Brevet FR2851227A1 — publié le 20040820

- 1 - La présente invention concerne un procédé de thermoformage destiné à la réalisation, au remplissage et au scellement de bouteilles en matériau plastique. Elle a plus particulièrement pour objet, mais non exclusivement, de résoudre 15 les problèmes de réalisation, de remplissage et de scellement de bouteilles en plastique sur un même site, de permettre l'intégration de ces trois étapes en milieu aseptique et de répondre aux besoins du marché en terme de conditionnement de divers liquides et notamment de liquides alimentaires destinés à leur consommation. D'une façon générale, on sait qu'il existe essentiellement trois types de technologie permettant la réalisation de sachets plastiques, de bouteilles ou de contenants pour liquides alimentaires: - l'extrusion/soufflage de bouteilles en polyéthylène haute densité (PEhD) , - le soufflage de préformes en polyéthylèneterephtalate (PET), - le formage de briques en matériau constitué d'un complexe carton/polyéthylène/aluminium. La technologie extrusion/soufflage de bouteilles en PEhD est la plus couramment utilisée pour les boissons et desserts lactés fermentés; néanmoins, cette technologie ne permet pas le remplissage des contenants à proximité des lignes de fabrication compte tenu de la nature et de l'importance des moyens dédiés à l'extrusion et au soufflage du matériau PEhD; en conséquence, il est nécessaire de prévoir une logistique de transport, de stockage et de nettoyage avant remplissage des contenants. La technologie de soufflage de préformes de bouteilles en PET est exploitée pour la réalisation de produits haut de gamme; elle permet notamment le conditionnement de boissons gazeuses; elle nécessite cependant une structure 10 industrielle faisant intervenir trois types de métier: l'injection de préformes, le soufflage de bouteilles et le conditionnement. L'importance des moyens mis en jeu pour exploiter cette technologie induit inévitablement des cots de réalisation élevés. 15 La technologie de formage de briques en matériau composite carton/PE/Al est très répandue pour les boissons non gazeuses; elle permet un remplissage aseptique, à proximité des moyens de formage du matériau composite; celuici est réalisé en feuille, conformée ensuite en tube soudé longitudinalement 20 puis soudé transversalement après remplissage, puis enfin plié en forme de brique. Les limitations inhérentes au matériau carton et au formage par pliage réduisent fortement les possibilités en terme de formes d'emballages. Par ailleurs, on sait que de nombreux types de matériaux thermoplastiques 25 peuvent être utilisés pour le thermoformage: PS (polystyrène), PET (polyéthylèneterephtalate), PP (polypropylène), et différents matériaux plastiques multicouches tels que, par exemple, le PSPE (Polystyrène/polyéthylène) qui consiste en une feuille plastique bicouche utilisée pour obtenir une barrière à l'oxygène plus efficace (très utilisée pour 30 les compotes qui ont tendance à brunir à l'oxygène) et le PSEVOH qui est une feuille plastique multicouche qui constitue une barrière à la vapeur et aux gaz. Cette technologie autorise l'intégration des moyens de réalisation des contenants et du conditionnement des produits alimentaires. Elle consiste à réaliser, par étirement à chaud, un contenant à partir d'une feuille plastique à plat par poinçonnage et soufflage d'air sous pression. Les limitations de cette technologie sont les suivantes: - la nécessité de réaliser une légère dépouille pour permettre le démoulage du pot par extraction verticale, empêchant ainsi la réalisation de bouteilles, - la nécessité de réaliser une collerette supérieure, tournée vers l'extérieur destinée à la fermeture du pot, celle-ci étant mal adaptée à la consommation en bouche du produit alimentaire, - la nécessité d'avoir un coefficient d'étirement relativement faible limitant le rapport hauteur/section du contenant. Afin de réaliser des formes avec contre dépouilles, une solution consiste à utiliser des moules ouvrants en deux parties. Cette technologie permet 20 d'extraire le pot du moule malgré cette contre dépouille. En règle générale, cette solution entraîne des pertes plastiques importantes car les pots doivent être suffisamment espacés entre eux pour permettre l'ouverture des moules. On sait qu'une solution à ces limitations consiste à thermoformer deux demi25 coques qui sont ensuite soudées entre elles suivant un plan médian défini par des rebords situés en périphérie desdites demi-coques. Cette solution ne permet pas au contenant de tenir verticalement sur sa base, étant donné qu'il comporte une partie du joint de recouvrement des deux demi-coques. