Introduction au soudage par ultrasons des plastiques

Le soudage par ultrasons est une méthode de collage de deux pièces constituées de matériaux identiques ou chimiquement compatibles à l'aide de vibrations ultrasonores à haute fréquence qui créent une soudure à l'état solide entre elles. L'avantage d'utiliser cette technique avec les plastiques est qu'en quelques secondes, une liaison haute résistance, étanche aux gaz et à l'eau est formée sans vis, colle, fils, soudure ou tout autre type de matériau de liaison. Les pièces qui ont été soudées n'ont pas besoin d'être laissées dans un gabarit pour durcir, ce qui les rend immédiatement utilisables dans une ligne d'automatisation. Le soudage par ultrasons des plastiques est un procédé respectueux de l'environnement qui consomme très peu d'énergie tout en produisant une soudure rentable, permanente et propre. Le processus est utilisé dans les secteurs de l'électricité, de l'informatique, de l'automobile, de l'aérospatiale, de la médecine et de l'emballage, pour n'en nommer que quelques-uns.

Une machine de soudage par ultrasons est constituée d'un ensemble de transducteurs appelé pile. Il est composé de trois éléments :  une sonotrode, un booster et un cornet de soudage. La sonotrode est la source des vibrations. À l'intérieur se trouvent des disques céramiques piézoélectriques pris en sandwich autour de plaques métalliques fermement fixées à un cylindre en titane. De l'électricité à haute fréquence lui est ensuite acheminée via un câble provenant du module d'alimentation du système. Comme cela ne crée pas suffisamment de vibrations pour obtenir une température de fusion pour la plupart des résines thermoplastiques, un booster est utilisé pour amplifier les vibrations d'entrée au rapport requis pour le processus de soudage. Le cornet de soudage transfère l'énergie des vibrations aux pièces thermoplastiques. Le cornet de soudage est conçu pour épouser les contours des pièces à usiner spécifiques. Il atténue les vibrations à une valeur spécifique et applique les forces nécessaires pour faire fonctionner le processus.

Ce procédé de soudage dépend du ramollissement des plastiques utilisés mais pas de leur fusion, il convient donc mieux aux thermoplastiques et non aux polymères thermodurcissables. La plupart des thermoplastiques ont une structure amorphe avec un certain degré de cristallinité, ce qui signifie que certaines zones ont une structure ordonnée. Les thermoplastiques se ramollissent sur une large plage de températures et ont une température de transition vitreuse. Les polymères thermodurcissables sont cristallins et ont un point de fusion distinct. Un polymère cristallin restera solide jusqu'à ce qu'il atteigne son point de fusion, puis fondra d'un seul coup. Les thermoplastiques amorphes ont également une densité inférieure, une résistance à la traction et un module de traction inférieurs, une ductilité et une résistance aux chocs plus élevées et une résistance au fluage inférieure par rapport à la plupart des polymères cristallins. Par exemple, l'ABS, l'acrylique, le polycarbonate et le PVC sont des polymères amorphes avec peu ou pas de structure cristalline. Ces plastiques sont bien adaptés au soudage par ultrasons. Le soudage par ultrasons de deux pièces fabriquées à partir de la même matière plastique obtiendra généralement le meilleur résultat. Cependant, dans certains cas, deux thermoplastiques différents peuvent être soudés par ultrasons, par exemple lorsque les matériaux sont chimiquement compatibles et ont des points de fusion similaires. L'une des meilleures combinaisons de plastiques pour ce type de soudage est l'ABS et l'acrylique.

Les polymères tels que le PE, le PP, le PE et le PIA sont cristallins et ont tendance à absorber les vibrations avant que l'énergie de la soudeuse à ultrasons ne puisse traverser le site de soudage. Il est donc difficile d'assembler l'un de ceux-ci à l'aide de ce type de soudure. L'une des combinaisons les plus demandées est le polyéthylène et le polypropylène, mais ceux-ci sont tous deux cristallins et chimiquement incompatibles.

Le soudage sonique est utilisé pour fabriquer des briquets au butane, des jouets, des pipettes et des cathéters intraveineux. Les parties supérieures des chaussures de sport sont souvent fabriquées par soudage par ultrasons plutôt que par couture ou collage. Le processus de fabrication des appareils électroménagers nécessite l'assemblage de nombreuses pièces en plastique. Des exemples de ce processus incluent l'écran d'affichage sur le panneau avant d'une machine à laver et les deux moitiés d'une roue de pompe. Dans l'industrie automobile, il existe des centaines d'utilisations pour le soudage sonique, notamment le soudage de pièces de feux arrière, du groupe d'instruments et de pare-chocs. Il a été rapporté qu'Apple cherchait à utiliser cette technique pour fabriquer ses écouteurs, ayant utilisé le processus avec succès sur certains de ses autres produits. Cela donnera aux écouteurs une apparence plus épurée.

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