Brevet FR2886203A1 — publié le 20061201

Filière pour la réalisation de structures planes de grande largeur à base de matière plastique La présente invention concerne une filière pour la réalisation de structures planes de grande largeur à base de matière plastique, plus particulièrement à base de polymères thermoplastiques. Elle concerne aussi un appareillage pour la mise en forme de structures tridimensionnelles à base de matière plastique, comprenant une telle filière. De nombreuses industries (automobile, constructions civiles, navales...) sont utilisatrices de structures planes (plaques, feuilles, nappes) de grande largeur (au delà du mètre et même jusqu'à deux ou trois mètres) façonnées à partir de matières plastiques. Or, les matières plastiques mises en oeuvre pour la formation de ces structures sont souvent des polymères thermoplastiques, tels que le PVC par exemple, qui présentent une faible stabilité thermique (dénommés thermosensibles ) et/ou qui sont généralement visqueux, même à haute température. Lors de l'écoulement de ces polymères dans une filière plate traditionnelle de grande largeur, les bords de la structure obtenue sont dégradés après plusieurs heures d'extrusion en raison du temps de séjour excessif dans le canal de distribution transversal du polymère fondu. De plus, la température du centre et des extrémités de la structure est très difficile à réguler en raison des hauts débits pratiqués et de la durée excessive du transit du polymère fondu du centre vers les extrémités de la filière. Ces contraintes ont comme conséquence que la largeur des filières plates pour la mise en oeuvre de ces polymères est limitée. Cette largeur limitée est la source d'un autre inconvénient lorsque les structures planes obtenues sont destinées à être façonnées ensuite à l'état fondu par une autre filière pour l'obtention de structures tridimensionnelles telles que des profilés divers ou des plaques dites en nid d'abeille (comprenant des alvéoles circulaires, elliptiques ou polygonales qui sont perpendiculaires au plan de la plaque) . Ainsi, lorsque une filière plate, dite filière amont, alimente une autre filière, dite filière aval, produisant des profilés, le débit d'écoulement de la nappe par la fente de la filière amont ne peut être contrôlé en tout point, de façon à alimenter correctement et de façon homogène, sur toute la largeur, la filière aval, ce qui ne permet pas la formation d'un élément structurel homogène. Certes, on a déjà décrit (document US-A-3849051) un appareillage d'extrusion pour la production de feuilles de grande largeur comprenant une filière plate alimentée par au moins deux conduits d'amenée mis en opposition sur un même axe permettant d'introduire un matériau thermoplastique dans un même conduit de distribution se terminant en une fente à la sortie du matériau thermoplastique. Cette configuration en opposition des deux conduits d'amenée est toutefois inadaptée à la mise en oeuvre des matériaux thermoplastiques thermosensibles qui stagneront obligatoirement dans la zone où se fait leur j onction. Une autre disposition d'alimentation de filières plates a été décrite dans le document FR-A-1285580. Dans la géométrie proposée, il est prévu plusieurs conduits d'amenée. Toutefois, la distribution du matériau à l'état fondu se fait via une arborescence de conduits amenant le matériau fondu à la sortie de chaque arborescence sur la largeur souhaitée. Ce type de distribution est également inadapté aux matériaux thermoplastiques thermosensibles et ne permet pas d'homogénéiser les flux de matériau sur toute la largeur de la filière amont. Le document FR-A-1 360 137, quant à lui, s'il décrit bien un procédé pour l'extrusion de feuilles larges, en matières thermoplastiques visqueuses ou thermosensibles, selon lequel on divise le flux de matière thermoplastique provenant d'au moins une unité de plastification en plusieurs flux secondaires, canalisés vers une ou plusieurs filières d'extrusion par l'intermédiaire de tubes souples de raccordement résistant à la pression d'extrusion, il ne donne aucune précision, exploitable par l'homme du métier, sur la façon dont le flux est réparti et équilibré de chaque tube souple vers la sortie de la filière et ne propose aucun moyen permettant de contrôler la distribution des flux provenant de chaque tube souple. La présente invention vise à résoudre le problème de la production de structures planes de grande largeur et de composition homogène à base de matière plastique. Elle vise aussi à résoudre le problème de la formation de structures tridimensionnelles, telles que les profilés et structures en nid d'abeille >>, à partir de