Brevet FR2338124A1 — publié le 19770812

La présente invention concerne un procédé de moulage de pièces en matière plastique expansée ainsi qu un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. On connaît déjà des procédés de moulage de pièces en matière thermoplastique expansée et en particulier des procédés pour la fabrication de produits obtenus par agglomération de billes thermoplastiquesen polystyrène pré-expansé. Ces procédés sont actuellement utilisés couramment pour la fabrication de blocs, de supports ou de coques pour 1 t emballage de produits alimentaires, de machines ou d' appareils électroménagers. Ils ont une excellente résistance aux chocs ainsi qu'aux agents atmosphériques et leur coAut de revient est relativement bas. Habituellement les techniques de moulage connues consistent à remplir une cavité de moulage avec des billes de polystyrène pré-expansées et d'injecter de la vapeur d'eau destinée à échauffer ces billes jusqu a la température. de ramollissement du polymère et au-dessus du point d'ébullition du fluide porogène qui est contenu dans les billes. La vapeur provoque l'expansion des billes et leur fusion partielle, ce qui a pour effet de les agglomérer et de former une masse cellulaire homogène. Après la phase de chauffage, le produit cellulaire est refroidi à l'intérieur du moule afin d'empêcher une nouvelle expansion ou une déformation de l'objet moulé. Une fois le moule refroidi, le produit moulé est extrait et le moule peut être réchauffé en vue d'un nouveau cycle de moulage. Ces opérations impliquent l'installation d'un puissant dispositif de chauffage et de moyens énergiques pour refroidir le moule de sorte que l'alternance des deux opérations dont l'une consiste à chauffer le moule l'autre à le refroidir n'augmente pas de façon excessive la durée de la fabrication des pièces. Cependant, cette façon de procéder limite fortement la cadence de production et diminue considérablement la rentabilité de l'installation. Un autre facteur qui intervient de façon désavantageuse dans l'exploitation de ce procédé est celui de la consommation en énergie.En effet, lorsqu'on considère que pour chauffer 0,150 kilogrammes de matière thermoplastique contenue dans le moule il est nécessaire de chauffer é- gaIement, pour chaque cycle de moulage, les 150 kilogrammes du moule# lui-même, on comprend que ce rapport des masses de l'ordre de 1 à 1000 entraîne une perte considérable d'énergie qui pèse lourdement dans le prix de revient du produit fini. On a proposé de réaliser des moules à empreintes multiples pour réduire le coût de la fabrication. D'une part cette solution n' est valable que pour les pièces de faible dimension et d'autre part la conception et la réalisation des moules qui doivent être faits avec précision en un matériau bon conducteur de la chaleur tel que l'aluminium, sont fort coûteuses. Mentionnons également pour mémoire les frais occasionnés par les inévitables opérations de révision et de contrôle d'une installation aussi complexe. Pour assurer les opérations de refroidissement successives, le moule est pourvu de canalisations internes permettant la circulation de l'eau de refroidissement. Si cette eau n'est pas traitée elle dépose du calcaire qui bouche les buses d'injection et attaque les parois du moule ou de ses accessoires. En outre, pour des raisons économiques les usines exploitant les procédés connus utilisent des installations de refroidissement travaillant en circuit fermé et qui, de ce fait, comportent des bacs de stockage, des cuves de traitement des eaux, des tours de refroidissement et des stations de pompage ce qui alourdit considérablement le coût de la production en série des pièces moulées en polystyrène expansé. La présente invention se propose de remédier à ces divers inconvénients. Le procédé selon l'invention est caractérisé par une première phase au cours de laquelle on injecte dans un moule préalablement chauffé une quantité déterminée de particules en matière thermoplastique sous forme de billes pré-expansées, et on fournit à ces particules, de préférence par injection de vapeur d'eau, l'énergie nécessaire pour provoquer l'expansion, la fusion partielle et l'agglomération desdites billes, par une seconde phase au cours de laquelle on extrait la pièce mise en forme mais encore maléable du moule chaud et on la laisse se détendre à l'air libre ou sous atmosphère contrôlée, par une troisième phase au cours de laquelle la pièce mise en forme est réintroduite dans un moule préalablement refroidi ayant la forme et les dimensions exactes de la pièce à fabriquer et par une quatrième phase consistant à extraire puis à refroidir complètement la pièce obtenue. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu' il comporte un premier moule ayant au moins approximativement la for me et les dimensions de la pièce à fabriquer, des moyens pour maintenir ce moule à une température constante comprise entre 90 0C et o o 130 C et de préférence approximativement égale à 120 C, un disposi- tif d'injection pour l'introduction dans la cavité de moulage de particules de matière thermoplastique, une ou plusieurs buses d'injection de vapeur dans la cavité de moulage, un dispositif mécanique ou pneumatique pour éjecter la pièce mise en forme dans le moule chaud, des moyens de transfert et d'introduction de cette pièce dans un second moule ayant la forme et les dimensions exactes de la pièce à fabriquer et qui est maintenu à une température inférieure à celle du moule chaud, et des moyens mécaniques ou pneumatiques pour extraire re la pièce obtenue de ce moule. Selon une autre forme de réalisation les deux moules respectivement chaud et froid pourraient être remplacés par un moule unique ayant exactement les formes et les dimensions de la pièce à fabriquer et qui seraient réalisés en un matériau faiblement conducteur de la chaleur. Après une première mise en forme dans le moule chaud, la pièce à fabriquer est retirée pour qu'elle puisse se détendre à l'extérieur de ce moule, puis réintroduite dans le moule dont les parois de la cavité de moulage ont été préalablement refroidies. Du fait que le matériau utilisé pour ce moule est faiblement conducteur de la chaleur, le refroidissement superficiel et momentané des parois de la cavité de moulage n'entraîne pas un refroidissement correspondant de l'ensemble du moule et par conséquent ne constitue pas une source importante de perte d'énergie. Le procédé de l'invention présente de multiples avantages. En effet, il. permet de diminuer la durée du cycle de fabrication, de diminuer le coût de la production et de simplifier considérablement la conception de l'installation, donc d'en augmenter la rentabilité. Selon la forme préférentielle de mise en oeuvre de l'invention, la pièce formée dans le moule chaud est extraite dès la fin de la phase de moulage pour être transférée vers le moule froid. A partir de ce moment une nouvelle pièce peut être injectée dans le moule chaud, ce qui permet de réduire considérablement la durée totale du cycle de moulage, cette durée étant ramenée approximativement à dix secondes par pièce pour des produits de dimension moyenne. Le moule ne subissant plus les contraintes des nombreuses et grandes fluctuations de température, on peut faire appel pour sa construction à toutes sortes de matériaux comprenant les métaux, les matières synthétiques ou même le bois. La construction des moules n'a comme limite que celle des techniques de conception de moules d' injection ou de compression par ailleurs bien connues. La conception des moules est simplifiée en ce sens que les tubulures pour faire circuler de l'eau de refroidissement, indispensables pour l'application des procédés conventionnels, sont supprimées dans le dispositif selon l'invention. La présente invention et ses nombreux avantages seront décrits plus en détails en référence à la desciption d'un exemple de réalisation préférentiel et de variantes et au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue schématique d'une forme de réalisation du dispositif selon l'invention, les figures 2 et 3 illustrent un détail du mécanisme de commande du dispositif de la figure 1, la figure 4 représente une forme de réalisation du moule chaud en position fermée, et la figure 5 représente une forme de réalisation du moule froid en position ouverte. En référence à la figure 1, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de pièces en matière thermoplastique expansée, comporte un châssis 1 sous forme de cadre en tubes profilés sur lequel sont montés un bac 2 pour stocker la matière première à l'état de billes 3 de polystyrène expansé, un bac 4 destiné à réceptionner les pièces fabriquées et les différentes unités servant à effectuer et à commander la transformation de la matière première. Ces différentes unités se composent essentiellement de la partie mâle 5 et de la partie femelle (non représentée) d'un moule chaud, de la partie mâle 6 et femelle 7 d'un moule froid (décrits plus en détail en référence aux figures 4 et 5) et d'un élément 8 pour assurer le transfert de la pièce sortant du moule chaud vers le moule froid. La partie mâle 5 du moule chaud est montée à l'extré- mité inférieure de l'élément 8 qui est disposé de telle manière qu' il puisse coulisser le long d'un arbre 9 sous l'action d'un piston 10 logé à l'intérieur d'un boîtier prismatique 11.D'autre part, 1' élément 8 peut pivoter dans son plan, à la manière d'un pendule, au tour dudit arbre 9 entre une première position dans laquelle la partie mâle 5 du moule chaud se trouve placée en face de la partie femelle correspondante et une seconde position dans laquelle la partie 5 se trouve en face de la partie femelle 7 du moule froid. Ce mouvement pendulaire est assuré par un mécanisme 12 représenté plus en détail par les figures 2 et 3. La partie mâle 6 du moule froid est montée à l'extrémité libre d'une tige de piston 13 pouvant se déplacer horizontalement à l'intérieur d'un cylindre 14. Un tableau de commande 15 est égalein#ft monté sur le châssis 1 et permet d'assurer la commande des