Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons
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Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons



  1. #1
    loicmurat

    Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons


    ------

    Bonjour !

    Je viens vous embêter pour un petit problème concernant, on va dire, la piézoélectricité.
    Je ne sais pas si je suis sur le bon forum, n’hésitez pas à m’indiquer le bon endroit dans ce cas là.
    J’ai effectué quelques recherches, sans résultats, étant donné qu’il s’agit d’un petit truc bien précis et particulier.

    Alors disons que j’ai un projet à réaliser dans le cadre de ma 1ère année en école d’ingé en alternance, et ce projet je dois le réaliser en entreprise. Je travaille sur la soudure par ultrasons afin d’assembler des pièces plastiques (thermoplastiques en l’occurrence).

    Un de mes fournisseurs a accepté de m’expliquer un peu le principe de la soudure US, étant donné qu’il ne s’agit pas de notre spécialité. Ce dernier étant en congés, il m’est impossible de le joindre actuellement, car c’est sur un point qu’il m’a expliqué que je bloque.

    Je vous explique :
    La soudure US dépend d’un outillage assez complexe (enfin chacun son avis là-dessus ! ) : Un générateur pour convertir un courant alternatif classique en un autre de plus grande fréquence, un convertisseur doté d’éléments piézoélectriques (quartz ici) afin de transformer ce courant électrique en vibrations mécaniques, un amplificateur et une sonotrode qui rentrera en contact avec les pièces à souder.

    Mon problème se situe au niveau du convertisseur (appelé aussi transducteur), voilà ce que m’a expliqué mon fournisseur :
    Le quartz, sous l’action d’un champ électrique, va se déplacer vers le haut de quelques µm lorsque la tension est négative, et inversement vers le bas de quelques µm lorsque la tension est positive, celui-ci a été calibré pour ça. Avec une fréquence élevée (40 kHz ici), ces déplacements vont agir comme une vibration qui sera transmise le long de l’appareil afin de souder les pièces.

    Le problème c’est que je ne comprends pas l’effet piézoélectrique (inverse dans ce cas), si ces éléments se déplacent. Ne sont-ils pas censés se déformer ? Pour moi le quartz se « dilate » et se « rétracte », mais ne se déplace pas. C’est cette déformation qui entraine la vibration, et non pas un déplacement. Je tiens vraiment à comprendre ce petit point étant donné que mon tuteur est assez pointilleux et me posera surement la question si il voit que je ne suis pas clair là-dessus.

    Donc d’après, qu’est-ce qui est juste ? Est-ce que l’information qu’on m’a fournie est correcte ? Les deux sont correctes ? Que dois-je comprendre réellement sur ce quartz, comment arrive t-il à vibrer ?

    Désolé pour le pavé, n’hésitez pas à me dire si je ne suis pas assez clair !

    Je remercie d’avance toute personne pouvant se pencher sur le sujet, et qui pourrait m’éclairer !!

    Bonne journée à toutes et à tous !

    -----

  2. #2
    f6bes

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Bjr à toi,
    Non le quatz ne se rétracte pas ni ne se dilate.
    Il "bouge" , vibre comme pourratit le faire (descrtiption imagée) une lame de scie dont une extrémité est serrée dans un étau et l'autre libre.
    En courbant la lame elle se mets à" bouger" (vibrer).
    C'est ce que TU appeles ..déplacement. Mais il n'y a pas "rétractation" ou "dilatation".
    http://www.google.com/url?sa=t&rct=j...aInHkA&cad=rja
    http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RAD...T/RM24T03.html
    A+
    Dernière modification par f6bes ; 24/07/2012 à 14h08.

  3. #3
    pesdecoa

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Citation Envoyé par f6bes Voir le message
    Bjr à toi,
    Non le quatz ne se rétracte pas ni ne se dilate.
    Il "bouge" , vibre comme pourratit le faire (descrtiption imagée) une lame de scie dont une extrémité est serrée dans un étau et l'autre libre.
    En courbant la lame elle se mets à" bouger" (vibrer).
    C'est ce que TU appeles ..déplacement. Mais il n'y a pas "rétractation" ou "dilatation".
    http://www.google.com/url?sa=t&rct=j...aInHkA&cad=rja
    http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RAD...T/RM24T03.html
    Loin de moi l'idée de vouloir contredire vos dires, F6bes, mais je crois au contraire qu'il s'agit bien d'un mouvement de traction-compression (ou vibration longitudinale) et non de flexion...

