Brevet FR2361996A1 — publié le 19780317

La presente invention est relative à la marmorisation de matériaux et plus particulièrement à la marmorisation de materiaux extrudés de machines à injecter à vis. La marmorisation consiste en l'obtention de raies et de veines irrégulières d'intensité et de couleur variables dans le produit fini, ce qui est souvent souhaite pour des raisons d'esthétique. Dans le cas de produits moulés, la marmorisation a été jusqu'à présent obtenue par l'utilisation de machines à injecter à piston. Le colorant est ajouté à la matière à injecter dans la tremie d'alimentation de la machine. Après fusion, le colorant et la matière à injecter sont pousses par un piston dans un moule. Comme il n'y a pas ou peu de mélanges dans une machine à piston, le colorant et la matière à injecter tendent à rester séparés. Cette séparation subsiste dans le moule et la marmorisation souhaitée est facilement obtenue A l'opposé, dans une machine à injecter à vis, l'addition de colorants à la matière à injecter modifie la coloration du produit fini comme montré par le brevet US 3 854 630 délivré le 19 décembre 1974.La raison en est que les machines à vis font un mélange invariable qui rend relativement homogène la ma tière fondue. Néanmoins, la marmorisation de produits coules a été industriellement obtenue à partir de machines à piston bien qu'elles ne produisent pas une marmorisation uniforme et ne peuvent pas être utilisées avec des moules non compensés. De plus, ces machines étant plus lentes et moins efficaces que des machines à vis, on a essayé d'obtenir des produits marmorises avec des machines à vis. Une tentative dans ce sens a été divulguée par le brevet US 3 817 675 dé- livré le 18 juin 1974, selon lequel une trémie à colorant est disposée de façon à l'introduire à l'interface liquide entre une vis "adiabatique" et un mélangeur. Il est évident que l'existence de zones de mélange après l'emplacement d'introduction de la matière colorante tend à mélanger le colorant avec la matière de base. De plus, bien qu'il soit soutenu dans ce brevet qu'un effet de marmorisation ou de tacheture puisse être obtenu, il est reconnu qu'il ne faut qu'un petit nombre de zones de mélange. Des essais -ont également été effectues pour réaliser une marmorisation par injection de colorants dans les buses des machines à injecter mais la pression y est si grande que l'injection de colorant y est difficile. De plus, lorsque le colorant arrive à pénétrer dans la buse, il se produit une tourbillon qui détruit ltetat lamellaire de la matière à injecter. Par conséquent, le procédé et l'appareil, objets de la présente invention, ont pour but d'améliorer l'efficacité et la qualité de la marmorisation de pièces coulées à l'aide de machines à injecter à vis de type usuel d'oû l1éli- mination de la faible fiabilité des machines à piston ou à vis spéciales, telles que des vis "adiabatîques". Une autre conséquence sera de procéder à une marmorîsation relativement homogène de pièces moulées quel que soit le type de moule. Selon la présente invention, l'injection d'un colorant liquide a lieu dans la matière fondue contenue dans une machine à injecter à vis entre la vis et sa chambre. Plus précisément, l'injection de colorant est effectuée dans toute partie de la machine ou la matière à injecter est soit complètement, soit substantiellement fondue, c'est-à-dire fondue à plus de 50%, sachant que la quantité de veines dépend de la localisation de l'injection de colorant. En effet, les veines deviennent plus larges à mesure que llinjection se rapproche de la sortie de la matière fondue pour autant qu'elle ait lieu dans une zone ou la vis circule devant le point d'injection.L'injection de colorant peut être effectuée en plusieurs emplacements de la chambre d'où la réalisation possible d'une marmorisation multicolore. En outre, l'injection du colorant dans la matière fondue est faite à une pression relativement élevée qui est avantageusement au moins trois fois superieure à la pression maximum de la matière fondue entre la vis et sa chambre. Par exemple, selon un mode de réalisation de l'invention, la pression d'injection est supérieure à 21OKgf/cm2 et est de préférence supérieure à 250Kgf/cm2. Le colorant liquide injecté possède au moins substantiellement lamême viscosité relative que la matière fondue et au mieux une viscosité relative de 60 à 80% plus grande De plus, les