FR3088567A1 - Systeme de decoupe par ultrasons pour la decoupe de produits industriels, et notamment des produits alimentaires - Google Patents

Abstract

L’invention a pour objet un système de découpe par ultrasons (1) comportant un outil de coupe inerte (100), un dispositif de mise en vibration par ultrasons (200) dudit outil de coupe inerte (100), comportant un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un premier émetteur à ultrasons (210) et un deuxième émetteur à ultrasons (220) ; un premier ensemble résonant (230) couplé au premier émetteur à ultrasons (210) et accordé à la fréquence de celui-ci, ledit premier ensemble résonant (230) permettant la transmission d’une première vibration ultrasonore selon une première direction (Z) ; un deuxième ensemble résonant (240) couplé au deuxième émetteur à ultrasons (220) et accordé à la fréquence de celui-ci, ledit deuxième ensemble résonant (240) permettant la transmission d’une deuxième vibration ultrasonore selon ladite première direction (Z) ; ledit outil de coupe (100) étant solidaire dudit premier ensemble résonant (230) et dudit deuxième ensemble résonant (240) de manière à vibrer selon un mode de flexion ; et en ce que ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons est configuré pour faire vibrer le premier ensemble résonant (230) et le deuxième ensemble résonant (240) en phase à ladite fréquence de l’ensemble électroacoustique avec des amplitudes vibratoires ultrasonores différentes. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 [Figure 1] [Figure 2] [Figure 3] [Figure 4] [Figure 5]

Description

Titre de l’invention : SYSTEME DE DECOUPE PAR ULTRASONS POUR LA DECOUPE DE PRODUITS INDUSTRIELS, ET NOTAMMENT DES PRODUITS ALIMENTAIRES Domaine technique [0001] Le domaine de l’invention est relatif au domaine de la découpe de produits industriels, et à celle des produits agroalimentaires.

[0002] L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de découpe de produits industriels, notamment de produits alimentaires, au moyen d’une lame de fine épaisseur non résonante.

ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION [0003] A l’heure où les produits alimentaires sont de plus en plus souvent présentés prétranchés afin d’en faciliter l’utilisation ou la consommation, la maîtrise des opérations de tranchage et de découpage reste une problématique délicate pour de nombreux produits : produits mous, moelleux, collants, friables, durs, hétérogènes, de petites dimensions ou encore de grandes dimensions.

[0004] Afin de pouvoir répondre à ces différentes problématiques, de nouveaux outils et procédés de découpe sont continuellement mis au point.

[0005] Ainsi, il a été développé des nouvelles techniques permettant d’améliorer les découpes de certains produits comme par exemple la découpe par jet d’eau à haute pression (jet hyperbare) ou encore la découpe par vibrations ultrasonores mettant en vibration une lame par résonance.

[0006] La découpe par ultrasons est un procédé utilisant un dispositif de mise en vibration par ultrasons mettant en mouvement à haute fréquence une lame rigide présentant au moins une arête tranchante. Ainsi, les vibrations ultrasoniques de la lame rigide, bien que d’amplitude modérée, ont de telles caractéristiques (vitesse, accélération, fréquence de vibration) que l’objet tend à ne pas adhérer à la lame et permettent d’augmenter le pouvoir de coupe de la lame. Par conséquent, ce procédé de découpe est particulièrement adapté pour la découpe de produits fragiles ne tolérant pas de grandes déformations sous l’effet d’une lame, les produits riches en matière grasse ou en sucre et donc collants, pour la découpe en parts de produits ronds, pour la découpe de produits de différentes hauteurs (typiquement variant entre 10 et 120 mm), pour la découpe de produits de grandes épaisseurs (typiquement de 60 à 200 mm), et encore pour la découpe de tranches fines (de l’ordre de 2 mm). Ainsi, la découpe par ultrasons permet de répondre à de nombreux objectifs et contraintes de découpe.

[0007] Toutefois, l’utilisation d’un tel procédé de découpe par ultrasons au moyen d’une lame rigide résonante présente quelques inconvénients.

[0008] Selon les objets à découper, il peut être utile d’affûter régulièrement la lame de manière à garder un outil de coupe optimal. Or, l’opération d’affûtage a pour conséquence d’impacter les caractéristiques vibratoires de la lame et par conséquent de modifier la fréquence de résonance de la lame, ce qui engendre un déséquilibre de l’ensemble électroacoustique. De plus, cette opération d’affûtage n’est pas toujours réalisable, notamment lorsque l’endommagement de la lame est trop important.

[0009] Bien qu’il soit possible de modifier intégralement la forme de la lame, par exemple par usinage, de manière à réajuster sa fréquence de résonance, cette opération est complexe, longue, coûteuse et pénalisante car elle doit intervenir dès qu’un affûtage de la lame est réalisé et peut conduire à une casse de l’émetteur, du générateur à ultrasons ou encore de la lame si ce réajustement de la fréquence de résonance de la lame n’est pas correct.

[0010] De plus, il est souvent difficile de réparer une lame cassée ou fissurée par rechargement de matière.

