Brevet FR2738767A1 — publié le 19970321

PROCEDE D'INJECTION DE THERMOPLASTIQUES ET APPAREILLAGE UTILISABLE NOTAMMENT POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne l'injection de matériaux thermoplastiques, en particulier les matériaux thermoplastiques parmi les plus courants tels que le polypropylène et le polyéthylène. Par injection, on entend aussi bien l'injection en moule fermé, par exemple à la presse à injection, que l'injection au travers d'une filière d'extrusion. Selon une technique classique et bien connue, l'injection des matériaux thermoplastiques est réalisée dans des presses à injecter essentiellement constituées de deux sections, une section de travail du matériau où celui-ci subit une plastification et comportant une vis sans fin et une section de moulage du matériau dans laquelle un moule fermé est disposé entre les deux plateaux de la presse mobiles l'un par rapport à l'autre. L'injection proprement dite est réalisée en deux opérations principales successives. Dans un premier temps, la vis est entraînée en rotation pour alimenter la machine, plastifier et fusionner le matériau.Dans un second temps, après arrêt de la rotation de la vis, celle-ci est déplacée axialement pour coopérer avec un obturateur et faire fonction de piston de compression de façon à réaliser l'injection haute pression (entre 500 et 2000 kg/cm2) de la matière en fusion vers le moule. Si cette technique donne satisfaction en général, elle présente néanmoins des inconvénients parmi lesquels on peut citer: - La relative complexité des machines et leur coût élevé. Il est en effet nécessaire de réaliser un agencement de montage et d'entraînement pour la vis permettant les deux mouvements de rotation et de translation axiale. Par ailleurs, les vis ont des profils complexes à profondeur de filet variable et/ou à pas variable pour obtenir des vis à compression axiale avec des taux de compression supérieurs à l'unité, en général compris entre 2 et 4 (le taux de compression étant défini par le rapport de la section du canal de la vis en entrée de la zone de travail à la section du canal de la vis en sortie). - Une demande importante en énergie motrice. En effet, la mise en oeuvre des presses à injecter demande des moyens d'entraînement puissants (moteurs électriques et/ou hydrauliques) notamment pour fournir le couple nécessaire aux vis à compression axiale. Afin de réduire la demande en couple, les vis sont allongées avec des rapports Longueur/Diamètre (L/D) supérieurs à 20. L'invention a pour but un procédé d'injection de matériaux thermoplastiques permettant notamment de simplifier la structure et le mode opératoire des machines d'injection, en particulier dans le cas d'injection en moule fermé, et en conséquence les coûts correspondants. Selon l'invention, le procédé d'injection de matériaux thermoplastiques comportant une opération de plastification du matériau dans un cylindre recevant une vis sans fin en rotation et une opération d'injection du matériau dans un moule ou au travers d'une filière d'extrusion est caractérisé en ce que l'opération de plastification et d'injection sont réalisées simultanément par rotation de la vis sans fin, ladite vis présentant un taux de compression sensiblement égal à l'unité. Ainsi l'opération d'injection est réalisée par continuation de la rotation de la vis de façon simultanée à l'opération de plastification du matériau sans compression axiale due au dessin de la vis. Comme expliqué en détails dans la description ci-après, la rotation continue de la vis entraîne un déplacement axial d'un segment de matériau pâteux dans le cylindre de façon à comprimer le matériau en fusion situé en tête de vis et provoquer son injection dans le moule. Il résulte de ce qui précède que le mouvement de déplacement axial de la vis n'est plus nécessaire pour une injection en moule fermé. La vis peut alors être simplement maintenue immobile axialement par rapport au cylindre. Selon un mode opératoire avantageux du procédé de l'invention, la température du cylindre est régulée par des moyens appropriés de chauffage et de refroidissement pour obtenir une élévation en température graduelle du cylindre avec: - une zone froide d'alimentation en matériau refroidie de préférence à une température comprise entre 50 et 800C, - une zone chaude autour de la tête de la vis dont la température est au moins égale à la température de fusion du matériau thermoplastique, et - une zone intermédiaire d'échauffement graduel entre la zone froide et la zone chaude de façon à contrôler la formation d'un segment de matériau pâteux adapté à comprimer par rotation de la vis le matériau en fusion dans la zone chaude. La régulation en température est importante pour la mise en oeuvre du procédé car elle permet d'améliorer les performances de la