Brevet FR2568817A1 — publié le 19860214

J. La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil pour faire des récipients à paroi mince à partir de feuilles de résine thermoplastique. Plus particulièrement,mais non limitativement, l'invention se rapporte à un procédé et à un appareil de moulage d'un récipient à paroi mince par soufflage à partir d'une feuille de résine thermoplastique. On a déjà utilisé différents procédés et appareils pour former des récipients ou autres à partir de thermoplastiques. Un certain nombre de ces procédés utilisent une paraison qui est placée dans un moule, puis chauffée et dilatée, habituellement par soufflage, jusau'à ce qu'elle adoote la forme du moule. Parfois, l'appareil pour dilater la paraison comprend une baguette ou un piston que l'on.déplace axialement pour assurer une élongation correcte de la paraison. Pour autant que les conditions de température soient correctes, les récipients formés de cette manière sont bi-orientés, c'est-à-dire que les molécules y sont alignées axialement et radialement, ce qui rend le produit fini notablement plus résistant qu'un récipient identique monté par soufflage à une température différente de la température d'orientation. Ces procédés et appareil sont décrits dans le brevet US 3.900.120. Le brevet US 3.814.784 de Wolf décrit un procédé de moulage par soufflage avec l'aide d'un bouchon, selon lequel une feuille d'un matériau thermoplastique est placée sur - 2 - l'ouverture du moule, et une faible pression est appliquée d'un côté de la feuille, provoquant un soulèvement hémisphérique de la feuille. Le bouchon est alors amené contre la feuille, la forçant dans le moule. Ensuite, on applique une pression dans le moule pour donner au plastique de forme finale du récipient. La première expansion de la feuille est réalisée à une température à laquelle la résine est à l'état plastique, et par application d'une pression par le dessus. Le plastique est ensuite refroidi, et le bouchon amené en contact avec le plastique. La température de la résine, lorsqu'elle est poussée vers le haut par le bouchon et lorsqu'elle est dilatée pour donner la forme finale du produit, est comprise dans le domaine des températures d'orientation de la résine.. Ce procédé donne donc un récipient biorienté profond ayant des parois relativement minces. Un autre brevet de Wolf, US 3.737.494, décrit un procédé et un appareil très similaires pour fabriquer des produits à paroi mince. L'appareil de Wolf et le procédé utilisé dans ses brevets concernent des configurations de moules ouverts. Quand le piston a été poussé jusqu'au fond du moule, la périphérie du moule portant le piston entre en contact hermétique avec l'anneau de serrage de la partie supérieure du moule, pour fermer le moule. Manifestement, il est hautement souhaitable de réaliser des récipients à partir d'une feuille, puisqu'il est possible de fabriquer une feuille comprenant plusieurs couches de matériaux, y compris des matériaux assurant au produit de bonnes propriétés à haute et à basse température, ou fournissant une barrière aux gaz pour empêcher soit la pénétration de l'oxygène dans le produit contenu dans le récipient, soit la perte de gaz comme le CO2 des boissons carbonatées. Il est également souhaitable que le récipient soit produit avec une configuration de moule fermée, parce que les températures sont mieux contrôlées et que les pressions nécessaires à la formation et à l'orientation du produit sont -3- plus aisément atteintes. La présente invention a pour objet un procédé et un appareil améliorés de thermoformage à partir d'une feuille de résin.e thermoplastique, par lequel on obtient un produit à Daroi relativement mince, renforcée par biorientation, et formé dans un moule fermé o on obtient et contrôle la température et les pressions désirées. Le procédé de la présente invention pour former un récipient à mince paroi à partir d'une feuille de résine thermoplastique, comprend les étapes qui consistent à: - chauffer la feuille; - positionner la feuille entre un moule à paraison et un moule à article aligné avec le moule à paraison; fermer ces moules sur la feuille; - introduire une pression de gaz dans le moule à article qui déplace la feuille dans le moule à paraison; et introduire du gaz dans le moule à paraison pour déplacer la feuille, et déplacer un piston sensible à la Dression dans le moule à article pour former le récipient tout en orientant la résine bi- axialement et en maintenant une paroi mince au récipient. La présente invention se rapporte également à un appareil de thermoformage d'un article à partir d'une feuille de résine thermoplastique, cet appareil comprenant des moyens de chauffage de la feuille et une