Brevet FR2358251A1 — publié le 19780210

La présente invention concerne un i i 8 p o 8 i t i f do thermoformage des matière thermoplastique par emboutissage. Ce dispositi! permet d'obtenir des capacités ou forees creuses par déforma- tion, de feuilles, films ou plaques et plus particulièrement celles possèdant un allongement élevé B la rupture en traction. On sait que certaines conditions de polymérisation confèrent k la Ratière (par exemple, au Polypropylène) des caractéristique particulières, tel3 une grande fluidité et dea allongehents à la rupture en traction de l'ordre de = 700 % (Méthode A.S.T.N : D. 638/ D. 651), propriétés qui présentent un grand intérêt dans le domaine du thermoforiage. Cependant, ces qualités visco-élastiques soulèvent de nombreuses difficultés que l'on rencontre lors de la mise en oeuvre des moyens destinés à tran- former les demi-produits en des objets creux, telles des capacités comme celles utilisées dans l'industrie de ltemballage, par elemple. Il est déjà connu, que l'étirage par emboutissage des matières thermoplastiques convenablement chauffées peut se faire par des dispooitifs faisant intervenir des poinçons, spécialement aménagés coopérant avec des matrices et des presse-flans appropriés, de façon a provoquer dea allongementa réguliers de matière ther oplastique autorisant l'a"^morphose de motifs préalable ent ispri- més sur le subjectile thermoplastique. Ces poinçons, correspondant à la géométrie interne des capacités, ont des surfaces de contact avec la ratière thermoplastique généralement réduite, et plus particulièrement au niveau de la face antérieure du poinçon , limitant ainsi des transferts thersiques satière/poinçons. Le mouvement rectiligne de ces poinçons, dans le sens et la direction du fond des patrices, provoque l'al- longement de la matière interposée lui conférant ainsi son aspect définitif. Il est aussi connu, que ces poinÇons peuvent être alunis, sur leur face avant, d'un doigt précesssur dont le but est de créer en aval un pré-allong ~ ment : Brevet n 2 105 458 et N de Demande 73-.03314 du même auteur.(France). En effet, dans le cas de la réalisation d'un emballage eylindro-eonique (conicitd 24 % env.) - comte montré schématiquement sur la fig. 1 qui repr6- sente, en coupe diamétrale, une phase de l'opfration d'emboutissage d'un rdei- pient, où la hauteur est sensiblement égale au diamétre de la base 1, la petite base 2 servant de fond ayant un diamètre intérieur généralement égal à celui de la face antérieure 3 du poinbon 4 -, ctest la zone de matière circonscrite concentriqueeent 5 entre la diamètre de la grande base et celui de la petite (vue en projection sur la fig. 1) qui va s'étirer la première sous l'action de pénétration du poinçon 4 agissant perpendiculaireuent à la surface de la ratière 6 placée gur la patrice 7. Si l'action du poinçon se poursuit suffisa ent, la matière allongée et orientée sa voir croître sa résistance à la rupture ce qui permet, lorsqu'elle est suffisante B un moment donné, de vaincre les frottements et d'étirer la matière situe sur la face antérieure du poinçon qui, glissant parellèlement å ladite face, va contribuer å la formation de la paroi latérale 8* C'est ce qui se produit avec une matibre, tel le Polystyrène-choc chaleur, B la température de transmision du second ordre (par exemple 75-85 C). Bes propriétés mécanique de la matière ayant variées, d'une manière à peu près proportionnelle, la limite de réalisation normale d'objets s'arrête généralement en deçà de cette température. Au-desssus de celle-ci, les propriétés mécaniques varient rapidement (résistance, etc), et les possibilités d'allongement de la partie annulaire 5 (fig. 1) de la matière augmentent. Dans le cas précité, elle peut réaliser pratiquement à elle seule la partie latérale de l'objet, et plus particulièrement si les conditions suivantes sont réunies : a) le rapport de surface > 1 (- surface initiale / surface du fond-) (emballage tronctnique inversé, type yogourt exclus). b) le rapport profondeur / diamètre c 0,2. c) le taux d'étirage > 1,25 (-épaisseur initiales / épaisseur finale.) d) la température au-dessus de celle de transition du second ordre. e) l'aptitude à l'allongement de la matière élevée. Ex.: 100 300 % ens. Ces divers facteurs conduisent à utiliser un doigt précessseur pour éviter la localisation de la matière sur la face antérieure du poinçon. Cependant, ces moyens sont généralement insuffisants lorsque les matières utilisées ont des allongezents considérables - par exemple 700 %, voire davantage -, car le taux d'étirage théorique, stil est souhaité, est pratiquemant impossible B atteindre en tout ppint du produit (aux tolérances près). Le procédé et les dispositifs de thermoformage tels que décrits ci-dessus ont été modifiés de façon à pallier les inconvénients précités. Lorsque la matière