machine d'injection et de l'adapter au type de matériau thermoplastique utilisé. Selon une variante avantageuse du procédé selon l'invention, la vis présente un pas constant et une profondeur de filet constante de façon à obtenir un taux de compression égal à l'unité sur toute la zone de travail. Il est ainsi possible de réaliser la rotation de la vis avec un couple relativement faible, nettement inférieur à ceux rencontrés avec les presses à injection classiques dans la technique et présentées ci-avant, et d'utiliser des vis de fabrication aisée, relativement courtes, par exemple de rapport L/D Le procédé selon l'invention est applicable à l'injection en moule fermé, celui-ci étant disposé entre deux plateaux mobiles l'un par rapport à l'autre, et à l'injection au travers d'une filière d'extrusion. L'invention concerne également un appareillage utilisable notamment pour la mise en oeuvre du procédé d'injection de matériaux thermoplastiques selon l'invention défini cidessus, de ses variantes et applications. Plus particulièrement, l'appareillage selon l'invention comporte un cylindre disposé entre une trémie d'alimentation en matériau plastique à injecter, par exemple thermoplastique, et des moyens de mise en forme de la pièce à obtenir constitués soit par une buse d'injection associée à un moule, soit par une tête d'extrusion associée à une filière d'extrusion, une vis sans fin reçue dans ledit cylindre et montée en rotation sur un support fixe par rapport au cylindre, ladite vis présentant un taux de compression sensiblement égal à l'unité et étant maintenue immobile axialement par rapport audit cylindre, des moyens de chauffage et de refroidissement disposés le long du cylindre de façon à obtenir une élévation en température graduelle du cylindre avec une zone froide au niveau de l'alimentation en matériau et refroidie de préférence à une température comprise entre 50 et 800C, une zone chaude autour de la tête de vis et présentant une température au moins égale à la température de fusion du matériau à injecter et une zone d'échauffement graduel entre la zone froide et la zone chaude, et des moyens d'entraînement en rotation de la vis manuels ou motorisés. Selon une première variante, la vis présente un pas constant et une profondeur de filet constante. Selon une autre variante, la tête de la vis est profilée selon une surface sensiblement en hélice, s'étendant de préférence sur tout le diamètre de la vis à la hauteur du premier filet. Cette forme particulière de la tête augmente la pression du matériau liquide et réduit encore le couple nécessaire à la rotation de la vis. Selon encore une autre variante, la vis est réalisée en alliage d'aluminium AU4G pour tirer avantage de la bonne conductivité thermique de l'aluminium. Ce choix n'est toutefois pas limitatif, la vis étant réalisable en d'autres matériaux appropriés moulés ou usinés. Selon encore une autre variante, les moyens d'entraînement de la vis comportent un moteur électrique à rotation programmée par exemple un moteur pas-à-pas, le nombre de tours commandés à la vis pour une injection étant adapté avec le volume de matériau thermoplastique à injecter dans un moule fermé. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique d'une machine d'injection de matériau thermoplastique incorporant la présente invention; et - la figure 2 représente une vue schématique en coupe axiale et agrandie de la section plastification/ compression incorporant la présente invention de la machine d'injection illustrée sur la figure 1. L'appareillage illustré aux figures 1 et 2 et décrit ciaprès représente un mode de réalisation non limitatif de l'invention, en particulier les valeurs numériques qui seront données dans la description le seront à titre d'exemple dans le but de faciliter la compréhension du procédé d'injection et de l'appareillage selon l'invention. L'appareillage d'injection illustré à la figure 1 comporte un bâti 10 comportant au moins trois plans porteurs verticaux 11, 12, 13 s'étendant perpendiculairement à l'axe horizontal XX' de l'appareillage. Sur la partie droite de la figure 1, sensiblement entre les plans porteurs 11 et 12, est agencée la section plastification/compression de la machine à injecter, et sur la partie gauche sensiblement entre les plans porteurs 12 et 13 est agencée la section moulage de la machine. Plus particulièrement sur le plan porteur 11, sont montés un support de butée 14, un support de trémie 16 équipé d'une trémie 18 destinée à recevoir les granulés de matériau thermoplastique et un dispositif de refroidissement 20 à liquide équipé d'un ensemble pompe/réservoir. Les plans porteurs 12 et 13 portent respectivement un plateau fixe 22 et une plaque semelle 24 entre lesquels sont disposées deux poutres horizontales 26 parallèles à l'axe XX'.Un plateau