ces structures planes. Un premier objet de la présente invention réside dès lors en une filière pour la réalisation de structures planes de grande largeur à base de matière plastique, constituée d'un socle et d'un couvercle, et comprenant: une pluralité de conduits d'alimentation en matière plastique fondue débouchant dans un canal de distribution; une fente longitudinale d'écoulement de la matière plastique fondue sous la forme d'une structure substantiellement plane; le canal de distribution et la fente d'écoulement communiquant par une pluralité de répartiteurs de section généralement triangulaire ayant un sommet aval près duquel débouche un conduit d'alimentation et deux sommets amonts constituant des intersections du canal de distribution et de la fente d'écoulement. La filière selon l'invention résulte de l'association d'un socle et d'un couvercle de forme quelconque, généralement hexaédriques. A leur jonction, ce socle et ce couvercle déterminent un plan d'écoulement (P) et une direction d'écoulement (E) de la matière plastique fondue, de l'amont vers l'aval de ladite filière. Cette direction d'écoulement est généralement substantiellement perpendiculaire aux faces amont et aval dudit socle et à la fente d'écoulement (f) de la matière plastique fondue. Les conduits (c) peuvent être situés dans des plans différents du plan d'écoulement (P), à des distances différentes les uns des autres ou selon des directions différentes de la direction d'écoulement (E). De préférence toutefois, ces conduits (c) sont situés dans le plan d'écoulement (P), à égale distance l'un de l'autre et orientés dans une direction substantiellement parallèle à la direction d'écoulement (E). Les conduits (c) peuvent avoir n'importe quelle section permettant un écoulement substantiellement uniforme de la matière plastique fondue. De préférence, cette section est circulaire. La filière selon l'invention comprend au moins deux conduits (c). En général, elle comprend plus de deux conduits (c), de préférence, trois à cinq conduits (c), substantiellement parallèles entre eux et équidistants. En général, pour des raisons pratiques, le nombre de conduits (c) ne dépasse pas dix, de préférence pas six. Selon l'invention, chaque conduit (c) est alimenté en matière plastique fondue, via un orifice amont, par un dispositif d'extrusion. Ce dispositif d'extrusion peut être constitué d'une ou de plusieurs extrudeuses délivrant la matière plastique fondue. Cela signifie donc qu'une extrudeuse peut alimenter plus d'un conduit (c). De préférence, une même extrudeuse peut alimenter deux et même trois conduits (c). En général, on évite l'alimentation de plus de quatre conduits (c) par la même extrudeuse pour éviter les problèmes d'inhomogénéité des flux de matière plastique fondue rencontrés avec les dispositifs de l'art antérieur. A cet effet, d'ailleurs, les conduits (c) peuvent être équipés de valves de régulation indépendantes des débits respectifs des extrudeuses. Dans la filière selon l'invention, les conduits (c) débouchent dans un canal de distribution (d) qui alimente la matière fondue à une pluralité de répartiteurs (r) de section généralement triangulaire. Selon cette conformation, le canal de distribution (d) est une gorge longitudinale ayant substantiellement la forme d'un zigzag qui borde les différents répartiteurs (r). Ceux-ci ont un sommet aval près duquel débouche un conduit (c) et deux sommets amonts qui sont en contact avec la fente d'écoulement (f). Le canal de distribution (d) et les répartiteurs (r) ont pour but de distribuer la matière plastique fondue de façon progressive de chaque conduit (c) vers la fente d'écoulement (f). Dans cette configuration, les répartiteurs (r) sont disposés côte à côte sur substantiellement toute la largeur de la fente d'écoulement (f) . Ils ont de préférence sensiblement la même taille et la même forme (aux tolérances de fabrication près). Quoique ces répartiteurs (r) soient, comme il a été mentionné, de section (par un plan parallèle au plan d'écoulement) généralement triangulaire, il doit être entendu que, dans la présente description, cette définition englobe aussi des répartiteurs ayant par exemple une section sensiblement en U, une section dite en queue de poisson (fishtail) ou encore une section dite en porte manteau (coathanger). Ces dernières sont représentées par exemple par Chris Rauwendaal dans l'ouvrage Polymer Extrusion , Hanser Publishers, 1990, page 444. Pour éviter toute adhérence et/ou toute dégradation de la matière plastique fondue dans la filière selon l'invention, la surface intérieure des conduits (c) et/ou du canal de distribution (d) et/ou de la fente