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Jul 24, 2023

Le soudage par vibration s'adapte aux demandes changeantes

De nombreux ingénieurs automobiles font des cauchemars à propos des problèmes de bruit, de vibration et de dureté (NVH). Ironiquement, l'un de ces parasites - les vibrations - est largement utilisé pour assembler de nombreux types de pièces automobiles en plastique.

Le soudage par vibration, cousin du soudage par ultrasons, est un procédé d'assemblage populaire car il présente de nombreux avantages. Il peut assembler des thermoplastiques similaires et différents. Le soudage par vibration peut également assembler des pièces produites de différentes manières, telles que le soufflage, le moulage par injection ou l'impression 3D.

De plus, le soudage par vibration permet de souder de grandes pièces aux formes complexes. Il s'agit d'un processus relativement rapide pour assembler de grandes pièces en plastique. Et, parce qu'il applique une pression avant la chaleur, une certaine quantité de déformation de la pièce peut être adaptée.

Les soudeurs par vibration peuvent assembler pratiquement tous les thermoplastiques, y compris de nombreux types de nylons, polyamides, polycarbonates et polypropylènes. Le processus d'assemblage vieux de 50 ans tolère également les additifs, les colorants, les charges et les contaminants.

La plupart des soudeurs par vibration utilisent aujourd'hui des servomoteurs électriques et des systèmes d'entraînement électromagnétiques linéaires. L'actionnement servo réduit la maintenance, augmente la disponibilité et utilise plus de 30 % d'énergie en moins que les machines hydrauliques.

"Le soudage par vibration linéaire déplace physiquement l'une des deux pièces horizontalement sous pression, créant de la chaleur par frottement de surface qui fond et soude les pièces ensemble", explique Phil Sandow, vice-président des ventes et du marketing chez Telsonic Ultrasonics Inc., qui propose une gamme complète de soudeurs par vibration haute et basse fréquence.

"Par rapport au soudage par ultrasons, le soudage par vibration fonctionne à des fréquences beaucoup plus basses, des amplitudes plus élevées et une force de serrage beaucoup plus grande, créant de grandes zones de soudure scellées", explique Sandow. "Les têtes électromagnétiques éliminent l'usure et la lubrification associées aux surfaces d'appui. Les servomoteurs électriques nous permettent de contrôler la pression et d'atteindre des tolérances plus strictes pendant la fusion."

Le soudage par vibration est un processus d'assemblage bien établi qui s'applique à une large gamme de géométries de pièces et de matériaux, ce qui le rend idéal pour produire des pièces qui sont utilisées dans tout, des automobiles aux machines à laver.

"L'un des principaux avantages du soudage par vibration est qu'il peut être utilisé pour de très grandes pièces", explique Miranda Marcus, ingénieur senior pour l'assemblage des polymères chez EWI. "Des pièces jusqu'à six pieds de long peuvent être assemblées. En comparaison, le soudage par ultrasons est généralement limité à environ 12 pouces carrés [taille de cube], et même dans ce cas, il ne fournira pas de soudure continue.

"La seule véritable limite à la taille des pièces pouvant être soudées est la rentabilité de la construction de machines plus grandes", explique Marcus. « Cinq à six pieds est la limite pour les équipements actuellement fabriqués. À l'heure actuelle, il n'y a aucune incitation financière à construire plus grand, car il y a très peu d'assemblages en plastique de plus de deux pieds sur cinq qui bénéficieraient du soudage par vibration.

"Alors que de nombreux autres procédés peuvent souder de grandes pièces, comme le soudage par plaque chauffante, laser et infrarouge, le soudage par vibration est généralement beaucoup plus rapide", souligne Marcus. « Du côté négatif, il a tendance à produire des particules (poussière de plastique), ce qui n'est pas acceptable pour certaines applications. De plus, le soudage par vibration nécessite une surface plus plane que le soudage par plaque chauffante, laser et infrarouge.

Le soudage par vibration a un temps de soudage moyen de 10 à 15 secondes et un temps de maintien d'environ 15 secondes. Selon Marcus, les processus d'assemblage qui peuvent souder des pièces de la même taille approximative, comme la plaque chauffante et l'infrarouge, ont un temps de cycle global de 45 secondes et plus. Le soudage au laser peut être aussi rapide que le soudage par vibration, mais à un coût nettement plus élevé pour les pièces plus grandes.

"Le soudage par vibration fonctionne mieux avec des matériaux assez rigides et qui ont un coefficient de frottement de surface élevé", explique Marcus. "Les exemples incluent l'acrylonitrile butadiène styrène, le polyamide, le polycarbonate et le téréphtalate de polybutadiène. Le polypropylène peut être bien soudé par vibration si les pièces ont des parois épaisses ou si du verre est ajouté.

"Le polytétrafluoroéthylène (téflon) ne fonctionne pas bien avec le soudage par vibration, en raison de son faible coefficient de frottement", prévient Marcus. "Alternativement, bien que l'uréthane thermoplastique ait un coefficient de frottement élevé, il est trop mou pour être soudé par vibration.

