Brevet FR2458376A1 — publié le 19810102

la présente invention concerne un procédé perfectionné pour le thermoformage de polymères à haute cristallinité et, en particulier, de polypropylène en feuilles. les polymères à haute cristallinité, et en particulier le polypropylène, ont acquis de nos jours une place importante parmi les matières plastiques travaillées par thermoformage, et ceci à cause de leurs propriétés avantageuses telles que : grande rdsis- tance aux agents chimiques, résistance mécanique et thermique élevées, imperméabilité aux liquides et aux gaz, etc., propriétés qui les rendent particulièrement indiqués pour la fabrication d'emballages pour produits alimentaires. Actuellement, le façonnage des polymères hautement cristallins est très répandu, en particulier du polypropylène, par thermoformage à "l'état solide", procédé qui se caractérise par le fait que le matériau soumis au thermoformage est chauffé non pas au-dessus de son point de fusion, mais au contraire au-dessous de celui-ci de manière à pouvoir travailler le matériau à l'état solide. Ainsi par exemple, dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.642.415 il est spécifié que pour un polypropylène ayant un point de fusion de 1680C, la plage de température préférée pour le thermoformage à l'état solide est celle comprise entre 1496C et 16600. Dans les procédés de thermoformage de matières plastiques en feuilles connus jusqu'à présent il a été proposé une vaste gamme de conditions de travail, parmi lesquelles celle qui consiste à refroidir le moule en correspondance de ses cavités de formage (voir Brevets des Etats-Unis d'Amérique 2.967.328 et 2.282.423) ou au contraire de réchauffer le moule à environ 66-1100C (voir Brevet des Etats-Unis d'Amérique 3.121.920). On connaît également l'application du procédé de thermoformage de matières plastiques en feuilles ou en bandes à des matériaux avec un indice de fluidité variable dans une large mesure, par exemple de 0,2 à environ 5, suivant la méthode ASTM D-1238-52T, comme décrit dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique 3.121.920 susmentionné. Dans la documentation (voir Brevet des Etats-Unis d'Amérique 2.967.328) est également décrit l'emploi, dans le thermoformage de matières plastiques en feuilles, de poinçons chauffés. les conditions de travail précitées ont été appliquées également dans les procédés connus de thermoformage de polymères à haute cristallinité, en particulier du polypropylène. Toutefois, malgré la grande variété de conditions utilisées dans les procédés de thermoformage de polypropylène connus jusqu'à présent, ces procédés n'apparaissent pas tout à fait satisfaisants, surtout en ce qui concerne la productivité atteinte et la qualité des produits obtenus. On a maintenant trouvé que, grâce à une particulière.combinaison de phases,#quelques-unes desquelles déjà connues en soi,.il est possible de réaliser un procédé perfectionné de thermoformage de polypropylène permettant d'éliminer les inconvénients cités pré cédemment et d'obtenir une productivité élevée de pièces formées d'une grande précision et, par conséquent, d'une excellente qualité Ces avantages, ainsi que d'autres qui seront mieux compris par la suite, sont obtenus par un procédé perfectionné, selon la présente invention, pour le thermoformage de polypropylène en feuilles par façonnage à l'état solide, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire passer avec un mouvement intermittent la feuille de polypropylène à travers une zone de réchauffement continue dont l'extension longitudinale est égale à au moins quatre fois la longueur utile d'une successive zone de formage, de manière à pouvoir chauffer graduellement la feuille à une température inférieure, mais voisine, à sa température de fusion, à convoyer la feuille vers la zone de formage et appliquer une pression contralée sur les zones périphériques de la feuille disposée dans la zone de formage pour la bloquer sur celle-ci, exécuter une phase de préformage de la feuille entre un poinçon en contact au moins partiel avec la feuille et un moule creux dotés d'un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, le poinçon étant chauffé au moins au niveau de sa zone de contact avec la feuille à une température inférieure d'environ 16-340C à la température de.la feuille, et successivement exécuter une phase de formage final en insufflant un jet pratique- ment instantané de fluide sous pression sur la surface de la feuille en face du poinçon pour faire adhérer ladite feuille contre les parois du moule environnant ladite cavité, lesdites parois étant maintenues à une température inférieure à 1000. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré mais non exclusif du procédé pour le thermoformage de polypropylène, donnée ici en regard du dessin annexé, sur lequel - l'unique figure représente un schéma de flux du procédé selon l'invention. Dans le procédé de thermoformage selon l'invention, on utilise comme matériau de départ une feuille de polypropylène, de préférence à faible indice de fluidité, c'est-à-dire inférieur à 0,7, comme prescrit par le procédé ASTM D-1238-65T à 23000/2,16 kg. On a pu en effet constater qu'en utilisant un matériau à faible indice de fluidité, c'est-à-dire avec une viscosité élevée, on obtient une répartition et une homogénéité plus "docilesn des épaisseurs, ainsi qu'une meilleure orientation moléculaire des produits formés, caractéristiques qui concourent, à égalité de poids, à une meilleure consistance des objets obtenus et, en définitive, à une économie de matière. Premièrement, on fait passer la feuille de polypropylène, indiquée sur le dessin avec 1, dans une zone de réchauffement A, très développée en longueur pour permettre un stationnement suffisant de la feuille dans le réchauffeur de manière à obtenir une augmentation progressive de la température jusqu'à environ i6i#168oC, qui est la température nécessaire pour le thermoformage à l'état solide. Avantageusement, la zone de réchauffement A présente une longueur au moins quatre fois supérieure à la longueur utile de la zone de formage successive, de manière à assurer un chauffage homogène sur tous les points de l'épaisseur de la feuille de polypropylène en tenant compte de sa faible diffusivité (c'est-à-dire rapport entre conductivité thermique et capacité thermique). La durée de stationnement de la feuille dans la zone de réchauffement est d'au moins 5 secondes environ pour des feuilles d'une épaisseur d'environ 0,2/0,3 mm, et augmente, bien que dans une moindre mesure, avec l'épaisseur de la feuille. Afin d'assurer la progressivité et la plus grande homogé néité possible du chauffage, la zone A est constituée par plusieurs séries d'éléments thermoélectriques céramiques de type connu, convenablement limités et gouvernés par des régulateurs électroniques, ces éléments étant de préférence disposés au-dessus et au-dessous de la feuille jusqu'à proximité du moule de formage. L'homogénéité du chauffage est également assurée grâce 3a une disposition méticuleuse en succession et en contiguité immédiate desdits éléments thermoélectriques céramiques. Le mouvement de la feuille est assuré par des channes à dents appropriées (non représentées) qui la prennent en charge dès le début de la zone de chauffage A, ou bien après que la feuille aura parcouru une certaine portion du réchauffeur, au cas où il serait nécessaire de prévoir une phase préliminaire de libre distension. On fait donc avancer la feuille d'une manière intermittente et, afin de réduire au minimum le temps mort d'alimentation du moule et éviter toute perturbation thermique de la feuille, le mouvement est commandé par des cames dotées d'accélérations et de décélérations élevées, de l'ordre de 10 m/seconde2, compatibles avec la résistance de la feuille, dans un temps inférieur à 0,4 secondes. Une fois atteint la température de 161-168 C, la feuille est soumise à la phase de formage B.Dans la phase de formage on utilise un moule 2 creux, dont la cavité 3 reproduit en négatif la forme de l'objet à former, et un contre-moule 4 dans lequel est mobile un poinçon opportunément conformé 5 qui traverse un élément à cloche mobile 6. Ce dernier est monté élastiquement dans le contre-moule 4, par exemple au moyen de ressorts 6a, et peut éventuellement être actionné de l'extérieur en injectant du fluide sous pression à travers les ouvertures 7 pratiquées dans le contre moule 4. Le moule est lui aussi commandé mécaniquement par des cames synchronisées avec les cames qui commandent le mouvement intermittent de la feuille 1 à travers la zone de chauffage A. Grâce au système de commande mécanique, la durée totale du mouvement du moule est inférieure à environ 0,8 secondes. Si on la considère dans la succession des opérations qui se déroulent, cette économie de temps permet le déroulement du processus de thermoformage dans des temps de l'ordre de 1 seconde, processus qui, comme on l'expliquera par la suite, comporte trois stades, à savoir : un stade de préformage avec poinçon, un stade de formage avec fluide sous pression et enfin un stade de stationnement dans le moule pour le refroidissement. Le moule 2 est refroidi, au moins en correspondance de ses parois définissant la cavité 3, à une température inférieure à 100C et, de préférence, à une température comprise entre 4 et 60C, de manière à obtenir un refroidissement rapide de l'objet formé par contact avec les parois de la cavité 3. A cet effet, dans le moule 2 ont été pratiqués des canaux 8 pour la circulation d'un liquide réfrigérant -tel que de l'eau ou de l'antigel. Dans le moule 2 ont dté également prévues des ouvertures 9 pour la décharge de l'air ou pour une éventuelle formation de vide pendant la phase de formage, ou bien encore pour une éventuelle injection d'air en contre-pression au cours d'une des phases de préformage, de formage ou d'éjection.Pour faciliter l'éjection des pièces formées dans le moule, il est également prévu un organe 10 se déplaçant axialement et présentant une tige dépassant vers l'extérieur du moule 2 pour permettre son actionnement de l'extérieur de ce dernier, De même que les parois latérales du moule qui définissent la cavité 3, l'organe mobile 10 qui, dans-la forme de réalisation illustrée, définit le fond de la cavité 3, est lui aussi refroidi à environ 4-60C. Dans la zone de thermoformage B, la feuille est dans un premier