  4. #4
    loicmurat

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Merci pour vos réponses !
    Cependant maintenant je suis encore plus dans le flou haha !

    Plus sérieusement, j'ai trouvé cet article:
    http://www.sfrnet.org/rc/org/sfrnet/...ysiques_02.pdf

    Celui-ci explique un peu le fonctionnement de la piézoélectricité du quartz. Regardez bien le schéma expliquant la création d'un "dipole" grâce à la déformation du quartz.

    Avec d'autres recherches, j'ai pu voir que le quartz pouvait bien se compresser et se rétracter ensuite.

    Quel théorie dois-je croire? :P D'où mon fournisseur aurait sorti ces infos si elles sont fausses?

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    invite07941352

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Ce que je ne comprends pas, malgré Wikipédia , c'est pourquoi ça chauffe au point de pouvoir souder certains plastiques basse température . Et comment on soude , comme le principe du fer à souder ?

  7. #6
    loicmurat

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Disons que dans mon cas, les vibrations créées viennent « tambouriner » la matière par le biais d’une sonotrode. Cet effet a pour conséquence de libérer l’énergie sous forme de chaleur. Si on multiplie tout ça par une fréquence de 40 000 Hz par ex, il est facile de comprendre que celle-ci devient importante, et les matériaux fondent ou se ramollissent. La pression exercée par la machine sur les composants à souder fait que les 2 matières se « mixent », et en refroidissant redeviennent durs, ce qui crée la soudure.

    Bien sur il faut jouer sur un appareillage adapté aux matériaux, à la forme des composants à souder (création par exemple de directeurs d’énergies (matériaux plus fin à un endroit pour une meilleure transmission de chaleur)), sur le temps de soudage, sur la pression….

    Après pour n’importe quel type de soudure, en gros il faut retenir : Production de chaleur (vibration, friction, chauffe (rayonnement, miroir…) ==> fusion matière ==> pression à appliquer ==> mélange des 2 matériaux à souder (mixage ??) ==> refroidissement.

  8. #7
    pesdecoa

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Je voudrais essayer d'expliquer pourquoi un plastique chauffe lorsqu'il vibre à haute fréquence(en dehors du phénomène de friction).

    Mon argumentation tourne autour de la notion d'amortissement.
    Une matière plastique a un amortissement important (10 fois plus grand que de l'acier ou de l'aluminium).
    L'amortissement est ce phénomène (mal connu mais mesurable) qui transforme l'énergie mécanique en chaleur.

    Maintenant abordons la notion de mode de vibration.
    Les fréquences de résonnance d'une pièce plastique sont très très proches les unes des autres à haute fréquence.
    D'autre part l'amortissement d'un mode de vibration de la pièce plastique est le paramètre qui gouverne le mode à haute fréquence.

    Donc en conclusion, des centaines de modes de vibration dissipent leur énergie sous forme de chaleur.

    Si la vibration était à basse fréquence, l'énergie vibratoire se propagerait plus et se dissiperait moins...

    Je pense que la même argumentation peut se faire aussi avec une approche ondulatoire au lieu d'une approche modale

  9. #8
    Tropique

    Re : Piézoélectricité du quartz - Appareil de soudure par ultrasons

    Citation Envoyé par pesdecoa Voir le message
    Loin de moi l'idée de vouloir contredire vos dires, F6bes, mais je crois au contraire qu'il s'agit bien d'un mouvement de traction-compression (ou vibration longitudinale) et non de flexion...
    Toutes les options sont possibles: compression, flexion, ondes de surface, cisaillement d'épaisseur, etc. Je ne sais pas exactement quel mode est adopté pour le sonobonding.

    Je ne suis pas certain qu'à l'heure actuelle, ce soit encore le quartz qui est utilisé pour ces applications: il a des coéfficients plutot défavorables comparé aux matériaux modernes.

    La soudure des pièces provient en partie de l'effet thermique, particulièrement concentré aux endroits où l'impédance acoustique a une discontinuité (=interfaces), de la pression statique appliquée, et de l'interpénétration moléculaire favorisée par les vibrations.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.

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