Brevet FR2530983A1 — publié le 19840203

PR O CEDE DE FABRICION D'EMBALLAGES POUR PRDDUITS CCNSOMCMBLES PAR MEFMDFORMAGE D'EBAUCHES MINCES A BASE D'ALUMINIUM La présente invention concerne un procédé de fabrication d'emballages pour produits consom bles par thermoformage d'ébauches minces en aluminium ou en matériaux multicouches aluminium-produits organiques. Dans ce qui suit, le terme aluminium, sans autre précision, englobe à la fois l'aluminium lui-même et les alliages courants d'aluminium con- nus dans la norme française A 02 104 sous la désignation 2002, 3003, 4047, 7020, 8011, 5754 et exclut les alliages spéciaux tels que les al- liages dits superplastiques. 1 C Par le tename matériaux multicouches aluminium-produits organiques, on entend tous les produits complexes qui associent une feuille d'alumi- nium à au moins une manière organique sous forme d'une ou plusieurs feuilles de vernis, de peintures ou de films, ou encore une combinai- son de ces diverses matières Par thermoformage, on désigne une technique très semblable à celle bien connue et très couramment utilisée dans l'industrie des matières plas- tiques Elle consiste à porter une ébauche à paroi mince, le plus sou- vent une feuille simple plane, ou encore une ébauche préformée, à une température inférieure à la température de fusion du matériau considé- ré mniais suffisante pour le ramollir et lui assurer une bonne plastici- té On donne alors à l'ébauche la forme souhaitée en l'appliquant sur la surface d'un moule par l'action d'un fluide sous pression ocmbiné ou non à un effet mécanique Pour des ébauches à paroi suffisamment malléable à la température de formage, on peut aussi utiliser la sim- ple pression atmosphérique en faisant le vide entre l'ébauche et la surface du moule. Une telle technique a été étendue à la fabrication de pièces à parois minces en alliages spéciaux d'aluminium dits alliages superplastiques. Ces alliages et leur mise en forme par thermoformage ont été décrits dans les brevets français 2 044 410, 2 146 847, 2 245 428. -2- Dans le procédé de fabrication par thermoformage, la périphérie de l'ébauche métallique est maintenue en place par serrage entre re Jài 1 ig d'un moule en deux parties, sans être déformée Ce serrage assure l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur du moule Seule, la portion de l'ébauche située en regard de la partie en creux (ou en relief) du moule subit une déformation plastique par allongement de la paroi métallique dans toutes les directions, ceci sans qu'il y ait glissement de la périphérie de l'ébauche serrée entre les bords du moule en deux parties. Les alliages spéciaux, dits superplastiques, admettent sans rupture des déforma-ions importantes, soit des allongements de l'ordre de 1000 à 2000 %, ceci à des températures comprises entre 0,3 Tf et 0,6 Tf, Tf é_nt la température absolue de fusion de l'alliage considéré, expr L re en t Kelvin Ces alliages superplastiques permettent de fabri- quer des objets dont la surface 51 est de 3 à 4 fois la surface SO de l'ébauche de départ La déformation de l'ébauche doit cependant être lente et demande de 4 à 10 minutes par opération Cette technique ne convient pas à des fabrications à cadences rapides de quantités impor- tantes de produits de grande consommation. Comme exposé dans le brevet européen 1 198 de la Société SCAL, on peut utiliser également le procédé de thermoformage pour la production de pièces en aluninium (ou en alliages courants à base d'aluminium) autres que des pièces en alliages superplastiques. Le thermoformage se fait en portant l'ébauche à des températures com- prises entre 0,7 Tf et 0,9 Tf et, de préférence, voisines de 0,8 Tf, au moyen de panneaux électriques radiants et en la déformant dans un moule dent la température est supérieure d'environ 100 C à celle de l'ébau- che Les vitesses de déformation de l'ébauche sous la pression du flui- de combiné ou non à un effet mécanique, sont relativement rapides, de l'ordre de 1 à 10 secondes Mais, caoie l'aluminium utilisé n'est pas superplastique, on doit se contenter d'allongements linéaires de la paroi des ébauches de