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients. Elle propose à cet effet un procédé de thermoformage tubulaire d'un film en matériau plastique dans un moule, de remplissage in situ du contenant ainsi réalisé et de scellement dudit contenant. Selon l'invention, ce procédé fait essentiellement intervenir les étapes suivantes: - la conformation à chaud d'une bande de matériau plastique autour d'une 10 canne de soufflage et de remplissage de manière à réaliser un film cylindrique, - la soudure longitudinale du film cylindrique ainsi réalisé autour de ladite canne de soufflage et de remplissage, - le formage par soufflage d'un contenant à partir dudit film cylindrique dans 15 un moule réalisé en deux parties, - le remplissage dudit contenant ainsi réalisé dans ledit moule, - le scellement de la partie haute dudit contenant rempli, - la séparation dudit contenant rempli. Ainsi, le procédé selon l'invention pourra répondre aux exigences précédemment définies, à savoir: - la réalisation sur un même site du contenant en matériau plastique et du conditionnement des produits alimentaires contenus, - la possibilité de répondre aux normes définies pour le conditionnement en milieu aseptique, - la possibilité de répondre aux besoins spécifiques en terme de forme du contenant, de rapport hauteur/section dudit contenant, de type de décoration et de type d'ouverture en partie supérieure, - la possibilité d'utiliser des matériaux composites, comportant notamment une couche barrière, adaptés à des applications particulières. Bien entendu, l'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'une chaîne de fabrication de récipients par thermoformage tubulaire. 10 Les figures 2 à 13 sont des vues partielles schématiques du poste de formage de la chaîne représentée figure 1, au cours des différentes étapes de formage des récipients. La figure 14 est une vue en élévation partielle du goulot et du bouchon du récipient. La figure 15 est une vue en élévation schématique d'une chaîne de fabrication dans laquelle la feuille en matière plastique est divisée en 20 six bandes. Dans cet exemple, le procédé selon l'invention utilise un matériau plastique d'origine se présentant sous la forme d'une feuille 1 de matière plastique enroulée pour former un rouleau 2. Ce rouleau 2 est monté rotatif dans le poste d'alimentation de la chaîne et est déroulé. Au sortir du rouleau 2, la feuille 1 est guidée par des rouleaux RI et passe successivement dans un poste de préchauffage éventuel CH,, puis par un poste de tronçonnage 4 dans lequel la feuille ramollie est découpée en bandes 30 BI, B2 (ici deux bandes) par des rouleaux de tronçonnage R2. Dans le poste de préchauffage CH,, la feuille est chauffée à plat au moyen d'un dispositif de chauffage pouvant, par exemple, consister en un système de chauffage par rayonnement infrarouge, par un système de chauffage, par convection, par exemple à air chaud, ou même par un système de chauffe par contact, par exemple à électrode de chauffe. A la sortie du poste de tronçonnage 4, chacune des bandes BI et B2 est guidée par l'intermédiaire de rouleaux de renvoi R3 dans un poste de conformation dans lequel chacune des deux bandes B1 et B2 est conformée en tube T. Ce 10 poste de conformation comprend un tunnel de chauffage et/ou de maintien en température CH2 et un conformateur tubulaire 6 disposé autour d'une canne de soufflage d'évacuation d'air et de dosage CS qui s'étend coaxialement à l'intérieur du conformateur 6 et donc du tube T qui est conformé, cette canne CS étant connectée à des