source de gaz sous pression. L'appareil comprend: - une première plaque comportant au moins une cavité; - une seconde plaque, déplaçable en direction de la première plaque et dans les deux sens, et comportant au moins une cavité située en regard de celle de la première plaque; - des moyens de régulation de la pression de gaz pour relier les cavités à la source de pression et pour laisser échapper le gaz des cavités; - une empreinte, située dans la cavité de la seconde plaque, définissant la forme de l'article et comprenant plusieurs -4- orifices grâce auxquels l'extérieur de l'article peut être exposé à la pression de gaz et ventilé; - un moule à paraison situé dans la cavité de la première plaque, comprenant une paroi y définissant une cavité annu- laire, plusieurs orifices traversant la paroi, et un piston situé dans le moule à paraison, mû entre des limites supérieure et inférieure par une pression de qaz, qui pénètre dans la cavité du moule à article pour aider à déDlacer la feuille de résine dans ce moule pour former l'article. La présente invention est également décrite à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique en élévation de l'appa- reil destiné à réaliser le procédé de l'invention; - la Figure 2 est une vue en coupe fragmentaire et élargie montrant le détail de la construction du moule à paraison et de l'empreinte de l'article qui sont construits selon la présente invention; - la Figure 3 est une vue fragmentaire aqrandie montrant la structure d'une valve à sens unique utilisée dans l'appareil de la Figure 2; - les Figures 4 et 5 montrent l'appareil de la Figure 2 à des étapes ultérieures du procédé; et - la Figure 6 montre l'appareil de la Figure 2 dans l'étape finale de production d'un récipient à paroi mince. Les dessins, en particulier la Figure 1, représentent l'appareil 10 pour produire des récipients à partir d'une feuille de résine thermoplastique selon le procédé de l'invention. L'appareil 10 comprend une base 12 portant à une extrémité un rouleau 14 de résine thermoplastique en feuille,et comportant un système de transport 16 pour déplacer la feuille de résine le long de la base 12. Un système de chauffage 18 est situé audessus du système de transport 16, et un second système de chauffage 20 est représenté en pointillés en-dessous du système de transport 16. Les systèmes de chauffage 18 et 20 servent à amener la feuille de résine thermoDlastique 14 à la -5 température de thermoformage souhaitée avant que la feuille n'atteigne un assemblage 22 de moules. L'assemblage 22 de moules comprend une plaque 24 avec le moule à paraison et une plaque 26 avec l'empreinte de l'article. Les plaques 24 et 26 peuvent être déplacées en direction l'une de l'autre, dans les deux sens, dans le but décrit ci-dessous. A droite de l'assemblage 22 de moules, tel qu'illustré sur la Figure 1, le dispositif 28 de découpe reçoit la feuille 16 après qu'elle ait été transformée dans l'assemblage 22 de moules, et découpe les récipients qui ont été formés dans l'assemblage 22 à partir de la feuille de résine 14. Sur la Figure 2, la feuille de résine 14 est placée entre la plaque 26 portant l'empreinte de l'article et la plaque 24 portant le moule à paraison. rLes plaques 24 et 26 sont fermées, c'est-à-dire qu'elles ont été rapprochées l'une de l'autre jusqu'à se toucher et tenir la feuille 14 de résine entre elles. La feuille 14, préalablement chauffée par les systèmes de chauffage 18 et 20, est déformée par la tête de piston 30 qui dépasse dans la plaque 26. Selon le type d'article, la tête 30 peut ne pas pénétrer dans la plaque 26 dans sa position la plus basse. Toujours sur la Figure 2, la plaque 26 comporte une cavité 32 dans laquelle on a disposé une emprinte 34 dont la paroi intérieure 36 a une forme telle que l'article fini aura la forme désirée. L'empreinte 34 est maintenue dans la cavité 32 par un anneau de blocage 38 de n'importe quel type approprié. On a ménagé un espace 40 entre la paroi de la cavité 32 et l'extérieur de l'empreinte 34. Plusieurs orifices 42 dans la paroi de l'empreinte 34 assurent une communication entre l'espace 40 et l'intérieur de l'empreinte 34. La plaque 26 comporte plusieurs canalisations qui permettent la circulation d'eau chaude, d'air ou d'un autre fluide adéquat pour contrôler la température de la plaque 26 et de l'empreinte 256881 7 -6- 34. La plaque 26 est également munie d'une canalisation 46 d'un gaz adéquat, communiquant avec l'espace 40 pour permettre la mise sous pression ou la ventilation de l'empreinte 34 selon les besoins du procédé de moulage. Les canalisations 46 sont reliées à un système de contrôle 48, qui peut être de n'importe quel type capable d'assurer la mise sous pression ou la