orifices d'injection du colorant ont un diamètre qui se situe de préférence entre 0,450 mm et 0,625 mm ce qui correspond à une quantité de colorant injectée de 16 mm3 à 130 mm3 par injection. Enfin, la vis à injection est du type à va et vient et l'ensemble d'injection est avantageusement disposé dans le voisinage de la soupape de non-refoulement ou torpille près de la buse de sortie lorsque des veines de largeur maximale sont désirées. L'injection peut être effectuée alors que la vis à va et vient est au repos, dans sa position d'avancement ou de recul extrême, ou encore pendant le mouvement de recul ou d'avance. Ainsi, l'injection de colorant peut être effectuée dans une grande variété de matières thermoplastiques comme des styrènes ou du nylon. La présente invention sera explicitée de façon purement indicative au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé donne uniquement à titre d'exemple non limitatif, La figure 1A est une vue schématique d'une machine à injecter a vis qui a été modifiée conformément à l'invention, La figure IB est une vue partielle en coupe de la machine conforme à la figure IA, Les figures 2A et 2B sont des coupes du cylindre de la machine présentée à la figure 1A, La figure 2C est une coupe d'une chambre d'une machine construite selon l'art antérieur, La figure 3 est un schéma d'un injecteur de colorant conforme à l'invention et destiné à être monte sur une machine à injecter à vis. L'on trouvera in fine une nomenclature des différents repères utilisés au cours de la description. Plus précisément, la figure 1A présente une machine (10) avec un cylindre (11) partiellement écorché, dans lequel est montée une vis à extruder (12) mue par un moteur (20). Lorsque la vis 12) est à va et vient, le moteur (20) produit une rotation dans le cylindre (11) et l'action de la vis (12) à l'encontre de la matière fondue provoque le mouvement de va et vient dans l'axe du cylindre (11). La vis (12) est du type usuellement employé dans des machines a injecter qui comprennent un segment d'alimentation (13f), un segment de transition (13t) et un segment de dosage (13m). L'alimentation de la machine est assurée sous forme de matière solide introduite dans une trémie (14) montée sur le segment d'alimentation (13f).Dans cette partie de la machine, la vis possède un diamètre de fond de creux relativement faible et entraîne la matière dans le-sens de sa rotation vers le segment de transition (13t). Du fait des forces de cisaillement exercées, la matière commence à fondre pendant son entraînement. Dans le segment de transition (13t), le diamètre de fond de creux de la vis s' accroît régulièrement à mesure que l'on s'approche du segment de dosage (13m) et la pression exercée s'accroit corrélativement, d'ou un plus grand pourcentage de matière fondue avec un moindre creux. Ainsi lorsque la matière a approximativement traversé la moitié du segment de transition (13t), elle est fondue à peu près pour moitié. Lorsque la matière atteint la fin du segment de transition (13t), elle/est pratiquement totalement fondue, par exemple fondue à plus de 98% et la pression interne exercée est maximale, de l'ordre de 70 Kgf/cm2. Elle entre alors dans le segment de dosage (13m) qui correspond à une profondeur de creux relativement faible de la vis afin d'obtenir la pression désirée. Normalement, la pression peut tomber de 70 Kgf/cm2 à la fin du segment de transition (13t) pour atteindre 14 Kgf/cm2 dans le segment de dosage (13m). La buse de la machine est accouplée à un moule (30) dans lequel la matière plastique fondue est injectée à des pressions relativement élevées, supérieures à 700 Kgf/cm2 pour la fabrication de la pièce finie. A l'évidence, la machine (10) comporte des enroulements de chauffage pour maintenir la fluidité de la matière fondue dans le segment de dosage (13m) seion une technique connue ainsi que des équipements et accessoires usuels. Selon une caractéristique de l'invention et comme montré à la figure 1, le segment de dosage comporte des injecteurs de colorant (41-1) et (41-2) dé- pendants de commandes (40-1) et (40-2). La marmorisation de pièces de matière plastique formées dans le moule (30) dépend de ces injecteurs et de leurs commandes. Le nombre d'injecteurs de colorant est en relation avec le nombre de couleurs que l'on désire. Dans le mode de réalisation présenté à la figure 1A, une marmorisation bicolore peut être