"Le soudage par vibration est souvent plus efficace pour réaliser des joints entre des pièces dissemblables que d'autres procédés", explique Marcus. "Cela peut être dû à la perturbation mécanique accrue de la masse fondue pendant le processus, en raison des vibrations de grande amplitude à travers le plan de soudure. Cependant, en général, les plastiques semi-cristallins ne se lient pas à des plastiques semi-cristallins différents.

"Généralement, un joint de type bout à bout est utilisé pour le soudage par vibration", explique Marcus. "Il est important qu'il y ait suffisamment de surface de contact dans le joint et un dégagement suffisant pour s'adapter aux vibrations qui se produiront pendant le soudage.

"Si la largeur du joint est plus étroite que l'amplitude de la vibration, les pièces peuvent perdre le contact [à un moment donné pendant] la soudure, ce qui peut entraîner des déformations ou des dommages", ajoute Marcus. "Si l'apparence est un problème, un piège à flash peut être ajouté pour masquer la masse fondue qui sera extrudée lors du soudage."

Alors que le soudage par vibration est utilisé pour assembler une variété de produits en plastique dans de nombreuses industries, il a traditionnellement été associé aux applications automobiles.

« Le processus est utilisé par les équipementiers et les fournisseurs de niveau 1 pour produire en série des goulottes et des cadres d'airbags, des phares, des feux arrière, des groupes d'instruments et des tableaux de bord », explique Priyank Kishor, responsable mondial des produits non ultrasoniques chez Emerson Automation Solutions. "De nombreux types de pièces sous le capot sont également assemblés par soudage par vibration, y compris les filtres, les réservoirs de fluide et les collecteurs."

En particulier, les collecteurs d'admission d'air, les cartouches de carbone et les résonateurs ont stimulé la demande de soudeurs par vibration pendant des décennies. En fait, le soudage par vibration a été développé au début des années 1970 pour produire en masse des cartouches de carbone afin de répondre aux nouvelles exigences en matière d'émissions.

Aujourd'hui, certains grands fournisseurs automobiles, tels que Mann+Hummel et Marelli, utilisent des milliers de soudeuses par vibration pour produire en masse des pièces qui prennent en charge les groupes motopropulseurs à moteur à combustion interne (ICE).

Mais, à mesure que l'industrie automobile continue d'évoluer vers les transmissions électriques, les volumes de production traditionnels de collecteurs et d'autres pièces ICE diminueront au cours des deux prochaines décennies. Il n'est pas surprenant que de nombreux fabricants qui s'appuyaient fortement sur le soudage par vibration dans le passé portent désormais leur attention sur les technologies de mobilité électrique telles que les batteries et les piles à combustible.

"Bien que la croissance traditionnelle du marché soit devenue stagnante, nous vendons encore beaucoup de soudeuses par vibration et d'outillage", déclare Ray Laflamme, directeur du marketing automobile mondial chez Dukane Corp. "Et, les véhicules électriques offrent plusieurs nouvelles applications pour le soudage par vibration.

"Les boîtiers de batterie représentent un marché émergent", note Laflamme. "Les conduits de refroidissement sont une autre application. Tout comme les collecteurs d'admission d'air sur un ICE, les véhicules électriques doivent être refroidis. Le soudage par vibration est idéal pour les mêmes raisons : c'est un moyen efficace de produire en série de grandes pièces qui doivent être hermétiquement scellées. Et la plupart des applications utilisent des matériaux semi-cristallins.

« Plusieurs tableaux de bord sont maintenant assemblés avec des soudeuses à vibration à basse fréquence, et cette tendance devrait se poursuivre avec les véhicules électriques », explique Laflamme. "En fait, en raison des efforts d'allègement, nous nous attendons à voir moins de pièces métalliques dans les futurs tableaux de bord. Les ingénieurs automobiles veulent utiliser plus de structures en plastique pour répondre aux exigences de collision et d'impact.

"Il y a aussi une tendance dans l'industrie automobile à utiliser des pièces en plastique plus grosses, en raison des efforts d'allègement", explique Laflamme. "Comme moins de métal sera utilisé à l'avenir, le soudage par vibration pourrait devenir populaire pour l'assemblage de panneaux de carrosserie et d'autres pièces structurelles."

Au-delà des applications automobiles, les fabricants d'électroménagers continuent d'investir dans la technologie de soudage par vibration pour tout assembler, des bras gicleurs en plastique pour lave-vaisselle aux cuves de lave-linge.

« Nous commençons à voir de plus en plus d'applications qui impliquent des portes transparentes », explique Laflamme. "Si les ingénieurs ne peuvent pas les assembler avec des attaches et des joints, ils se tournent alors vers le soudage par vibration pour obtenir un joint hermétique.

"Nous voyons également des applications intéressantes dans l'industrie des dispositifs médicaux, comme les cathéters, les filtres et les contenants qui recueillent les fluides corporels", ajoute Laflamme. "Un autre marché émergent est celui de l'industrie de l'emballage. Étant donné que certains nouveaux types de conteneurs et de patins en plastique réutilisables sont volumineux, ils sont produits avec la technologie de soudage par vibration."

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