Soudage par ultrasons

Soudage par ultrasons Séminaire de méthodes de production Mathias Heyraud et Philippe Paccaud MT BA5 25 novembre 2011 Sous la responsabilité de : Jacques Jacot, Alain Dufaux, Jean-Daniel Lüthi

Table des matières 1 Introduction 1 2 Principe 1 3 Équipement 3 3.1 Générateur................................... 3 3.2 Convertisseur.................................. 3 3.3 Booster..................................... 4 3.4 Sonotrode.................................... 5 3.5 Propagation de l onde............................. 6 3.6 Enclume..................................... 7 3.7 Presse...................................... 7 4 Choix des matériaux 8 4.1 Structure des polymères............................ 8 4.2 Soudage hétérogène............................... 9 4.3 Additifs..................................... 9 4.4 Humidité..................................... 10 5 Différents types d assemblage 10 5.1 Directeur d énergie............................... 10 5.2 Butt joint.................................... 11 5.3 Shear joint.................................... 12 5.4 Assemblage par points............................. 12 5.5 Assemblage thermoplastes-métaux....................... 13 5.6 Assemblage des métaux............................. 13 6 Paramètres 14 6.1 Fréquence.................................... 14 6.2 Force de trigger................................. 14 6.3 Durée d application des vibrations....................... 14 6.4 Amplitude des vibrations............................ 14 6.5 Commandes................................... 15 7 Exemple d application industrielle 15 7.1 B. Braun Medical................................ 15 7.2 Poches de perfusions.............................. 15 8 Calcul de coût 16 9 Avantages et limites 17 10 Conclusion 18 11 Remerciements 18

1 Introduction Le soudage par ultrasons est une méthode de soudage très répandue pour assembler les thermoplastiques. Cette méthode utilise des vibrations mécaniques de fréquences ultrasonores (20-40 khz) et de faible amplitude (1-125µm). Ces vibrations créent de la chaleur àl interfacedesdeuxpièces,entraînantunefusionlocale. Cette technique d assemblage à été découverte dans les années 1950 par Norman Branson alors qu il travaillait sur les ultrasons pour les sonars. Depuis lors, le soudage par ultrasons s est développé et est désormais largement utilisé dans une multitude de domaines dans l industrie (automobile, électronique, médical, packaging...) pour sa facilité d utilisation et son prix relativement faible. Nous allons tout d abord présenter les aspects techniques, soit le principe du soudage par ultrasons, la machine et ses composants. Ensuite nous verrons les méthodes de mise en oeuvre et nous terminerons avec la visite de l entreprise B.Braun Medical SA et l étude de coûts d une soudure! 2 Principe Les pièces à souder sont placées dans la position voulue, la partie inférieure étant fixée dans l enclume. Au-dessus des pièces se trouve l ensemble vibrant. Au bout de cet ensemble se trouve la sonotrode. La sonotrode est appuyée progressivement contre la pièce du dessus. Quand la force d appui dépasse une valeur prédéfinie (la force dite de trigger) la presse se bloque et les vibrations commencent. Figure 1 Ensemble sonotrode - pièces - enclume L onde de pression stationnaire traverse la pièce supérieure jusqu à l interface de soudure où son amplitude est faite maximale par la géométrie des pièces. Les contraintes dues à l onde vont créer des déformations qui vont entraîner des frottements intermoléculaires. Ces frottements intermoléculaires dégagent une chaleur suffisante pour provoquer la fusion de la matière. Durant la fusion, les molécules des deux pièces se mélangent et créent la soudure. 1