localisée sur la face antérieure du poinçon glisse, en s'allongeant sous l'action des forces de poussée du poinçon, les frottements bien évidemment stopposent à son~mouvement (ceci, en dehors d'incidences d'or- dre thermique). Il convient donc, lors-du formage des ratières à très fort allongement à la rupture en traction, de réduire les frottements à sec de Coulomb; ce qui revient å favoriser le glissement. Il est donc possible de considérer que, lorsque la matière en contant avec le poinçon glisse parellèlement sur sa face, la tangente de glissement sur l'arête W O, par opposition à la tangente de frottement Avec un doigt précesseur, l'angls peut être par exemple de 45 (non coopte tenu de l'effet caténaire de la matière; mais cet angle est limité par la longueur du doigt précesseur qui, pour le faire croître, devient prohibitive. Le moyen proposé suivant l'invention, $permet $d'envisager der tangentes de glissement pouvant atteindre 90 par rapport à la face antérieure de poinçon. Ce moyen consiste à insuffler une certaine quantité d'air sous pression, entre la face antérieure du poinçon et la matière thermoplastique B température de thermoformage. Les moyens de production et de contrôle d'air sous pression sont bien connus, et il sera considéré dans ce qui suit, que la pression, le débit, etc... sont convenable ent réalisés. Les dessins annexés permettent de faciliter la compréhension de l'idée inventive et, n'étant limités à ces cas particuliers, sont cités uniquement à titre d'exemple. Ils sont coniormes à la présente invention. La fig. 2, montre schématiquement en coupe, une phase de réalisation dtun emballage cylindro-ctnique. La fig. 3,-montre en coupe, un poinçon muni d'un doigt précess ur distributeur d'air sous pression. La fig. 4, montre en coupe partielle, une phase de réalisation d'un enbal- lage cylindro-conique avec un poinçon muni d'un doigt précesseur distributeur d'air sous pression coopérant avec uke patrice. La fig. 5, reprdsente en coupe, un poinçon muni d'une face antérieure permettant d'obtenir l'effet de surface (surface effect). La fig. 6, est le poinçon de la fig. 5 vu du côté de la face antérieure. Les fig. 7-8 montrent en coupe, un poinçon coopérant avec une patrice, avec effet de surface annulaire. Le dispositif, $réalisé selon un premier moyen suivant l'invention, montre fig. 2 une phase de réalisation d'un objet où l'air sous preassion - Bossant par le conduit 9 dans le sens des flèches et débouchant au centre 10 entre la face antérieure en retrait 3 du poinçon 4 et la matière plastique représenté en traits inter rompus 11 - est en quantité telle qu'il forme, avec ladite matière en regard de la face antérieure du poinçon, une poche en forme : soit de calotte sphérique 14 soit d'un secteur sphérique ou encore paraboloïde, qui s'oppose à lteffet caténaire de la ratière et augmente la tangente de l'angle de glissement. Cette dé- formation doit être maintenue jusqu'au moment où le pôle 13 de la calotte sphérique 12 entre en contact avec le fond de la matrice 14. La pression et la quantité d'air gont Maintenues régulièrement avec précision, de façon pratiquement tanche; par le joint dyna ique réalisé entre la matière et L'arête 15 du poinçon 4 par suite des retraits élastoplas- tiques. L'angle de la tangente de glisse ent dépend de la distance axiale séparant l'intErieur da centre du pôle de la poche 13 da centre Lu de la face antérieure du poinçon 4, ou du centre de la surface définie par son arXte 15. L'angle de la tangente de glissement peut varier selon la volonté de l'uti-s lisateur et en fonction des résultats recherchés, par action sur les moyen de contrôle du débit, de pression et de durée, séparément ou ensemble. C'est la presdon et la quantité d'air maintenues qui équilibrent les forces de tension de la matière formèe; effet comparable analogiquement aux surfaces de Plateau. En fin de course de poinçon, cette quantité d'air se trouve comprimée et peut aisément s'échapper en remontant le long du poinçon, sans créer de déformation parasite et en plaquant la forme emboutie contre la paroi interne de la matrice; ce qui contribue au refroidissement, l'air circulant d'autant plus facilement que la paroi latérale du poinçon peut être munie de reliefs. Si L'arête ou la faee 15 du poSuçon 4 est dentelée ou voletée , de façon à réduire au maximum le contact avec la matière, il est nécessaire de calculer la fuite et de prévoir le débit d'air en conséquence de façon B maintenir favorablement l'angle de la tangents de glissement. En variante, la fig. 5 montre en coupe, un poinçon 16, avec l'arrivée D'air 17, combiné avec un doigt précesseur 18. La sortie de l'air sous pression s'effectue de façon divisée, par une pluralité d'orifices 19 disposés le long de la partie extérieure 20 du doigt précesseur 18 poussé par le ressort de compression 21. Ledit