Brevet FR2176635A1 — publié le 19731102

La présente invention a pour objet de nouveaux procédés et dispositifs pour fabriquer des pièces en matières thermoplastiques à partir de demi produits. Le secteur technique concerné par l'invention est celui du travail des matières thermoplastiques en vue de leur mise en forme et de la jonction de plusieurs pièces entre elles. L'invention s'applique plus particulièrement mais non exclusivement à la fabrication de corps creux notamment de tubes, manchons, coudes, tés, pièces de raccordement diverses en chlorure de polyvinyle ou P.V.C. utilisées comme éléments de canalisations. Les principales techniques actuellement connues pour travailler les matières thermoplastiques telles que chlorure de polyvinyle, polyéthylène, polypropylène, polyamides etc... sont les suivantes - llextrusion qui consiste à chauffer la matière à une température telle qu'elle soit portée à l'état pâteux et à la forcer à passer à travers des filières puis à refroidir les pièces obtenues pour les solidifier. - le moulage qui consiste à remplir la cavité d'un moule de matière plastique chauffée à une température telle qu'elle soit suffisamment fluide pour remplir le moule. - l'injection qui est une variante du moulage dans laquelle on force la matière plastique fluide à remplir la cavité d'un moule soit sous l'effet de la pression soit par aspiration sous vide. - le soufflage dans lequel on fabrique des corps creux en soufflant de l'air à l'intérieur d'une ébauche portée à une température telle que la matière soit malléable et soit plaquée par la pression sur les parois d'un moule. - la mécano-soudure qui consiste à découper des pièces dans des produits semi finis tels que plaques ou feuilles et à les assembler par soudure ou collage. Ces techniques présentent des inconvénients. L'extrusion permet de fabriquer uniquement des objets rectilignes. Le moulage et l'injection permettent d'obtenir des objets de forme plus complexe mais entraînent des inclusions de bulles d'air dans la masse qui diminuent de façon notable la résistance mécanique et obligent à surdimensionner les pièces. De ce fait, on ne sait pas fabriquer actuellement de pièces de raccordement pour canalisations ayant un diamètre supérieur à 160 mm. L'objectif de la présente invention est d'échapper à ces limitations grâce à un procédé de façonnage des matières thermoplastiques qui améliore la structure de celles-ci et leurs propriétés mécaniques. L'effet du procédé selon l'invention est comparable à celui du forgeage des métaux qui modifie la structure métallographique par écrouissage. Dans les procédés par extrusion, moulage ou injection, la matière est portée à une température telle qu'elle présente un état pâteux suffisamment fluide pour être comparable à un liquide qui traverse facilement une filière ou qui remplit la cavité d'un moule. Par exemple, dans le cas du chlorure de polyvinyle, on opère à une température de l'ordre de 280"C. Mais le fait de porter la matière plastique à haute température puis de la refroidir fait naître des tensions internes qui diminuent la résistance mécanique. Un des buts de l'invention est de travailler les matières thermoplastiques de sorte que l'on évite de donner naissance à des tensions internes et à des inclusions d'air. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un procédé qui consiste à chauffer des demi-produits tels que des tronçons de tube ou de barres, des plaques, des feuilles, des profilés etc... à une température très inférieure à la température de passage à l'état pâteux; à comprimer fortement ceux-ci entre deux pièces pour les déformer ou pour les assembler et à les refroidir. On peut fabriquer selon l'invention des tubes,à partir d'une plaque de matière thermoplastique, de la façon suivante : on chauffe ladite plaque pour la rendre malléable; on l'enroule sur un cylindre tournant dont le diamètre est égal au diamètre interne du tube, de sorte que les deux extrémités de la plaque viennent bord à bord; on assemble entre eux les deux bords, sans aucun apport de matière, en les comprimant entre ledit cylindre et un deuxième cylindre parallèle et on refroidit. On peut également fabriquer des pièces de raccordement de tubes telles que manchons, tés, coudes, dérivations, frettes etc... à partir de tronçons de tube en matière thermoplastique. On place un ou plusieurs tronçons de tube dans une cavité ayant la forme de la pièce à fabriquer, laquelle cavité est délimitée par un moule externe et par un moule interne démontables; on chauffe les moules à une température telle que la matière thermoplastique soit ramollie et on comprime le ou les tronçons de tube à l'intérieur de ladite cavité de sorte qu'ils la remplissent en épousant le contour de celle-ci. Si on est parti de plusieurs tronçons de tube ceux-ci se soudent entre eux sans apport de matière et ne forment plus qu'une seule pièce. Les avantages de l'invention sont les suivants : les propriétés mécaniques des matières thermoplastiques façonnées selon l'invention sont améliorées. En effet, le procédé selon l'invention consiste à déplacer la matière dans un état voisin de l'état solide en la refoulant. Il n'amène pas de diminutions d'épaisseur comme les procédés par emboutissage, par estampage ou par matriçage. Au contraire, la densité de la matière se trouve accrue et l'obser- vation au microscope d'une section montre que la structure est rendue plus homogène. En particulier la structure fibreuse des demi-produits obtenus par extrusion disparaît au cours du façonnage selon l'invention. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer des corps creux tels que tubes ou raccords sans limitation de dimension et ouvre donc la voie à de nouvelles applications des matières thermoplastiques dans le domaine des canalisations et des récipients. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer des pièces de forme complexe. Il permet, par exemple, d'obtenir à l'intérieur d'un tube, des nervures longitudinales, transversales ou obliques, continues ou discontinues, simplement par déformation de ce tube. L'aspect de surface des pièces obtenues par le procédé selon l'invention est très bon et ne nécessite aucun usinage ou traitement ultérieur. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer des tubes en matière thermoplastique de tout diamètre à partir de plaques ou de feuilles. Ces tubes ont une très bonne résistance, meilleure que celle des tubes extrudés. La jonction des deux bords est très solide, aussi solide que s'il s'agissait d'un tube sans soudure réalisé par étirement. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer de nouveaux produits, notamment des tubes, et l'invention protège ces nouveaux produits. Les diverses caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit qui se réfère aux dessins annexés lesquels représentent des exemples sans caractère limitatif. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif pour fabriquer des tubes. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une frette pour joints à ventouses. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif pour fabriquer une frette selon la figure 2. La figure 4 est une coupe transversale du moule interne de la figure 3 selon la ligne IV IV. La figure 1 représente un cylindre 1 ayant une surface lisse qui tourne lentement dans le sens de la flèche A. Ce cylindre est chauffé de sorte que sa surface extérieure soit portée à une température comprise entre 1000 et 1800. Ce chauffage est réalisé par tout moyen connu, par exemple par des diffuseurs d'air chaud ou des tubes à rayons infra-rouges placés au-dessus du cylindre. Le diamètre extérieur du cylindre est egal au diamètre intérieur du tube que l'on désire fabriquer. Un deuxième cylindre 2, dont le diamètre est supérieur à celui du cylindre 1, et qui est parallèle au cylindre 1, est entraîné en rotation dans le sens d- la flèche B a une vitesse plus réduite que celle du cylindre 1. Les cylindres 1 et 2 peuvent être rapprochés l'un de l'autre et on règle la largeur de l'espace qui les sépare de sorte qu'elle corresponde à l'épaissetr du tube que l'on désire obtenir. Sur la surface externe du cylindre 1, on enroule une feuille de matière thermoplastique, par exemple de P.v.C.. La longueur de cette feuille est déterminée de sorte que les bords 3a et 3b viennent à proximité l'un de l'autre. L'enroulement de la feuille est facilité par l'action de la température qui la rend plus malléable mais qui reste cependant au moins à 1000 au-dessous de la température à laquelle le P.V.C. devient pâteux. La feuille reste donc toujours à l'état solide mais légèrement ramollie. L'épaisseur de la feuille est légèrement supérieure à l'épaisseur du tube que l'on désire fabriquer.Sous l'action combinée de la température et de la compression due au rapprochement des deux rouleaux, on réalise la jonction des deux bords 3a et 3b, sans aucun apport de matière et on obtient un mariage des deux bords parfait, comme si le tube était d'une seule pièce. La compression de la matière entre les deux rouleaux 1 et 2 amé livre la structure et les propriétés mécaniques. Une fois les bords joints, on applique sur la face externe du tube un petit cylindre molleté 4 portant à sa surface des stries entrecroisées. Ce cylindre trace à la surface du tube un réseau de nervures ou de rainures qui augmentent la rigidité du tube et qui réduisent très sensiblement le coefficient de dilatation longitudinale du tube lequel est divisé par 5 au moins. L'accroissement de rigidité du tube fait que celui-ci résiste mieux à l'ovalisation et on peut donc obtenir des tubes ne présentant pas de déformation notable avec des parois moins épaisses que celles des tubes courants. On obtient ainsi un nouveau produit constitué par des tubes en matière