l'ordre de 100 % au lieu de 1000 à 2000 % et de rapports de surface 51/So de l'ordre de 1,5 au lieu de 4 pour les alliages superplastiques Le rapport entre profondeur et largeur des -3- déformations obtenues est de l'ordre de 0,2 à 0,3 seulement. Ces conditions de transformation conviennent à l'obtention en série de pièces telles que des barquettes destinées à l'emballage de pro- duits consommables, comme cela est enseigné d'ailleurs dans le brevet européen 1 536 appartenant à la demanderesse En effet, les coeffi- cients de déformation de l'ébauche sont largement suffisants pour ob- tenir des récipients aux dimensions souhaitées; la cadence des opé- rations de thermoformage est relativement élevée et peut donc s'inté- grer à celles des autres opérations réalisées dans une chaîne continue de conditionnement La température nécessaire à la déformation conduit à l'aseptisation des emballages. Cependant, -n tel procédé présente des inconvénients sous l'aspect propreté et aseptisation des emballages obtenus En effet, le thenrmo- formage de l'aluminium pose des problèmes importants au moment du dé- moulage car la pièce moulée chaude adhère à la surface du moule égale- ment chaubffé, ceci en particulier à sa périphérie dans la partie qui est serrée entre les bords du moule en deux parties Aussi, est-on oblige, pour faciliter le démoulage, d'enduire la surface de l'ébauche ou celle du oule de lubrifiants appropriés Mais, ceci conduit à une pollution de la surface des barquettes obtenues, d'o la nécessité d'un nettoyrage ou d'un décapage avant remplissage On peut aussi, comm Re exposé dans le brevet européen 1 198, utiliser des ébauches d'aluminium revêtues d'une couche adhérente d'alumine artificielle ob- tenue par oxydation préalable par voie électrolytique ou chimique. Mais, cette oxydation est une opération relativement onéreuse et lon- gue qui freine la cadence de thermoformage qui nécessite la manipula- tion de produits chimiques dont la présence, à cèté de produits con- sommables, n'est pas particulièrement recommandée, sans parler des précautions spéciales à prendre pour ne pas laisser subsister de sub- stances toxiques dans la couche d'oxyde qui nuiraient à la qualité des produits emballés. De plus, cornmme la plupart des matières consommables ne peuvent être laissées au contact de l'aluminium nu sans provoquer, à courte échear- ce, une dégradation de ce matériau, il est donc nécessaire de protéger -4l'aluminium par une matière organique Ceci est réalisé dans le brevet européen 1 536 par enduction vers 120 C de la surface de la barquette après thermoformage, pour éviter une destruction inévitable de cette matière au contact du moule dont la température peut être supérieure à 500 C. Cette phase d'enduction peut réduire la cadence de la chaîne de condi- tionnement et, en tout cas, nécessite une phase opératoire supplémentaire et le maintien de la barquette dans un milieu asepti- que pendant le transfert de la barquette vers le dispositif d'endc- tion. La présenta nvention a pour objet de remédier à ces défauts en propo- sant u -rczcédé de fabrication d'emballages propres et/ou aseptiques destiné au ccnditionnement de produits consommables par thermoformage dans urn rouie d'ébauches minces en aluminium non lubrifié ni traité chimiquement ou en matériaux multicouches aluminium-produits organi- ques, da-s ieoael on porte l'ébauche à la température de déformation et l'aseptise par effet Joule. Ce procédé est aussi caractérisé par le fait qu'on utilise un moule non chauiffé dont la température de la paroi interne est maintenue à une vaieur constante comprise entre 1 ' ambiante et 100 C. Ainsi, à la différence du procédé décrit dans le brevet européen 1536 dans lequel l'ébauche est chauffée au moyen de panneaux électriques radiants, elle est ici portée à la température de déformation par ef- fet Joule Ce type de chauffage peut être obtenu par tout moyen conve- nable tel que, par exemple, la mise sous tension électrique continue ou alternative de l'ébauche, ou encore en soumettant l'ébauche à l'ac- tion de champs magnétiques de fréquence adaptée. Il permet de