre de 100 à 120 kg, laquelle est maintenue de 0,4 à 0,5 seconde après émission des ultra-sons.
Avec une enclume 15 striée au pas de 1,5 mm, les stries étant tronquées sur une épaisseur de 0,2à0,4mm, on obtient en une seule opération le scellage parfait des deux lèvres du sachet que forment lesfilmsde polyéthylène l'un contre l'autre et une liaison simultanée au cavalier de carton, procurant ainsi un emballage particulièrement attractif, si on le compare aux dispositifs connus dans lesquels le cavalier de carton est agrafé ou collé sur un sachet préalablement fermé.
L'invention n'est pas, bien entendu, limitée aux formes et réalisations décrites et représentées.
Elle peut, ainsi, être mise en oeuvre pour la fabrication d'emballages du type "blister" ou analogue.
Elle peut, aussi, avantageusement être mise en oeuvre pour la présentation d'échantillons comme des échantillons de textiles ou de "non-tissés" disposés entre deux coques de matière thermoplastique, ou une coque de thermoplastique et de matériau cellulosique comme du carton couché ou du carton micro-cannelé.
De même, l'invention peut être mise en oeuvre pour la réalisation d'assemblages du type ci-dessus comportant un ruban, en un matériau cellulosique textile, tissé ou non tissé, comme un bolduc ou une bande de carton.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'assemblage entre eux d'une matière thermoplastique et d'un matériau du type cellulosique, comme du carton, du bois, du papier, des matières textiles tissées ou non-tissées ou des produits analogues, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre les techniques de soudage par ultra-sons de manière telle que l'on provoque non seulement un ramollissement de la matière thermoplastique à assembler mais également une migration de ladite matière dans au moins certaines zones du matériau cellulosique destiné à être réuni à ladite matière thermoplastique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine la fréquence des ultra-sons mis en oeuvre, la géométrie d'une sonotrode d'application desdits ultra-sons et l'amplitude de vibration de cette dernière de manière à obtenir le ramollissement de ladite matière thermoplastique sans provoquer, toutefois, de dégradation comme une "brûlure" de ladite matière et/ou du matériau cellulosique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'on règle aussi les paramètres constitués par la force d'appui de la sonotrode, le temps d'émission des ultra-sons, ainsi que le temps et la force d'appui de ladite sonotrode après émission desdits ultrasons.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence du générateur à ultra-sons est comprise entre 20 et 40 kHz, l'amplitude de vibration entre 20 et 50 #, le temps d'émission des ultra-sons entre 0,2 et 1 seconde, pour une force d'appui de la sonotrode comprise entre 6 et 120 kg.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le temps d'appui de la sonotrode après émission des ultra-sons sur les matériaux à assembler entre eux est avantageusement compris entre 0,3 et 0,6 seconde.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendi
cations précédentes, caractérisé en ce que la sonotrode est mise au contact de la matière thermoplastique et l'enclume au contact du matériau cellulosique.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisë en ce que la sonotrode est mise au contact du matériau cellulosique et l'enclume au contact de la matière thermoplastique.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour l'assemblage entre eux d'une matière thermoplastique et d'un matériau cellulosique accolés suivant une pluralité de feuilles ou films, caractérisé en ce que le matériau cellulosique est une bande de carton ou analogue interposée entre deux feuilles de matière thermoplastique ou, inversement en ce que la matière thermoplastique est sous forme d'au moins deux feuilles ou films interposés entre deux bandes de matériau cellulosique comme du carton ou analogue.
9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,carac térisé en ce qu'elle comprend une sonotrode (14) et/ou une enclume (15)- ainsi qutun générateur d'ultra-sons (10) et des moyens d'application de la sonotrode sur l'enclume avec une force de pression prédéterminée, réglable, la sonotrode et l'enclume étant conformées et coopérant entre elles de manière telle qu'un réglage adéquat des paramètres de fonctionnement permet de provoquer un ramollissement de la matière thermoplastique et une migration de ladite matière dans au moins certaines zones du matériau cellulosique pour l'assemblage entre eux dudit matériau et de ladite matière thermoplastique.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la sonotrode (14) et/ou l'enclume (15) comporte (nt)des stries rectilignes, transversales ou pyramidales dont les sommets sont tronqués et/ou des pointes également à sommets tronqués pour augmenter la surface de contact de ladite sonotrode et/ou de ladite enclume avec lesdites matières à assembler entre elles.
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