[0011] En outre, la machine de coupe comportant un tel dispositif à ultrasons est dimensionnée pour fonctionner à une plage de fréquence donnée, ce qui impose des contraintes dimensionnelles particulières de la lame.

[0012] Enfin, ces machines de coupe utilisant des dispositifs par ultrasons représentent un investissement important et présentent l’inconvénient d’être peu versatiles car elles sont généralement dimensionnées et utilisées pour des applications spécifiques. Par conséquent, il peut arriver que ces machines de découpe par ultrasons ne soient pas adaptées à la découpe de produits de grandes dimensions. En effet, la largeur maximale d’une lame résonante est fonction de la fréquence de résonance. Plus la fréquente augmente, plus la largeur de la lame décroît. Ainsi, à une fréquence ultrasonore de 20kHz, la largeur maximale d’une lame résonante se situe autour de 400mm pour une lame en alliage de titane. Par conséquent, la découpe de produits de grandes dimensions nécessite la juxtaposition de plusieurs lames jumelles ce qui complexifie l’implantation et rend inadaptée la découpe de produits de grandes dimensions car trop coûteuse à mettre en place.

[0013] Pour remédier à ces problèmes, il a notamment été proposé un dispositif de découpe par ultrasons utilisant un dispositif de mise en vibration d’un outil de coupe inerte, i.e. non résonant, au moyen d’ultrasons à l’aide d’une tête ultrasonique accordée. Ce dispositif particulier est décrit particulièrement dans la demande de brevet FR1463279.

[0014] Toutefois, il a été constaté que pour certaines applications, notamment pour la découpe de produits alimentaires larges, délicats, collants ou adhérents, cette solution, avec un outil de coupe non résonant, posait quelques difficultés et notamment une tendance à l’adhérence sur l’outil de coupe des produits, pouvant engendrer une perte de matière et une dégradation de la qualité de coupe.

[0015] En effet, plus un outil de coupe est large, plus l’atténuation de la vibration est importante ce qui engendre une impossibilité de découpe des produits larges. A cela s’ajoutent des problématiques liées à la rigidité mécanique de l’outil de coupe, ou encore à l’ergonomie de tels dispositifs

Exposé de l’invention [0016] Dans ce contexte, l’invention vise à proposer un système de découpe de produits industriels à partir d’un outil de coupe non résonant, pour notamment la découpe de produits agro-alimentaires, qui est particulièrement versatile, facilement adaptable en fonction des applications et des dimensions des produits à découper, présentant les avantages d’efficacité d’un dispositif de découpe à ultrasons utilisant un outil de coupe résonant connu de l’état de la technique, tout en présentant un avantage économique et une facilité de mise en œuvre par rapport aux dispositifs de découpe par ultrasons avec outil de coupe résonant connus de l’état de la technique.

[0017] A cette fin, l’invention concerne un système de découpe par ultrasons comportant un outil de coupe inerte, un dispositif de mise en vibration par ultrasons dudit outil de coupe inerte, ledit système étant caractérisé en ce que ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons comporte :

[0018] - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un premier émetteur à ultrasons et un deuxième émetteur à ultrasons ;

- un premier ensemble résonant couplé au premier émetteur à ultrasons et accordé à la fréquence de celui-ci, ledit premier ensemble résonant permettant la transmission d’une première vibration ultrasonore selon une première direction ;

- un deuxième ensemble résonant couplé au deuxième émetteur à ultrasons et accordé à la fréquence de celui-ci, ledit deuxième ensemble résonant permettant la transmission d’une deuxième vibration ultrasonore selon ladite première direction ;

[0019] ledit outil de coupe étant solidaire dudit premier ensemble résonant et dudit deuxième ensemble résonant de manière à vibrer selon un mode de flexion ;

[0020] et en ce que ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons est configuré pour faire vibrer ledit premier ensemble résonant et le deuxième ensemble résonant en phase à ladite fréquence de l’ensemble électroacoustique avec des amplitudes vibratoires ultrasonores différentes.

[0021] Le système de découpe selon l’invention permet d’améliorer le pouvoir de coupe d’un outil de coupe inerte et de grande longueur, et d’atténuer les phénomènes d’adhérence des produits sur l’outil de coupe, dégradant la qualité de coupe, notamment celle des produits délicats et collants.

[0022] Le système selon l’invention permet de pouvoir effectuer des découpes de qualité de produits larges, à formats variés, sans limite de hauteur, ni de profondeur de coupe, en s’affranchissant des contraintes de forme « résonante » des outils de coupe.

[0023] Avantageusement, le système de découpe comporte en outre un moyen de mise en vibration de l’outil de coupe selon une deuxième direction. Ainsi, le système de découpe selon l’invention permet d’atténuer davantage les phénomènes d’adhérence des produits sur l’outil de coupe, dégradant la qualité de coupe, grâce à la combinaison d’une vibration de l’outil de coupe à une fréquence élevée (fréquence ultrasonique), en limitant les zones mortes (i.e. les nœuds de vibration) par Γutilisation de deux sources de vibrations ultrasonores en phase à des amplitudes différentes, et par Γutilisation d’une troisième source de vibration selon une deuxième direction.