Quand il a eu une fusion suffisante, les vibrations s arrêtent mais pas la pression qui garde en contact les deux pièces. Cette pression est appliquée le temps que la soudure refroidisse, pour obtenir une meilleure qualité de celle-ci. Ensuite la presse remonte et la soudure est terminée. L ensemble des étapes dépasse rarement les 3 secondes. La soudure par ultrasons a l avantage de ne pas nécessiter d apport de matière, de plus la zone de fusion est très localisée et donc il n y a pas de risque d abimer le reste de la pièce. On peut résumer le processus en en 5 étapes : 1. Mise en place et approche : Les deux pièces sont placées dans la position voulue pour la soudure, la partie inférieure se trouvant dans l enclume. La sonotrode descend ensuite en contact avec la pièce supérieure. 2. Application de la pression : La sonotrode est appuyée de plus en plus fort sur la pièce jusqu à atteindre la valeur de trigger. 3. Vibrations : Les vibrations commencent et créent un échauffement de la matière qui va engendrer la fusion au contact des deux pièces. Les vibrations s arrêtent quand la fusion est suffisante. 4. Refroidissement : La pression est maintenue pour que la soudure se solidifie le mieux possible (ne pas créer de faiblesses à causes des variations de contraintes) 5. Relâchement : La soudure est maintenant froide, la sonotrode remonte et libère la pièce. Figure 2 Les5étapesduprocessus 2

3 Équipement Une soudeuse à ultrasons se compose des éléments suivants : Ungénérateur Unconvertisseur Unbooster Unesonotrode Uneenclume Unepresse 3.1 Générateur Le générateur est la partie qui transforme la tension du secteur (220V, 50-60Hz, sinusoïdale) en la tension requise pour les vibrations ( 1kV, 20-40kHz, sinusoïdale). Les machines de 20kHz utilisent en général des générateurs de 150-4000W, et celles de 40kHz des de 150-700W. 3.2 Convertisseur Le convertisseur reçoit le signal envoyé par le générateur, son rôle est de transformer ce signal en vibrations mécaniques. Pour ce faire, il est composé de disques piézo-électriques tenus entre des plaques métalliques, généralement en titane. Une vis traversant l ensemble permet d appliquer une contrainte sur les piézo-électriques, ceci àcausedeleurspropriétésmécaniqueslimitées en tension, ceci permet d obtenir un rendement supérieur à 95%. Entre les plaques se trouve une électrode sous la forme d un fin disque métallique. Quand le signal du convertisseur arrive sur les électrodes, la tension va contracter et dilater les piézo-électriques, créant ainsi les vibrations mécaniques à la fréquence du générateur. L amplitude des vibrations dépend principalement du matériau piézo-électrique utilisé et de l amplitude de la tension électrique appliquée. Les valeurs typiques (crête-à-crête) de cette amplitude sont 20µm pour un convertisseur 20kHz et 9µm pour un 40kHz. Figure 3 Soudeuseàultrasons Figure 4 Convertisseur 3

3.3 Booster Le booster est la pièce faisant la liaison entre le convertisseur et la sonotrode. Sa forme particulière lui sert à augmenter l amplitude des vibrations, d où son nom. De plus, le booster est la seule partie de l ensemble vibrant reliée mécaniquement à la presse : il sert de point de fixation. Il existe des gains d amplification standards qui sont : 0.5, 0.6, 1, 1.5, 2, 2.5. Chez Branson, ces boosters sont différenciés par un code de couleur. On peut calculer ce gain àpartirduprincipedelaconservationdelapuissancetransmise.selonceprincipe,toute variation de section entraîne une variation d amplitude avec la relation suivante : S sortie S entrée = A entrée A sortie Figure 5 GammeBransondeboosters20kHz 4

