Brevet FR2401716A1 — publié le 19790330

Le thermoformage est un procédé d'usage très courant dans l'industrie des matières plastiques. Ce procédé consiste à porter une ébauche à paroi mince, le plus souvent un godet ou une simple feuille plane, à une température élevée, mais inférieure cependant à la température de fusion du matériau, puis à former la pièce souhaitée en appliquant ltebauche sur la surface d'un moule ayant la forme de la pièce désirée, ceci sous l'action d'un fluide sous pression. On peut aussi utiliser la simple pression atmosphérique en faisant le vide entre l'ébauche et la surface de forme du moule. Ce procédé a été étendu à la fabrication de nombreuses pièces métalliques. Pour former à chaud des ébauches métalliques, on les porte à des températures plus élevées que les matières plastiques, mais toujours inférieures à la température de fusion du métal. Si l'épaisseur de la feuille de métal est importante, on ne peut plus utiliser indifféremment un fluide sous pression ou le vide. L'action de formage de ce dernier devient insuffisante, seule une pression de fluide, relativement élevée, est utilisable. Le thermoformage est dit positif si on utilise un moule en relief qui, au retrait près du métal après refroidissement, est aux dimensions de 11 intérieur de la pièce à fabriquer. Si, au contraire, on utilise un moule en creux qui, au retrait près, est aux dimensions de l'extérieur de la pièce à fabriquer, on qualifie le thermoformage de négatif. Dans ce mode de formage, la périphérie de l'ébauche métallique est maintenue en place par serrage entre les bords d'un moule en deux parties sans être déformée. Ce serrage assure l'étanchéité avec l'extérieur. Seule, la portion de l'ébauche, située en regard de la partie en creux (ou en relief) du moule est déformée par allongement du métal dans toutes les directions, sans qu'il y ait glissement de la périphérie de l'ébauche serrée entre les bords du moule en deux parties. Ces dernières années, cette technique a surtout été utilisée pour le thermoformage d'alliages spéciaux d'aluminium dits alliages superplastiques. Ainsi, de nombreux brevets décrivent des compositions d'alliages d'aluminium superplastiques, ainsi que diverses variantes de mise en oeuvre du procédé de thermoformage. Les alliages spéciaux, dits superplastiques, admettent sans rupture des allongements de ltordre de 1.000 à 2.000 %. Ils permettent de fabriquer des objets dont la surface d'eveloppee Sl est de 3 à 4 fois la surface SO de l'ébau- che de départ. La déformation de l'ébauche doit cependant être assez lente et demande de 4 à 10 minutes par opération. Le procédé de thermoformage a été essayé sur des ébauches en alliages courants d'aluminium tels que les alliages 2002, 3003, 4047, 7020, 8011, 5754, selon la norme française A02 104. Il a été également essayé sur des ébauches en alliages de magnésium. Dans le texte ci-apres, les termes aluminium et magnésium désigneront, d'une façon générale, des alliages courants à base de l'un ou l'autre de ces métaux. Pour l'aluminium, à condition d'opérer à des températures appropriées comprises entre 400 et 5500 C, on obtient de bons résultats. Ces températures sont, de préférence, comprises entre 4400 C et 5300 C, soit à des températures absolues de l'ordre de 0,7 Tf à 0,9 Tf, et de préférence voisines de 0,8 Tf, Tf étant la température absolue de fusion de l'alliage considéré. On doit, cependant, se contenter d'allongement de 100 % environ au lieu de 1.000 à 2.000 %, et de rapport de surface S1/So de l'ordre de 1,5 au lieu de 4. Le rapport entre profondeur et largeur des déformations est de l'ordre de 0,2 à 0,3.Les vitesses de déformation admissibles sont, par contre, rapides ; le temps de formage proprement dit d'une pièce est de l'ordre de 1 à 10 secondes et devrait permettre des cadences de fabrication de 500 à 1.000 objets à l'heure, par moule, au lieu d'une dizaine seulement pour les alliages superplastiques. Les moules sont