[0024] Le système selon l’invention permet d’augmenter le pouvoir de coupe des produits délicats et collants en utilisant un outil de coupe inerte, en combinant différents mouvements de l’outil de coupe, dont un mouvement en flexion et un mouvement en cisaillement.

[0025] Le système selon l’invention permet également de découper des produits dans plusieurs directions en fonction du positionnement de l’outil de coupe sur la sonotrode.

[0026] Le système selon l’invention permet d’améliorer la qualité de coupe par minimisation du biais généré pendant la phase de coupe, grâce à la possibilité de mettre en vibration des lames de fine épaisseur (inférieure à 10 mm).

[0027] Le système selon l’invention permet de proposer un système aisément démontable avec des outils de coupe facilement interchangeables, sans nécessité de soudure.

[0028] Le système de découpe par ultrasons selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

[0029] - ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons est configuré pour faire vibrer ledit premier ensemble résonant et le deuxième ensemble résonant avec une différence relative entre les deux amplitudes vibratoires ultrasonores supérieure ou égale à 10% ;

- ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons est configuré pour faire vibrer ledit premier ensemble résonant et le deuxième ensemble résonant avec une différence relative entre les deux amplitudes vibratoires ultrasonores comprise entre 20% et 50% ;

- ledit système de découpe par ultrasons comporte en outre un dispositif de mise en vibration raccordé à l’outil de coupe et générant une vibration dudit outil de coupe selon une deuxième direction (Y) ;

- le dispositif de mise en vibration est un vérin électrique ou un vérin hy- draulique ou un moteur électrique ;

- le premier ensemble résonant et/ou ledit deuxième ensemble résonant comporte une sonotrode en forme de couronne ou en forme de croix ;

- le premier ensemble résonant et/ou ledit deuxième ensemble résonant comporte une sonotrode stabilisatrice couplée à ladite sonotrode ;

- la sonotrode stabilisatrice et la sonotrode sont réalisées en alliage d’aluminium ;

- la sonotrode stabilisatrice et la sonotrode forment une pièce monobloc ;

- le premier ensemble résonant et/ou ledit deuxième ensemble résonant comporte un élément résonant configuré pour vibrer selon un mode de traction-compression selon ladite première direction (Z) ;

- l’outil de coupe est une lame présentant une épaisseur inférieure à 10 mm ;

- l’outil de coupe est positionné dans le sens de l’épaisseur entre ladite sonotrode et un élément résonant configuré pour vibrer selon un mode de traction-compression selon ladite première direction (Z) ;

- l’outil de coupe est positionné dans le sens de l’épaisseur entre :

[0030] - un premier élément résonant configuré pour vibrer selon un mode de tractioncompression selon ladite première direction (Z) et raccordé directement avec ladite sonotrode, et

- un deuxième élément résonant configuré pour vibrer selon un mode de traction-compression selon ladite première direction (Z) ;

[0031] le système comporte des moyens de mise en tension de l’outil de coupe selon une direction parallèle à l’axe longitudinal de l’outil de coupe [0032] L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit.

Brève description des dessins [0033] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées :

[0034] - la figure 1 est un schéma d’ensemble d’un exemple de réalisation d’un système de découpe par ultrasons selon l’invention pour la coupe de produits agroalimentaires ;

- la figure 2 illustre un exemple de réalisation d’un dispositif de mise en vibration par ultrasons d’un système de découpe par ultrasons selon l’invention pour la coupe de produits agroalimentaires ;

- la figure 3 illustre un premier exemple de réalisation d’une sonotrode d’un ensemble résonant du système de découpe par ultrasons selon l’invention ;

- la figure 4 illustre un ensemble résonant du système de découpe par ultrasons selon l’invention présentant un deuxième exemple de réalisation d’une sonotrode ;

- la figure 5 est un graphique illustrant les amplitudes de vibration des deux ensembles résonants du système de découpe par ultrasons selon l’invention.

Description des modes de réalisation [0035] Dans la présente demande, on désignera par ensemble résonant ou sonotrode, un élément, avantageusement métallique, qui restitue une énergie vibratoire par « traction/ compression » lorsqu’il est soumis à des ultrasons.

[0036] Dans la présente demande, on désignera par inerte un élément qui n’est pas accordé à la fréquence de résonance de l’émetteur.

[0037] La figure 1 représente un schéma simplifié d’ensemble d’un exemple de réalisation d’un système de découpe par ultrasons 1 selon l’invention.

[0038] La figure 2 représente plus précisément un exemple de réalisation d’un dispositif de mise en vibration par ultrasons d’un système de découpe par ultrasons 1 selon l’invention permettant la mise en vibration par ultrasons d’un outil de coupe 100 inerte, i.e. non résonant.

[0039] Le système de découpe par ultrasons 1 comporte :

[0040] - un outil de coupe 100 non résonant, i.e. non accordé à la fréquence ultrasonique du système ;

- un dispositif de mise en vibration par ultrasons 200 de l’outil de coupe 100 ;

- un dispositif de mise en vibration par vibrations mécaniques 500 de l’outil de coupe 100.