porter rapidement l'aluminium à une température comprise entre 150 et 600 C, la valeur retenue étant fixée en fonction de l'épaisseur, de la qualité de l'aluminium mis en oeuvre Il peut être appliqué soit avant l'introduction de l'ébauche dans le moule, soit a-5pendant l'opération de déformation, soit par une combinaison des deux possibilités. Parallèlement et également à la différence du procédé antérieur, le moule n'est plus chauffé à une temperature supérieure de 100 C à celle nécessaire à la déformation mais, au contraire, sa paroi interne est maintenue par tout moyen adéquat à une temperature constante comprise entre l'ambiante et 100 C. On conçoit donc qu'en utilisant de tels mxyens, on puisse étendre le thermofor mage à des matériaux dans lesquels l'aluminium est associé à des produits organiques En effet, avec l'effet Joule, il n'est plus nécessaire de porter l'ensemble à une température au toins égale à celle nécessaire au thermo Dformage comme on y serait oblige avec un chauffage extérieur, mais seulement l'aluminium Comme, de plus, le moule est relativement froid, la température atteinte par la matière organique reste faible Cette température peut d'ailleurs encore être abaissée en utilisant un fluide de thermoformage refroidi. Ainsi, on peut soumettre directement des ébauches en matériaux multi- couches au thermoformage et, il n'est plus besoin de procéder à une enduction de la barquette par un produit organique après sa déforma- tion. Le chauffage par effet Joule permet également une aseptisation de l'en- semble de sorte qu'on peut procéder immédiatement au remplissage de la barquette sans recourir aux différents procédés d'aseptisation classiques et effectués par passage dans des bains de peroxyde d'hy- drogène ou d'acide peracétique par exemple, produits dont la teneur doit être soigneusement contrôlée avant remplissage en raison de leur action nocive sur les organismes vivants. Le chauffage par effet Joule a d'autres répercussions intéressantes. Ainsi, le moule n'étant plus chauffé, on peut utiliser pour sa confec- tion des matériaux isolants qui ont peu d'affinité pour l'aluminium et les produits organiques et on supprime ainsi les risques de collage. 6- En conséquence, on n'a plus besoin de lubrifiant ou de traitement de, surface comme l'anodisation, et les barquettes obtenues présentent un état de propreté compatible avec le conditionnement de produits con- sommables. Tous ces avantages de l'effet Joule, joints aux avantages du therm Dfor- mage lui-mêname, et notamment l'obtention de barquettes sans plis, à la différence des emballages fabriqués par emboutissage et par pliage, font de l'invention un procédé particulièrement adapté à la fabrica- l C tion d' erbaiages pour le conditiornnement de produits consommables. Un tel procédé s'accommode aussi bien du thermoformage d'ébauches cons- titués par des formats ou des formes prédécoupées que d'ébauches cons- tituees par des bandes qui traversent le moule en continu. Dans le proe=er cas, on a l'avantage de simplifier l'outillage en sup- primant i'operation de découpe ultérieure une fois la barquette obtenue. i L'invent ion sera mieux comprise par la description d'un cas particulier de réalisation, illustré par les figures jointes. La figure 1 représente une coupe par un plan vertical de symétrie lon- gitudinale d'une installation de thermoformage de barquettes de con- ditionnement à partir d'une ébauche composite aluminiumr-produits orga- niques dans lequel l'effet Joule est créé par mise sous tension élec- trique de l'ébauche. La figure 2 représente une coupe par un plan horizontal de trace X'X suivant la figure 1. La figure 3 représente, suivant la même coupe que la figure 1, une bar- quette fabriquée dans l'installation objet des figures 1 et 2. La figure 4 représente schématiquement une chaîne intégrée de condition- nement comportant la fabrication et le remplissage des barquettes. 