portés à une température supérieure à la température de déformation de l'ébauche, l'écart de température pouvant être de l'ordre de 1000 C. Pour ce genre de fabrication, il suffit de disposer de fluide à des pressions de l'ordre de 1 MPa (Méga Pascal) pour des tôles d'épaisseur 2 mm, et inférieures à 0,1 MPa pour des feuilles d'épaisseur 0,15 mm.Le vide peut également être utilisé pour attirer la feuille métallique sur la surface de forme du moule, ceci lorsque l'é- paisseur du métal est faible. Le thermoformage des alliages d'aluminium ou de magnésium courants, s'il pouvait être utilisé industriellement, présenterait de nombreux avantages - Les machines de thermoformage sont des machines légères comparées aux presses d'emboutissage à froid des métaux en feuilles ou tôles minces. Les investissements en machines et en bâtiments sont donc plus faibles qu'en emboutissage conventionnel. - Les machines de thermoformage ne sont pas bruyantes contrairement aux presses conventionnelles. Ceci améliore les conditions de travail du personnel et supprime les nuisances occasionnées à l'environnement. - Le procédé de thermoformage, objet de l'invention, permet de fabriquer des objets aux mêmes cadences que les presses d'emboutissage conventionnelles. Pour les petites pièces, on peut même utiliser des moules à empreintes multiples, ce qui permet d'utiliser cette technique pour la fabrication, à plusieurs milliers d'exemplaires par heure, de pièces telles que les boîtes de conserves. Pour les grandes pièces, telles que celles formées pour la carrosserie automobile ou les revêtements de façades de bâtiments, les cadences sont identiques à celles des presses conventionnelles, soit de l'ordre de 500 pièces par heure, ceci en tenant compte du temps de mise en place de l'ébauche, de thermoformage puis de démoulage des pièces. - Beaucoup d'emboutis industriels ne sont pas très profonds, et s'accomodent très bien du rapport de tordre de 0,3 obtenu en thermoformage, entre la profondeur et la largeur des articles thermoformês. - Il est possible d'utiliser des alliages d'aluminium à durcissement structural par précipitation, qui présentent, après la trempe et la maturation ou le revenu, des caractéristiques mécaniques égales ou supérieures à celles des aciers extra doux employés couramment en emboutissage conventionnel. - Cette technique est, cependant, difficilement transposable, à l'échelle industrielle, au formage des métaux à haut point de fusion, tels que les aciers. - Il n'y a pas à craindre, après formage, le phénomène de "retour élastique" (spring-back pour les Anglo-saxons) ni ltexistence de tensions internes qui amènent des déformations lors des opérations annexes ultérieurement prati quées sur les pièces, telles que le tombage des bords, le détourage ou le poin çonnage. - L'action de formage étant exercée par un fluide, et non un poinçon, on peut laisser, dans la machine de thermoformage, un espace libre au-dessus du moule (ou au-dessous suivant le dessin de ce dernier). Cet espace libre peut être utilise pour logers les outillages servant à des opérations annexes, telles que le détourage, le poinçonnage et le tombage des bords. De surcroît, en travaillant à chaud dans le moule, les efforts correspondant à ces opérations annexes sont beaucoup plus faibles, ce qui autorise l'allègement des outillages. Ce regroupement d'opérations annexes sur la machine de thermoformage peut supprimer deux ou plusieurs presses dans les lignes d'emboutissage d'élémentsde carrosserie automobile. - Les pièces étant formées à une température élevée sont parfaitement aseptiques à la sortie du moule et directement pretes à l'emploi dans les industries, telles que les industries pharmaceutiques et alimentaires. Cependant, le thermoformage pose des problèmes importants de démoulage aussi bien pour l'aluminium ou le magnésium que pour les alliages superplastiques. De tels problèmes sont exposés, par exemple, dans le brevet français FR 2 004 410. Il