[0041] Le dispositif de mise en vibration par ultrasons 200, illustré particulièrement à la figure 2, comporte :

[0042] - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe constitué d’au moins un générateur (non représenté), d’un premier émetteur à ultrasons 210 et d’un deuxième émetteur à ultrasons 220, les deux émetteurs à ultrasons 210, 220 sont alimentés par au moins un générateur de manière à vibrer à une même fréquence comprise entre 20 kHz et 100 kHz, et préférentiellement entre 20 kHz et 40 kHz, ; les émetteurs 210, 220 ont pour objectif de mettre en vibration l’ensemble des éléments résonants du dispositif de mise en vibration ultrasonique 200 de manière à mettre en vibration l’outil de coupe 100 non résonant ;

- un premier ensemble résonant 230, accordé à la fréquence de l’ensemble électroacoustique, permettant une transmission d’une vibration à fréquence ultrasonique, ou vibration ultrasonore, à l’outil de coupe 100 ;

- un deuxième ensemble résonant 240, accordé à la fréquence de l’ensemble électroacoustique, permettant une transmission d’une vibration à fréquence ul- [0043] [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] [0049] [0050] [0051] trasonique, ou vibration ultrasonore, à l’outil de coupe 100.

Dans le premier exemple de réalisation illustré à la figure 2, chaque ensemble résonant 230, 240 comporte :

- une sonotrode 231 accordée à la fréquence de l’émetteur 210, 220 ;

- une sonotrode auxiliaire, dite sonotrode stabilisatrice 232, également appelée masse stabilisatrice, accordée à la fréquence de l’émetteur 210, 220 ;

- une bride de maintien 270 (illustrée à la figure 1) permettant de pouvoir solidariser l’ensemble résonant 230, 240 sur un support non résonant 400, tel que par exemple une machine de découpe, sans décentrer la bande passante de l’ensemble électroacoustique.

Dans l’exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 2, la sonotrode 231 présente une forme en couronne. Toutefois, selon un autre mode de réalisation, la sonotrode peut présenter une forme plus classique en forme de croix comme illustré à la figure 4.

Le profil en couronne de la sonotrode 231 a pour but de transmettre un maximum d’amplitude et de rendement de vibration à l’outil de coupe 100, tout en permettant une mise en vibration à la résonance de la sonotrode stabilisatrice 232. La couronne 231 est décrite plus particulièrement dans la demande de brevet LR1463279 et illustré à la figure 3.

En référence à la figure 3, la sonotrode 231 en forme de couronne présente :

- une partie principale centrale 121 sensiblement en forme de disque présentant une symétrie de révolution par rapport à un axe de révolution ; la partie principale 121 présentant un diamètre extérieur Dpe et une épaisseur Ep ;

- deux branches latérales 122, 123 de forme cylindrique orientées selon l’axe de révolution de la partie principale centrale 121 et situées de part et d’autre de la partie principale 121 ; les deux branches latérales 122, 123 présentent un diamètre extérieur Dbe.

Les deux branches latérales 122, 123 sont solidaires de la partie principale 121 par l’intermédiaire de congés de raccordement 124. La première branche 122 est raccordée à l’émetteur à ultrasons 210, 220 et la deuxième branche 123 est adaptée pour pouvoir solidariser la sonotrode stabilisatrice 232.

La sonotrode stabilisatrice 232 est positionnée dans la continuité de l’émetteur à ultrasons, c’est à dire selon le même axe, et permet d’optimiser les performances du dispositif de mise en vibration ultrasonique 200 et d’augmenter le rendement de l’ensemble électroacoustique.

Le pourtour périphérique 126 de la partie principale 121 comporte des méplats 125 formant des surfaces planes configurées pour recevoir différents éléments et notamment l’outil de coupe 100. Dans l’exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 2, la sonotrode 231 comporte quatre méplats 125 uniformément répartis sur le pourtour périphérique 126 de la partie principale 121 ; le nombre de méplats 125 autour de la partie principale 121 est variable et ajustable en fonction du nombre d’éléments vibrants que l’on souhaite positionner. La forme circulaire de la sonotrode 231 offre l’avantage de pouvoir faire varier librement la position, voire le nombre, des éléments inertes à faire vibrer. Les différents méplats 125 forment également des positions de réserve supplémentaires pour les éléments inertes à faire vibrer en cas de détérioration de la surface au niveau d’un méplat 125 ou encore d’un moyen de fixation. Ainsi, la sonotrode 231 en couronne a une durée de vie supérieure.

[0052] Un taraudage 127 est ménagé au niveau de chacun des méplats 125 de manière à pouvoir positionner facilement par vissage différents éléments, inertes ou résonants sur la sonotrode 231.