thermoplastique dont la surface externe présente des nervures entrecroisées. La réduction du coefficient de dilatation s'explique par le fait que les nervures ou rainures déforment les fibres de la matière et détruisent les contraintes internes. Il est précisé que ce même procédé consistant à nervurer mécaniquement la surface d'un produit en matière thermoplastique de forme allongée de façon à augmenter sa rigidité et à réduire son coefficient de dilatation peut s'appliquer à toutes sortes de produits élancés tels que barres, profilés, poutres et plaques. Le molletage peut s'effectuer à une température plus faible, comprise entre 800 et 1000. La figure 2 représente deux tubes 5a et 5b assemblés bout à bout avec un joint d'étanchéité a lèvres 7 logé dans une frette 8. Ce matériel est déjà connu. La frette 8 comporte à chacune de ses extrémités une bague 9a et 9b formant un épaulement intérieur contre lequel s' appuie le joint 8. La fabrication de ces frettes par les procédés de façonnage connus à ce jour soulève des difficultés. La figure 3 représente le dispositif permettant de fabriquer ces frettes d'une seule pièce. La fabrication de ces frettes a été choisie à titre d'exemple pour illustrer l'invention mais il est précisé que cet exemple n'est pas limitatif. La figure 3 représente un tronçon de tube 10, en P.V.C., d'axe x x' qui est placé entre un moule interne creux 11 et un moule externe 12, formé de deux demi coquilles assemblées. Le tronçon de tube 10 a une longueur nettement supérieure à celle de la frette de même épaisseur que l'on désire obtenir. Le moule externe 12 a un diamètre interne égal au diamètre externe du tronçon de tube 12 qui est également le diamètre externe de la frette à fabriquer. Le moule interne 11 a un diamètre externe égal au diamètre interne du tube 12 qui est également égal au diamètre interne de la partie centrale de la frette. Le moule interne comporte à ses deux extrémités, deux manchons cylindriques 13a et 13b dont le diamètre externe correspond au diamètre interne des bagues 9a et 9b de la frette. Le moule est chauffé par tout moyen connu, par exemple, par des résistances électriques 14 disposées autour du moule externe. De même le moule est refroidi par tout moyen connu, par exemple, par un serpentin 15 dans lequel circule de l'eau froide ou par soufflage d'air froid sur le moule externe. Le dispositif de la figure 3 comporte,en outre,deux noyaux cylindroconiques 16 et 17 qui s'engagent à l'intérieur du moule interne. Le diamètre externe de la partie cylindrique est gal au diamètre interne du moule 11. Les noyaux 16 et 17 comportent chacun une couronne 16a et 17a qui s'engage dans l'espace intermédiaire entre les moules 11 et 12 et qui vient prendre appui sur les extrémités du tronçon de tube 12. Le dispositif comporte des moyens pour exercer des efforts de sens opposés sur les deux noyaux 16 et 17 afin de les rapprocher l'un de l'autre. Ces moyens peuvent être constitués par exemple, par des vérins ou des presses hydrauliques ou tout autre moyen équivalent permettant d'exercer des efforts intenses de plusieurs centaines de tonnes. On opère de la façon suivante. Grâce aux moyens de chauffage 14 on porte le tronçon de tube a une température telle qu'il soit légèrement ramolli. Dans le cas d'un tube en P.V.C., cette température est comprise entre 100" et 1800 et de préférence, entre 1400 et 1500. Cette température est très éloignée de la température à laquelle on travaille habituellement le P.V.C. dans les procédés par moulage, extrusion ou injection qui est de l'ordre de 280". On comprime ensuite mécaniquement le tronçon de tube au moyen des noyaux 16 et 17 faisant fonction de pistons. Sous l'effet conjugué de la température et de la pression, le P.V.C. se déforme et la matière est refoulée et repoussée de sorte qu'elle occupe tout l'espace intermédiaire entre les deux moules, lequel se réduit à mesure que les deux noyaux 16 et 17 se rapprochent. La matière subit un compactage à l'état solide qui modifie sa structure, accroît sa densité et améliore très nettement ses propriétés mécaniques. Le moule externe 12 peut porter sur sa face interne des stries entrecroisées et, dans ce cas, la surface externe de la frette obtenue est nervurée et, comme dans l'exemple précédent, la rigidité de la frette est accrue et le coefficient de dilatation est diminué. Le tronçon de tube 10 peut être remplacé par plusieurs tronçons de tube ou par une feuille roule. Sous l'effet de la pression et de la température, les devers tronçons de tube ou les lèvres de la feuille roulée se solidarisent et l'on obtient finalement une frette d'une seule pièce. Apex que les deux pistons 16 et 17 sont arrivés en fin de course, par exemple en butée l'un contre l'autre, on refroidit et on démoule aussitôt. Dans le cas de la frette comportant des bagues internes 9a et 9b, pour permettre le démoulage du moule