ventilation aux moments appropriés. Le système de contrôle 48 est relié à une source de gaz pressurisé (non représentée) et pourvu d'un échappement pour la ventilation. Le système de contrôle est aussi relié à une canalisation 52 qui conduit à un espace annulaire 54 entourant un cylindre 56 encastré. Cette pièce encastrée 56 est située dans une cavité 58 prévue dans la plaque 24. Plusieurs ouver- tures 60 dans la paroi de la pièce 56 assurent une liaison avec l'espace annulaire 54 et permettent donc l'entrée de gaz sous pression dans la cavité 58, ou la sortie de gaz de cette cavité lors de la ventilation. La plaque 24 portant le moule à paraison est également pourvue de plusieurs canalisations 62 placées de manière appropriée pour assurer le chauffage d'un moule à paraison 64 placé dans la cavité 58. La partie inférieure du moule 64 est en contact avec la partie supérieure du cylindre 56 qui comporte plusieurs fentes 66 s'étendant radialement. Ce moule à paraison 64 est maintenu dans la plaque 24 par un anneau de blocage 68 approprié. Le moule à paraison 64 comprend un orifice axial 70 qui recoit une tige coulissante 72 portant la tête de piston 30 déjà mentionnée et s'étendant jusqu'à une valve 74 montée dans le cylindre encastré 56. La valve 74 sera décrite plus bas, en laison avec la Figure 3. Le moule à paraison 64 comporte une paroi intérieure 76 qui a une section en forme de W. Plusieurs orifices 78 traversent la paroi 76 du moule à paraison 64 et communiquent avec un espace annulaire 80, qui est aussi relié avec la cavité 7- 58 par des fentes 82 dans la partie inférieure du moule 64 et par des fentes 66 dans le cylindre encastré 56. Plusieurs ouvertures 84 assurent aussi une communication directe entre l'intérieur du moule à paraison 64 et la cavité 58. La Figure 3 montre le détail de la valve 74 qui est fixée à l'extrémité inférieure de la tiqe 72 du piston. Le montage de la valve 74 comprend un disque 86 traversé par plu- sieurs ouvertures 88. Le disque 86 est fixé à la tige 72 du piston par des écrous filetés 90. Un joint annulaire 92 entoure le disque-86 et assure l'étanchéité lors du frottement dans le cylindre 56 encastré. Pour assurer l'ouverture et la fermeture des ouvertures 88, une soupape 94 entoure la tige 72 et peut coulisser sur cette tige jusqu'à la position représentée en pointillés pour empêcher le passage par les ouvertures 88 de la valve. Le mouvement de la soupape 94 est limité par plusieurs attaches 96 vissées dans le disque 86. Pour maintenir la soupape 94 en position fermée (représentée en pointillés), c'est-à-dire dans la position o le passage par les ouvertures 88 est fermé, un second écrou fileté 98 est placé sur la tige 72 et un ressort comprimé 100 est placé entre l'écrou 98 et la soupape 94. Lors du fonctionnement de l'appareil 10 et de la production de récipients à paroi mince étirés profondément, la feuille 14 de résine est déplacée par le système de transport 16 entre les systèmes de chauffage 18 et 20, o sa température est élevée au-dessus de la température de transition vitreuse, mais en dessous de la température de fusion cristalline, du plastique utilisé. Quand la feuille 14 de résine atteint l'assemblage 22 de moules, le système de transport 16 est arrêté et les plaques 24 et 26 sont amenées en contact comme on le montre sur la Figure 2. La tête 30 du piston est alors en contact avec la feuille 14, la forçant vers le haut dans la cavité 32 de la plaque 26 portant l'empreinte de l'article. A ce moment, il n'y a aucune pression ni dans la cavité 32 de la -8- plaque 26 portant l'empreinte de l'article ni dans la cavité 58 de la plaque 24 portant le moule à paraison. Le système de contrôle 48 envoie du gaz sous pression par la conduite 46 dans l'espace 40 de la plaque 26, d'o il pénètre à l'intérieur de l'empreinte 34 par les ouvertures 42 qu'elle comporte, forçant la feuille 14 dans la cavité 32, ainsi que le montre la Figure 4. La feuille 14 s'amincit légèrement lorsqu'elle se déforme en venant en contact avec la paroi intérieure 76 du moule à paraison 64. Pendant que la feuille 14 est poussée dans le moule 64, le gaz qu'il contient sort par les ouvertures 78 et 84. Le gaz venant des ouvertures 78 pénètre dans l'espace 30 à l'extérieur du moule 64, passe dans les fentes 82 qui y sont ménagées puis, par les fentes 66, à l'intérieur du cylindre 56. Le gaz passant par les ouvertures 84 pénètre directement à l'intérieur du cylindre 56 et, joint à celui passé par les fentes 66, peut provoquer un déplacement vers le bas de la soupape 84 qui, s'écartant du disque 86, permet à du gaz de passer par les ouvertures 60 et la conduite 52 jusqu'à 1' échappement 50. La grande variété de matériaux thermoplas- tiques