différentes fonctions des unités qui composent le dispositif. Le mécanisme 12 comporte essentiellement deux glissières 16, 17 et une plaque 18 qui peut coulisser verticalement dans les glissières 16 et 17 sous l'action d'un piston 19 contenu à l'intérieur d'un cylindre 20 et relié à la plaque 18 par une tige 21. La plaque 18 comporte une ouverture curviligne 22 dans laquelle est engagée l'extrémité d'une tringle 23 reliée au boîtier 11. Lorsque le piston 19 est chassé vers le bas (sur la figure 3) par un fluide sous pression introduit dans le cylindre 20, l'extrémité de la tige 25 est guidée dans 1' ouverture curviligne servant de came en entraînant avec elle le boîtier 11 jusqu'à une position llt représentée en traits pointillés. Le boîtier Il étant solidaire de l'élément 8, le mouvement pendulaire de ce dernier est en réalité engendré par ce même mécanisme 12.La position Il' (représentée par la figure 3) du boîtier 11 correspond à la nouvelle position 18' de la plaque 18 et 23' de l'extrémité de la tringle 23. La figure 4 représente schématiquement une forme d'exécution d'un moule chaud qui comporte une partie mâle 41 et une partie femelle 42 entre lesquelles est aménagée une cavité de moulage 43 remplie de matière thermoplastique. La partie mals 41 est équipée d'un conduit d'amenée 44 de la vapeur d'eau reliée à des canaux intérieurs 45 eux-mêmes terminés par des buses 46 dont le rôle est de permettre l'injection de la vapeur dans la cavité de moulage 43. La partie femelle 42 est équipée d'un cône d'injection 47 de la matière thermoplastique, de buses d'échappement 48 du surplus de vapeur qui commu#qua3# avec les conduits de sortie de la vapeur 49 et d'écoulement de l'eau de condensation 50. La figure 5 représente schématiquement une forme de réa lisation d'un moule froid comprenant un élément 51 qui constitue la partie male et un élément 52 qui constitue la partie femelle de ce moule. Les deux éléments sont réalisés de telle manière que la cavité de moulage ait exactement la forme et les dimensions de la pièce à fabriquer 53. La partie 52 du moule est équipée d'un dispositif de poussée destiné à rejeter la pièce terminée hors du moule froid. Ce dispositif se compose d'une plaque 54 pouvant être actionnée mécaniquement par une tringle 55 ou par un dispositif pneumatique débouchant sur la buse 56. Au moment de la mise en service du dispositif décrit cidessus, la partie male 5 du moule chaud est poussée contre la partie femelle de ce moule au moyen du piston 10, formant ainsi une capacité de moulage ayant approximativement la forme de la pièce à fabriquer. Ce moule est chauffé par des moyens connus en soi, non représentés. Lorsque le moule chaud est prêt pour l'opération d'injection,les billes de polystyrène expansées 3 contenues dans le bac de stockage 2 sont introduites au moyen d'un injecteur dans la cavité de moulage. L'expansion et l'agglomération des billes de matiè re thermoplastique scat obtenuespar de la vapeur d'eau injectée dans le moule chaud à travers les buses d'injection 46.Dès la fin de cette opération, la partie mâle 5, 41 du moule chaud, solidaire de 1' élément 8, est retirée vers la gauche (sur la figure 1) par l'intermédiaire du piston 10. La pièce injectée dans la cavité de moulage reste fixée sur cette partie mâle du moule chaud, et libérée de toute contrainte, se détend librement. Par la suite le piston 19 est refoulé vers le bas(sur la figure 3) dans le cylindre 20 en entraînant avec lui la plaque 18, ce qui a pour effet de faire passer l'extrémité de la tringle 23 de sa position initiale représentée par la figure 2 vers sa position finale 23' représentée en traits pointillés par la figure 3. Le mouvement de la tringle 23 fait pivoter simultanément le boîtier 11 et l'élément 8 autour de l'arbre 9. Dans la position finale de l'élément 8, la partie mâle 5, 41 du moule chaud se trouve en regard de la partie femelle 7, 52 du moule froid, dans laquelle la pièce moulée et complètement détendue sera partiellement engagée. A ce moment le piston 19 est à nouveau repoussé vers le haut ce qui a pour effet de faire basculer simultanément le boîtier 11 et l'élément 8 dans leurs positions initiales.Pour introduire complètement la pièce ce préformée dans le moule froid, on injecte un fluide sous pression dans le cylindre 14 de tanière à déplacer le piston 13 vers la droite (sur la figure 1). La partie malte 6, 51, solidaire de l'extrémité libre de la tige du piston 13 engagera de force la pièce préformée 53 dans la cavité du moule froid ayant exactement les formes et les dimensions de la pièce que l'on désire obtenir. Par la suite le piston 13 se déplacera vers la gauche (sur la figure 1) et la pièce 53, formée exactement aux dimensions du moule froid sera éjectée au moyen d'un dispositif mécanique, dudit poussoir 55 ou pneumatique, pour tomber finalement dans le bac de réception 4. Le dispositif selon l'invention est susceptible de nombreuses variantes. En particulier, comme le temps du transfert de la pièce préformée du moule chaud