3.4 Sonotrode La sonotrode est la partie qui s appuie directement sur la pièce, elle est donc créée spécialement pour chaque soudage. Elle peut être fabriquée par le fournisseur de la machine ou par l entreprise qui l utilise, elle est en général soit en aluminium, soit en titane. Cette pièce s usant, elle a un nombre de cycles limité, de l ordre de 100 000 pour l aluminium et 1 000 000 pour le titane. Cette pièce peut aussi servir à amplifier les vibrations, il existe pour cela 3 géométries principales : en escaliers, exponentielle et caténoïdale : Les sonotrodes en escaliers ont les meilleurs gains, ils peuvent aller jusqu à 9. Mais en contrepartie il y a de fortes contraintes internes qui peuvent entraîner une usure accélérée de la pièce. Lessonotrodesexponentiellesontdemoinsbonsgainsmaisunemeilleurerépartition des contraintes. Lessonotrodescaténoïdalesontdebonsgains,maisavecmoinsdecontraintesinternes que celles en escaliers. Figure 6 Sonotrodesenescalier,exponentielleetcaténoïdale Il faut tout de même faire attention à ne pas trop vouloir amplifier les vibrations avec la sonotrode car si la surface de contact entre la sonotrode et la pièce est trop faible, il peut y avoir de grandes pertes à cet endroit. Et dans certains cas, ces pertes peuvent endommager la pièce voir même créer une fusion entre la pièce et la sonotrode. On essaie par ailleurs d aligner verticalement les points de contact sonotrode-pièce et les points de soudure. Avec de grandes sonotrodes (>90 mm en largeur ou en diamètre) des ondes transversales non-négligeables peuvent apparaître. Pour éviter cela et limiter les pertes, on usine des fentes dans la sonotrode, ce qui atténue la circulation de ces ondes, sans gêner les ondes longitudinales qui servent au soudage. L atténuation de ces ondes transversales est la base d une sonotrode de qualité. Les matériaux les plus utilisés pour la sonotrode sont l aluminium, le titane et l acier : 5

L aluminiumestpeucher,facileàusineretadebonnespropriétés acoustiques (u=6 400 m s 1 à20c) c est pourquoi il est très souvent utilisé. Mais par contre il s use rapidement, à cause de sa faible dureté, en comparaison avec le titane et l acier, c est pourquoi il est peut être à privilégier pour les petites séries ou pour les phases de développement. Néanmoins des couches de chrome ou de nickel peuvent être déposées pour améliorer sa durabilité. Letitaneesttrèsdur,aunebonnerésistanceàlafatigue,de bonnes propriétés acoustiques (u=5 990 m s 1 à20c) mais est très cher et est difficile à usiner. L acieraunefaiblerésistanceàlafatigueetn estdoncutilisé que dans des soudages à faible amplitude. Le prix de la sonotrode varie entre 400CHF et 8 000CHF selon la complexité de la sonotrode, sa taille et le métal utilisé, l aluminium étant le moins cher et le titane le plus cher. 3.5 Propagation de l onde Comme nous l avons vu, c est le booster qui sert de point de fixation à l ensemble vibrant. Ce point étant immobile, il sera par définition un point nodal de l onde stationnaire (noeud, amplitude nulle). Pour obtenir une bonne résonance de l ensemble et qu un maximum d énergie vibratoire soit transmise d un élément vibrant à l autre (convertisseur, booster et sonotrode) on fait en sorte que les points de liaison entre les éléments vibrants soient des ventres (maximums d amplitude). Cela implique que les longueurs d ondes utilisées déterminent la taille des éléments (longueur = /2). Cette taille sera donc fonction de la fréquence et des matériaux utilisés. On trouve typiquement les valeurs suivantes : À20kHz: /2 aluminium ' 16cm /2 titane ' 15cm Figure 7 Propagation de l onde À40kHz: /2 aluminium ' 8cm /2 titane ' 7.5cm 6

