Les matériaux de la partie supérieure de cette chaussure de sport New Balance ont été assemblés par soudage par ultrasons plutôt que par couture traditionnelle. Photo avec l'aimable autorisation de Kenneth Straka, Nouvel équilibre Dans la comédie musicale de 1982 "Victor Victoria, " Julie Andrews chante une note aiguë à la fin du numéro de cabaret parisien de son personnage. Elle soutient la note et les verres de champagne autour de la pièce se brisent. Cela a brillamment démontré comment les sons aigus ou à haute fréquence peuvent briser les matériaux. Mais saviez-vous que les sons à haute fréquence peuvent être utilisés pour lier des matériaux ensemble ?Une technologie appelée soudage par ultrasons est utilisée pour assembler des produits de nombreuses industries, allant des dispositifs médicaux aux chaussures de sport en passant par les automobiles.
Typiquement, vous pouvez coller des matériaux en utilisant des attaches telles que des clous, vis ou filetage. Ceci est approprié pour les métaux, bois, tissus et plastiques. Pour de nombreux plastiques, des colles sont utilisées; les colles forment des liaisons chimiques entre la colle elle-même et les surfaces des matières plastiques collées. Les métaux peuvent être maintenus ensemble en chauffant d'autres métaux en tant qu'agent de liaison, tels que la soudure au plomb dans les connexions électriques. Alternativement, les métaux peuvent être directement fondus entre eux (soudage); une fois les surfaces métalliques fondues refroidies, les métaux se lient entre eux. Le soudage nécessite généralement une flamme nue ou un chalumeau pour atteindre les températures élevées nécessaires pour faire fondre les surfaces métalliques ensemble. Donc, il peut s'agir d'un processus coûteux pour certains travaux de fabrication.
Un nouveau, méthode de soudage plus rentable a été introduite dans les années 1940. La technique, soudage par ultrasons, utilisait des ondes sonores à haute fréquence et une pression pour lier les métaux ensemble et nécessitait moins d'énergie que le soudage conventionnel. Le soudage par ultrasons des métaux s'est développé au cours des années 1950 jusqu'aux années 1990, à mesure que l'électronique utilisée dans l'équipement devenait plus sophistiquée et que les ordinateurs pouvaient contrôler le processus. Depuis ce temps, la technique a été appliquée aux plastiques, où il est vraiment devenu populaire.
Dans cet article, nous examinerons l'équipement et le processus physique de soudage par ultrasons, comment New Balance l'a utilisé pour fabriquer des chaussures de sport, et les avantages et inconvénients de cette technique. D'abord, examinons de plus près comment les ondes sonores lient les matériaux, à la fois en métal et en plastique.
Remerciement spécialNous tenons à remercier Kenneth Straka, Développeur produit senior pour New Balance, pour son aide dans cet article.
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Schéma du mécanisme de soudage par ultrasons Crédit image HowStuffWorks Frottez-vous les mains rapidement. Vous remarquez quelque chose ? Ils se sont réchauffés, droit? Si vous prenez un marteau et martelez une surface métallique rapidement et à plusieurs reprises, vous constaterez que l'endroit où le marteau frappe le métal se réchauffe, trop. Dans ces deux exemples, la chaleur est due au frottement. Imaginez maintenant que vous vous frottez les mains ou que vous frappez ce marteau des milliers de fois par seconde. La chaleur de friction générée peut augmenter considérablement la température en très peu de temps. Essentiellement, les sons à haute fréquence (ultrasons) provoquent des vibrations rapides dans les matériaux à souder. Les vibrations provoquent le frottement des matériaux les uns contre les autres et le frottement élève la température au niveau des surfaces en contact. Cette chaleur de friction rapide est ce qui définit les conditions pour que les matériaux se lient.
L'équipement de soudage par ultrasons comporte quatre parties principales. Une alimentation électrique convertit l'électricité basse fréquence (50-60 Hz) en électricité haute fréquence (20 - 40 kHz; 1 kHz =1000 Hz). Prochain, un transducteur ou un convertisseur transforme l'électricité haute fréquence en son haute fréquence (ultrasons). Un booster augmente les vibrations ultrasonores. Finalement, une corne ou sonotrode focalise les vibrations ultrasonores et les délivre aux matériaux à souder. Outre ces pièces, il y a une enclume sur laquelle les matériaux soudés sont empilés et maintenus. Il existe également une méthode pour appliquer une force (généralement une pression d'air fournie par un piston pneumatique) pour maintenir les matériaux ensemble pendant le soudage.