mobile 28 est monté coulissant sur les poutres 26 et coopère avec des tasseaux 30, une plaque d'éjection de la pièce moulée (non visible sur la figure 1) et un dispositif d'actionnement et de verrouillage (non représenté) du plateau mobile 28 pour ouvrir et fermer le moule 34 (destiné à l'injection en moule fermé) essentiellement composé d'une partie d'empreinte fixe 36 solidaire du plateau fixe 22 et d'une partie d'empreinte mobile 35 solidaire en translation selon l'axe XX' du plateau mobile 28 par l'intermédiaire des tasseaux 30. L'agencement de la section moulage de la machine qui vient d'être décrit et son mode opératoire sont similaires à ceux rencontrés dans les presses à injection classiques et connues des familiers de la technique d'injection des thermoplastiques et ne seront pas décrits ici en détails. En ce qui concerne le dispositif d'actionnement et de verrouillage, il est possible d'utiliser soit un dispositif hydraulique ou pneumatique à piston, soit un entraînement manuel du type vérin à vis équipé d'un volant de manoeuvre. Entre le support de trémie 16 et le plateau fixe 22, sont montés un fourreau ou cylindre 38 en acier haute résistance et une buse d'injection (illustrée en détails sous la référence 40 sur la figure 2) entourée d'un collier chauffant 41. L'extrémité gauche du cylindre 38 adjacente à la buse porte un ou plusieurs colliers chauffants externes 42. Les deux colliers chauffants 41 et 42 sont de façon classique associés chacun à une alimentation électrique et à un régulateur de chauffe asservi ou non à un capteur de température (non représentés). Le cylindre 38 reçoit une vis sans fin (illustrée en détails sous la référence 44 sur la figure 2) coaxiale à l'axe XX' et dont l'extrémité 45 externe au cylindre est solidaire d'une manivelle 46 destinée à être mise en oeuvre par un opérateur.Enfin, le support de trémie 16 et le plateau fixe 22 sont refroidis à partir du dispositif de refroidissement 20 par l'intermédiaire de conduits appropriés 19, 21. Si l'on considère la figure 2 (dans laquelle le bâti 10 et les plans porteurs 11 et 12 n'ont pas été représentés), la vis sans fin 44 présente une portion d'extrémité externe 45 associée à la manivelle 46, une portion de grand diamètre 48 délimitée par deux épaulements radiaux 47, 49 et disposée dans une cavité cylindrique 50 réalisée dans le support de butée 14 et une partie filetée 52 traversant le canal d'alimentation en granulés formé par un alésage 54 et présentant des filets 55 sensiblement trapézoïdaux pour venir en contact avec la surface interne 56 du cylindre 38 (avec un jeu diamétral total de quelques 1/10 de mm).La partie filetée 52 de la vis est disposée axialement de façon à occuper environ les 3/4 du cylindre 38 et se termine par une tête profilée en hélice 58 sur tout le diamètre de la vis au niveau du filet de tête ou premier filet. Par ailleurs, la vis 52 est maintenue immobile axialement sur l'axe XX' par coopération de butée axiale de la portion de grand diamètre 48, d'une part entre l'épaulement 47 adjacent à la partie filetée 52 avec une rondelle d'appui 59, elle-même portant sur la face 61 du support de trémie 16 fermant la cavité 50, d'autre part entre l'épaulement 49 adjacent à la portion d'extrémité externe 45 et un roulement de butée 62 prenant appui sur le fond 63 de la cavité 50, lui-même traversé par un alésage 64 pour laisser passer la portion d'extrémité 45. Comme illustré sur la figure 2, l'alésage 54 du support de trémie 16 présente une portion de grand diamètre 65 pour définir un logement dans lequel est emmanchée l'extrémité froide 66 du cylindre 38 jusqu'à venir en appui axial sur l'épaulement 67 entourant l'alésage 54. De la même façon, l'extrémité chaude 68 du cylindre 38 est emmanchée avec appui axial dans le logement 69 pratiqué sur une face d'extrémité de la buse d'injection 40. Le moule 34 et la buse d'injection 40 constituent les moyens de mise forme de la pièce à obtenir. La buse d'injection 40 de conception classique et connue présente un alésage 70 coaxial à l'axe XX' débouchant d'une part dans l'alésage central 56 du cylindre 38 au droit du logement 69, d'autre part, après réduction de diamètre, par un orifice d'injection 71 dans le canal d'injection 72 traversant la partie fixe 36 du moule et conduisant à la cavité 73 du moule définissant la pièce injectée. L'alésage 70 reçoit une tige centrale ou torpille 74 pourvue de méplats axiaux externes pour définir des passages 75 pour le matériau en fusion. Comme illustré sur la figure 2, la torpille 74 se termine par une pointe 76 dont le sommet se projette au travers de l'orifice d'injection 71. Le corps de la buse d'injection 40 est monté en appui axial sur le plateau fixe 22 et se projette pour partie dans une ouverture centrale 79 pratiquée dans le plateau fixe 