3.6 Enclume L enclume a pour but de maintenir la pièce à souder du bas fixe durant les étapes du soudage. Cette partie sert aussi à aligner les pièces avec la sonotrode, cet alignement est assuré dans la conception de l enclume à travers sa géométrie. Il existe deux types d enclume, les enclumes rigides, et les enclumes élastiques. Figure 8 Uneenclumerigide(gauche)etuneélastique(droite) Les enclumes rigides sont faîtes généralement en aluminium ou en acier inoxydable. Leur rigidité leur permet de ne pas beaucoup absorber d énergie due aux vibrations mais peut risquer de marquer la pièce. Elles sont principalement utilisées pour les polymères semi-cristallins et les polymères flexibles, ces derniers ayant peu de risque d être marqués ou déformés durant le soudage. Les enclumes élastiques sont généralement moins chères à usiner que les enclumes rigides. Elles sont faîtes principalement par coulage ou moulage d uréthane. Inversement aux enclumes rigides, ces enclumes absorbent plus d énergie durant le soudage mais marquent moins les pièces. Il ne faut pas oublier que l enclume devra supporter, en plus des vibrations, la force de pression. C est elle qui fournit la force de réaction à cette pression. Elle ne doit donc pas se déformer sous cette force, ce qui nuirait à l alignement des pièces, mais il faut aussi penser à la fatigue de l enclume due aux nombreux cycles d utilisation. 3.7 Presse La presse correspond au bâti de la machine, c est elle qui referme la boucle de force. Elle supporte l ensemble convertisseur-booster-sonotrode et permet de le descendre et de l appuyer contre les pièces à souder. Généralement la presse fonctionne avec des vérins pneumatiques. La presse doit aussi assurer que la sonotrode et l enclume soient coplanaires. Elle possède pour cela une table réglable angulairement sur laquelle est tenue l enclume. La table, posée en son centre sur une demi-sphère, peut être à 6 ou 8 vis, ce qui correspond respectivement à 3 ou 4 points à hauteur réglable répartis sur ses bords. Chaque point possède donc deux vis, une qui limite la hauteur vers le haut, une qui limite la hauteur vers le bas. 7

L alignement est d autant plus important quand le plan de soudage des deux pièces est grand, ou que la sonotrode possède plusieurs points de soudage. Une méthode utilisée en pratique pour vérifier cet alignement consiste à placer une feuille de papier calque sur la table et d appuyer légèrement la sonotrode dessus. Si les marques sur la feuille sont uniformes, la table est bien alignée à la sonotrode. 4 Choix des matériaux Le soudage par ultrason est en grande partie utilisé pour assembler des polymères. Il existe deux familles de polymères : les thermodurcissables, qui ne fondent pas quand on les chauffe, et les thermoplastiques qui eux peuvent être fondus, mis en forme puis figés par refroidissement. Il apparait donc clairement que seuls les thermoplastiques peuvent être assemblés par ce procédé. 4.1 Structure des polymères Les polymères amorphes ont une structure non ordonnée caractérisée par un arrangement aléatoire de leurs atomes. Cette structure engendre des températures de fusion et de transition vitreuse relativement basses. Une fois la température de transition vitreuse atteinte il devient visqueux. Ce ramollissement est progressif dans un large intervalle de températures encadrant la température de transition vitreuse, ce qui permet d éviter une resolidification prématurée. Ce type de polymères convient donc parfaitement au soudage par ultrasons. Les polymères semi-cristallins possèdent quand à eux une structure ordonnée. Leur température de fusion est plus haute, ce qui implique qu ils nécessitent plus d énergie pour les fondre. De plus, leur zone de transition vitreuse est plus étroite que celle des polymères amorphes, ce qui implique un plus grand risque de resolidification prématurée. Il n est donc pas impossible, mais plus délicat, de les assembler par ultrasons. Figure 9 Structuredespolymères 8

4.2 Soudage hétérogène On parle de soudage hétérogène lorsqu on soude deux pièces de matériaux différents. Dans ce cas il faut faire attention à ce que l écart entre leurs températures de fusion ne soit pas trop grand. On se limite en général à un écart de 22 C(40F). Le tableau suivant présente les couples de thermoplastiques compatibles pour un soudage à ultrasons : Figure 10 Tableau de compatibilité des matériaux 4.3 Additifs La plupart du temps les additifs, tels que les plastifiants, les colorants et les lubrifiants, ont un effet nocif sur la qualité du soudage : Lesplastifiantsdiminuentlarigiditédesmatériaux,cequilimitelatransmissionde l énergie ultrasonique. 9