faut réduire l'adhérence de l'aluminium pur ou allié, à la surface des moules, pour permettre le démoulage à des cadences industrielles des pièces à paroi mince, encore chaudes et fragiles. Divers procédés ont été essayés. On peut, comme pour l'emboutissage, enduire la surface des ébauches d'un produit approprié, le plus souvent de l'huile graphitée. Mais ces produits de démoulage présentent des inconvénients pour les traitements ultérieurs, ne serait-ce que pour une peinture ultérieure. Ces produits de lubrification sont particulièrement gênants lorsque les pièces fabriquées sont destinées à un usage alimentaire. Ils peuvent donner un goût désagréable aux aliments, surtout si ceux-ci doivent subir un traitement de cuisson ou de stérilisation après remplissage dans des plats ou barquettes fabriqués par le procédé. On peut, également, enduire la surface du moule de produits divers, tel qu'un mélange de poteyage de fonderie (argile et résine). Ces produits sont entraînes par les pièces fabriquées et doivent être renouvelés, ce qui réduit la cadence de fabrication. Ces diverses enductions, soit sur les ébauches soit sur le moule, polluent la surface des pièces. Elles exigent donc un nettoyage et un décapage ultérieurs des pièces après démoulage. Devant ces difficultés, l'emploi industriels du thermoformage est resté limité jusqu'ici à la fabrication de pièces en alliages superplastiques, c'est-à-dire à des fabrications en petites séries à des cadences de production lentes de l'ordre d'une dizaine de pièces à l'heure par moule. L'objet de l'invention est de résoudre ce problème de démoulage et, de ce fait, de permettre l'utilisation du procédé de thermoformage à des fabrication de grande série. Il est apparu que l'on pouvait éviter les problèmes d'adhérence entre les pièces fabriquées et le moule en utilisant des ébauches revêtues d'une couche protectrice d'oxyde, d'épaisseur supérieure à la couche d'oxyde formée naturellement. Le procédé, objet de l'invention, consiste à former avant thermoformage à la surface de l'ébauche, tube, bobine, une couche d'oxyde d'épaisseur supérieure à 0,10 micron et de préférence supérieure à0,15 micron. Cette couche d'oxyde est formée artificiellement par un procédé connu tel qu'une oxydation électrolytique ou chimique. Pour l'aluminium, la couche d'alumine formée par voie électrolytique est, généralement, anhydre et poreuse, ce qui ne présente pas d'inconvénient pour l'application cherchée. La couche d'alumine obtenue par cette voie peut atteindre une épaisseur de plusieurs microns. Par contre, la couche d'alumine, appelée boehmite, formée par voie chimique, est, en général, monohydratée, l'hy- dratation se produisant en même temps que ltoxydation Dans ce cas, l'oxydation starrête rapidement, et l'épaisseur de la couche d'alumine hydratée ne peut pas dépasser 1 micron environ. Dans tous les cas, que la couche d'alumine soit anhydre et poreuse ou hydratée et compacte, elle constitue une couche superficielle adhérente au nié- tal. Elle empêche l'aluminium de coller, à haute température, sur le métal du moule. Elle évite toute lubrification avant formage comme cela est nécessaire pour l'emboutissage. Elle évite aussi tout traitement ultérieur de nettoyage ou ou décapage. De plus, les pièces formées à chaud sont parfaitement aseptiques. Elles sont alimentaires sans autre traitement. La couche d'alumine à la surface du métal facilite également l'accrochage des laques, vernis, matières plastiques ou métaux que l'on peut souhaiter appliquer sur les pièces obtenues. Elle permet ces applications sans autre traitement de surface. Des opérations annexes, telles que détourage, poinçonnage, tombage de bord, peuvent être effectuées à chaud dans le moule sans addition de lubrifiant, la couche d'alumine évitant l'adhérence entre l'outil et le métal de la pièce en aluminium. Le procédé, objet de l'invention, peut être adapté à une fabrication en continu ou en discontinu. Dans une