22, un manchon isolant 77 et une plaque isolante 76 étant disposés entre le plateau fixe 22 et le corps de la buse 40. L'agencement ici décrit est tel que l'ensemble constitué par le support de trémie 16, le cylindre 38, le corps de la buse 40 sont maintenus rigidement entre le support de butée 14 et le plateau fixe 22, tous deux solidaires du bâti 10 par les plans porteurs 11 et 12. En ce qui concerne la régulation en température du cylindre 38 et de la buse 40, le dispositif de refroidissement 20 est relié par les conduits 19 au circuit de refroidissement 78 du support de trémie 14 disposé de façon adjacente à l'extrémité froide 66 du cylindre 38 et par les conduits 21 au circuit de refroidissement 80 du plateau mobile 22. Par ailleurs, la buse d'injection est chauffée par le collier chauffant 41 et l'extrémité chaude 68 du cylindre 38 est chauffée par le collier chauffant 42 s'étendant sur environ une petite demi-longueur du cylindre (entre 30 et 50%). La vis 44, relativement courte avec un rapport L/D inférieur à 10, présente un pas constant et une profondeur de filet constante avec un taux de compression Tc = 1. Dans le mode de réalisation ici décrit à titre non limitatif, la vis 44 est réalisée en alliage d'aluminium AU4G, comporte 12 filets et présente un diamètre de 17 mm, un pas de 12 mm et un rapport L/D voisin de 7. La profondeur des filets (environ 3,5 mm) est choisie en fonction de la taille des granulés utilisés, dans le cas présent la vis 44 est bien adaptée à l'utilisation de granulés 82 de polypropylène d'un diamètre moyen de 3 à 3,5 mm. La vis 44 est associée à la manivelle 46 d'un bras efficace d'environ 15 cm. Comme montré sur la figure 2, les granulés 82 (représentés par des croisillons) sont dirigés par gravité dans le canal d'alimentation 54 par l'intermédiaire d'un puits 84 pratiqué dans le support de trémie 16. Par rotation de la vis, les granulés (représentés par des petites croix) pénètrent dans la zone froide du cylindre 38. Au fur et à mesure de l'avancement des granulés dans le cylindre, les granulés commencent à se plastifier et à s'agglomérer sous l'effet de l'élévation graduelle de la température dans le cylindre et de la pression engendrée par la vis 44 en rotation. Il se forme ainsi dans la zone de température intermédiaire environ à mi-distance dans le cylindre, un segment 86 de matériau pâteux épais (représenté par des hachures à double trait).L'opération de plastification du matériau se termine par sa fusion dans la zone chaude du cylindre 68 autour de la tête 58 de la vis dont le profil en hélice à grande surface augmente la pression du matériau en fusion (représenté par des hachures à tirets). Le segment 86 de matériau pâteux sous l'effet de la rotation de la vis vient comprimer le matériau en fusion 88 contenue dans la zone chaude du cylindre pour l'expulser dans les passages 75 de la buse d'injection 40 (où est réalisée l'homogénéisation du matériau) et remplir la cavité 73 du moule réalisant ainsi l'opération d'injection proprement dite. Dans la pratique on considère que le segment de matériau pâteux 86 sous l'effet de la rotation continue de la vis se comporte comme un vérin à vis. La formation et consistance de ce segment pâteux est contrôlée par la régulation en température du cylindre 38 par l'intermédiaire des moyens de chauffage 42 et de refroidissement 20, 78. L'appareillage qui vient d'être décrit est mis en oeuvre selon le procédé d'injection de matériau thermoplastique selon l'invention par simple rotation de la vis 44 à l'aide de la manivelle 46. En pratique, le nombre de tours de vis (ou de manivelle) requis est fonction du volume (ou du poids) de la pièce moulée, par exemple 18 à 20 tours de la vis 44 pour une pièce d'une dizaine de grammes de polypropylène. Lorsque la cavité 73 du moule est remplie de matériau en fusion, l'opérateur perçoit une résistance et maintient son effort pour générer la pression de maintien destinée à éviter le retrait lors de la solidification de la pièce moulée puis il effectue un à deux tours en rotation inverse pour éliminer la pression à l'orifice 71.Les injections réalisées en polypropylène de grade moyen ont donné de bons résultats (la pression d'injection étant estimée entre 5 et 600 kg/cm2) avec une température de zone froide 66 régulée entre 60 et 800C et une température de zone chaude régulée autour de 250"C. La machine d'injection qui vient d'être décrite est d'une grande simplicité de structure et de fonctionnement. Sa consommation en énergie motrice reste faible tout comme sa consommation d'énergie thermique (les colliers chauffants 41 et 42 ont une puissance totale de l'ordre de 500 watts). Dans un autre mode de réalisation de l'invention (non représenté), la manivelle 46 est remplacée par des moyens d'entraînement comportant un moteur