Leslubrifiantsréduisentlesfrottementsintermoléculaires,cequiperturbelaformation de chaleur. Lescolorantspourlaplupartnenuisentpasàlatransmissiond énergiemaisil peuvent causer une réduction de la quantité de matière soudable disponible à l interface de joint. 4.4 Humidité Certains polymères, comme le polyester et surtout le nylon, sont dits hygroscopique, c est à dire qu ils absorbent l humidité ambiante. L eau contenue au niveau du plan de joint peut s évaporer à cause de l échauffement lors du soudage et former des bulles. La soudure est poreuse, ce qui a pour effet de détériorer sa résistance, son herméticité et son apparence. 5 Différents types d assemblage 5.1 Directeur d énergie Un directeur d énergie est une crête triangulaire moulée sur l une des surfaces du joint. La pointe du directeur d énergie est soumise au maximum de contrainte durant le soudage et est forcée au contact par la presse, ce qui par frottement entre les surfaces va entraîner sa fusion. Le directeur d énergie, fondu, va couler le long de l interface des deux pièces et former un joint après refroidissement et solidification. Les directeurs d énergie amorphes forment des soudures plus rigides que les semi-cristallins, étant donné qu ils coulent et se solidifient graduellement. Les directeurs d énergie assurent qu un volume spécifique du matériau est fondu pour produire une bonne adhésion sans bavures (excès de matière fondue qui déborde du joint). Le directeur d énergie n assure pas l alignement des pièces! La forme du directeur d énergie dépend naturellement du polymère utilisé. Pour un polymère amorphe, la pointe du directeur d énergie forme un angle de 90,cequicorrespond à un rapport hauteur/base de 0.5. Pour un semi-cristallin, la pointe forme un angle de 60,etdonclerapporthauteur/basevaut 0.87. En général, la base du directeur d énergie varie entre 0.25mm-1.3mm. Il existe deux types de soudage, qui dépendent de Figure 11 Forme des directeurs d énergie 10

la position du directeur d énergie, le soudage proche et le soudage lointain. Si les directeurs d énergie sont sur la pièce supérieure, il s agit d un soudage proche, s ils sont sur la pièce inférieure, il s agit d un soudage lointain. Le soudage proche permet de diminuer les pertes d énergies dans la pièce supérieure, pour cela on essaie de rapprocher la sonotrode du plan de soudure. Cette technique est surtout utilisée pour les semi-cristallins qui sont de mauvais conducteurs de vibrations. Le soudage lointain ne peut être utilisé qu avec de bons conducteurs de vibrations (ABS, PC, PS, etc). Figure 12 Facilité relative de soudage (1 = Très bon ; 5 = Mauvais) 5.2 Butt joint Les butt joints sont les joints les plus communs, il en existe trois types : les butt joints simples, ceux en escaliers et ceux en languettes et gorges. Ces joints sont en général plutôt réservés aux polymères amorphes, mais peuvent aussi se faire avec des semi-cristallins. Le butt joint simple : Il correspond à un simple directeur d énergie sur une surface plane. Ces caractéristiques sont une mauvaise résistance aux cisaillements et un risque de bavures sur les côtés dus aux débordements de matière fondue, mais une bonne facilité de mise en oeuvre et une bonne étanchéité. Le butt joint en escaliers : Il favorise de part sa forme l écoulement du polymère fondu vers l intérieur de la pièce, ce qui ne crée pas de bavure externe. Ce type de joint est très résistant en cisailleme nt mais un peu moins en traction que le butt joint simple. Il est utilisé quand il faut un bon compromis entre résistances mécaniques diverses et esthétisme. Le butt joint en languette et gorges : Ce joint est esthétique et hermétique, mais aunemauvaiserésistanceentractiondueàlafaiblezonedesoudage.larésistanceencisaillement est très bonne. Cet assemblage a aussi l avantage de s aligner automatiquement, ce qui permet de ne pas forcément avoir recours à une enclume. 11