et d'épaisseurs que l'on peut utiliser fait que la pression dans la cavité 32 de l'empreinte de l'article peut varier de 207 kPa à 3,1 MPa. Pendant cette étape du procédé, de l'eau ou un autre fluide adéquat circule par les conduites 44 de la plaque 26 et par les conduites 62 de la plaque 24 pour contrôler la température de la résine. On doit généralement chauffer pour empêcher la résine de se refroidir trop. Habituellement, le gaz, qui est généralement de l'air, est aussi chauffé à une température comprise entre 2150C et 280 C avant d'être in- troduit dans les cavités des moules 84 et 64. Les moules 84 et 64 sont généralement chauffés à une température qui va de 75 à 115 C. L'étape initiale du procédé est achevée lorsque la feuille 14 est amenée dans la position de la Figure 4. Alors que la température de la feuille 14 dans -9- l'assemblage 22 est maintenue à la température d'orientation de la résine utilisée, le système de contrôle 48 ouvre la canalisation 46 pour ventiler la cavité 32 et l'intérieur de l'empreinte 34 par les ouvertures 42 qui y sont ménagées. Le système de contrôle 48 envoie aussi du gaz sous pression, par la canalisation 52, l'espace annulaire 54 dans le cylindre 56 et les ouvertures 60, dans la cavité 58 sous la valve 74. Il existe donc une surpression sous la valve 74, ce qui ferme la valve 74 avec l'aide du ressort 100. La différence de pression est suffisante pour entraîner la tige 72 et la tête du piston vers le haut, comme sur la Figure 5. De même que ci-dessus, à cause des différentes résines, épaisseurs, etc... que l'on peut utiliser, la pression peut varier de 0,207 à 2,07 MPa. Chaque résine a son domaine de température dans lequel une orientation est possible. Les domaines de tempéra- ture d'orientation pour plusieurs résines thermoplastiques couramment utilisées vont: pour le téréphtalate de polyéthèlène, de 90 à 100 C; pour le polypropylène, de 100 à C; et pour le polyéthylène de 50 à 130'C. Pendant que la tête de position 30 se déplace vers-le haut, du gaz contenu dans la cavité 58 au-dessus de la valve 74 est aussi déplacé par cette dernière dans l'intérieur du moule 64, de telle sorte que la feuille 14 adopte la configuration de la Figure 5. On remarque que, pendant que la tête de piston 30 se déplace vers le haut, la feuille de résine 14 est étirée axialement, tandis que, par suite de la pression régnant à l'intérieur du moule 64, elle est également étirée radialement. La feuille].4 est donc soumise simultanément à une orientation axiale et à une orientation radiale, ce qui augmente notablement la résistance du produit fini. Le mouvement décrit ci-dessus continue jusqu'à ce que le joint 92 sur la valve 74 dépasse le bord inférieur des fentes 66 dans le cylindre 56. Le déplacement vers le haut de la tête de piston 30 est interrompu, et le gaz sous pression dans la cavité 58 pénètre, par les ouvertures 84 et 78, et - 10 - l'intérieur du moule 64 et de la feuille 14 déformée. Ceci force la feuille 14 contre la paroi intérieure 36 de l'empreinte 34 et lui donne la forme finale du produit. La feuille 14 est à présent étirée du maximum permis par l'empreinte 34, et elle a donc recu l'orientation moléculaire biaxiale maximale qu'il est possible de donner au produit. Lorsque la feuille 14 a atteint la configuration de la Figure 6, et que les pressions dans la cavité 58 et à l'intérieur du produit formé par la feuille 14 se sont égalisées, la tête de piston 30, la tige 72 et la valve 74 peuvent retomber plus bas que les fentes 66. Lorsque ceci est réalisé, il est nécessaire de ventiler la cavité 58 par la canalisation 52 pour dépressuriser l'intérieur du produit formé dans l'empreinte 34 par l'ouverture de la valve 74, ce qui empêche la sortie rapide de gaz sous pression quand on sépare les plaques 24 et 26 pour enlever le produit. Après la séparation des plaques 24 et 26, la feuille 14, portant le produit à paroi mince qui y a été formé, est amené à l'appareil 28 de découpage qui rogne le produit des feuilles 14. Le procédé et l'appareil décrits ci-dessus fournissent des produits à paroi mince étirés profondément, comme par exemple des récipients, qui ont été orientés bi-axialement pour les renforcer. Le procédé et l'appareil produisent efficacement et exactement les produits, tout en maintenant les conditions nécessaires de pression et de température pour réaliser les opérations voulues dans une configuration de moule fermée. Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de modes d'exécution préférés, il est entendu qu'ils n'en constituent pas une limitation, et que certaines modifications apportées par l'homme de métier en font intégralement partie. - 11 - R E V E N D I C A T T O N S 1) Procédé amélioré pour fabriquer un réciDient à, paroi mince à partir d'une feuille de résine thermoplastique, caracté- risé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: - chauffer la feuille; - placer la feuille entre un moule à paraison et une em- preinte alignée avec le moule à Daraison; - - rapprocher le moule de l'empreinte jusqu'à enfermer la feuille; introduire du gaz dans l'empreinte pour déplacer la feuille dans le moule à paraison; et - introduire du gaz dans le moule à paraison pour déplacer un piston par pression dans l'empreinte de l'article Pour former l'article tout en orientant bi-axialement la résine et maintenant un article à paroi mince. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe la feuille de résine à sa température d'orientation qui est comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de fusion cristal- line avant d'introduire du gaz dans le moule à paraison, pour permettre l'orientation de la résine par déformation dans l'empreinte de l'article. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on chauffe le moule et l'empreinte entre 75 et 115 C inclus pour empêcher la feuille de re- froidir en-dessous d'une température souhaitée. 4) Procédé selon l'une auelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on chauffe le gaz à une tempéra- ture comprise entre 215 C et 280 C. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, - 12 - caractérisé en ce que l'on relâche la pression après avoir formé l'article et avant de séparer les plaques. 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on enlève l'article formé du moule. 7) Appareil (10) amélioré pour thermoformer un article à par- tir d'une feuille (14) de résine thermoplastique, compre- nant des moyens (18 et 20) de chauffage de la feuille (14) et une source de gaz sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend: i0 - deux plaques (24 et 26), comportant chacune au moins une cavité, déplaçables en direction l'une de l'autre et dans les deux sens, et dont au moins une cavité dans une plaque est en regard d'une cavité dans l'autre plaque: - un système (48) de contrôle du gaz, pour relier les ca- vités à la source de gaz sous pression et pour ventiler ces cavités: une empreinte (34) pour l'article, située dans la cavité (32) de la plaque (26), comportant une paroi (36) défi- nissant la forme de l'article et traversée par plusieurs orifices (42) aui permettent d'exposer l'extérieur de l'article à une surpression ou de le ventiler; - un moule (64) à paraison, situé dans la cavité (58) de la plaque (24), comportant une paroi formant une cavité annulaire, plusieurs ouvertures dans cette.paroi, et un piston, commandé par pression de gaz, situé dans le moule (64) et déplaçable entre une limite supérieure et une limite inférieure Dar ce qaz dans la cavité (32) de l'empreinte (34) pour aider à pousser la feuille (14) de résine dans l'empreinte (34) pour former l'article. 8) Appareil (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système (48) de contrôle du gaz comprend un-système - 13 - de contrôle (48) pour introduire du gaz à une pression prédétérminée dans l'empreinte (34), pour dépressuriser cette empreinte (34), pour introduire du gaz à une pres- sion prédéterminée dans le moule (64), et pour dépressuri- ser ces moules avant de séparer les plaques (24 et 26)pour enlever l'article formé. 9) Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que: - le moule (64) à paraison comporte une cavité (76) et un cylindre (56), et - le piston comprend - une tête de piston (30) déplacable dans l'empreinte (34) de l'article, - une tige de piston (72) se déplaçant alternativement dans le moule (64), et dont une extrémité est attachée à la tête de Piston (30) et la seconde extrémité est située à l'intérieur du cylindre (56), et une valve (74) à sens unique attachée à la seconde extrémité de la tige (72), coulissant hermétiquement dans le cylindre (56), permettant un flux gazeux de'la cavité (76) vers l'intérieur du cylindre (56) et em- pêchant le flux gazeux en sens inverse sur une partie du trajet du piston. ) Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moule (64) à paraison comprend au moins une fente reliant l'intérieur du cylindre (56) avec la cavité (76) lorsque le piston est proche de sa position supérieure, qui permet à la pression de gaz d'étirer la résine (14) pour former l'article. 11) Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que la valve (74) comprend: - au moins une ouverture la traversant, - une pièce (94) de fermeture se déplacant le long de la - 14 - tige (72) entre des positions pour lesquelles le passage est ouvert et fermé, -un montage à ressort (100) poussant le pièce (94) vers la position fermant le passage du gaz.