Brevet FR2765339A1 — publié le 19981231

BUSE RHEOMETRIQUE POUR MACHINE D'INJECTION DE RESINES THERMOPLASTIQUES DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne une buse rhéométrique, conçue principalement pour mesurer une perte de charge, sur une longueur d'écoulement donnée entre une machine d'injection d'un matériau thermoplastique et un moule. Une buse rhéométrique conforme à l'invention permet notamment de déterminer, par des calculs simples, la viscosité du matériau thermoplastique fondu, pendant toute la durée de son injection, c'est-à-dire lors de la fabrication d'une pièce moulée en matériau thermoplastique. L'utilisation d'une buse rhéométrique conforme à l'invention permet aussi de recueillir directement des informations de pression et, le cas échéant, de température pendant toute la durée de l'injection, en un emplacement fixe situé en amont du moule. Etat de la technique La viscosité n d'un matériau fondu, qui s'écoule dans un canal de géométrie simple (section circulaire ou rectangulaire allongée) est généralement définie comme le rapport entre la contrainte de cisaillement xp exercée en paroi par ce matériau et le taux de cisaillement Ù à la paroi. Ce taux de cisaillement correspond à la dérivation du profil de vitesse d'écoulement du matériau fondu à la paroi, le contact étant supposé collant. La contrainte de cisaillement Tp et le taux de cisaillement r sont calculés de manière simple à partir des relations r AP 2 AL 4Q et F = Q3 n. r3 dans lesquelles - AP désigne la perte de charge, c'est-à-dire la différence de pression entre deux points du canal séparés d'une distance AL parallèlement à l'axe longitudinal du canal - r désigne le rayon du canal de mesure ; et - Q désigne le débit du matériau fondu s'écoulant dans ce canal. Le rayon r est connu. Le débit Q est déterminé en mesurant la vitesse d'injection du matériau thermoplastique dans la machine d'injection généralement équipée d'une unité d'injection dont le diamètre de vis est connu. La viscosité peut donc être calculée de façon simple, à partir d'une mesure de la perte de charge AP effectuée à l'aide de deux capteurs de pression ou plus séparés de la distance AL. Pour mesurer la perte de charge, on utilise des rhéomètres ou des buses rhéométriques. Ces appareils permettent d'effectuer la caractérisation des matériaux thermoplastiques à l'état fondu, en relation avec la transformation de ces matériaux par injection. De ce point de vue, il est important de pouvoir effectuer cette caractérisation à différentes températures selon la nature du matériau injecté, et dans une plage de taux de cisaillement aussi étendue que possible, notamment du côté des taux élevés. Parmi les rhéomètres connus, on citera tout d'abord les rhéomètres de laboratoire, à capillaires ou rotatifs. Ces rhéomètres sont très coûteux et leur utilisation nécessite un personnel qualifié. De plus, ils sont mal adaptés lorsqu'on désire effectuer des mesures directement en atelier, entre une machine d'injection et un moule. En outre, la fusion du matériau y est faite uniquement par conduction. On connaît par ailleurs des buses rhéométriques, qui sont au contraire conçues pour être utilisées à demeure en atelier, entre la presse d'injection et le moule. Ces buses rhéométriques peuvent être classées en deux catégories, selon la technique utilisée pour mesurer la pression dans le matériau thermoplastique en écoulement. Dans une première catégorie de buses rhéométriques existantes, la pression est mesurée par contact direct avec le matériau. Les buses de ce type sont généralement constituées d'un corps comportant un canal cylindrique calibré de mesure, dans lequel sont percés des alésages recevant des capteurs de pression. Selon le cas, ces capteurs peuvent affleurer le canal cylindrique ou se situer légèrement en retrait de celui-ci La relation (2) montre qu'un élargissement souhaitable de la plage de mesure vers des taux de cisaillement élevés r passe par l'utilisation d'une buse rhéométrique présentant un canal de mesure dont le rayon r est aussi faible que possible. Dans le cas où l'on utilise des capteurs de pression affleurants, cette réduction du diamètre du canal de mesure est limitée par la réalisation technologique des capteurs. En effet, les capteurs de pression ont un diamètre minimal de 11 mm, ce qui restreint la gamme des