Figure 13 Joint en escalier (gauche) et en languette et gorge (droite) 5.3 Shear joint Certains polymères semi-cristallins comme le PE, le PP ou le nylon ne peuvent pas être assemblés avec des directeurs d énergie. Ceci est dû à leur transition solide-liquide qui se fait de manière trop abrupte, les parties fondues se re-solidifient dès qu elles entre en contact avec une paroi un peu trop froide. Cela crée des soudures mal contrôlées et très peu résistantes. Pour assembler ces matériaux nous utilisons donc le joint par emboitement ou shear joint. Dans ce type de joint la matière fondue ne peut pas s écouler et la partie soudée est bien contrôlée. Ces joints ont une résistance mécanique très élevée, jusqu à 95% de la limite élastique du polymère, mais aussi une très bonne étanchéité. En contrepartie, comme la soudure est asymétrique, il faut un support assez rigide et qui tient suffisamment la pièce inférieure pour que la soudure n entraîne pas de flexion de celle-ci. Figure 14 Joint par emboitement 5.4 Assemblage par points Pour réaliser cet assemblage les pièces sont placées l une sur l autre, la sonotrode traverse la première pièce qui doit être fine, et pénètre partiellement dans la seconde pièce. Le polymère fondu pénètre dans l interstice entre les deux pièces et crée le joint de soudure. Ce type d assemblage a l avantage de n imposer qu une seule contrainte sur le design des pièces, que la pièce du dessus soit fine. Par contre on remarque qu à cause de l espace entre les deux pièces, cet assemblage ne résiste pas en flexion. 12

Figure 15 Assemblage par point 5.5 Assemblage thermoplastes-métaux Cet assemblage permet d assembler une pièce métallique avec une pièce en polymère. Dans ce type d assemblage on trouve principalement le rivetage et l insertion. Pour le rivetage ultrasonique la pièce métallique est placée sur la pièce thermoplastique et est traversée par une excroissance de cette dernière. La sonotrode va faire fondre cette excroissance pour recouvrir une partie de la pièce métallique et donc lier les deux parties entreselles. Pour l insertion par ultrasons, une pièce métallique est insérée dans un trou en plastique. Le diamètre de la pièce métallique est légèrement supérieur à celui du trou. La pièce métallique aussi à une forme particulière lui permettant de ne pas ressortir, le plastique fondu rentre dans des interstices et piège la pièce métallique. Ce type d assemblage est par exemple utilisé pour insérer des taraudages dans des pièces thermoplastiques. Figure 16 Rivetage Figure 17 Insertion 5.6 Assemblage des métaux Le soudage par ultrasons peut aussi être utilisé pour assembler des métaux. Dans ce cas, on ne crée pas de fusion globale (sur toute l interface) des matériaux mais on utilise une autre méthode, le grippage, ceci permet notamment de souder des métaux ayant des points de fusion différents. Les vibrations sont horizontales et non pas verticales, ce qui crée des frottements qui entraînent des microsoudures à l interface. Pour utiliser cette méthode il faut donc une autre machine que pour le soudage par ultrasons "classique" des thermoplastiques. Les métaux les plus appropriés à ce type d assemblage sont les métaux non-ferreux (cuivre, aluminium, laiton...). 13

