Brevet FR2898294A1 — publié le 20070914

PIECES A PAROIS MINCES, MOULE ET PROCEDE D'OBTENTION DOMAINE TECHNIQUE DE LA PRESENTE INVENTION La présente invention a pour objet l'injection de pièces à parois minces, notamment des préformes. La technique d'injection/soufflage (ISBM : Injection Strech Blow Molding) est bien connue et employée pour la réalisation de pièces à partir de matériaux thermoplastiques. Ces pièces peuvent prendre la forme récipients alimentaires tels que des bouteilles. La technique d'injection/soufflage comprend tout d'abord l'injection constituée des étapes suivantes : séchage du matériau utilisé si nécessaire avant sa fusion, plastification, injection du matériau dans le moule comprenant un noyau et un contre moule formant une cavité de moulage qui correspond à l'empreinte de moulage, refroidissement, démoulage et évacuation des préformes, puis le soufflage comportant les étapes suivantes : réchauffage des préformes, étirage û présoufflage et soufflage. On s'intéresse plus spécialement à l'injection dans le cadre de l'invention. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu que la fabrication de pièces à parois minces par injection est difficile à réaliser. En effet, une telle fabrication passe par l'injection/moulage de préformes à parois minces elles aussi. Cette opération d'injection/moulage pose un certain nombre de problèmes techniques. En particulier, au cours de l'écoulement du matériau thermoplastique fondu dans la cavité de moulage, la perte de charge et le refroidissement du matériau au contact du moule nécessite des pressions d'injection d'autant plus élevées que les parois sont minces. Ces pressions deviennent trop fortes et vont au-delà des possibilités techniques des matériaux utilisés dans le cas de parois minces. La notion de paroi "mince" est fonction de la forme de la pièce et du matériau utilisé. Par exemple dans le cas d'une préforme de bouteille et dans des conditions de moulage classiques, l'épaisseur de la préforme est limitée par l'apparition de manque de matière (moulage incomplet) dans la zone opposée au point d'injection de la matière fondue dans le moule. Ceci est vrai pour tous les matériaux thermoplastiques, avec des limites d'épaisseur variables en fonction de la viscosité à l'état fondu du matériau et de la forme de la pièce. Dans le cas d'une préforme en polyéthylène téréphalate (PET) par exemple, il est difficile de descendre sous une épaisseur de 2,5 mm pour une longueur de 120 mm environ. 2 La demande de brevet WO-A-97/13696 décrit ainsi une méthode et un appareil pour réaliser des préformes multicouches par injection-soufflage. La demande de brevet souligne la difficulté d'obtenir des préformes à parois minces en utilisant des moules d'injection conventionnels. En effet, lors de l'utilisation de tels moules, la matière fondue rencontre une résistance à l'écoulement relativement forte et nécessite l'utilisation de pressions d'injection fortes dans la cavité du moule. Afin de remédier à ces inconvénients, des cannelures ont été insérées dans la cavité du moule correspondant à la surface interne du contre moule. Ces cannelures sont réparties de façon équiangulaire dans la cavité et elles s'étendent du point d'injection à l'extrémité opposée du moule. DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a pour objectif l'obtention de pièces, notamment préformes à parois minces et constitue une solution alternative aux solutions de l'art antérieur. L'invention réside dans des principes techniques permettant de réaliser par moulage de matériaux thermoplastiques notamment des préformes présentant des parois minces. Ces principes techniques peuvent être utilisés séparément ou en association afin d'obtenir le résultat escompté. - Création de canaux d'écoulement préférentiels (CEP) dans le moule (Figure 1) permettant un remplissage de la cavité plus rapide et avec moins de baisse de température du matériau et de perte de charge. - Par la création de zones dépression par usinage à la surface du noyau qui permettent un écoulement préférentiel. - Par la modification de l'état de surface du noyau et/ou de la cavité (traitement différentiel entre les zones d'écoulement préférentielles et les autres parties de la préforme). - Utilisation de parties moulantes chauffantes permettant un meilleur écoulement de la matière et un moindre refroidissement pendant l'étape d'écoulement de la matière. Ces parties chauffantes doivent être chauffées et refroidies très rapidement en fonction de la phase en cours de l'étage de moulage. Un des aspects de l'invention concerne un dispositif d'injection comprenant au moins un moule utilisable pour l'injection d'une préforme creuse à parois minces susceptible d'être transformée en corps creux plus volumineux par