2.530983 -7- Sur la figure 1, on peut voir une installation de thermoformage cons- tituée essentiellement par un moule en deux éléments réalisés en ma- tériau isolant, en l'occurence de fines particules de silice agglomé- rées par l'araldite Le moule pourrait également être réalisé en d'au- tres matériaux tels qu'un béton réfractaire, le syndanio, etc L'élément supérieur ( 3) plan est solidaire d'une plaque mobile ( 4) susceptible de se déplacer verticalement sous l'action d'un vérin ( 5) et de venir s'appliquer sur l'élément inférieur ( 1) et fermer herméti- quement le moule ( 1-3) La plaque mobile ( 4) est guidée par quatre co- lonnes verticales ( 6) Les rebords ( 7-8) des éléments inférieur ( 1) et supérieur ( 3) du moule sont lisses pour assurer une meilleure étanché- ité et une moindre adhérence avec l'ébauche ( 9) tendue horizontalement entre les deux éléments ( 1-3) du moule Le rebord ( 7) forme un congé ( 10) avec la paroi verticale interne de l'élément ( 1) L'élément su- périeur ( 3) ccrporte un étage ( 11) de hauteur h = 2 mm, qui limite la surface de pote sur le rebord ( 7) de l'élément inférieur. L'élé t inérieur ( 1) cornporte un orifice ( 12) mettant en communi- cation lintérieur du moule avec l'atmosphère ambiante; l'élément su- périeur ( 3) est traversé par une conduite reliée à une source d'air comprimé ( 13) et débouchant dans le moule par un orifice axial ( 14). De part et d'autre du moule ( 1-3) et des colonnes ( 6), sont fixés des dispositifs de contact électrique essentiellement constitués par des barrettes transversales en cuivre ( 15-16) disposées smétrique- ment et reliées aux deux bornes d'un circuit électrique de faible vol- tage ( 4 V par exemple), non représenté Les barrettes ( 15-16) sont montées sur deux supports isolants en bakélite ( 17-18). Au-dessus de chacune des barrettes ( 15-16), on distingue deux barret- tes semblables ( 15 '-16 ') montées également sur des supports isolants ( 17 '-18 ') solidaires de dexu vérins ( 19-20) qui, à la demande, les font descendre pour s'appliquer sur les barrettes inférieures ( 15-16) en pinçant l'ébauche ( 9) et en faisant passer un courant électrique à travers celle-ci entre les barrettes ( 15-16). -8- On peut introduire, à l'intérieur de l'élément ( 1), un fond mobile ( 21) qui permet de réaliser dans la méme installation des pièces de hauteur h différente. Sur la figure 2, qui représente une coupe horizontale de la partie inférieure de l'installation, on distingue les barrettes ( 15) et ( 16) montées sur leurs supports isolants ( 17) et ( 18), ces ensembles étant maintenus par des colonnes ( 22) et ( 23) On voit également les colonnes verticales ( 6) de guidage de la plaque mobile ( 4) L'ébauche ( 9) ayant été thet mof rée présente un rebord ( 24), une nervure périohérique ( 25) qui s'est formée au niveau du congé ( 10) et un fond ( 26). Sur la fi Ae 3, a été dessinée, en coupe verticale, la barquette obte- nue avec cetse installation et qui présente un fond ( 26), une paroi ver_-i=ale '27), une nervure ( 25) qui raidit le rebord ( 24) Cette bar- quette a une hauteur h qui est fonction de l'épaisseur du fond mobile ( 21) quon introduit à l'intérieur de l'élément inférieur du moule. Sur la figure 4, on voit une ébauche continue sous forme d'une bande ( 28) qui se déplace dans le sens de la flèche F dans un mouvement d'avance discontinu à partir d'un rouleau ( 29) Cette bande, non pré- chauffée, passe directement dans l'installation de thermoformage ( 30) constituée par au moins un moule froid Le train de barquettes asepti- sees, qui sort du moule, est acheminé à travers une enceinte aseptique ( 31) vers un poste de remplissage ( 32) puis de thermoscellage ( 33). Les barquettes pleines et fermées sont découpées en ( 34) et évacuées directement à la sortie par un convoyeur ( 35) vers un poste d'expédi- tion. Avec cette chaîne, le procédé de fabrication selon l'invention a été mis en oeuvre de la façon suivante: Une bande en alliage d'aluminium du type 8011 de largeur 150 rmm, d'épaisseur 0,060 m, recouverte à sa partie supérieure d'un film aiy- propylène de 0,050 mm d'épaisseur est entrainée vers une installation de thermoformage composée d'un moule en syndanio équipé, V' amont en aval, d'un dispositif de contact électrique suivant la figure 1 Il 9- faut noter toutefois que, pour