[0053] La sonotrode 231 ainsi décrite permet de mettre des éléments en vibration selon différentes directions si besoin, l’émetteur 210, 220 et la sonotrode stabilisatrice 232 étant avantageusement positionnés dans une même direction (selon l’axe X) que l’axe de révolution de la sonotrode 231. Les méplats 125 permettent la fixation et la mise en vibration des différents éléments qui sont dans un plan de positionnement A-A, et orienté selon un axe Y ou Z.

[0054] Avantageusement, la sonotrode 231 en forme de couronne est dimensionnée de manière à obtenir un rapport entre le diamètre extérieur Dbe des branches latérales 122, 123 et l’épaisseur Ep de la partie centrale 121 supérieure à 1. Le respect de ce rapport permet d’optimiser l’efficacité du dispositif de mise en vibration ultrasonique 200 et ainsi transmettre davantage de vibrations à l’outil de coupe 100.

[0055] Le diamètre extérieur Dpe de la partie principale 121 de la sonotrode 231 correspond à un multiple d’une demi-longueur d’onde de la fréquence de l’émetteur 210, 200 et avantageusement le diamètre Dpe est égal à une demi-longueur d’onde, de sorte que la sonotrode 231 soit résonante avec l’émetteur à ultrasons 210, 220.

[0056] La sonotrode 331 en forme de croix illustrée à la figure 4 comporte classiquement quatre branches 332 orientées selon deux directions perpendiculaires (axe Y et axe Z sur la figure 4).

[0057] La sonotrode stabilisatrice 232 est avantageusement positionnée dans la continuité de l’émetteur à ultrasons 210, 220, c’est à dire selon le même axe, et permet d’optimiser les performances du dispositif de mise en vibration ultrasonique 200 et d’augmenter le rendement de l’ensemble électroacoustique. Bien entendu d’autres positionnements de la sonotrode stabilisatrice 232 sont envisagés.

[0058] Chaque extrémité des branches 332 présente, de manière identique au mode de réalisation précédent, un taraudage 127 de manière à pouvoir positionner facilement par vissage différents éléments, inertes ou résonants sur la sonotrode 331.

[0059] La sonotrode 231, 331 est avantageusement réalisée en alliage d’aluminium présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, et/ou de type alimentaire, par exemple en alliage alimentaire de type 6061, ou encore 5083 ou en alliage non alimentaire de type 7075. L’utilisation d’une sonotrode 231, 331 en alliage d’aluminium plutôt qu’en titane permet d’améliorer davantage l’amplitude de vibration transmis à l’outil de coupe 100.

[0060] De manière analogue, la sonotrode stabilisatrice 232 est également réalisée avantageusement en alliage d’aluminium présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, et/ou de type alimentaire pour les mêmes raisons.

[0061] Bien entendu, et en fonction des besoins, il est également prévu selon un autre mode de réalisation, de réaliser la sonotrode 231, 331 et la sonotrode stabilisatrice 232 en titane, ou en alliage de titane.

[0062] La sonotrode stabilisatrice 232 est dimensionnée pour pouvoir vibrer en résonance avec la sonotrode 231, 331 et l’émetteur 210, 220. Par conséquent, la sonotrode stabilisatrice 232 présente une longueur qui est multiple de la demi-longueur d’onde de la fréquence de l’émetteur 210, 220. Avantageusement, la longueur de la sonotrode stabilisatrice 232 est égale à la demi-longueur d’onde de l’émetteur 210, 220.

[0063] La sonotrode stabilisatrice 232 participe à la mise en vibration de l’outil de coupe 100. Il est également possible d’optimiser l’amplitude de l’outil de coupe 100 en modifiant simplement la forme de cette sonotrode stabilisatrice 232. Il est possible de moduler simplement l’amplitude transmise à l’outil de coupe 100 sur un même dispositif de mise en vibration ultrasonique 200 simplement en interchangeant des sonotrodes stabilisatrices 232 présentant différentes formes. Préférentiellement, la sonotrode stabilisatrice 232 présente une forme cylindrique ou encore une forme de cône tronqué, dont le plus grand diamètre est positionné en regard de la sonotrode 231.

[0064] La sonotrode 231, 331 complétée par la sonotrode stabilisatrice 232 positionnée dans le prolongement de l’émetteur 210, 220 permet d’optimiser le recentrage de la bande passante de l’ensemble électroacoustique par rapport à la fréquence de résonance de l’émetteur 210, 220, et participe à l’augmentation du rendement du dispositif électroacoustique et de l’amplitude des vibrations transmises à l’outil de coupe 100.

[0065] Avantageusement, la sonotrode 231, 331 et la sonotrode stabilisatrice 232 forment une unique pièce monobloc. La réalisation monobloc de ces deux éléments permet notamment de diminuer le phénomène de chauffe par friction des pièces qui dégrade le rendement vibratoire, lorsque ces éléments sont réalisés en deux pièces distinctes.

[0066] L’outil de coupe 100 à faire vibrer est avantageusement une lame métallique de fine épaisseur, c’est à dire présentant une épaisseur inférieure ou égale à 10 mm, et particulièrement comprise entre 1 mm et 10 mm. L’outil de coupe est par exemple réalisé en alliage de titane.