réalisée avec une variation dans chaque couleur à partir des injecteurs (41-1) et (41-2). Selon une autre caractéristique de l'invention, l'injection de colorant a lieu dans une portion de matière à injecter complètement ou substantiellement fondue entre la vis (12) et sa chambre (15). Il est remarquable que l'injection de colorant puisse être effectuée dans n'importe quelle partie du cylindre (11) ou la vis est présente et ou la matière à injecter est substantiellement fondue; ainsi, l'injecteur (41-1) est disposé dans le segment de dosage ou la matière est complètement fondue, tandis que l'injecteur (41-2) l'est dans une zone où la matière a injecter est fondue à plus de 98%#. La matière à injecter contenue dans le segment de dosage (13m) est usuellement complètement fondue aux troisquarts de sa distance axiale dusegment de transition (13t).De plus, l'injection de colorant peut être effectuée dès l'entrée du segment de transition (13t) même si les caractéristiques de pression sont totalement différentes dans le ne segment de transition que dans le segment de dosage, mais elle/peut l'être lors- que la matière à injecter n'est pas substantiellement fondue, c'est- -dire fondue à moins de 50% ou lorsque la vis est absente comme par exemple dans la chambre de refoulement placée devant la vis. La localisation précise des injecteurs de colorant (41) le long de l'axe du cylindre dépend de la mesure dans laquelle un mélange de couleurs de marmorisation est désiré. Dans la position avancée de l'injecteur (41-1) près de la buse du cylindre (11), il n'y a pas de mélange appréciable des couleurs et les veines sont de largeur maximale. Dans là position arrière du second injecteur de colorant (41-2) il existe une tendance à un plus grand mélange avant que le colorant n'atteigne la buse d'extrusion et corrélativement les veines ont une moins grande largeur. De toute façon, l'injection de colorant ne peut avoir lieu où la vis n'est pas présente. Ainsi comme montre à la figure 1B, la position la plus avancée d'un injecteur de colorant est celle du premier injecteur (41-1) qui, pour une vis à va et vient du type présenté à la figure, est immédiatement a l'arrière de la soupape (128) ou torpille. Dans une mise en oeuvre normale d'une vis à va et vient, celle-ci se déplace de la position indiquée en trait interrompu (12') a la position de recul (12). Naturellement, si l'injection de colorant est sou haitée lorsque la vis est en position avancée extrême, le premier injecteur de colorant (41-1) peut être corrélativement déplacé vers l'avant.De toute façon, l'injection ne peut avoir lieu dans le nez de buse (12n) non seulement parce qu'elle ne permet pas d'obtenir la marmorisation souhaitée mais parce qu'elle a un effet négatif sur les pièces a couler. Selon une autre caracteristique de l'invention, le colorant est injecté à une pression relativement élevée par rapport a la pression maximale entre la vis et la chambre. En général, l'injection de colorant doit être effectuée à au moins et si possible à plus de trois fois la pression interne maximale.Ainsi, lorsque la pression interne maximale est de 70 Kgf/cm2 entre les segments de transition et de dosage, la pression du colorant à injecter doit être supérieure à 210Kgf/cm2 bien que l'injection puisse être faite a une pression bien plus basse, en particulier dans le segment de dosage où la pression interne est usuellement de l'ordre de 14 Kgf/cm2. Cependant, il a été trouve qu'une marmorisation rapide et relativement uniforme demande des pressions comparativement élevées du colorant. L'effet de l'injection de colorant selon l'invention est illustre aux fi et et2B. On pense que lorsque le colorant D est injecté dans la matière fondue une pression comparativement élevée, il est rejeté par la chaleur à la fois de la surface(12s)de la vis et de la surface interne (Ils) du cylindre pour atteindre un équilibre à un niveau intermédiaire entre les deux surfaces. Des échantillons prélevés dans une machine conforme à l'invention ont montré que le colorant tend à former un anneau, comme montre à la figure 3B, dont l'épaisseur est plus grande près de son point d'injection. A la figure 2B, l'injection est effectuée en deux couleurs par deux injecteurs disposes de part et d'autre du cylindre; le colorant tend alors à constituer un anneau complet ce qui permet une marmorisation avec un moule (30) compensé ou non. Dans un moule