conduits d'admission d'air, d'évacuation d'air et 15 d'admission du produit destiné à remplir les récipients, dans sa partie située en amont du conformateur 6. Le tube T obtenu à la sortie du conformateur 6 passe par un poste de soudure 7 qui effectue une soudure longitudinale des deux bords longitudinaux de la 20 bande BI, B2 qui viennent en recouvrement ou qui se trouvent simplement juxtaposés. Cette soudure peut être soit continue, soit cyclique. Bien entendu, les technologies de soudure (ultrasons, hautes fréquences, thermiques...) peuvent varier en fonction de la nature de la matière plastique utilisée et des applications. Eventuellement, un second poste de chauffage CH3 pourra être prévu de manière à effectuer une deuxième étape de chauffe après conformation du tube T, préalablement au formage, afin d'assurer une bonne température du plastique pendant le formage. Une fois soudé et éventuellement chauffé dans ce second poste de chauffage, le tube T passe par un poste de formage à l'intérieur duquel le tube de plastique chaud est enfermé dans un moule 8 en deux parties MI, M2 qui s'ouvrent dans un plan médian axial (en principe vertical). A l'état fermé, ce moule 8 comprend dans sa partie supérieure un orifice cylindrique O dans lequel passe le tube T et la canne CS, l'étanchéité moule/tube/canne, au niveau de ce passage, étant assurée par la matière plastique chaude du tube T. Cet orifice O présente dans un plan axial un profil complémentaire de celui du goulot G des récipients RE, à RE4 à réaliser. Dans cet exemple, il comprend, entre deux portions cylindriques, une cavité annulaire CA de section sensiblement en forme de L de manière à obtenir un rebord étagé en tête du 15 goulot G. Ce moule 8 comprend, à l'opposé de l'orifice O, un fond réalisé par la juxtaposition de deux demi-fonds hémicylindriques FI, F2, respectivement solidaires des deux parties MI, M2 du moule 8. La face de ce fond situé à 20 l'extérieur du moule comprend une cavité CB destinée à réaliser un bouchon 9 avec, à la jonction entre le bouchon 9 et le goulot G, une prédécoupe PR permettant une ouverture facile du bouchon 9. Comme illustré sur la figure 14, le bouchon 9 comprend une portion 25 cylindrique prolongeant l'extrémité supérieure du goulot G et reliée à celui-ci par une zone prédécoupée PR, cette portion cylindrique étant prolongée par une languette L qui s'étend sur tout ou partie d'un diamètre de cette portion. L'ouverture du récipient est alors obtenue en exerçant un couple de torsion sur 30 la languette L de manière à provoquer la rupture de la zone prédécoupée PR. Néanmoins, l'utilisation d'une languette d'ouverture n'est pas une règle générale. En effet, certaines applications nécessitent un bouchon vissable. Le pas de vis sera alors thermoformé. Une étape supplémentaire permettra de décalotter la bouteille. Une lame découpera l'extrémité haute de la bouteille pour permettre la mise en place du bouchon. Bien entendu d'autres solutions peuvent être envisagées. La canne CS comprend deux buses concentriques, à savoir: - une buse centrale BC raccordée à une conduite d'alimentation en produit 10 destiné à remplir le récipient réalisé dans le moule (dosage du produit) et - une buse extérieure BE qui délimite avec la buse centrale BC un espace annulaire dans lequel peut être injecté de l'air comprimé de manière à obtenir un moulage par soufflage de la portion de tube T contenue dans le moule 8; la buse extérieure est plus courte que la buse centrale BC; 15 l'ensemble de la canne CS est revêtu d'un revêtement antiadhésif servant à éviter que le plastique chaud du tube ne colle sur la canne. La buse extérieure BE qui sert au soufflage d'air sous pression est également utilisée pour la mise à l'atmosphère avant remplissage. 