interne 11, celui-ci est composé de quatre tronçons rectilignes. La figure 4 représente une section transversale du moule 11 sur laquelle apparaisent les quatre tronçons lia et lia' d'une part et îîb et 11b' d'autre part, raccordés entre eux par des plans de joints obliques par rapport aux rayons. Le même procédé peut être appliqué à la confection de tous types de raccords de tubes tels que Tés, coudes, dérivations, manchons, raccords filetés etc... cette énumération n'étant pas limitative. Seule la forme des moules varie et les ébauches de tubes peuvent être en plusieurs parties. Le procédé selon l'invention permet de confectionner des pièces de forme complexe et des pièces cylindriques de diamètre supérieur au diamètre des pièces actuellement fabriquées par injection ou par extrusion. Etant donné que la matière est refoulée et comprimée, on obtient un matériau de structure plus compacte, plus dense, ayant de meilleures pro priétés mécaniques. Les jonctions entre pièces, les nervures, bossages, etc... forment une seule pièce, sans aucune discontinuité décelable. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourront être apportées par l'homme de l'art aux exemples décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé pour fabriquer des objets en matières thermoplastiques à partir de demi-produits, caractérisé par les opérations suivantes - chauffer les demi-produits à une température de ramollissement nettement inférieure à la température de passage à l'état pâteux. - les comprimer mécaniquement. - les refroidir. 2 - Procédé selon la revendication 1 pour fabriquer un tube à partir d'une feuille en matière thermoplastique, caractérisé par les opérations sui vantes - chauffer ladite feuille pour la rendre malléable. - ltenrouler sur un cylindre tournant de sorte que les deux extrémités viennent bord à bord. - souder entre eux les deux bords dans apport de matière en les comprimant entre ledit cylindre et un deuxième cylindre parallèle au précédent et tournant en sens inverse. - refroidir la matière thermoplastique. 3 - Procédé selon la revendication 1 pour fabriquer des pièces de raccorde ment des tubes telles que manchons, tés, coudes, dérivations, frettes à partir de tronçons de tube dans une cavité ayant la forme de la pièce à fabriquer, délimitée par un moule interne et un moule externe démontables; on chauffe lesdits moules à une température telle que les tronçons de tube soient ramollis; on comprime mécaniquement les tronçons de tubes à l'intérieur de ladite cavité de sorte qu'ils épousent le contour de celle-ci, on refroidit et on démoule. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 pour fabriquer des objets en chlorure de polyvinyle, caractérisé en ce que l'on chauffe le chlorure de polyvinyle à une température comprise entre 100" et 1800 et de préférence entre 140 et 1500. 5 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3 pour fabriquer des frettes de joints comportant une bague formant un épau lement interne à chacune de leurs extrémités, caractérisé en ce qu'il est composé a - d'un moule externe formé de deux demi-coquilles cylindriques dont le diamètre interne est égal au diamètre externe de la frette et dont la longueur est supérieure à celle de la frette. b - d'un moule interne cylindrique creux, de même longueur que le moule externe, formé de quatre parties dont le diamètre externe est égal au diamètre interne de la frette, lequel moule interne comporte, à ses deux extrémités, deux manchons cylindriques dont le diamètre externe correspond au diamètre interne des bagues de la frette. c - de deux noyaux coniques dont le plus grand diamètre est égal au diamè tre interne dudit moule interne et qui s'engagent à lsinterieur dudit moule interne aux deux extrémités de celui-ci. d - de moyens pour exercer des efforts de sens opposés sur les deux extréintés desdits noyaux coniques. e - de moyens pour chauffer ledit moule externe. 6 - Procédé selon la revendication 1 pour fabriquer des produits en matière thermoplastique, caractérisé en ce que l'on presse contre la surface exter ne dudit objet une matrice striée de façon à tracer à la surface de celui-ci un réseau de nervures entrecroisées. 7 - Procédé selon les revendications 2 et 6 pour fabriquer des tubes, carac térisé en ce que l'on applique sur le tube chauffé un cylindre molleté tournant ayant une surface portant des stries entrecroisées. 8 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face interne dudit moule externe porte un réseau de stries entrecroisées. 9 - Produit nouveau constitué par un tube, une pièce de raccordement de tube ou une pièce allongée en matière thermoplastique, fabriquée selon les procédés suivant les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la surface externe dudit produit porte un réseau de nervures entrecroisées formant corps avec ledit produit qui a un coefficient de dilatation réduit.