taux de cisaillement atteints lors des mesures. Pour remédier à cet inconvénient et comme l'illustre le document FR-A-2 686 694, certaines buses rhéométriques utilisent des capteurs présentant une extrémité sensible de diamètre réduit. Cette extrémité sensible est alors prévue pour être enrobée par le matériau thermoplastique lors de l'injection, afin que ce matériau remonte autour de la cellule de mesure. Cet agencement a toutefois pour inconvénient d'imposer le nettoyage des capteurs à chaque nouvelle mesure et même dans certains cas leur démontage. Compte tenu de la fragilité de l'extrémité des capteurs, celle-ci casse très fréquemment, et les capteurs doivent alors être remplacés. Cette technologie est donc en pratique très coûteuse et très délicate à mettre en oeuvre. En outre, les capteurs de pression ayant les diamètres les plus faibles font appel à la technologie piézoélectrique. Or, cette technologie n autorise pas de mesure en régime stationnaire, surtout à haute température, car les capteurs dérivent alors très rapidement. Il n'est donc pas possible dans ce cas de suivre le cycle complet de transformation du matériau thermoplastique, notamment lors de la phase de compactage. Enfin les capteurs de pression ont généralement une plage de fonctionnement en température qui ne dépasse pas 400"C. Cette limite supérieure est insuffisante pour caractériser la transformation des matériaux polymères thermostables du type PEEK ou PEI. La deuxième catégorie de buses rhéométriques existantes concerne les buses dans lesquelles la pression est déterminée en mesurant la déformation du corps de la buse. Dans ce type de buses rhéométriques, des capteurs de déformation sont implantés autour du canal de mesure, directement dans le corps de la buse, de façon à mesurer la déformation engendrée dans celui-ci lorsque le matériau thermoplastique s'écoule dans le canal. Cette technologie nécessite de pouvoir distinguer les déformations dues à la pression du fluide de celles qui sont produites par la montée en température. A cet effet, chaque information de pression est généralement déduite des signaux délivrés par une paire de capteurs de déformation dont l'un est implanté de façon radiale et l'autre tangentiellement par rapport au canal de mesure. Dans les buses rhéométriques utilisant cette technologie, le canal de mesure présente un diamètre minimal de 8 mm. Les mesures dans les forts taux de cisaillement sont donc également difficiles avec des buses de ce type. Par ailleurs, pour relier la déformation du corps de la buse à la pression dans l'écoulement du matériau thermoplastique, il est nécessaire de procéder à un étalonnage, par exemple à l'aide de capteurs de pression affleurants. La buse présente alors tous les inconvénients indiqués précédemment, liés à l'utilisation de tels capteurs. De plus, sa complexité s'en trouve augmentée. Enfin, afin d'éviter toute interférence entre les deux mesures de déformation effectuées dans le corps de la buse, il est nécessaire d'espacer suffisamment les emplacements des mesures selon l'axe longitudinal du canal de mesure. Cela conduit à accroître sensiblement la longueur de la buse rhéométrique, ce qui peut constituer un inconvénient lors de l'injection, du fait de l'allongement du trajet suivi par le matériau thermoplastique. Dans le document FR-A-2 728 345, le canal de mesure est formé dans un tube d'acier dont on mesure les déformations à l'aide de capteurs de déformation extensométriques et piézoélectriques. Par rapport aux autres techniques connues, cette buse rhéométrique présente l'avantage de permettre d'effectuer des mesures dans les forts taux de cisaillement, puisque le diamètre du canal de mesure peut être sensiblement réduit. Toutefois, du fait que les valeurs de la pression dans le matériau thermoplastique sont déduites des mesures de déformation, il est nécessaire là encore de procéder à un étalonnage. Pour la même raison, la distance entre les points de mesure doit être suffisamment grande pour éviter toute influence mutuelle des déformations mesurées. En outre, l'utilisation d'une telle buse rhéométrique est limitée à la plage de fonctionnement en température des capteurs utilisés, qui ne dépasse pas 400"C. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet une buse rhéométrique conçue pour être interposée entre une machine d'injection de matériaux thermoplastiques et un moule pour effectuer, pendant tout le cycle d'injection, des mesures de pression en des points espacés selon l'axe du canal de mesure, dans une plage de mesure étendue incluant les forts taux de cisaillement, à des températures pouvant dépasser sensiblement 400"C, sans nécessiter d'étalonnage ni de remplacement fréquent des capteurs et dans un encombrement limité. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'une buse rhéométrique apte à être interposée entre un moule et des moyens d'injection d'un matériau thermoplastique dans ledit moule, ladite buse étant caractérisée par le fait qu'elle comprend un canal de mesure dans lequel circule le matériau, au moins deux trous débouchant dans le canal de mesure, en des emplacements décalés selon un axe longitudinal de ce canal, au moins un poussoir apte à coulisser dans chaque trou et dont une première extrémité affleure normalement le canal de mesure, et au moins un capteur de force en contact avec une deuxième extrémité de chaque poussoir. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, un premier poussoir et un deuxième poussoir sont placés bout à bout dans chaque trou, dans cet ordre, entre le canal de mesure et le capteur de force. Le premier poussoir, court et de relativement petit diamètre, est guidé dans le trou sensiblement sur toute sa longueur. Le deuxième poussoir, généralement plus long et de plus grand diamètre que le premier, traverse une pièce en matériau thermiquement isolant et il est guidé au moins à proximité du capteur de force. Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, le poussoir est réalisé en un matériau tel qu'une céramique présentant un coefficient de dilatation thermique très faible. Les capteurs sont alors réglés une fois pour toute et leur zéro reste le même, quelle que soit la température à laquelle s'effectue la mesure. En variante, des moyens de remise à zéro de chacun des capteurs de force peuvent être prévus. Ces moyens de remise à zéro comprennent, par exemple, une vis micrométrique prenant appui sur le capteur, à l'opposé du poussoir. Afin de réguler la température du matériau thermoplastique en cours d'injection, des moyens de chauffage sont agencés circonférentiellement autour du canal de mesure. Par ailleurs, des capteurs de température affleurants sont prévus, respectivement en amont et en aval des trous, pour mesurer la température de la matière dans le canal de mesure à l'entrée et à la sortie de la buse. Une unité centrale de calcul telle qu'un ordinateur reçoit les signaux de force délivrés par les capteurs de force, et détermine notamment la viscosité de la résine à la température et au débit auxquels s'effectue l'injection. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure unique est une vue en coupe longitudinale qui représente une buse rhéométrique conforme à l'invention. Exposé détaillé d'une forme de réalisation préférée Sur la figure unique, la référence 10 désigne de façon générale une buse rhéométrique conforme à l'invention. Cette buse est prévue pour être placée directement entre des moyens d'injection (non représentés) d'un matériau thermoplastique tel qu'un polymère fondu, et un moule (non représenté). Les moyens d'injection sont habituellement constitués par une presse à injecter à vis d'Archimède placée sur la droite de la buse 10 en considérant la figure 1, alors que le moule est placé sur la gauche de cette même buse. La buse rhéométrique comprend un corps 12 en plusieurs parties, traversé par un canal de mesure 14. Le sens de circulation du matériau thermoplastique dans le canal de mesure 14, de la droite vers la gauche sur la figure, est indiqué par les flèches F. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure, le corps 12 de la buse rhéométrique 10 comprend un embout d'entrée 12a prévu pour être raccordé sur la presse à injecter, un tube central 12b dans lequel s'effectuent les mesures de pression et un embout de sortie 12c constituant une buse d'injection du matériau thermoplastique dans le moule. Le canal de mesure 14 traverse successivement ces trois parties 12a, 12b et 12c du corps 12. Dans le tube central 12b, le canal de mesure 14 présente un diamètre réduit, de préférence inférieur à 8 mm, qui permet d'effectuer des mesures dans une gamme de taux de cisaillement incluant des valeurs élevées. Le tube central 12b du corps 12 est entouré par un manchon 12d également interposé entre les embouts 12a et 12c. Les différentes parties 12a à 12d du corps 12 de la buse sont assemblées par tout moyen approprié tel que des boulons (non représentés). Le manchon 12d présente un méplat sur lequel est fixée une pièce support 12e, avec interposition d'une pièce 12f thermiquement isolante entre le manchon 12d et la pièce support 12e. L'assemblage est assuré par des moyens de fixation appropriés tels qu'une ou plusieurs vis 16. Le corps 12 de la buse rhéométrique 10 comporte enfin une embase 12g fixée sur la face extérieure de la pièce support 12e, par exemple au moyen de vis 18. En dehors de la pièce 12f thermiquement isolante, toutes les autres parties du corps 12 de la buse rhéométrique sont réalisées en métal, et notamment en acier. Deux trous 20, débouchant radialement dans le canal de mesure 14, sont usinés parallèlement l'un à l'autre dans l'empilement de pièces comprenant le tube central 12b, le manchon 12d, la pièce 12f thermiquement isolante et la pièce support 12e du corps 12. Les trous 20 débouchent dans le canal de mesure 14 en des emplacements décalés selon l'axe longitudinal de ce canal, sans pour autant que la distance séparant ces trous soit nécessairement importante. Une première partie de chacun des trous 20 qui traverse le tube central 12b du corps de la buse présente un diamètre réduit, inférieur ou au plus égal au diamètre du tronçon du canal de mesure 14 situé dans ce tube 12b. Cette première partie de chacun des trous 20 reçoit et guide sur toute sa longueur un premier poussoir 22, de relativement petit diamètre. L'extrémité de chacun des premiers poussoirs 22 tournée vers le canal de mesure 14 affleure la surface intérieure de ce canal et présente une forme identique à celle de cette surface. Une deuxième partie de chacun des trous 20, qui traverse le manchon 12d et la pièce 12f thermiquement isolante, présente un plus grand diamètre et reçoit une tête élargie 22a du premier poussoir 22, dans la zone située à proximité du tube central 12b. La tête élargie 22a de chacun des premiers poussoirs 22 est normalement en appui sur la surface extérieure du tube central 12b, de façon à maintenir les extrémités opposées des premiers poussoirs 22 affleurantes dans le canal de mesure 14 comme on l'a décrit précédemment. Une troisième partie de chacun des trous 20, usinée dans la pièce support 12e, présente un diamètre inférieur à celui de la deuxième partie usinée dans le manchon 12d et dans la pièce 12f thermiquement isolante. Le diamètre des troisièmes parties des trous 20, usinées dans la pièce support 12e peut toutefois être supérieur à celui des premières parties de ces trous, usinées dans le tube central 12d. Un deuxième poussoir 24, se présentant sous la forme d'une tige cylindrique, est reçu dans les deuxième et troisième parties de chacun des trous 20, qui traversent le manchon 12d, la pièce 12f thermiquement isolante et la pièce support 12e. Le diamètre des poussoirs 24 est légèrement inférieur à celui des troisièmes parties des trous 20, usinées dans la pièce support 12e, de telle sorte que les poussoirs 24 sont guidés uniquement dans cette pièce. Une première extrémité de chacun des deuxièmes poussoirs 24 est normalement en appui sur la tête 22a d'un premier poussoir 22. La deuxième extrémité de chacun des deuxièmes poussoirs 24 est normalement en appui contre l'élément sensible d'un capteur de force 26 fixé sur la face extérieure de la pièce support 12e. Chacun des capteurs de force 26 est reçu dans un logement prévu à cet effet dans l'embase 12g. Chacun de ces logements reçoit en outre des moyens de remise à zéro du capteur de force 26 correspondant, constitués dans ce cas par une vis micrométrique 28. De façon plus précise, chacune des vis micrométriques 28 comprend, à l'extérieur de l'embase 12g, un bouton moleté dont la rotation dans l'un ou l'autre sens permet de déplacer un palpeur prenant appui sur le capteur e force 26, à l'opposé du deuxième poussoir 24 correspondant. Chacun des deux ensembles constitués par un premier poussoir 22, un deuxième poussoir 24, un capteur de force 26 et une vis micrométrique 28 constitue ainsi un ensemble de mesure aligné selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal du canal de mesure 