[0067] Grâce au dispositif selon l’invention, l’outil de coupe 100 peut avantageusement être de grande longueur, par exemple jusqu’à 1 m et même plus si besoin. Le tranchant de l’outil de coupe peut être indifféremment biseauté (asymétrique ou symétrique) ou comporter des micro dentures usinées permettant d’accentuer le pouvoir de coupe par cisaillement.

[0068] L’outil de coupe 100 peut également présenter un double affûtage. Un double affûtage permet par exemple de pouvoir découper dans deux sens différents ou encore d’avoir un affûtage de réserve lorsque le premier affûtage de service est endommagé, ainsi un simple retournement de l’outil de coupe 100 permet de continuer la découpe de produit sans interruption prolongée de la machine de découpe.

[0069] Le système de découpe par ultrasons 1 comporte également des moyens pour régler la tension de l’outil de coupe 100. Un tel réglage permet de pouvoir modifier la tension de l’outil de coupe 100 et ainsi pouvoir gérer la flexion de l’outil de coupe lors de son fonctionnement.

[0070] L’outil de coupe 100 est relié aux deux ensembles résonants 230, 240 via les sonotrodes 231, 331 au niveau d’un des méplats 125.

[0071] Selon l’exemple de réalisation illustrée à la figure 2, une rallonge résonante 250 peut être interposée entre chaque sonotrode 231 des ensembles résonants 230, 240 et l’outil de coupe 100. La rallonge résonante 250 est dimensionnée de manière à permettre la transmission d’une vibration de la sonotrode 231 à l’outil de coupe 100. De manière identique aux autres éléments constituant l’ensemble résonant 230, 240, la longueur de la rallonge 250 est un multiple de la longueur d’onde de la fréquence de l’émetteur 210, 220 et avantageusement égale à une demi-longueur d’onde. Ainsi, la rallonge résonante vibre traction-compression selon son axe longitudinal (axe Z).

[0072] Cette rallonge résonante 250, optionnelle, peut être un élément communément appelé « booster » afin de pouvoir éventuellement permettre une modification de l’amplitude selon l’axe Z transmise à l’outil de coupe inerte 100 si nécessaire.

[0073] Selon un autre exemple de réalisation, l’outil de coupe 100 est directement en contact avec la surface d’un des méplats 125 de la sonotrode 231, i.e. sans Γutilisation d’une rallonge résonante 250 comme illustré à la figure 1. L’outil de coupe 100 est maintenu en position par un barreau résonant 260 vissé dans un taraudage 127 de la sonotrode 231 (ou dans un taraudage de la rallonge résonante 250 solidaire de la sonotrode 231).

[0074] L’outil de coupe 100 est monté en sandwich entre la sonotrode 231 (ou la rallonge résonante 250) et le barreau résonant 260. Ainsi, le dispositif de découpe 1 selon l’invention permet un montage et un démontage rapide d’un outil de coupe 100, simplifiant les opérations de maintenance ou de modification de la forme de l’outil de coupe.

[0075] Le barreau résonant 260 est dimensionné de manière à être résonant et à pouvoir vibrer en traction-compression, selon son axe longitudinal, à la fréquence de l’émetteur

210, 220. De manière identique aux autres éléments constituant l’ensemble résonant

230, 240, la longueur du barreau résonant 260 est un multiple de la longueur d’onde de la fréquence de l’émetteur 210, 220 et avantageusement égale à une demi-longueur d’onde. D’un point de vue optimisation de fabrication, le barreau résonant 260 et la rallonge résonante 250 peuvent présenter des dimensions identiques. L’utilisation d’un barreau résonant permet ainsi d’augmenter l’amplitude de vibration de l’outil de coupe. [0076] Dans les exemples de réalisation illustrés aux figures 1 et 2, l’outil de coupe 100 est mis en vibration ultrasonique selon la direction (Z) et vibre selon un mode de flexion selon cette direction.

[0077] La bride de maintien 270 est agencée autour de l’émetteur 210, 220 de chaque ensemble résonant 230, 240. La bride de maintien 270 permet ainsi de solidariser les ensembles résonants 230, 240 sur un support non résonant 400 du système de découpe 1 selon l’invention.

[0078] Les deux ensembles résonants 230, 240 vibrent à une même fréquence de résonance et en phase. En revanche, les deux ensembles résonants 230, 240 vibrent avec des amplitudes de vibration différentes. Cette différence est symbolisée par le graphique de la figure 5, illustrant l’amplitude de vibration A en fonction du temps t.

[0079] L’écart relatif Δ entre les deux amplitudes maximales de vibration est supérieure ou égale à 10% et avantageusement compris entre 20% et 50%.

[0080] Ce mode de vibration avec des amplitudes différentes des deux ensembles résonants 230, 240 permet d’amplifier l’onde ultrasonore résultante au niveau de l’outil de coupe 100 augmentant ainsi son pouvoir de coupe par rapport aux dispositifs de découpe de l’état de la technique.