d'écoulement (f) peut être revêtue d'une couche de matériau anti-adhérent tel que PTFE, céramique... L'épaisseur disponible pour l'écoulement de la matière plastique fondue, dans la fente d'écoulement (f) est de préférence réglable de manière à homogénéiser au mieux les temps de séjour, contraintes et températures auxquels est soumise la matière fondue dans l'écoulement. Afin de rendre cette épaisseur variable, des barres de contre pression (dénommées ci-après plus simplement barres ) peuvent être placées dans le socle de la filière selon l'invention, de préférence sensiblement au centre de la fente d'écoulement, en regard de chaque répartiteur (r), par exemple dans une gorge de section quelconque (trapézoïdale de préférence). Ces barres, dont la face supérieure en contact avec la matière plastique fondue est substantiellement rectangulaire, sont bien connues de l'homme du métier; elles sont décrites par exemple sous la dénomination choker bar à la page 444 de l'ouvrage Polymer Extrusion mentionné plus haut. En général, le nombre de barres est égal au nombre de répartiteurs (r), chaque barre étant réglable indépendamment et séparément des barres des répartiteurs (r) directement adjacents. Ces barres sont généralement déplaçables, de manière connue, perpendiculairement au plan d'écoulement (P), en fonction de l'épaisseur souhaitée de la structure plane et en fonction des écarts de température, de débit et de pression, pour équilibrer les flux de matière plastique fondue et obtenir, à la sortie de la fente d'écoulement (f), une structure d'épaisseur uniforme. En pratique, pour réaliser cette variante de l'invention, on peut d'abord calculer l'épaisseur théorique idéale au centre de la fente par tout moyen de calcul connu (par exemple, en utilisant un des nombreux logiciels de simulation des écoulements en fondu disponibles sur le marché) et ensuite, positionner les barres en conséquence. Alternativement ou en outre, on peut approcher l'épaisseur idéale par des essais itératifs. La longueur totale de la fente d'écoulement, dans le plan d'écoulement (P) et selon la direction perpendiculaire à la direction d'écoulement (E), est généralement supérieure à un mètre, de préférence supérieure à deux et même à trois mètres, permettant ainsi la formation aisée d'une structure plane de grande largeur. Quant à la largeur de la fente (dimension dans le plan d'écoulement (P) toujours, mais dans la direction d'écoulement (E) cette fois), elle est généralement de l'ordre de mm, voire des cm. Elle est toutefois généralement de moins de 30 cm, voire de 20 cm et de manière préférée, de moins de 10 cm. La matière plastique susceptible d'être transformée en structure plane au moyen de la filière selon l'invention peut être tout polymère thermoplastique, y compris les élastomères thermoplastiques, ainsi que leurs mélanges. On désigne par le terme "polymère" aussi bien les homopolymères que les copolymères (binaires ou ternaires notamment). Des exemples de tels copolymères sont, de manière non limitative: les copolymères à distribution aléatoire, les copolymères séquencés, les copolymères à blocs et les copolymères greffés. Tout type de polymère ou de copolymère thermoplastique dont la température de mise en oeuvre est inférieure à la température de décomposition convient pour être mis en oeuvre dans la filière selon l'invention. Les matières thermoplastiques de synthèse qui présentent une plage de fusion étalée sur au moins 10 degrés Celsius conviennent particulièrement bien. Comme exemple de telles matières, on trouve celles qui présentent une polydispersion de leur masse moléculaire. En particulier, on peut utiliser des polyoléfines, des polyhalogénures de vinyle (PVC - PVDF), des polyesters thermoplastiques, des poly-phénylssulphones (PPSU) aliphatiques ou aromatiques, des polycétones, des polyamides (PA) et leurs copolymères. Les polyoléfines [et en particulier le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE)], les PPSU, les PA et le PVC ont donné de bons résultats. La filière selon l'invention est tout particulièrement apte à la transformation en structures planes de grande largeur, de polymères thermoplastiques thermosensibles, tels le PVC. La filière selon l'invention s'applique avantageusement à la transformation de polymères ayant une viscosité en fondu (mesurée à la température du polymère en filière et à 0.1 rads) supérieure ou égale à 2500 Pa.s, de préférence à 3000 Pa.s, voire à 4000 Pa.s. La filière selon l'invention peut être utilisée pour la transformation d'un seul polymère, d'un mélange de polymères ou de copolymères ou d'un mélange de matière(s) polymérique(s) avec des