électrique à rotation programmée, par exemple un moteur du type pas-à-pas, le nombre de tours commandés à la vis pour une injection étant adapté au volume de matériau thermoplastique à injecter dans le moule fermé 34. Dans un autre mode de réalisation de l'appareillage selon l'invention, en particulier destiné à la fabrication de profilés continus, la buse 40 et le moule 34 sont remplacés par une tête d'extrusion et une filière d'extrusion, ces dernières constituant les moyens de mise en forme de la nouvelle pièce à obtenir. Bien entendu, le procédé et l'appareillage selon l'invention ne sont pas limités à l'injection du polypropylène mais concernent tous les matériaux thermoplastiques passibles de moulage par injection en moules fermés et/ou passibles d'extrusion, notamment les polyéthylènes BD et HD et les polystryrènes. Par ailleurs l'appareillage selon l'invention peut être utilisé pour l'injection de thermodurcissables en moule fermé. REVENDICATIONS: 1. Procédé d'injection de matériaux thermoplastiques comportant une opération de plastification du matériau thermoplastique dans un cylindre (38) recevant une vis sans fin (44) en rotation et une opération d'injection dudit matériau dans un moule (34) ou au travers d'une filière d'extrusion, caractérisé en ce que les opérations de plastification et d'injection sont réalisées simultanément par rotation de la vis sans fin (44), la vis sans fin présentant un taux de compression sensiblement égal à l'unité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du cylindre (38) est régulée par des moyens de chauffage (42) et de refroidissement (20, 78) pour obtenir une élévation en température graduelle du cylindre avec: - une zone froide d'alimentation en matériau refroidie de préférence à une température comprise entre 50 et 800C; - une zone chaude autour de la tête (58) de la vis dont la température est au moins égale à la température de fusion du matériau thermoplastique; et - une zone intermédiaire d'échauffement graduel entre la zone froide et la zone chaude, de façon à contrôler la formation d'un segment de matériau pâteux (86) adapté à comprimer par rotation de la vis le matériau thermoplastique en fusion dans la zone chaude. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vis (44) présente un pas constant et une profondeur de filet constante. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection est réalisée dans un moule fermé (34) associé à une buse d'injection (40). 5. Appareillage utilisable notamment pour la mise en oeuvre du procédé d'injection de matériaux thermoplastiques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre (38) disposé entre une trémie d'alimentation (16, 18) en matériau plastique à injecter et des moyens de mise en forme de la pièce à obtenir constitués soit par une buse d'injection (40) associée à un moule (34), soit par une tête d'extrusion associée à une filière d'extrusion, une vis sans fin (44) reçue dans ledit cylindre (38) et monté en rotation sur un support (14) fixe par rapport au cylindre (38), la vis (44) présentant un taux de compression sensiblement égal à l'unité et étant maintenue immobile axialement par rapport au cylindre, des moyens de chauffage (42) et de refroidissement (20, 78) disposés le long du cylindre (38) de façon à obtenir une élévation de température graduelle du cylindre (38) avec une zone froide au niveau de l'alimentation en matériau et refroidie de préférence à une température comprise entre 50 et 800C, une zone chaude autour de la tête de vis (58) et présentant une température au moins égale à la température de fusion du matériau plastique à injecter et une zone d'échauffement graduel entre la zone froide et la zone chaude, et des moyens d'entraînement (46) en rotation de la vis (44) manuels ou motorisés. 6. Appareillage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vis sans fin (44) présente un pas constant et une profondeur de filet constante. 7. Appareillage selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la tête (58) de la vis (44) est profilée selon une surface en hélice, de préférence sur tout le diamètre du premier filet de la vis. 8. Appareillage selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la vis (44) est réalisée en alliage d'aluminium AU4G. 9. Appareillage selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un moule fermé (35, 36) associé à une buse d'injection et disposé entre deux plateaux (22, 28) mobiles l'un par rapport à l'autre. 10. Appareillage selon la revendication 9 caractérisé en ce que lesdits moyens d'entraînement de la vis comportent un moteur électrique à rotation programmée, par exemple un moteur pas-à-pas, le nombre de tours de rotation commandés à la vis pour une injection étant adapté au volume de matériau thermoplastique à injecter en moule fermé.