temps assujettie sur le moule en appliquant sur ses zones périphériques disposées autour de l'embouchure de celui-ci une pression contrôlée exercée par le bord inférieur de l'élément mobile 6. L'élément mobile 6 peut exercer sur les parties périphériques de la feuille soit une pression assez forte pour bloquer la feuille, ou bien, en alternative, une pression moindre pour permettre son glissement contrôlé dans la cavité du moule, afin d'éviter tout plissement ou épaississement anormal. Une fois la feuille assujettie, celle-ci est attaquée par le poinçon 5 dans son mouvement vers la cavité 3 du moule 2. Avantageusement, le poinçon 5 est chauffé, au moins sur sa surface extérieure destinée à entrer en contact avec la feuille à travailler, à une température inférieure de 16 à 340C environ à la température de la feuille, c'est-à-dire de préférence à une température d'environ j34-1450C. De préférence, on choisira les valeurs plus basses de la plage de température susmentionnée lorsque l'on souhaite conférer au flan une forme particulière destinée à lui être imprimée par la forme du poinçon. Dans ce cas, la plus grande différence de température entre la surface du poinçon et le flan soumis au façonnage provoque une congélation de la surface du flan figée dans la forme qui lui aura été imprimée par le poinçon. En revanche, on choisira les valeurs les plus élevées de cette même plage de température lorsque l'on souhaite obtenir une épaisseur plus réduite vers le fond de l'objet façonné, ou bien conférer à celui-ci une forme qui lui serait imprimée par la cavité du moule plutôt que par le poinçon. Le poinçon 5 est chauffé par exemple électriquement et commandé indépendamment du mouvement du moule ou du contre-moule. Afin d'obtenir une répartition plus uniforme des épaisseurs de l'objet formé, le poinçon présente, au moins sur sa surface de contact avec la feuille, un faible coefficient de friction obtenu soit en chromant "à glace" cette même surface, soit en la recouvrant avec un matériau à faible coefficient de friction, par éxemple du polytétrafluoréthylène (Téflon). D'autre part, le poinçon est réalisé dans un matériau à faible conductivité thermique. Une fois achevée la phase de préformage au moyen du poinçon 5, on termine le formage en injectant dans la cavité comprise entre le moule 2 et le contre-moule 4, en position de fermeture de ces derniers, du fluide sous pression, de préférence de l'air, dirigé sur la surface de la feuille en regard du poinçon 5. Ceci peut store réalisé en prévoyant des ouvertures appropriées dotées de valves, par exemple comme celle indiquée schématiquement avec Il sur la figure et pratiquée sur le contre-moule 4. Généralement, la pression du fluide injecté à travers les ouvertures il est supérieure à environ 3,5 kg/cm2. Avantageusement, le fluide sous pression est injecté sous forme de jet instantané refroidi à une température inférieure à environ iOOC, De cette manière, on obtient un refroidissement simultané et rapide des deux surfaces de la feuille, c1 est-à-dire celle que le jet lui-même fait adhérer contre les parois de la cavité 3 et celle frappée par le jet de fluide sous pression refroidi, en favorisant ainsi l'obtention d'une bonne stabilité dimensionnelle du produit et une grande précision de tous ses détails structurels. Avantageusement, le procédé selon la présente invention prévoit une phase successive destinée à se dérouler dans le moule, phase qui consiste dans le découpage ou détourage de l'objet après son formage. Ceci est réalisé en prévoyant des reliefs et des évidements correspondants à bords coupants pratiqués respectivement sur le moule 3 et sur le contre-moule 4. L'exécution de l'opération de découpage, lorsque l'objet est encore logé dans le moule refroidi à 4#60C, permet non seulement d'éliminer toute opération de découpe successive, mais se révèle d'une importance capitale dans le thermoformage du polypropylène car elle évite toute distorsion éventuelle ainsi que tout retour de chaleur résiduelle de la partie restante de la feuille, c'est-à-dire la chute, vers l'objet formé. Ceci va entièrement au bénéfice d'un parfait calibrage des bords, condition essentielle pour permettre une opération successive de bordage par galetage de l'objet formé. L'objet ainsi formé et refroidi est successivement éjecté du moule, éventuellement par actionnement de l'organe 10 ou, si nécessaire, également par application d'une contre-pression à travers le canal 9, et peut ensuite être déchargé, par exemple à travers une goulotte convoyeuse mobile 12, dans un gerbeur situé en contrebas. il apparat clairement de la description qui précède que le procédé selon l'invention atteint pleinement tous les buts envisagés. Ainsi, grâce à la combinaison particulière des différentes phases précitées et à la combinaison judicieuse des températures des différents organes et éléments qui concourent au thermoformage du polypropylène, on parvient à réduire au minimum les temps morts du cycle de travail et à éviter les dispersions de chaleur de la feuille, ce qui permet d'atteindre des phases utiles de thermoformage de l'ordre d'une seconde. le procédé selon l'invention permet ainsi d'atteindre une