fabrication en continu, la machine de thermoformage fait partie d'une chaîne intégrée de fabrication, comprenant le poste d'oxydation préalable par voie anodique ou chimique. Dans un procédé discontinu, la machine de thermoformage ne fait pas partie intégrante d'une chaîne de fabrication.Elle est d'emploi très souple pour la fabrication d'articles divers, à partir d'ébauches préalablement oxydées superficiellement dans une autre ins tallation. x Que le procédé soit continu ou discontinu, la machine de thermoformage peut être alimentée à partir d'une bobine de métal d'épaisseur très variable, depuis la feuille mince drepaisseur de l'ordre de 0,10 mm jusqu'aux tôles d'épaisseur de l'ordre de 2 à 3 mm. Elle peut être, également, alimentée par des bandes, feuilles ou tôles préalablement coupées à longueur. Pour le magnésium, une couche superficielle de magnésie facilite, de la même façon, le démoulage des pièces thermoformées. L'invention et ses avantages seront mieux compris par la description, ci-après, donnée à titre d'exemple et se rapportant aux figures jointes. La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un moule de thermoformage. Ce moule comporte 4 empreintes en creux, disposées en deux lignes pa rallèles, chaque ligne comportant deux empreintes en série selon le sens de déplacement de la feuille à thermoformer. Le plan de coupe passe par l'axe XX' de deux telles empreintes disposées en série. La figure 2 représente, schématiquement, en plan, l'installation d'oxydation, de préchauffage et de thermoformage en continu d'une feuille mince d'aluminium se déplaçant, pas à pas, dans le sens de la flèche F. La figure 3 représente une coupe longitudinale d'un moule semblable à celui de la figure 1 comportant un outillage annexe permettant de perforer la pièce obtenue dans le moule lui-même. Sur la figure 1, on voit un moule (1), en deux parties, traversé par une feuille (2) s'avançant périodiquement dans le sens (F) lorsque le moule (1) est ouvert. Cette feuille (2), en alliage d'aluminium, a une largeur de 400 mm et une épaisseur de 0,14 mm. Pour permettre le démoulage après formage des pièces (3) en forme de barquette, la feuille (2) est revêtue sur ses deux faces d'une couche d'alumine d'épaisseur 0,50 micron Comme indiqué -précédemment, la formation de cette couche d'alumine è la surface de la feuille (2) peut se faire par divers procédés. Dans l'exemple particulier, la couche d'alumine est obtenue par oxydation anodique dans une solution aqueuse d'acide sulfurique selon un procédé bien connu. L'installation d'oxydation est représentée schématiquement en (4) sur la figure 2. Avant l'entrée du moule (1), la feuille (2) est ensuite préchauffée entre 470 et 5300 C, selon la nuance du métal, ceci dans l'installation représentée schématiquement en (5) sur la figure 2. La souplesse de l'installation permet de thermoformer des feuilles en alliages divers à des températures comprises entre 450 et 5500 C. Le préchauffage est assuré par des plateaux chauffés électriquement. Il pourrait aussi bien être assuré par d'autres moyens connus, tels que four à passage-chauffé au gaz ou électriquement, four à induction, etc... Pour des alliages à durcissement structural par précipitation, on doit réaliser dans le moule (1) une mise en "solution solide" correcte. Pour cela, la température doit être réglée avec une précision de plus ou moins 2,50 C et l'on préfère des moyens de chauffage électrique. Ces moyens de chauffage seront déterminés avec soin pour avoir une température uniforme. Le moule (1) est porté à une température supérieure à la température de formage, soit généralement à environ 1000 C, au-dessus de la température de formage, la tôle (2) restant, elle, à la température de formage. Pour l'alliage 801 1, qui n'est pas trempant, la température de formage est 4700 C et la température du moule (1) sera réglée vers 5800 C. Pour un alliage trempant, ou à durcissement structural, on choisit, comme température