doigt précesseur maintient centrée la ratière plastique lors du contact de son extrémité avee elle. L'angle théorique de la tangente de glissement, par rapport à la face antérieure du poinçon t6 fig. 4 (matrice vue en coupe), est maintenu de préfé- rence constant (comme déjà décrit) pendant les phases successives de formage 22-23-24 représentées sur le schéma comme immobilisées dans le temps, et ceci pratiquement jusqu'au contact du pôle 25 amec la partie la plus haute 26 du fond de la matrice 27. L'action de déformation partielle de la matière thermoplastique, en aval de la face antérieure du poinçon non muni du doigt précesseur, n'est pas revendiquée. Elle est la conséquence du moyen utilisé pour modifier l'angle de la tangente de glissement qui est le point technique important. Selon un autre mode de réalisation de poinçons d'après l'invention, les fig. 5 et 6 montrent respectivement l'un d'eux - vu en coupe et vu du c8td de la face antérieure - aménagé de façon à créer un effet de surface (surface affect) comparable analogiquement à celui utilisé sur les véhicule à effet de sol, ou encore aux butées aérostatiques, en utilisant et distribuant aux endroits choisis de l'air sous pression. Les fig. 5 et 6 sont citées à titre d'exemple exclusivement, et il est bien compris que les poinçons peuvent etre de formes divises et coopérer atec des matrices et des presse-flana appropriés (non représentés). Sur la fig. 5, on voit l'air sous pression 28 amené par le conduit 29 dsns la chambre interne 30 du poinçon 35, pour ensuite être distribué psr les pgssa- ges 51 dans la chambre de répartition 32, obligeant le fluide gazeux sous pre- sion à passer par les orifices ou restrictions 33 répartis sur la face anté- rieure 34 du poinçon 35. L'air peut également être dirigé sers L'arête 36 où un espace est aménagé entre l'intérieure de la face antérieure 34 et le corps du poinçon 35; des mo- yens de centrage étant prévus (non représentés). La hauteur de cet espace peut être réglé par l'interposition de cales, ou rondelles d'épaisseur, placées entre les faces des organes assemblés 34 et 35, qui sont les deux pièces du poinçon faciles à réaliser, donc peu onéreuses. La fig. 6, montre la pluralité des orifices ou restrictions 35, répartis sur la face 34 du poinçon 35, par où passe l'air sous pression réglée. L'air sortant sous pression réglée,par la face antérieure du poinçon,agit comme moyen de poussée fluide intermédiaire. Si le poinçon fonctionnait de bas en haut, et que les pression. et débit soient précis, la matière plastique serait sustentée sans contact direct pendant le formage avec la face antérieure du poinçon pendant la durée du mouve- ment de celui-ci. On remarque les avantages considérables qui découlent de l'utilisation de ce procédé : a) pratiquement pas dthypothermie de la matière, en raison de la faible conductibilité thermique de l'air # en K cal / (h) (m) ( C par m) soit pour l'air A a 0 C : 0,0208 contre # a 18 C = 39,1 pour le corps en acier du poinçon, et X 3 52 pour le fer à même température (d'après Williams R.Mc ADAMS) soit dans ce dernier cas, pour l'air une conductibilité 2.500 fois plus faible; ce qui compense très largement la fuite thermique occasionnée par 18 circulation du fluide gazeux. b) l'absence d'étanchéisation, car l'air utilisé s'échappe directement à l'extérieur du poinçon, ce qui évite l'introduction de poussieres ou do vapeurs et agit couse ùn lubrifiant. c) il n'y a pas d'autre frottement que celui visqueux de l'air; les forces de frottement à sec de Coulomb sont pratiquement inexistantes. d) ltespace interface poinçon/matière , ayant par exemple une valeur comp- rise entre 0,01 et 0,025 mm, permet d'avoir des caractéristiques dynaciques et statiques intéressantes, tout en limitant la valeur du débit de fuite. e) Le fait, d'une part, de laisser en permanence une pression d'air simplifie le8 moyens de distribution; d'autre part, l'effet de surface peut aussi être réalisé par impulsion. f) une rangée diamétrale ou périphérique d'orifices peut être suffitnnte. g) différentes sorties d'air, du type orifice, peuvent être utilisées de façon à favoriser la chute de pression nécessaire au fonctionnement de ce type de poinçon. Celles à restrictions turbulentes simplifient l-'usinage; le diamètre des orifices pouvant être de quelques dixièmes de millimètre au lieu de centièmes de millimètre. Bes fig. 7-8 montrent à titre d'exemple, un type de poinçon à effet de surface annulaire ou périphérique 37 servant à thermoformer un corps creux. La distribution de l'air sous pression est comparable à celle de la fig. 5 La face antérieure, à,effet de surface-annulaire ou périphérique 37, peut être usinée de façon à avoir une cavité 38 orientée vers L'intérieur du poin çon 39;; ce qui permet à la matière thermoplastique 40, placée au-dessus de l'empreinte 4l de la