faciliter le fonctionnement, il est pré- férable que l'élément supérieur ( 3) soit fixe et que l'élément infé- rieur ( 1) soit monté sur vérin; il en est de mrme pour les barrettes ( 15) et ( 16) qui sont mobiles alors que ( 15 ') et ( 16 ') restent fixes. Lorsque la bande se présente en face du dispositif aval, on l'arrête. Les barrettes ( 15) et ( 16) sont alors élevées par des vérins et viennent pincer la bande ( 9) Les barrettes supérieures ( 15 ') et ( 16 ') sont mises sous une tension de 3 volts et un courant d'une intensité de l'ordre de 1400 A s'établit Lorsque l'aluminium a atteint la température de 390 C, ce qui demande environ 4 secondes, l'intensité du courant est réduite à la valeur suffisante pour main- telir la t=-nérature à cette valeur Le moule est alors ferme par élévation de l'élément inférieur ( 1) De l'air est admis par l'o- rifice ( 14), la bande ( 9) se déforme en venant s'appliquer en : trois seccrnes sur les parois de l'élément inférieur ( 1) L'air contenu dans cet élément ( 1) s'échappe par l'orifice ( 12) La pression d'air entre l'élément supérieur ( 3) et la bande ( 9) peut monter à 2,5 bars effectifs La barquette obtenue, représentée par les ficers 2 et 3, a des dimensions correspondant très sensiblement à celles de la surface concave de l'élément inférieur ( 1), en l'occurence une hauteur h: 25 m pour une longueur de 16 C mm et une larceur de 110 mm. Aussitôt qae la bande ( 9) a été appliquée par la pression d'air contre La surface de l'élément inférieur ( 1) et de son fond ( 21) en donrmnant la barquette de forme représentée en figure 3, le courant est coupé sur les barrettes ( 15 '-16 ') Les barrettes ( 15-16) sont abaissées en Imme temps que l'élément inférieur ( 1) La barquette se refroidit presque instantanément au contact de la surface du moule restée à une température de l'ordre de 250 C et elle se sépare facilement du moule. La bande peut alors être déplacée d'une longueur un peu supérieure à la longueur de la barquette, puis on procède à une nouvelle opération de thermoformage tandis que les barquettes formées pas- sent successivement par les postes de remplissage, de thermoscellage, de découpage avant d'être reprises par un convoyeur à la sortie de - l'enceinte aseptique. Cette chaîne permet avec un seul moule d'obtenir une cadence de pro- duction de 2000 barquettes à l'heure et qui peut être améliorée par une automatisation poussée et une multiplication des moules ou des empreintes. La présente invention trouve son application dans le conditionnement dans des conditions convenables de propreté et d'aseptisation de prodii 4 ts destinés à la consommation tels que, par exemple, les produits a Len taires et les produits pharmaceutiques. 2 530983 -11- REVENDICATIONS 1 / Procédé de fabrication d'emballages propres et/ou aseptiques destines au conditionnement de produits consommables par thermoforma- ge dans un moule d'ébauches minces en aluminium non lubrifié ni traité chimiquement, ou en matériaux multicouches aluminium-produits organi- ques, caractérisé en ce que l'on porte l'ébauche à la température de déformation et l'aseptise par effet Joule. 2 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tem- pérature de déformation est comprise entre 150 et 600 C suivant la qua- lité et l'eépaisseur de l'ébauche mise en oeuvre. 3 / Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'on utili- se un moule non chauffé dont la température de la paroi interne est maintenue à une valeur constante comprise entre l'ambiante et 100 Co 4 / Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le moule est en matériau isolant. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée l'effet Joule parmisesous tension électrique de l'ébauche. 6 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée l'effet Joule en soumettant l'ébauche à l'action de champs magné- tiques de fréquence adaptée. 7 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébau- che est constituée par un format prédécoupé. 8 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé'en ce que l'ébau- che est constituée par une bande qui traverse le moule en continu