6 Paramètres Les paramètres importants pour le soudage par ultrasons sont la fréquence, la force de trigger, la durée d application des vibrations, leur amplitude et la durée de refroidissement. 6.1 Fréquence Les fréquences les plus utilisées sont 20kHz et 40kHz. De plus basses fréquences de l ordre de 15 khz peuvent être utilisées pour les matériaux semi-cristallins. Les avantages des machines à 40kHz sont la réduction du bruit audible, la taille des composants qui sont deux fois plus petits que pour du 20kHz, le temps du cycle de soudage et de la force de trigger. Son désavantage principal est la faible amplitude des vibrations, ce qui limite voir empêche le soudage lointain.ces machines sont généralement utilisées pour souder des petits composants comme des switch électriques. Les soudeuses de 20kHz ou 15kHz peuvent être utilisées pour presque tous les thermoplastiques. Comme les fréquences sont deux fois plus basses, les composants sont deux fois plus grands que pour la machine à 40kHz. De plus les basses fréquences sont moins bien atténuées dans les thermoplastiques, ce qui permet le soudage de polymères souples et la possibilité de faire des soudages lointain. 6.2 Force de trigger C est la force qui est maintenue pendant et après les vibrations. C est cette force qui permet la bonne transmission des ondes mécaniques et assure aussi que les pièces à souder restent en contact dans la position voulue pendant les vibrations. Si la force est trop faible l énergie n est pas bien transmise et le temps de soudage est augmenté. Par contre si la force est trop grande la rigidité de la soudure diminue et on risque de marquer la pièce. En général l ordre de grandeur de cette force est de quelques centaines de newtons. 6.3 Durée d application des vibrations Le temps de soudure est un paramètre qui ne se calcule pas, il se trouve par tâtons. En général, on essaie différents temps de soudure puis on procède à des tests des différentes soudures (herméticité, résistance à la traction...). Un temps trop court ne permet pas à la soudure de bien se faire, mais un temps trop long risque aussi de faire baisser la rigidité de celle-ci. La durée moyenne d un cycle de soudure est de l ordre d une seconde. 6.4 Amplitude des vibrations L énergie ultrasonique à l interface de soudure est proportionnelle à l amplitude vibratoire de la sonotrode. En variant cette amplitude pour une durée de soudage fixée on peut donc contrôler la température de cette interface. De manière générale on compte un échauffement de l ordre de 1 000 C/s. Si l amplitude est trop élevée, l interface du joint chauffe trop rapidement et crée un flux de matière fondue trop important, ce qui risque d entraîner des bavures et une soudure peu rigide. Au contraire de trop basses amplitudes créent des soudures non-uniformes à cause de solidification prématurées. 14

L amplitude est principalement gérée mécaniquement par le booster et la sonotrode. Elle peut aussi être variée en changeant la tension de sortie du générateur. En pratique, les grands ajustements se gèrent mécaniquement et les ajustements fins se gèrent électriquement. Généralement, les matériaux cristallins demandent de plus grandes amplitudes que les amorphes. La valeur moyenne de l amplitude pour les polymères amorphes varie entre 30µm à100µm etde60µm à125µm pourlespolymèressemi-cristallins. 6.5 Commandes Les machines modernes peuvent être contrôlées selon trois modes distincts : Réglagedutempsdesoudure Réglagedel énergietransmiseàlasoudure Réglagedelaprofondeurdelasoudure La plupart des soudeuses par ultrasons sont entièrement programmables et affichent tous les paramètres en temps réel et à la fin de la soudure. En réglant le temps de soudure on peut donc aussi voir la profondeur obtenue et l énergie qui lui a été apportée. Ceci permet un meilleur contrôle de la qualité des soudures et de l usure de la sonotrode. 7 Exemple d application industrielle 7.1 B. Braun Medical B. Braun Medical est une entreprise pharmaceutique fondée en 1839. Son siège social se trouve à Melsungen en Allemagne. Elle possède 140 établissements répartis dans 55 pays. B.Braun fournit les structures hospitalières en dispositifs médicaux, solutions intraveineuses et implants en divers domaines (cathéters, instrumentations chirurgicales, stents, poches de perfusions...). En 2010, B.Braun employait 41 666 personnes et avait un chiffre d affaire de 4.4 milliards d euros. En suisse, cette entreprise employait 916 personnes sur 4 sites (Sempach, Lucerne, Escholzmatt et Crissier) et avait un chiffre d affaire de 319.2 millions de chf. 7.2 Poches de perfusions À Crissier, B. Braun fabrique entre autres des poches de perfusions. Le soudage par ultrasons intervient à deux endroits différents de ces poches : Tubes de remplissage : Les poches sont constituées de trois compartiments destinés à contenir différents nutriments (lipides, acides aminés et glucose) de façon séparée. Les tubes de remplissage de chaque compartiment doivent être refermées hermétiquement, sans nuire aux produits contenus. Le soudage a ultrasons a été choisi pour cette application car il permet de fermer hermétiquement et proprement, les vibrations chassant les produits de la zone de soudure), tout en évitant de bruler les contenus (échauffement très localisé au niveau du joint seulement). 15