additifs divers (stabilisants; plastifiants; pigments; charges inorganiques, organiques et/ou naturelles ou polymériques...). Ces polymères peuvent avoir subi des traitements divers tels que expansion, orientation...La filière selon l'invention peut être utilisée pour transformer des polymères thermoplastiques comprenant un agent d'expansion et donc, pour faire des structures alvéolaires expansées ou moussées, par exemple dans un appareillage qui sera décrit ci-après. La structure plane de grande largeur, sortant de la fente (f) de la filière selon l'invention, peut être elle-même transformée pour mise en forme définitive, par tout système de reprise approprié connu tel que des cylindres graineurs, des cylindres de polissage, des cylindres de calandrage, etc. La filière selon l'invention peut aussi être associée à et alimenter d'autres moyens de mise en forme telles que des ouvertures calibrées permettant de produire, par exemple, des plaques planes présentant une épaisseur de 0,2 à 20 mm. Selon une variante préférée, la filière selon l'invention décrite cidessus, appelée ci-après filière amont peut alimenter en structure plane fondue des moyens de conformation dénommés plus simplement ci-après filière aval , la filière amont et la filière aval coopérant ainsi pour constituer un appareillage pour la mise en forme de structures tridimensionnelles à base de matière plastique, appareillage qui constitue un second objet de la présente invention. Dans la configuration la plus générale de cet appareillage, la structure plane de grande largeur en matière plastique fondue, délivrée par la fente (f) de la filière amont, alimente la filière aval de mise en forme de la matière en structure tridimensionnelle. Dans la présente description, on entend désigner par structure tridimensionnelle, n'importe quelle structure en matière plastique à trois dimensions délivrée par toute filière de profil adéquat exerçant la fonction de filière aval dans l'appareillage selon l'invention. Cette structure tridimensionnelle peut aussi comprendre des corps creux jointifs disposés parallèlement au plan de la structure plane dont elle dérive. De manière préférée, les structures tridimensionnelles concernées sont des structures alvéolaires dites en nid d'abeille , telles que définies plus haut. Des filières avals permettant d'obtenir de telles structures sont notamment décrites dans les documents EP 1009625 et DE 1779330. Cette variante de l'invention donne de bons résultats avec des structures alvéolaires à base de PVC. Un mode de réalisation particulier de l'invention va maintenant être illustré en faisant référence aux dessins accompagnant la présente description. Ces dessins sont constitués des Figures 1 à 4 annexées, représentant schématiquement une forme d'exécution typique de la filière selon l'invention. Les Figures la, lb et le sont, respectivement, des vues en perspective, en élévation latérale de dessous et en élévation arrière d'un socle hexaédrique destiné à former, avec un couvercle, également hexaédrique, une filière à l'intérieur de laquelle une matière plastique fondue s'écoule dans autant de canaux de distribution et de répartiteurs de section triangulaire qu'il y a de conduits d'alimentation de la matière plastique, et sort par une fente d'écoulement sous forme de flux de matière fondue homogène. La Figure 2 est une vue de dessus du socle des Figures 1. La Figure 3 est une vue du bord amont et notamment des orifices d'entrée des conduits d'alimentation de la matière plastique dans la filière de la Figure 1. La Figure 4 est une vue en coupe transversale d'une filière formée par l'association du socle des Figures 1 à 3 et d'un couvercle. Dans le mode de réalisation particulier de la filière représentée aux Figures, le socle 1 de la filière plate présente un bord amont 2 par lequel la matière plastique fondue arrive via des conduits d'amenées (non représentés) et entre par quatre orifices 3 dans la filière. La matière plastique fondue sort par le bord aval 4. La partie supérieure du socle 1 détermine un plan d'écoulement (P) (représenté seulement dans la Figure 1 a) dans lequel la nappe de matière plastique généralement plane s'écoule à l'intérieur de la filière 1 dans la direction d'écoulement (E) (représentée seulement dans la Figure la). La filière plate représentée comprend quatre conduits d'alimentation 5 de la matière plastique fondue, placées parallèlement et à égale distance les uns des autres et qui s'étendent dans le plan d'écoulement (P) parallèlement à la direction d'écoulement (E). Les conduits d'alimentation 5 comprennent chacun un orifice aval 6 de sortie de la matière plastique vers