de formage, la température de mise en solution de cet alliage Ainsi, pour l'alliage 2002, la température de thermoformage est 5200 C. Le moule (1), lui, sera réglé à environ 6200 C. Le moule (1) représenté sur la figure 1 est en acier dit "indéformable à chaud". Cet acier a sensiblement pour composition : C = 0,5 %, Si = 0,7 %, Cr = 0,8 %, W = 1,6 %. Dans l'exemple représenté, la feuille (2), en alliage 8011, avance pas à pas dans le sens de la flèche F avec un pas L correspondant à ltespacement des pièces (3) et ceci à une fréquence de 10 déplacements par minute. La partie inférieure (6) du moule (1) est montée sur deux vérins (7) qui lui permettent de s'abaisser lors de l'avancement de la feuille (2) dans laquelle s'impriment les pièces (3). Des résistances électriques (8) permettent de porter aussi bien la partie inférieure (6) que supérieure (9) du moule à 5800 C. Lorsque la feuille (2) est arrêtée et que la partie inférieure (6) du moule est remontée, de l'air est progressivement insufflé par les orifices (10) jusqu'à une pression maximale de 0,07 MPa. Il applique la feuille d'aluminium (2) sur la surface à 4 empreintes de la partie inférieure (6) du moule en formant sàmultanément à chaque opération 4 pièces (3) en forme de barquette. Les dimensions de leurs ouvertures rectangulaires sont de 150 x 135 mm, leur profondeur de 35 mm. L'épaisseur minimale du métal dans les angles, après thermoformage, est de l'ordre de 0,07 mm. La durée du thermoformage proprement dite est de tordre de 2 secondes. L'air en excès en-dessous de la feuille (2) peut s'échapper librement par les orifices (11). Dès que les pièces (3) sont formées, en épousant la forme du moule, l'air insufflé par les orifices (10) est ramené à la pression atmos phérique et la partie inférieure (6) du moule s'abaisse en permettant à la feuille (2) d'avancer de nouveau d'une longueur L. Grâce à la couche superficielle d'alumine, qui a été générée sur la feuille avant chauffage, la feuille (2) et les pièces (3) n'adhèrent pas à la surface des deux parties (6) et (9) du moule (1) dont il n'est pas nécessaire de couper le chauffage.Grâce à la couche d'alumine,les pièces (3) ne sont pas détériorées au démoulage, bien qu'elles soient à une température de l'ordre de 4700 C lors de ce démoulage, tandis que le moule est à une température de 5800 C. La durée totale de fabrication n'excède pas 6 secondes, ceci en comprenant les temps d'avance de la feuille (2), de fermeture et d'ouverture du moule. Des pièces minces comme celles-ci pourraient aussi bien être formées au moyen d'un vide fait sous la feuille (2) par les orifices (11) que par une pression appliquée par les orifices (10) å la partie supérieure. A la sortie du moule (1), les pièces formées (3) peuvent être refroidies rapidement, dans le cas des alliages trempants, au moyen de l'air, de l'eau ou de tout autre fluide, de façon à effectuer la trempe de l'alliage. Les pièces formées (3) peuvent être aussi, partiellement, refroidies à une vitesse contrôlée, et ainsi amenées à une température déterminée pour effectuer une autre opération, telle que le dépôt d'une matière plastique, d'un vernis ou d'un autre métal. Au lieu de soumettre, avant chauffage, la feuille (2) d'aluminium, à une oxydation anodique avec attaque du métal, on peut la faire passer, pendant environ une minute, dans une solution aqueuse de triéthanolamine à 1000 C qui forme à la surface du métal une couche de boehmite d'épaisseur supérieure à 5 15 micron, et pouvant atteindre, si le temps de séjour est suffisant, 0,5 micron, on obtient, ainsi, la même facilité de démoulage. Comme on le voit, la couche d'alumine permet des fabrications par thermoformage à des cadences industrielles sans les nombreux inconvenients que présenteraient les adjuvents de démoulage. On pourrait, évidemment, utiliser des moules et des feuilles de grande largeur permettant de former un plus grand nombre de pièces en parallèle. Les cadences de fabrication