14. Les premier et deuxième poussoirs 22 et 24 sont réalisés en des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique aussi faibles que possible. Les vis micrométriques 28 permettent de remettre les capteurs de force 28 à zéro avant une mesure, lorsque la température a été modifiée et a conduit à un changement de longueur des poussoirs. Dans une variante de réalisation (non représentée) les poussoirs 22 et 24 sont réalisés en un matériau tel qu'une céramique présentant un coefficient de dilatation très faible. Dans ce cas, les vis micrométriques 28 peuvent être supprimées. En effet, le zéro des capteurs de force 28 est alors réglé une fois pour toutes. La buse rhéométrique illustrée sur la figure unique comprend de plus des moyens de chauffage, permettant d'établir et de maintenir une température régulée dans le matériau thermoplastique s'écoulant par le canal de mesure 14. Dans la forme de réalisation illustrée, ces moyens de chauffage comprennent des résistances chauffantes 30, circonférentiellement réparties autour du canal de mesure 14, parallèlement à son axe longitudinal. A titre d'exemple, huit résistances chauffantes 30 peuvent être placées autour du canal 14. Les résistances chauffantes 30 sont reçues dans des alésages usinés dans les embouts 12a et 12c ainsi que dans le manchon 12d. Les conducteurs d'alimentation électrique des résistances chauffantes 30 sont illustrés en 32 sur la figure. De préférence, des capteurs de température 44 sont montés respectivement dans l'embout d'entrée 12a et dans l'embout de sortie 12c, c'est-à-dire en amont et en aval des deux trous 20 dans lesquels sont reçus les poussoirs 22 et 24 servant à transmettre la pression du matériau thermoplastique aux capteurs de force 26. Les extrémités de ces capteurs de température 44 affleurent dans le canal de mesure 14. Comme on l'a illustré schématiquement sur la figure, des conducteurs relient les capteurs de force 26 et les capteurs de température 44 à une unité centrale de calcul 46, constituée par un ordinateur équipé d'un logiciel spécifique. Lors de la fabrication d'une pièce en résine thermoplastique, par moulage par injection, la buse rhéométrique 10 est amenée à la température à laquelle s'effectue l'injection de la résine à l'aide des résistances chauffantes 30. Le polymère fondu s'écoule par le canal de mesure 14, de la presse à injecter vers le moule. Lors de cet écoulement, il exerce sur chacun des premiers poussoirs 22 une pression tendant à le repousser vers le capteur 26 qui lui correspond. Chacun des capteurs 26 reçoit ainsi, par l'intermédiaire des poussoirs 22 et 24, une force dont la valeur est proportionnelle à la pression qui règne à l'emplacement considéré dans le canal de mesure 14. Les signaux de force délivrés par les capteurs 26 et transmis à l'unité centrale de calcul 46 permettent à celle-ci de déterminer la valeur AP de la perte de charge ou du gradient de pression existant alors entre les deux points de mesure matérialisés dans le canal 14 par les embouchures des deux trous 20. L'unité centrale de calcul 46 reçoit notamment par ailleurs les signaux de température délivrés par les capteurs de température 44, ainsi que des signaux représentatifs de la vitesse d'injection de la résine, mesurée dans la presse d'injection (non représentée) . L'unité centrale de calcul 46 détermine le débit Q du polymère fondu à partir de cette dernière mesure. Il calcule ensuite la valeur de la viscosité n de ce polymère, à partir des valeurs de AP et de Q obtenues précédemment, en s'aidant des relations (1) et (2). Les mesures de température fournies par les capteurs 44 permettent par ailleurs de suivre avec précision les conditions dans lesquelles s'effectue l'injection. La conception originale de la buse rhéométrique conforme à l'invention permet de donner au canal de mesure 14 un diamètre extrêmement faible puisqu'il n'est limité que par le diamètre minimal que l'on peut donner au premier poussoir 22, dont la longueur est volontairement réduite. Il est donc possible d'explorer le comportement du polymère fondu pour des taux de cisaillement particulièrement élevés et dans les conditions mêmes de l'injection. Par ailleurs, étant donné que les premiers poussoirs 22 sont en contact étroit avec la paroi correspondante des trous 20, le polymère fondu ne pénètre pas entre ces