20 A la sortie du moule 8, les récipients RE", RE4 qui se trouvent initialement reliés entre eux par une liaison fond/bouchon 9 sont guidés et entraînés par un transporteur à pas de pèlerin TR à mouvement carré jusqu'à un poste de découpe DC qui détache les liaisons fond/bouchon, puis à un poste 25 d'évacuation EX des récipients dans lequel les récipients désolidarisés les uns des autres sont entraînés un à un. Le fonctionnement de la chaîne de fabrication précédemment décrite s'effectue conformément au cycle suivant qui comprend les étapes illustrées par les 30 figures 2 à 15. Au cours d'une première étape, le moule 8 de formage est ouvert. La bande préchauffée BI dans le poste de chauffage 5 subit en continu dans le poste de formage 6 un processus de conformation pour l'amener à prendre une forme tubulaire, puis subit un processus de soudage de ses deux bords longitudinaux. Le tube T ainsi formé descend dans le moule froid thermostaté 8. Dans cet exemple, l'extrémité inférieure du tube T est solidaire du goulot G du récipient RE, venant d'être réalisé, lequel est lui-même rattaché à un ensemble de récipients RE, à RE4 précédemment réalisés et solidaires les uns des autres 10 par des liaisons fond/bouchon, ces récipients RE1 à RE4 étant supportés par le transporteur TR (figure 2). Au cours d'une seconde étape, le moule 8 de formage se referme autour du tube de plastique T par lequel passe la canne de dosage et de soufflage CS 15 (figure 3). Une fois le moule 8 fermé, l'étanchéité en partie haute entre le moule 8 et la canne de soufflage/dosage CS est réalisée par le plastique chaud du tube T. Simultanément, le bouchon 9 du récipient RE, précédemment réalisé est 20 obtenu grâce à l'évidement CB du fond (figure 4). Au cours de l'étape suivante, l'air comprimé de formage est soufflé dans le moule 8 par la canne de soufflage/dosage CS. Le tube T contenu dans le moule se trouve alors déformé et vient épouser la forme intérieure du moule 8 25 (figure 5). Au contact du moule 8, la matière plastique se refroidit et se fige. Le corps et le goulot du récipient REo se trouvent définitivement conformés. La surpression d'air est alors évacuée (figure 6). 30 - 10 Une fois le plastique figé et l'enceinte du moule 8 mise à l'atmosphère du produit, le moule 8 peut alors être ouvert (figures 7 et 8), tandis que s'effectue le dosage du produit, en synchronisme avec ce processus d'ouverture et pendant toute l'évacuation du récipient REo à l'extérieur du moule (figure 9). 5 Le récipient REO sort du moule 8 par le bas toujours relié au tube de matière plastique T. Le dosage se poursuit pendant toute la descente du récipient REo (figure 10). En fin d'évacuation, le goulot G du récipient REo qui est toujours rattaché au 10 tube se positionne par rapport au fond du moule 8 pour le scellement et le formage du bouchon 9 par le vide (figure 11). A la fin de cette étape, le récipient REo plein est prêt à être scellé (figure 12). Le moule de formage 8 peut alors se refermer afin de sceller le récipient et d'amorcer un nouveau cycle de moulage (figure 13). Parallèlement, le transporteur TR vient en prise sur le récipient REo tandis que s'effectue la découpe servant à désolidariser le premier récipient RE4, porté par le transporteur TR, puis l'évacuation de ce récipient RE4. 20 Ce procédé de fabrication par thermoformage tubulaire présente de nombreux avantages: Il permet de réaliser des pots ou bouteilles plus profonds que ceux réalisés 25 actuellement en thermoformage intégré tout en travaillant une feuille plastique fine ( - Il permet de réduire les pertes induites par un moule ouvrant avec les technologies actuelles. Les bandes de plastique sont prédécoupées avant formage. - Il permet de réaliser des pots ou des bouteilles sans collerette ou avec une collerette tournée vers l'intérieur du pot. - Grâce à un thermoformage en trois temps: 1. formage du corps de la bouteille, 2. remplissage de la bouteille, 3. formage du goulot et scellage de la bouteille. - Il permet pour certaines applications de remplir la bouteille avant de refermer la bouteille et donc de s'affranchir de la dépose d'opercule. Une prédécoupe de la matière plastique au niveau du goulot permet l'ouverture facile de la bouteille (bouteille correspondant à une consommation en une seule fois, pas de bouchon refermable). - Il permet un remplissage ultra propre puisque la feuille plastique est chauffée intégralement sur sa face intérieure (environ 1500) avant