Alors, quels matériaux et industries tirent parti de ce processus intelligent ? Le soudage par ultrasons des plastiques est largement utilisé dans la fabrication d'électronique, dispositifs médicaux et pièces détachées automobiles. Par exemple, le soudage par ultrasons est utilisé pour réaliser des connexions électriques sur des circuits imprimés d'ordinateurs, et assembler des composants électroniques tels que des transformateurs, moteurs électriques et condensateurs. Équipement médical, comme les cathéters, soupapes, les filtres et les masques faciaux sont également assemblés par soudage par ultrasons. L'industrie de l'emballage utilise cette technique pour fabriquer des films, assembler des tubes et des blisters. Même Ford Motor Company a exploré l'utilisation du soudage par ultrasons pour fabriquer des châssis en aluminium dans les voitures.
Maintenant que vous connaissez les bases du soudage par ultrasons, regardons le processus de soudage lui-même.
Schéma du procédé de soudage par ultrasons Crédit image HowStuffWorks Le processus de base du soudage par ultrasons peut être décrit par les étapes suivantes :
Les temps de soudage, les pressions et températures appliquées sont contrôlées par un ordinateur ou un microprocesseur à l'intérieur de l'appareil de soudage. Et ce qui se passe réellement pendant le processus de soudage dépend de la nature des matériaux. Dans les métaux, les vibrations ultrasonores sont délivrées parallèlement au plan des matériaux. La chaleur de friction augmente la température des surfaces métalliques à environ un tiers de la température de fusion, mais ne fait pas fondre les métaux. Au lieu, la chaleur élimine les oxydes métalliques et les films des surfaces. Cela permet aux atomes de métal de se déplacer entre les deux surfaces et de former des liaisons qui maintiennent les métaux ensemble.
Dans le cas des matières plastiques, les vibrations sont perpendiculaires au plan des matériaux et la chaleur de friction augmente suffisamment la température pour faire fondre les plastiques. Les molécules de plastique se mélangent et forment des liaisons. Au refroidissement, les surfaces en plastique sont soudées ensemble. Les temps de soudage peuvent varier, mais les soudures peuvent se former en aussi peu que 0,25 seconde.
Les facteurs qui varient dans le soudage par ultrasons sont la fréquence des ondes sonores (généralement 20, 30 ou 40 kHz), la pression appliquée pour maintenir les matériaux ensemble, et le temps pendant lequel les ultrasons sont appliqués (fractions de seconde à plus d'une seconde).
Les techniques de soudage par ultrasons décrites jusqu'à présent sont bonnes pour les matériaux (métaux, plastiques) qui sont similaires. Mais qu'en est-il des matériaux qui ne sont pas similaires. Répondons à cette question en examinant comment New Balance a utilisé le soudage par ultrasons pour assembler des chaussures de sport.
Assemblage de chaussures de sport :après l'application du film thermofusible sur le daim synthétique, le film est pressé. Photo avec l'aimable autorisation de Kenneth Straka, Nouvel équilibre Regardez une paire de chaussures de sport. Alors que les chaussures traditionnelles peuvent être faites d'un seul matériau comme la toile ou le cuir suédé, de nombreuses chaussures de sport ont plusieurs matériaux tels que des polymères plastiques légers, daim ou daim synthétique, et maillage combinés. Ces matériaux composites rendent les chaussures légères, souple, résistant et respirant. Par exemple, un style de chaussure de sport New Balance a une partie supérieure qui se compose de trois parties.
Mais comment assembler ces matériaux ? Le plus souvent, les entreprises de chaussures cousent les matériaux ensemble. Il y a environ deux ou trois ans, cependant, New Balance a entrepris de fabriquer la partie supérieure d'une chaussure sans couture. Après avoir expérimenté des films adhésifs polymères et des fers à repasser, ils ont trouvé un moyen de fabriquer cette partie de la chaussure en utilisant le soudage par ultrasons.