pièces, de telle sorte que le nettoyage de la buse peut être effectué aisément et sans risque de casse à la fin de chaque injection. En outre, l'agencement décrit permet d'utiliser des capteurs de force 26 du commerce, non limités en diamètre, par exemple de type ''Dyniscol', particulièrement stables et autorisant une mesure en régime stationnaire, pendant tout le cycle d'injection d'une pièce. D'autre part, du fait que les capteurs de force 26 sont sensiblement éloignés du canal de mesure 14, auquel ils ne sont reliés que par les poussoirs 22 et 24, et en raison de la présence préférentielle de la pièce 12f thermiquement isolante, on peut effectuer des mesures jusqu'à des températures d'injection excédant largement 400"C. Cela permet notamment d'effectuer la caractérisation de polymères thermostables du type PEEK ou PEI, sans dommage pour les capteurs. Du fait qu'on réalise directement des mesures de force, aucun étalonnage préalable n'est nécessaire. En outre, la distance séparant les trous 20 au travers desquels s'effectuent les mesures peut être relativement proche, ce qui permet de limiter l'encombrement de la buse rhéométrique 10 selon l'axe longitudinal du canal de mesure 14. Il est à noter que dans certains cas, la buse peut être simplifiée, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, comme on l'a déjà mentionné, l'utilisation de poussoirs réalisés en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique très faible permet de supprimer les vis micrométriques 28. Par ailleurs, il est possible dans certains cas, et notamment lorsqu'ils sont réalisés en céramique, de remplacer chaque groupe de poussoirs 22 et 24 par un poussoir unique de grande longueur et de diamètre réduit. Enfin, il est clair que le nombre de capteurs de force 26 peut être supérieur à deux et que d'autres grandeurs physiques peuvent être mesurées par la buse rhéométrique, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Buse rhéométrique apte à être interposée entre un moule et des moyens d'injection d'un matériau thermoplastique dans ledit moule, ladite buse étant caractérisée par le fait qu'elle comprend un canal de mesure (14) dans lequel circule le matériau, au moins deux trous (20) débouchant dans le canal de mesure, en des emplacements décalés selon un axe longitudinal de ce canal, au moins un poussoir (22,24) apte à coulisser dans chaque trou et dont une première extrémité affleure normalement le canal de mesure (14), et au moins un capteur de force (26) en contact avec une deuxième extrémité de chaque poussoir (22,24). 2. Buse rhéométrique selon la revendication 1, dans laquelle un premier poussoir (22) et un deuxième poussoir (24) sont placés bout à bout dans chaque trou (20), dans cet ordre, entre le canal de mesure (14) et le capteur de force (26). 3. Buse rhéométrique selon la revendication 2, dans laquelle le premier poussoir (22) présente un relativement petit diamètre et est guidé dans le trou (20) sensiblement sur toute sa longueur. 4. Buse rhéométrique selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans laquelle le deuxième poussoir (24) traverse une pièce (12f) en un matériau thermiquement isolant et est guidé au moins à proximité du capteur de force (26). 5. Buse rhéométrique selon quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le poussoir (22,24) présente un coefficient de dilatation thermique très faible. 6. Buse rhéométrique selon quelconque des revendications précédentes, dans laquelle sont prévus des moyens (28) de remise à zéro de chaque capteur de force (26). 7. Buse rhéométrique selon la revendication 6, dans laquelle les moyens de remise à zéro comprennent une vis micrométrique (28) prenant appui sur le capteur, à l'opposé du poussoir (22,24). 8. Buse rhéométrique selon quelconque des revendications précédentes, dans laquelle des moyens de chauffage (30) sont agencés circonférentiellement autour du canal de mesure (14). 9. Buse rhéométrique selon quelconque des revendications précédentes, dans laquelle des capteurs de température (44) affleurants dans le canal de mesure (14) sont prévus respectivement en amont et en aval des trous (20). 10. Buse rhéométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une unité centrale de calcul (46) reçoit des signaux de force délivrés par les capteurs de force (26), et détermine la viscosité de la résine.