Ports d accès : Des ports d accès au bas de la poche sont utilisés pour accéder aux produits. On peut y planter directement les systèmes goutes à goutes ou les seringues à travers une gomme en élastomère. La gomme, qui permet d éviter toute fuite lors des opérations est encapsulée entre deux pièces de PP, ces deux pièces étant soudées par ultrasons. Là aussi il faut pouvoir assembler sans endommager la pièce de gomme, le soudage par ultrasons est donc privilégié. Figure 18 Port d accès de la poche et vue en coupe 8 Calcul de coût Nous nous intéressons au coût du soudage de cette pièce (pas au prix des matériaux eux-mêmes). Nous allons aussi comparer le soudage automatique et manuel. Voici les paramètres/hypothèses de la production : Aumoins15millionsdepiècesparannée La machine est une Branson 2000X à 20 khz et 2500 W qui coûte 50 kchf Le prix de l automatisation (chargement/déchargement) : 200 kchf par machine Unesonotrodeentitanepermetdefaire1 000 000decyclesetcoûteenviron3 000.- Pourlesoudagemanuel,oncompte15secondesparpièce Pourlesoudageautomatique,oncompte3secondesparpièce 2 000heuresdetravailparannée Amortissementdel investissementsur4ans Unopérateurcoûte60.-parheureàl entreprise Unopérateurparmachinemanuelle Unopérateurpoursuperviser4machinesenautomatique Une machine en manuel peut donc produire 2000 3600/15 = 480 000 pièces par an, il en faudra donc 31. Pour une machine en automatique : 2000 3600/3 =2 400 000 pièces par an, il faudra donc 7 machines (on comptera alors 2 opérateurs pour gérer les 7 machines) La consommation en électricité est de 2.5 kw 2000 h = 5000 kwh par machine et par an. A 0.22 CHF/kWh, cela représente un cout de 1000 CHF, ce qui est négligeable en comparaison des autres valeurs (< 1%). Nous négligeons aussi la consommation d énergie pneumatique. 16

On remarque que dans le cas de l application manuelle, l opérateur occupe une très large partie du coût (90%!!), il est donc évident que l automatisation est intéressante, àconditiondefairedegrandeséries.danscecas,unsoudageparultrasonsautomatisé revient 6 fois moins cher qu un soudage manuel. 9 Avantages et limites 17

10 Conclusion Le soudage par ultrasons est un procédé d assemblage pour les thermoplastiques. Il permet de souder de façon étanche, esthétique et résistante, sans apport de matière. Il est très peu couteux, s exécute de façon rapide (quelques secondes), et il est donc capable de s intégrer facilement à une chaine de production, ce qui en fait une solution idéale pour les grandes séries. 11 Remerciements Nous tenons à remercier l entreprise B. Braun Medical et particulièrement M. Xavier Bédat qui a prit de son temps pour nous expliquer en détail le soudage par ultrasons au sein de son département de développement. Nous remercions également le Prof. Jacot ainsi que Dr. Dufaux et M. Lüthi pour leur encadrement et leurs conseils. Références [1] Michael J. Throughton. Handbook of Plactics Joining. William Andrew, 2008. [2] Avraham Benatar, Christian Bonten, and David Grewell. Welding. Hanser Verlag, 2002. [3] Branson Applied Technologies Group. Plymers : Characteristics and compatibility for Ultrasonic Assembly, 2001. [4] Laurent Brunner and Christophe Pierroz. Soudage par ultra sons, Rapport de séminaire. EPFL, 2006. [5] Vasili Massaras and Gilles Garcin. Soudage par ultra sons, Rapport de séminaire. EPFL, 2007. [6] F. Sieber and S. Vaneberg. Soudage par ultra sons, Rapport de séminaire. EPFL, 2008. [7] Mohamed Raad and Alexander Von Mach. Soudage par ultra sons, Rapport de séminaire. EPFL, 2010. [8] Novembre 2011. www.emersonindustrial.com. [9] Novembre 2011. www.bbraun.ch. [10] Novembre 2011. www.wikipedia.org. 18