vers le moule froid n'est en soi pas critique, il serait possible de concevoir une machine ayant un poste de moulage à chaud disposé à une certaine distance d'un second poste de moulage à froid, les deux postes de travail étant reliés par un moyen de transfert, par exemple une bande transporteuse. Une autre possibilité intéressante consiste à travailler sous vide relatif à l'intérieur du moule froid. Cette technique permet dtaugnenter considérablement la pression relative à l'intérieur des billes de matière thermeplas- tique expansée, ce qui facilite l'obtention de pièces moulées à faible densité. Outre les nombreux avantages déjà mentionnés du procédé selon l'invention, il permet d'obtenir des pièces à densité plus forte et qui présentent une souplesse plus grande que les objets correspondants moulés selon le procédé classique. Ces pièces sont plus élastiques et moins cassantes, ce qui les rend plus aptes à remplir leur rôle de butée antichoc en particulier lorsqu'elles sont utilisées tomme emballages. Bien entendu la présente invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution décrites ci-dessus, à titre d'exenple non limitatifs, elle est au contraire susceptible de nombreuses variantes évidentes pour lthomme de l'art. 1 - Procédé de moulage de pièces en matière plastique expansée caracté risé par une première phase au cours de laquelle on injecte dans un moule préala- blement chauffé une quantité déterminée de particules en matière thermoplastique sous forme de billes préexpansées, et on fournit à ces particules, de préférence par injection de vapeur d'eau, ltenergie nécessaire pour provoquer l'expansion, la fusion partielle et l'sgglomération desdites billes, par une seconde phase au cours de laquelle on extrait la pièce mise en forme mais encore malléable du moule chaud et on la laisse se détendre à l'air libre ou sous atmosphère contrôlée, par une troisième phase au cours de laquelle la pièce mise en forme est réintroduite dans un moule préalablement refroidi ayant la forme et les dimensions exactes de la pièce à fabriquer et par une quatrième phase consistant à extraire puis à refroidir complètement la pièce obtenue. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un premier moule chaud ayant au moins approximativement la forme et les dimensions de la pièce à obtenir et un second moule froid dont la forme et les dimensions sont exactement celles de la pièce à fabriquer, ledit moule chaud étant maintenu à une température comprise entre 900 C et 1300 C et de préférence approximativement égale à 1200 C, tandis que celle du moule froid est inférieure à 900 C. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on maintient la cavité de moulage du moule froid sous vide partiel pendant au moins une partie du temps de séjour de la pièce préformée à l'intérieur de ce moule. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lton utilise un moule dont la température est abaissée par intermittence au moins sur une zone voisine des parois en contact avec la pièce à fabriquer, pendant une durée correspondant au moins en partie auxdites seconde et troisième phase du procédé. 5 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier moule ayant au moins approximativement la forme et les dimensions de la pièce à fabriquer, des moyens pour maintenir ce moule à une température constante comprise entre 900 C et 1300 C et de préference approximativement égale à 1200 C, un dispositif d'injec tion pour # rintroduction dans la cavité de moulage de particules de matière ther moplastique, une ou plusieurs buses d'injection de vapeur dans la cavité de moulage, un dispositif mécanique ou pneumatique pour éjecter la pièce mise en forme dans le moule chaud, des moyens de transfert et d'introduction de cette pièce dans un second moule ayant la forme et les dimensions exactes de la pièce à fabriquer et qui est maintenu à une température inférieure à celle du moule chaud et des moyens mécaniques ou pneumatiques pour extraire la pièce obtenue de ce moule. 6 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moule unique ayant la forme et les dimensions exactes de la pièce à fabriquer, des moyens pour porter ce moule à une température comprise entre 900 C et 1300 C de préférence approximati- vement égale à 1200 C, un dispositif d'injection pour introduire dans ce moule des particules de matière thermoplastique, une ou plusieurs buses d'injection de vapeur dans la cavité de moulage, un dispositif d'extraction mécanique ou pneumatique pour éjecter la pièce mise en forme hors du moule chaud, des moyens pour refroidir les parois internes de la cavité de moulage, des moyens pour réintroduire la pièce mise en forme dans le moule préalablement partiellement refroidi et des moyens mécaniques ou pneumatiques pour extraire la pièce obtenue de ce moule. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moule est réalisé en un matériau faiblement conducteur de la chaleur. 8 - Pièces en matière thermoplastique expansée réalisées selon le procédé de la revendication 1.