compensé, la distance parcourue par la matière fondue depuis la buse est la même pour chaque cavité ce qui n'est pas le cas dans un moule non compense. Selon la technique antérieure, il était nécessaire que le moule soit compensé pour que la marmorisation soit uniforme. La raison en est donnée à la figure 2C qui montre le colorant dans des poches P1 à P3. Si le moule n'est pas complètement compensé, il y aura une asymétrie dans la distribution du pigment. Inversement, sur la figure 2B, comme le pigment tend à former des anneaux, il y aura peu ou aucune asymétrie dans la distribution de la matière fondue dans le moule. La figure 3 présente un diagramme schématique de l'ensemble (40) de l'injecteur de colorant et de sa commande. L'ensemble (40) se compose d'une pompe (42) qui amène le colorant d'un réservoir (42r) par l'intermédiaire d'un conduit (44) et d'une soupape de contrôle (45) à un appareil de centrale volumétrique (46),puis a un injecteur (41). La pompe (42) comporte un piston (42p) qui est entouré d'un cylindre (42c) lequel agit en conjonction avec une soupape (42e) commandée par un solEnolde. La jauge (48) dans le conduit (44) donne une indication de la pression d'injection. Le colorant à injecter est un pigment liquide de viscosité similaire à celle de la matière fondue. Le cylindre (42c) et le piston (42p) coopèrent d'une façon conventionnelle. De l'air sous pression provenant de la soupape (42e) est injecté à la tête (42h) du cylindre (42c), le piston (42p) pousse le colorant dans le conduit (44). Inversement, si de l'air sous pression est introduit a la base (42d) du cylindre (42c), le piston (42p) est rappelé. Toujours sur la figure 3 on peut voir que l'injecteur de colorant est un distributeur à haute pression (41m) enfonce dans une bague (41a). Le distributeur (41m) comporte un logement(41h) et une bille d'obturation (41b) qui est repoussée par un ressort (41s). Le logement (41h) possède un orifice (410) qui est dimensionné de façon à réaliser les injections désirées. Dans une réalisation d'essai,du nylon fondu avait une viscosité relative de 50 SAE et des colorants une viscosité relative de 80 à 90 SAE soit une vis cosité de 60 à 80% supérieure à la viscosité de la matière fondue. L'orifice d'injection du colorant avait un diamètre mesurant entre 0,450 mm et 0,625 mm. Il a été découvert expérimentalement qu'un orifice de diamètre inférieur à 0,450 mm se colmatait tandis qu'un orifice supérieur à 0,625 mm permettait le refoulement de la matière fondue. Un diamètre donnant de bons résultats est d'environ 0,585 mm. L'appareil de contrôle volumétrique (46) limite le volume injecté par mouvement de la pompe (42). Le volume de colorant par injection peut varier entre 16 mm3 et 130 mm#. Une injection de 130 mm3 est adaptée à des pigments clairs tandis que des injections de 16 mm3 conviennent plus particulièrement a des pigments fonces. Pour des machines à injecter à vis de type usuel, une pression d'injection du colorant d'environ 250 Kgf/cm2 permet d'obtenir une injection utile en accord avec les figures 2A et ZB. L'invention est illustrée encore de façon pratique par les exemples suivants: Dans un premier exemple, de la matière blanche est versée dans la trémie (14) de la figure 1. Si aucun colorant n'est injecte, le produit moulé sera blanc. Un colorant noir est injecté en une seule fois par l'injecteur (41-1) qui a une ca pacité de 16 mm3 par injection, pendant l'avance d'une vis à va et vient. Un colorant vert est injecte en une seule fois par le second injecteur (41-2) qui possède une capacité de 130 mm3 par injection, pendant la rotation de la vis à va et vient. Après cessation de la rotation de la vis, une autre injection de colorant noir est effectuée par l'injecteur (41-l). La même façon d'agir est repétée a chaque cycle de la vis à va et vient. Le résultat est une marmorisation verte intense de la pièce moulée.De plus, le dessin de la marmorisation est similaire d'une pièce à l'autre. Dans un second exemple, de la matière blanche est versée dans la trémie (14) de la figure 1. Un colorant noir est injecté par l'injecteur (41-1) à chaque cycle de la vis à va et vient avec une injection lorsque la vis est en position avancée et une autre lorsqutelle est en fin de rotation. La quantité injectée est d'environ 16 mm3 par injection. Le résultat est une marmorisation noire des pièces moulées. Enfin, dans un troisième