[0081] Cette différence d’amplitude au niveau des ensembles résonants 230, 240 est gérée par exemple au niveau du, ou des, générateur(s) électroacoustique(s) de l’ensemble électroacoustique pilotant les émetteurs à ultrasons 210, 220. La différence d’amplitude de vibration des ensembles résonants 230, 240 est réalisée par une différence de consigne de puissance délivrée par le, ou les, générateur(s) aux émetteurs à ultrasons 210, 220.

[0082] Selon une variante de réalisation, la différence d’amplitude de vibration des ensembles résonants 230, 240 peut être réalisée par l’utilisation de sonotrodes stabilisatrices de formes différentes au niveau des deux ensembles résonants 230, 240.

[0083] Selon une variante de réalisation, la différence d’amplitude de vibration des ensembles résonants 230, 240 peut être réalisée par l’utilisation d’émetteurs à ultrasons à amplitudes différentes pour une même consigne de puissance du générateur.

[0084] Selon une variante de réalisation, la différence d’amplitude de vibration des ensembles résonants 230, 240 peut être réalisée par l’utilisation de sonotrode 231, 331 présentant des formes différentes, par exemple un rapport Dbe/Ep différent en cas d’utilisation d’une sonotrode en forme de couronne.

[0085] Ainsi, à fréquence fixe, l’amplitude de vibration des ensembles résonants 230, 240, et donc la vibration en flexion de l’outil de coupe 100, est réglable en modifiant électroniquement la consigne de puissance du, ou des, générateur(s) à ultrasons, ou encore en utilisant différentes formes ou différentes matières d’éléments résonants de la chaîne acoustique entre les deux ensembles résonants (émetteur, sonotrode, sonotrode stabilisatrice, et toutes pièces résonantes).

[0086] La vibration ultrasonore des ensembles résonants engendrant une vibration en flexion de l’outil de coupe 100 est complétée avantageusement par une vibration d’origine mécanique de l’outil de coupe 100, via un dispositif de mise en vibration 500 représenté à la figure 1.

[0087] Le dispositif de mise en vibration 500 met en mouvement l’outil de coupe selon une direction (Y), correspond à l’axe longitudinal de l’outil de coupe 100, et représenté par une double flèche sur la figure 1, de façon à générer une vibration mécanique à basse fréquence, typiquement inférieure à la fréquence de résonance de l’ensemble ultrasonore, par exemple inférieure à 20kHz.

[0088] Le dispositif de mise en vibration 500 est par exemple un vérin électrique, un vérin hydraulique, un moteur électrique, ou encore tout autre système vibrant permettant de faire vibrer mécaniquement l’outil de coupe 100 à une fréquence inférieure à la fréquence de résonance de l’ensemble ultrasonore, par exemple inférieure à 20kHz.

[0089] Le mouvement complémentaire généré par le dispositif de mise en vibration 500 crée ainsi un mouvement de cisaillement au niveau du produit à découper ce qui permet d’améliorer le pouvoir de coupe de l’outil de coupe 100 et de réduire les phénomènes d’accroche et d’adhérence des produits collants sur l’outil de coupe 100 lors de la découpe, notamment au niveau des nœuds de vibration résultant de la mise en vibration par ultrasons.

[0090] Le dispositif selon l’invention permet de réaliser des coupes dans n’importe quelles directions par déplacement du dispositif de mise en vibration 200 par rapport aux produits à découper comme avec les dispositifs de mise en vibration par ultrasons mettant en mouvement une lame rigide. A cet effet, le système de découpe par ultrasons 1 peut comporter un moyen pour déplacer l’outil de coupe de manière verticale et/ou horizontale par rapport au produit à découper en fonction du type d’outil de coupe utilisé de manière à créer un mouvement d’aller/retour générant une coupe. Typiquement, le mouvement d’aller/retour est réalisé à une fréquence très faible par exemple entre 10 et 200 coupes par minute.

[0091] Cependant, le dispositif selon l’invention permet également de laisser le dispositif fixe et de déplacer uniquement les produits à découper. Ainsi, il est possible de découper des produits selon un plan de coupe horizontale, les produits se déplaçant par exemple sur un tapis roulant et étant maintenus en position par des moyens ad hoc (maintien par dépression, etc).

[0092] Grâce au dispositif selon l’invention, il n’existe plus de limite ni de contrainte liée aux opérations de réaffutage des lames de coupe dans la mesure où l’augmentation de la fréquence de résonance de la lame, inhérente à cette réparation, ne déstabilise plus l’ensemble électroacoustique.

[0093] Le dispositif selon l’invention permet également de réaliser des découpes de produits de dimensions variées avec un même dispositif et une même machine, notamment par la possibilité d’utiliser une gamme variée de lames fines sans contraintes de dimensions.