un canal de distribution 7 s'étendant dans le plan d'écoulement selon une direction longitudinale (en zigzag) de distribution généralement perpendiculaire (compte tenu de sa forme en zigzag) à la direction d'écoulement (E). Chaque orifice 3 d'un conduit d'alimentation 5 est relié en amont à un dispositif d'extrusion (non représenté) de la matière plastique. Le socle comprend également une fente d'écoulement 13 s'étendant le long de répartiteurs triangulaires 8 situés en aval du canal de distribution 7. Chaque conduit d'alimentation 5 permet ainsi de conduire un flux de matière plastique, via son orifice aval 6, vers le canal de distribution 7, dont chaque portion distribue la matière fondue sur un répartiteur triangulaire 8, l'ensemble des répartiteurs triangulaires 8 coopèrant de sorte à former la fente d'écoulement commune 13. Dans le mode de réalisation représenté, l'utilisation de quatre conduits d'alimentation 5, de quatre portions de canal de distribution 7 et de quatre répartiteurs triangulaires 8 en forme de V, permet d'uniformiser l'alimentation en matière plastique, c'est-à-dire d'obtenir une alimentation continue et une distribution de température, de débit et de pression homogènes et identiques en tout point à la sortie de la fente d'écoulement 13. A la Figure 4, on peut voir que la fente d'écoulement 13 comprend deux surfaces 14, respectivement incluses dans le socle 1 et dans le couvercle ibis de la filière, et s'étendant à distance l'une de l'autre parallèlement au plan d'écoulement (P). La fente d'écoulement 13 permet de guider la matière plastique fondue s'écoulant de manière uniforme selon la direction d'écoulement (E) par l'orifice aval d'écoulement 9 pour former une nappe dont la largeur correspondra sensiblement à la largeur d'entrée de la filière aval d'un appareillage (non représenté) de mise en forme de structures tridimensionnelles. Pour contrôler et régler l'épaisseur de la nappe et améliorer le contrôle et la régulation de l'écoulement, en équilibrant les flux de matériau, la fente d'écoulement 13 comprend des barres de contre-pression 15 déplaçables perpendiculairement au plan d'écoulement (P). Chaque barre de contre-pression 15 est disposée au centre de la fente d'écoulement 13, en regard de chaque répartiteur triangulaire 8, de sorte à pouvoir être déplacée indépendamment des barres de contre-pression 15 voisines par des moyens de réglage classiques (non représentés) disposés sous le socle, en fonction des écarts de température, de débit et de pression, pour équilibrer les flux de matière et obtenir en sortie de filière une nappe uniforme de matière plastique. - 10- REVENDICATIONS 1 - Filière pour la réalisation de structures planes de grande largeur à base de matière plastique, constituée d'un socle (1) et d'un couvercle (Ibis), et comprenant: une pluralité de conduits d'alimentation (5) en matière plastique fondue débouchant dans un canal de distribution (7) ; une fente longitudinale d'écoulement (13) de la matière plastique fondue sous la forme d'une structure substantiellement plane; le canal de distribution (7) et la fente d'écoulement (13) communiquant par une pluralité de répartiteurs (8) de section généralement triangulaire ayant un sommet aval (6) près duquel débouche un conduit d'alimentation (5) et deux sommets amonts constituant des intersections du canal de distribution (7) et de la fente d'écoulement (13). 2 - Filière selon la revendication 1, dans laquelle les répartiteurs (8) sont disposés côte à côte sur substantiellement toute la largeur de la fente d'écoulement (13) et ont sensiblement la même taille et la même forme. 3 - Filière selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre des barres de contre pression (15) placées dans un gorge du socle (1) située sensiblement au centre de la fente d'écoulement (13). 4 - Utilisation d'une filière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour la réalisation de structures planes de grande largeur à base de polymère thermoplastique thermosensible. - Utilisation selon la revendication précédente, dans laquelle le polymère thermosensible est un PVC (polymère du chlorure de vinyle). 6 - Appareillage pour la réalisation de structures tridimensionnelles à base de matière plastique, comprenant une filière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et des moyens de conformation aptes à transformer la structure plane issue de celle-ci en structure tridimensionnelle. 7 - Utilisation de l'appareillage de la revendication 6 pour la réalisation de structures alvéolaires. 8 - Utilisation selon la revendication précédente, dans laquelle les structures alvéolaires sont à base de PVC.