peuvent alors facilement dépasser 100 pièces à la minute pour de petites pièces. Pour de grandes pièces où l'on forme une seule pièce par opération, la cadence sera limitée à environ 10 pièces à la minute. Sur la figure 3, on voit un moule (1') destiné à faire des pièces (3#) semblables à celles de la figure 1, mais comportant une perforation centrale (12). Des poinçons (13) pénètrent par les orifices (10') de diamètre suffisant. Ils permettent de percer le fond des pièces (3') avant démoulage. Pour cela, la partie inférieure (6') du moule comporte des contre poinçons mobiles (14) qui peuvent s'effacer lorsque les poinçons (13) descendent après thermoformage des pièces (3'). On peut ainsi prévoir d'autres outillages permettant de faire dans le moule (1'), luimême, divers usinages tels que détourage ou tombage de bord. Cela permet d'accélérer les cadences de fabrication et réduit les investissements. Grâce à la couche d'oxyde, le métal poinçonné n'adhère pas à la surface des outils, (13-14). REVENDICATIONS 1 ) Procédé de fabrication de pièces en alliages à base d'aluminium ou de magnésium, par déformation plastique d'ébauches à paroi mince, selon le procédé de thermoformage, caractérisé par le fait que, avant thermoformage, on forme, à la surface de l'ébauche, par des procédés connus, une couche d'oxyde d'épaisseur supérieure à 0,10 micron. 20) Procédé de fabrication, selon revendication 1, caractérisé par le fait que la couche protectrice d'oxyde a une épaisseur comprise entre 0,15 et 3 microns. 30) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche d'oxyde a une épaisseur de sensiblement 0,5 micron. 40) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le thermoformage est réalisé à une température absolue comprise entre 0,7 Tf et 0,9 Tf, Tf étant la température absolue de fusion du métal. 5 ) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérise en ce que le thermoformage est réalisé à une température comprise entre 440 et 5300 C. 60) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1, 2,3, 4 ou 5, caractérisé en ce que la couche d'oxyde est obtenue de façon continue, l'installation d'oxydation (électrolytique ou chimique) étant placée sur la chaîne de thermoformage en amont de la machine de thermoformage. 70) Procédé de fabrication selon revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé par le fait que l'installation de thermoformage est alimentée, en discontinu, par des feuilles préalablement oxydées et coupées à longueur. 80) Procédé de fabrication de pièces en aluminium, selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la couche d'alumine est obtenue par voie électrolytique, sous forme d'alumine anhydre poreuse. 90) Procédé de fabrication de pièces en aluminium, selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé par le fait que la couche d'alumine est obtenue par voie chimique sous forme de boehmite. 100) Procédé de fabrication de pièces aseptiques en aluminium, carac merise en ce qu'elles sont directement fabriquées par thermoformage suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9 sans qu'aucun traitement de stérilisation ne soit nécessaire. 110) Procédé de fabrication de pièces prêtes à être revêtues de matières plastiques, de vernis, de peinture ou d'un métal, sans autre préparation de surface, caractérisé par le fait qu'elles sont fabriquées par thermoformage selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9. 12 ) Procédé de fabrication de pièces industrielles, telles que des pièces de carrosserie automobile ou de revêtemefft de façades de bâtiments, selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisé par le fait que, sur la machine de thermoformage, sont regroupés des outillages annexes, tels que ceux pour le poinçonnage, détourage, et tombage des bords, ces outillages pouvant fonctionner à chaud sans lubrifiant grâce à la couche d'oxyde, et pouvant être logés dans l'espace libre de la machine de thermoformage en face du moule.