[0094] L’invention a été particulièrement décrite pour la mise en vibration d’un outil de coupe pour la découpe de produits industriels, et plus particulièrement des agroalimentaires. Toutefois, bien que le problème soit lié au domaine particulier de la découpe de produits agro-alimentaires, le dispositif selon l’invention permet également d’apporter des améliorations dans d’autres domaines techniques nécessitant la mise en vibration d’un élément. Ainsi, l’outil de coupe décrit dans la présente demande peut facilement être remplacé par d’autres éléments inertes, par exemple pour réaliser des opérations de découpe de produits industriels, de mise en vibration d’échangeurs de chaleur, de nettoyage, de décolmatage d’éléments filtrants, de mise en vibration de système bactéricides, etc.

[0095] L’invention a été particulièrement décrite avec un seul outil de coupe inerte à faire vibrer ; toutefois, il est également envisagé de pouvoir faire vibrer plusieurs outils de coupe inertes simultanément notamment grâce à la forme particulière de la sonotrode.

[0096] L’invention a été particulièrement décrite avec une architecture particulière, toutefois, il est prévu de pouvoir modifier le positionnement de l’émetteur, de la sonotrode stabilisatrice, de l’outil de coupe inerte et du système de fixation en fonction des contraintes d’encombrement et des applications souhaitées.

Claims (1)

1. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]

   Revendications

   Système de découpe par ultrasons (1) comportant un outil de coupe inerte (100), un dispositif de mise en vibration par ultrasons (200) dudit outil de coupe inerte (100), ledit système étant caractérisé en ce que ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons (200) comporte : un ensemble électroacoustique à fréquence fixe comportant un premier émetteur à ultrasons (210) et un deuxième émetteur à ultrasons (220) ; un premier ensemble résonant (230) couplé au premier émetteur à ultrasons (210) et accordé à la fréquence de celui-ci, ledit premier ensemble résonant (230) permettant la transmission d’une première vibration ultrasonore selon une première direction (Z) ;

   un deuxième ensemble résonant (240) couplé au deuxième émetteur à ultrasons (220) et accordé à la fréquence de celui-ci, ledit deuxième ensemble résonant (240) permettant la transmission d’une deuxième vibration ultrasonore selon ladite première direction (Z) ;

   ledit outil de coupe (100) étant solidaire dudit premier ensemble résonant (230) et dudit deuxième ensemble résonant (240) de manière à vibrer selon un mode de flexion ;

   et en ce que ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons est configuré pour faire vibrer ledit premier ensemble résonant (230) et le deuxième ensemble résonant (240) en phase à ladite fréquence de l’ensemble électroacoustique avec des amplitudes vibratoires ultrasonores différentes.

   Système de découpe par ultrasons (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit dispositif de mise en vibration par ultrasons (200) est configuré pour faire vibrer ledit premier ensemble résonant (230) et le deuxième ensemble résonant (240) avec une différence relative entre les deux amplitudes vibratoires ultrasonores supérieure ou égale à 10%, et avantageusement comprise entre 20% et 50%.

   Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système de découpe par ultrasons (1) comporte en outre un dispositif de mise en vibration (500) raccordé à l’outil de coupe (100) et générant une vibration dudit outil de coupe (100) selon une deuxième direction (Y).

   Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif de mise en vibration (500) est un vérin électrique ou un vérin hydraulique ou un moteur électrique.

   [Revendication 5] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier ensemble résonant (230) et/ ou ledit deuxième ensemble résonant (240) comporte une sonotrode (231, 331) en forme de couronne ou en forme de croix. [Revendication 6] Système de découpe par ultrasons (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que le premier ensemble résonant (230) et/ou ledit deuxième ensemble résonant (240) comporte une sonotrode stabilisatrice (232) couplée à ladite sonotrode (231, 331). [Revendication 7] Système de découpe par ultrasons (1) selon la revendication 6 caractérisé en ce que la sonotrode stabilisatrice (232) et la sonotrode (231, 331) sont réalisées en alliage d’aluminium. [Revendication 8] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications 6 à 7 caractérisé en ce que la sonotrode stabilisatrice (232) et la sonotrode (231, 331) forment une pièce monobloc. [Revendication 9] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier ensemble résonant (230) et/ ou ledit deuxième ensemble résonant (240) comporte un élément résonant (250, 260) configuré pour vibrer selon un mode de tractioncompression selon ladite première direction (Z). [Revendication 10] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’outil de coupe (100) est une lame présentant une épaisseur inférieure à 10 mm. [Revendication 11] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications 5 à 10 caractérisé en ce que l’outil de coupe (100) est positionné dans le sens de l’épaisseur entre ladite sonotrode (231, 331) et un élément résonant (260) configuré pour vibrer selon un mode de tractioncompression selon ladite première direction (Z). [Revendication 12] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications 5 à 10 caractérisé en ce que l’outil de coupe (100) est positionné dans le sens de l’épaisseur entre : un premier élément résonant (250) configuré pour vibrer selon un mode de traction-compression selon ladite première direction (Z) et raccordé directement avec ladite sonotrode (231, 331), et un deuxième élément résonant (260) configuré pour vibrer selon un mode de traction-compression selon ladite première direction (Z). [Revendication 13] Système de découpe par ultrasons (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de mise en tension de l’outil de coupe (100) selon une direction parallèle à l’axe

   longitudinal de l’outil de coupe (100).