productivité qui, suivant les épaisseurs utilisées, peut dépasser 30 - 35 cycles par minute. D'autre part, grâce à ce procédé, on obtient des objets d'une grande précision et présentant un "fini" et une stabilité dimensionnelle considérables. Le procédé se prote aussi bien au travail de la résine homopolymère ou copolymère de polypropylène qu'au travail du polypro xylène chargé jusqu'à concurrence de 40 % en poids avec des charges inertes normalement utilisées pour charger le polypropylène, telles que carbonate de calcium, plâtre, talc, bois, etc. il va de soi que l'invention qui vient d'être décrite est susceptible de nombreuses modifications et variantes rentrant toutes dans le cadre de la même protection industrielle. Ainsi, par exemple, on pourra doter le moule de plusieurs cavités et prévoir un nombre correspondant de poinçons dans le but de former simultanément un nombre désiré d'objets. De même, pendant la phase de formage avec poinçon on pourra réaliser sur la surface opposée de la feuille un léger vide ou bien appliquer une contre-pression modérée suivant les nécessités. D'autres modifications et variantes apparattront de toute façon évidentes à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé perfectionné pour le thermoformage de polypropylène en feuilles par façonnage à l'état solide, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire passer avec un mouvement intermittent la feuille de polypropylène à travers une zone de réchauffement continue dont l'extension longitudinale est égale à au moins trois fois la longueur utile d'une successive zone de formage, de manière à pouvoir chauffer graduellement la feuille à une température inférieure, mais voisine, à sa température de fusion, à convoyer la feuille vers la zone de formage et appliquer une pression contrôlée sur les zones périphériques de la feuille disposée dans la zone de formage pour la bloquer sur celle-ci, exécuter une phase de préformage de la feuille entre un poinçon en contact au moins partiel avec la feuille et un moule creux dotés d'un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, le poinçon étant chauffé au moins au niveau de sa zone de contact avec la feuille à-une température inférieure d'environ 16 à 3400 à la température de la feuille, et successivement exécuter une phase de formage final en insufflant un jet pratiquement instantané de fluide sous pression sur la surface de la feuille en face du poinçon pour faire adhérer ladite feuille contre les parois du moule qui environnent ladite cavité, lesdites parois étant maintenues à une température inférieure à 1000. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le polypropylène est constitué par un homopolymère ou copolymère de polypropylène ayant un indice de fluidité à l'état de fusion (mesuré suivant la méthode ASTM D-1238-65T à 23000/2,16 kg) inférieure à 0,70 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le polypropylène comprend au moins 60 ffi en poids d'homopolymère ou de copolymère de polypropylène et jusqu'à 40 % en poids de charge inerte. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la phase de chauffage est réalisée par une pluralité d'éléments thermoélectriques céramiques, limités et réglables, disposés en étroite continuité le long de la zone de chauffage. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits éléments thermoélectriques céramiques sont disposés au-dessus et au-dessous de ladite feuille dans la zone de chauffage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la phase d'application de la pression contrôlée sur les zones périphériques de la feuille est réalisée par un élément agissant élastiquement de manière à bloquer la feuille dans le moule. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la phase d'application de la pression contrôlée sur les zones périphériques de la feuille est réalisée par un élément agissant élastiquement de manière à permettre le glissement contrôlé de la feuille dans le moule. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que successivement à la phase de glissement contrôlé il est prévu une phase de blocage de la #euille au moyen d'air comprimé agissant sur ledit élément élastique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le#poinçon présente, au moins sur sa surface de contact avec la feuille, un faible coefficient de friction. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la feuille entre dans la phase de formage à une température d'environ 161-168 C, tandis que le poinçon est chauffé à une température comprise entre 134 et 145 C. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le fluide sous pression qui réalise le formage final est refroidi à une température inférieure à 1000. 12. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'il comprend une phase complémentaire de découpage de la feuille sur le moule même, réalisée par des saillies et par des évidements correspondants à bords coupants prévus respectivement sur ledit moule et sur ledit contre-moule. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moule est doté d'une pluralité de cavités et d'une pluralité correspondante de poinçons pour le thermoformage simultané de plusieurs objets à la fois.