Pour assembler la partie supérieure de la chaussure, les travailleurs commencent avec un morceau de suède synthétique. Ils utilisent une presse à fer pour coller une fine feuille de film thermofusible à l'arrière du matériau. Prochain, un ensemble de soudage par ultrasons presse une empeigne de motif dans un matériau en daim. De même, une machine de soudage par ultrasons similaire presse la rangée d'œil de selle à partir d'un autre morceau de daim synthétique. La forme de l'empeigne est découpée dans le daim. La rangée d'œil de selle et le matériau en maille sont soudés par ultrasons à l'empeigne. Dans les processus, la chaleur de friction de la soudeuse à ultrasons fait fondre le film thermofusible, qui lie la rangée d'œil de selle et le matériau en maille à l'empeigne. L'empeigne finie est ensuite façonnée et collée à la semelle et au talon à l'aide de solvants à base d'eau.
Selon Kenneth Straka, Développeur produit senior pour New Balance, les méthodes de soudage par ultrasons ont augmenté la productivité en économisant du temps. Non seulement les soudeuses à ultrasons distribuent la chaleur plus uniformément que les presses à fer, ils chauffent et refroidissent également plus rapidement. Donc, le processus d'assemblage nécessite moins d'étapes et est plus rapide que les méthodes de couture traditionnelles.
Maintenant que nous avons vu comment le soudage par ultrasons est utilisé pour lier divers matériaux, Regardons les avantages et les inconvénients de cette technique.
Assemblage de chaussures de sport :collage de suède synthétique Photo publiée avec l'aimable autorisation de Kenneth Straka, Nouvel équilibre Le soudage par ultrasons présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes traditionnelles. Pour un, le soudage se produit à basse température par rapport à d'autres méthodes. Donc, le fabricant n'a pas besoin de dépenser de grandes quantités de carburant ou d'autre énergie pour atteindre des températures élevées. Cela rend le processus moins cher. C'est aussi plus rapide et plus sûr.
Le processus se déroule en quelques fractions de seconde à quelques secondes. Donc, cela peut être fait plus rapidement que d'autres méthodes. En réalité, il peut lier les plastiques mieux et plus rapidement que les colles. Par exemple, les nouvelles clés intelligentes des voitures contiennent une puce transpondeur. La voiture ne peut démarrer que lorsqu'elle détecte la puce. Pour faire la clé, une extrémité de l'ébauche de clé en métal et la puce sont placées dans la moitié du dessus en plastique. L'autre moitié est placée sur eux et collée à la moitié de base. Ce collage se ferait généralement avec de la colle, qui met du temps à guérir. La même tâche peut être effectuée avec le soudage par ultrasons en moins d'une seconde.
Le soudage par ultrasons ne nécessite pas de combustibles inflammables et de flammes nues, donc par rapport à d'autres méthodes de soudage, c'est un processus plus sûr. Les travailleurs ne sont pas exposés à des gaz inflammables ou à des solvants nocifs. En électronique, les fils de cuivre sont généralement liés aux contacts électriques sur les circuits imprimés avec de la soudure. La même tâche peut être effectuée en utilisant le soudage par ultrasons en une fraction du temps et sans exposer les travailleurs aux fumées de la soudure au plomb couvant. Bien que l'audition des travailleurs puisse être endommagée par l'exposition à des sons à haute fréquence, ce danger potentiel est facilement réduit en enfermant la machine de soudage par ultrasons dans une boîte ou une cage de sécurité et/ou en utilisant une protection auditive.
Finalement, Les soudures par ultrasons sont aussi solides et durables que les soudures conventionnelles des mêmes matériaux - ce qui n'est qu'une des raisons pour lesquelles la méthode est utilisée dans la fabrication automobile. Pour rendre les voitures plus légères et plus économes en carburant, les constructeurs automobiles se tournent vers l'aluminium comme métal principal dans les carrosseries. Le soudage par ultrasons peut être utilisé pour coller le métal en moins de temps et à des températures plus basses que le soudage traditionnel.
Le soudage par ultrasons a ses limites, bien que. D'abord, les profondeurs des soudures sont inférieures au millimètre, le processus fonctionne donc mieux sur des matériaux minces comme les plastiques, fils ou de fines feuilles de métal. Souder par ultrasons une poutre en acier pour un bâtiment ne serait pas pratique. Seconde, cela fonctionne mieux lors du soudage de matériaux similaires comme des plastiques similaires ou des métaux similaires. Comme vous l'avez vu avec les chaussures New Balance, le soudage par ultrasons de matériaux dissemblables nécessite un matériau supplémentaire - dans le cas des chaussures New Balance, c'est un film qui peut être collé entre le daim synthétique et la maille.
Malgré ces limites, la popularité et le potentiel du soudage par ultrasons ne cessent de croître.