formage et que le remplissage se fait dans une enceinte close. - Il peut facilement évoluer vers un remplissage aseptique (avec des matériaux plastiques adaptés) puisque la zone à protéger sera très petite: 20 très courte distance entre la sortie de la boîte de chauffe et le scellage de la bouteille. - Il est tout à fait adapté à l'intégration d'un dispositif décor par "sleevage", c'est à dire à l'aide d'un manchon plastique rétractable. - Par ailleurs, le coefficient d'étirage faible facilite l'utilisation des feuilles 25 plastiques multicouches. En effet, il n'y a pas de risque de déchirer les couches barrière. - Il permet de réaliser des formes très variées et originales propres à chaque produit ou client, ce qui permet une forte différenciation dans les linéaires. La forme n'a pas de contrainte liée à une préforme ou au coefficient 30 d'étirage. - 12 Dans l'exemple précédemment décrit, la chaîne de fabrication prévoit trois zones de chauffage permettant d'effectuer successivement le préchauffage de la feuille avant tronçonnage, un chauffage des bandes à plat après tronçonnage et une chauffage du tube plastique avant formage. L'invention ne se limite pas à ce processus de chauffage: En effet, le nombre et la disposition des postes de chauffage et/ou de préchauffage pourra varier en fonction de la nature de la matière plastique utilisée, étant entendu que, dans certains cas, la conformation des bandes ou tubes pourra être réalisée à froid. 10 Par ailleurs, il s'avère que la zone de recouvrement au niveau de la soudure du tube engendre une surépaisseur, ce qui se traduit par un formage non homogène. Il est donc souhaitable d'aplatir les bords latéraux des bandes à chaud avant soudure. Cette opération peut être réalisée par exemple avec des molettes chauffantes qui effectuent l'aplatissement et avec des guides de refroidissement qui assurent un figeage des bords venant d'être aplatis. Dans le mode d'exécution illustré sur la figure 15, la feuille de matière plastique 21 émanant du rouleau 20 s'engage directement dans un poste de tronçonnage 22 o elle est divisée en six bandes BAI à BA6. Au sortir du poste de tronçonnage 22, les bandes BAI à BA6 qui s'étendent 25 sensiblement dans un même plan, s'engagent dans un poste d'écrasement des bords mettant en oeuvre une série de molettes chauffantes MC et des guides de refroidissement GF. Ces bandes BAI à BA6 sont alors entraînées par des rouleaux 23 avant de 30 passer dans un poste de conformation 24 o elles sont chacune conformées en un tube dans lequel les bordures amincies se trouvent en recouvrement. Au - 13 sortir de ce poste de recouvrement, les bordures en recouvrement sont soudées en continu dans un poste de soudure à ultrasons 25. Une fois soudés, les tubes passent dans un poste de chauffage 26 dans lequel 5 ils sont amenés progressivement à la température de formage. A cet effet, ce poste de chauffage pourra s'étendre sur une longueur égale à un multiple du pas d'avance de la bande. Au sortir du poste de chauffage 26, les tubes s'engagent dans un moule de 10 formage unique 27 comprenant deux parties mobiles, l'une par rapport à l'autre, qui présentent chacune six empreintes. Les récipients RCI à RC6, obtenus à la sortie de ce poste de moulage 27 sont pris en charge par des transporteurs à pas de pèlerin du type de celui 15 précédemment décrit. - 14 Revendications 1. Procédé de thermoformage destiné à la réalisation, au remplissage et au scellement d'un contenant en matériau plastique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la conformation à chaud d'une bande (BI, B2) de matériau plastique autour d'une canne de soufflage et de remplissage (CS), de manière à réaliser un film cylindrique (T) - la soudure longitudinale du film cylindrique (T) ainsi réalisé autour de 10 ladite canne de soufflage et de remplissage (CS), - le formage par soufflage d'un contenant (RE1 à RE4) à partir dudit film cylindrique (T) dans un moule (8) réalisé en au moins deux portions (MI, M2), - le remplissage dudit contenant (RE, à RE4) ainsi réalisé dans ledit moule 15 (8), cette phase de remplissage s'effectuant après la phase de formage, lors de l'ouverture du moule (8) et de l'extraction du contenant (RE1 à RE4), - le scellement de la partie haute du contenant (RE, à RE4) rempli par action de la partie inférieure des deux portions du moule (MI, M2), sur l'extrémité inférieure du tube attenante au contenant (REf à RE4), lors de la fermeture 20 dudit moule (8) qui suit ladite extraction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, avant la susdite phase de conformation à chaud, une phase d'aplatissement des bords latéraux de la bande puis une 25 phase de figeage par refroidissement des bords ainsi aplatis. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend après la phase de soufflage une phase de refroidissement de la matière plastique après soufflage. - 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de scellement comprend une étape de conformation d'un goulot (G) et d'un bouchon (9) avec, entre le bouchon (9) et 5 le goulot (G), une prédécoupe permettant une ouverture facile du bouchon (9). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la phase de scellement est obtenue par l'action des deux parties du fond du moule (8). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bouchon (9) comprend une portion cylindrique prolongée par une languette (L). 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la susdite phase de scellement et de conformation d'un goulot (G) comprend une phase d'aspiration. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au sortir du moule (8), le fond du dernier contenant (RE,) est solidaire du bouchon de l'avant-dernier contenant (RE2) et en ce que la susdite phase de séparation s'effectue à l'issue d'une phase de transport d'une succession de contenants (RE, à RE4) solidaires les uns des autres. 9. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend successivement: - un tunnel de chauffage d'une bande en matière plastique, - un conformateur tubulaire disposé autour d'une canne de soufflage, 30 d'évacuation d'air et de dosage qui s'étend coaxialement à l'intérieur du conformateur, - 16 - un poste de soudure qui effectue une soudure des deux bords longitudinaux de la bande, - un poste de formage dans lequel s'engage le tube de matière plastique chaud ainsi formé, ce poste de formage comprenant un moule ou au moins deux 5 parties pouvant se refermer autour du tube et s'ouvrir pour libérer le récipient conformé dans le moule, - des moyens de soufflage d'air comprimé, des moyens d'aspiration ainsi que des moyens de dosage raccordés à la base, - des moyens de transport des récipients sortant du moule, et - des moyens de découpe servant à désolidariser le premier récipient porté par les moyens de transport des autres récipients. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la susdite canne comprend deux tubes concentriques à 15 savoir: un tube central raccordé à un conduit d'alimentation en produit destiné à remplir les récipients et un tube extérieur qui délimite avec le tube intérieur un espace annulaire dans lequel peut être injecté de l'air comprimé. 11. Installation selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que, à l'état fermé, le moule comprend dans sa partie supérieure un orifice cylindrique dans lequel passe le susdit tube, l'étanchéité moule/tube/canne étant réalisée par la matière plastique chaude du tube. 12. Installation selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la susdite bande est obtenue par tronçonnage d'une feuille (21) en matériau plastique dans un poste de tronçonnage. 13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que, dans le poste de tronçonnage, la susdite feuille (21) est 30 divisée en une pluralité de bandes sur lesquelles les étapes de conformation à - 17 chaud, de soudure longitudinale, de formage par soufflage, de remplissage et de scellement sont effectuées en parallèle. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que le formage par soufflage est obtenu au moyen d'un moule de formage unique (27), comprenant deux parties mobiles l'une par rapport à l'autre qui présentent chacune un nombre d'empreintes égal au nombre de bandes.