exemple, de la matière blanche est versée dans la trémie (14) de la figure 1. Un colorant rouge est injecté par l'injecteur (41-1) à raison de 130 mm3 par injection. Un colorant bleu est injecté par l'injecteur (41-2) à raison de 16 mm3 par injection. Les injections ont lieu simultanément lorsque la vis à va et vient a recule de 4,75 mm et lorsqu'elle est en position extrême de recul. Le résultat est une marmorisation bleue et rouge des pièces moulées. A l'evidence, le colorant peut être injecté pendant n'importe quelle phase du mouvement de la vis à va et vient. Lorsque la vis est dans sa position avancrée, il est possible d'effectuer une ou plusieurs colorations; lorsque la vis commence à reculer en tournant pour revenir à sa position initiale, des injections peuvent avoir lieu; lorsque la vis est au repos dans sa position de recul, d'autres injections peuvent trouver place; de même, lorsque la vis recommence à avancer. Le moment de l'injection qui détermine l'emplacement des veines colorées dans la pièce moulée marmorisée est établi expérimentalement. A titre purement indicatif, des essais satisfaisants ont été effectues avec une machine à injecter du type "New Britain 175" fabriquée par la "New Britain Machine Works", New Britain, Connectient, USA, et, des commandes d'injecteurs de colorant du type "Centromatic 82 653" ou "Centromatic87 616" fabriquées par la "Lincoln Company", Saint-Louis, Missouri, USA. Ces indications ne sauraient être considérées que comme des renseignements n'entraînant aucun engagement. NOMENCLATURE 10 machine a injecter à vis ll cylindre Ils surface interne du cylindre 12 vis à extruder 12' position avancée de la vis l2n nez de buse 12s surface de la vis 12v soupape de non-refoulement ou torpille 13f segment d'alimentation 13m- segment de dosage 13t segment de transition 14 trémie 15 chambre 40 injecteur de colorant et sa commande 40-1,40-2 commandes d'injecteur 41-1,41-2 injecteurs de colorant 41a bague 41b bille obturatrice 41h logement 41m distributeur 41s ressort 41O orifice 42 pompe 42c cylindre 42d base-du cylindre 42e soupape commandée par un selenolde 42h tête du cylindre 42p piston 42r réservoir 44 conduit-de colorant 45 soupape de contrôle 46 appareil de contrôle volumétrique 48 jauge P1,P2,P3 poches de colorant D colorant M matière fondue REVENDICATIONS 1.Procédé de marmorisation de pièces moulées à partir d'une machine à injecter à vis caractérisé en ce que le colorant est injecte dans la matière fondue contenue dans la machine. 2.Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le colorant/lentecte liquide dans la matière fondue entre la vis et sa chambre. 3.Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la matière dans la quelle le colorant est injecté est fondue à plus de 50%. 4. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la matière dans la quelle le colorant est injecté est fondue a 98%. 5.Procédé selon la revendication l-caracte'ris# par une machine à injecter à vis du type a va et vient, dans laquelle l'injection de colorant est effec tuée dans le voisinage de la soupape de non-refoulement ou torpille. 6.Procédé selon la revendication 1 caracterise par l'injection de colorant dans le premier quart de son segment de dosage a compter de la buse d'extrusion. 7.Procédé selon les revendications 2 et 3 caracteris# en ce que le liquide co lorant est injecté à une pression au moins trois fois supérieure à la pres sion maximum à l'intérieur de la chambre, par exemple à 210 Kgf/cm2 par un orifice dont le diamètre se situe entre 0,450 mm et 0,625 mm,par injections de volume compris entre 16 mm3 et 130 mm3. 8. Procédé selon la revendication 1 caracterise en ce que le colorant a une vis cosité relative supérieure à celle de la matière fondue. 9.Procede selon la revendication 1 caractérisé en ce que le colorant est in jecté dans la matière fondue de façon a constituer une zone médiane à l'in térieur de la matière fondue pour que ladite matière fondue et le colorant soient injectés tels quels dans le moule. l0.Procédê selon-la revendication 9 caractérisé en ce que le moment de l'in jection détermine l'emplacement des veines de colorant des pièces moulées. ll.Appareil pour marmoriser des pièces coulées caractérisé par une chambre dans laquelle travaille une vis à injecter et des injecteurs de colorants pour a l'injection dudit colorant dans la matière fondue contenue entre la vis et sa chambre.