matrice 42, de se conformer en fin de course du poinçon 39 de façon à obtenir un fond en saillie vers l'intérieur de la capacité en matière thermoplastique - comme représenté en traits interrompus 45 - provoqué par le bossage central 44 du fond de la matrice 42. Pour obtenir l'effet de -surface, une pression d'air de 3 à 12 bars est généralement suffisante. Ce dispositif est applicable à toute matière thermoplastique. Les moyens décrits sont adaptables à toute machine à thermoformer, ou à thermoformer et à conditionner, et généralement dans tous les cas où le thermoformage doit être assuré de façon précise et aisée et lorsque la matière thermoplastique est douée d'un Bort allongement avant rupture. Ce dispositif peut être utilisé dans : l'industrie du thermoformage en général, plus particulièrement l'industrie de ltemballage, le sanitaire, le ménager, les loisirs, etc... et autorise, dans de bonnes conditions, l'anamor- phone de motifs préalablement déposés par impression sur le subjectile thermoplastique. R E V E N D I C A T I O N l. Dispositif permettant de réaliser, par emboutissage par poinçon, des objets ou articles creux par le thermoformage de produits thersoplastiques semi- ouvrés possèdant un exportant allongement à la rupture en traction, tels que films, feuilles ou plaques; poinçon réalisé en ratière rigide - qui neat avoir diverses fortes -, animé en translation rectiligne, perpendiculairement à la surface de la matière à therooforser en coopération avec un ensemble matrice/ presse-flan, caractérisé par le fait que ledit poinçon est muni de moyens incor- porés lui permettant d'être relié à une source de fluide gazeux sous pression contrôlable et d'étra agencé de fanon à dispenser celui-ci à partir de zones spécifiques adaptées à chaque forme de poinçon générant un moyen qui agit coume agent interuédiaire de poussée et facilite ltallongement de la matière pendant le thermoformage par suite de la modification favorable de l'angle de la tangente de glissement dA à l'effet de surface; le poinçon étant équipé ou non du doigt précessseur, ce dispositif autorise l'anamorphose de graphistes imprimés sur le subjectile thermoformable. 2. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que le moyen d'allonger la ratière thernoplastique à température de thermoformage, est un poinçon possèdant dans le sens de son déplacesent au moins un ocDduit, soyen le reliant à une source de fluide gaveur sous pression controlable et dispensant celui-ci de façon persanente, ou séquentielle, du côté de la face antérieurs du poinçon pendant l'opération de formage des objets. 3. Dispositif selon les revendications 1 st 2, caractérisé par le fait que les moyens de dispenser le fluide gazeux sous pression dans les sones spécifi- ques sont, en densité suffisante, des orifices ou restrictions orientés perpen- diculairenent à la face antérieure du poinçon. 4. Dispositif selon les revendications 1,2, 3, caractérisé par le fait que les oyens de dispenser le fluide gaseus sous pression dans la zone spécifique, sont des orifices ou restrictions répartis de façon à occuper partiellerent la face antérieure du poinçon. 5. Disposit-if selon les revendications l, 2 et 3, caractérisé par le fait que les Moyens de dispenser le fluide gazeux sous pression dans la sone spéci- fique, sont des orifices ou restrictions répartis de façon à occuper totalement la face antérieure du poinçon. 6. Dispositif selon les revendications l et 2, caractérisé en ce que le fluide gazeux sous pression est dispensé du coté de la face antérieure du poin- çon, au moyen d'un espace périmétral réservé dans l'angle de raccordenent de ladite face et de la partie latérale du poinçon. 7. Dispositif selon les revendication 1, 2, 3, où le poinçon - muni du côté de la face antérieure, d'un doigt prEcessseur en saillie par rapport à ladite face -, est caractérisé par le fait que cette partie est pércée radielement d'orifices ou de restrictions reliés à la source de fluide gazeux sous pression, moyen qui dispense celui-ci pendant l'operation de formage des objet. 8. Dispositi! selon l'une des reveLdicationa l, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, caracte- rise en ce que le moyen, qui favorise le glissement de la matière thermoplas tique å température de thermoformage sur leg autos de la face antérieure du poinçon, est un fluide gazeux sous pression - disposé dans des zones spéCifiqUeB, qui modifie $l'angle de la tangente de glissement par la formation d'une poche ou d'un coussin gazeux - qui substitue ses frottements visqueux ceux à sec de la ratière, générant ainsi l'effet de surface qui favorise l'allongesent de la matière thermoplastique pendant le thermoformage. g. Corps creux et articles ou produits similaires, caractErissés en ce qu'ils sont obtenus par le dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 8.