soufflage, ledit moule comprenant : - un contre moule définissant la surface interne de la cavité, - un noyau situé dans la cavité et espacé de ladite surface interne, - une empreinte de préforme située entre la surface interne du contre moule et le noyau, et qui recevra le matériau fondu, 3 - au moins deux canaux d'écoulement préférentiels (CEP) caractérisé en ce que : • chaque CEP est délimité d'une part par au moins une zone de dépression à la surface du noyau et d'autre part par la surface interne de la cavité, • les CEP sont symétriques. La présente invention a également pour objet un noyau utilisable pour l'injection de préformes à parois minces caractérisé en ce qu'il comprend des zones de dépression à sa surface. L'invention concerne également une préforme à paroi mince caractérisée en ce qu'elle comprend des zones d'épaisseur variables symétriques. Ainsi l'invention décrite dans la présente demande permet la production après soufflage des préformes de flacons légers tout en conservant des taux d'étirage globaux limités (taux d'étirage global : produit taux d'étirage longitudinal (lequel correspond au rapport longueur de l'objet final soufflé / longueur de la préforme) x taux d'étirage diamétral (lequel correspond au rapport diamètre de l'objet final soufflé sur diamètre de la préforme) et un allègement de préformes existantes : il est possible de produire plusieurs poids de préformes en changeant uniquement la partie centrale moulante (noyau). Ce changement du noyau présente également un avantage économique car dans la technique d'injection, les noyaux représentant seulement 10 à 15% du coût du moule. En faisant varier sur une plus grande amplitude l'épaisseur des préformes, il est donc possible de produire une plus large plage de poids de préformes en changeant uniquement les noyaux. Selon un autre aspect encore, l'invention concerne un procédé d'injection de préformes à parois minces comprenant les étapes suivantes : - le matériau fondu est injecté dans un moule comprenant un noyau comportant des zones de dépression à sa surface, - la préforme est refroidie à une température à laquelle la matière n'évolue plus, - la préforme est ensuite démoulée. Un tel procédé permet de réduire les temps de cycle de moulage sur des préformes minces et diminuer les risques de moulage incomplet, d'injecter des matières thermoplastiques très visqueuses, dans des moules conformés pour produire des préformes a parois minces. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le terme "moule" utilisé dans le cadre de la présente invention se réfère à un dispositif bipartite comprenant un plateau fixe comportant les cavités ou contre moules dont le mouvement est assuré par le groupe de fermeture et une plaque support noyaux. Le plateau fixe comporte également une vis de plastification où le matériau à injecter va passer de l'état solide à l'état fondu. L'injection du matériau fondu se fait au niveau du point d'injection après fermeture du moule d'injection et verrouillage. Le terme "empreinte" utilisé dans le cadre de la présente invention se réfère à l'espace situé entre la paroi interne du contre moule et le noyau. Selon un mode réalisation particulier de l'invention, le moule est caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de l'empreinte est inférieure ou égale à a+L/b. Soit : emoy avec 1,20 avec : lL emoy =ùJeu *u*du Lo avec: L : longueur totale considérée u : abscisse curviligne en chaque point de la préforme eä : épaisseur locale en chaque point de la préforme 15 Le terme "canaux d'écoulement préférentiels ou CEP" utilisé dans le cadre de la présente invention se réfère à un volume compris entre la paroi interne du contre moule et les zones de dépression à la surface du noyau. Ils permettront un flux de matière fondue plus important par rapport aux zones extérieures aux CEP. Les CEP peuvent être obtenues par modification de l'état de surface ou par usinage 20 du noyau. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, les CEP sont symétriques. Selon un mode encore plus préférentiel de réalisation de l'invention, les CEP sont symétriques et sont localisées de façon équiangulaire sur la circonférence de la préforme. Le terme "équiangulaire" utilisé dans le cadre de la présente invention se réfère des 25 objets répartis selon un angle identique sur une circonférence. Selon une mise en oeuvre particulière de l'invention, les CEP peuvent être situées au niveau des zones de l'empreinte de la préforme correspondant au corps, à la zone de transition et/ou à la bague. Selon une autre mise en oeuvre particulière de l'invention le moule comporte un 30 nombre de CEP compris entre 2 et 12. Dans un aspect tout à fait préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, le moule comprend de 2 à 6 CEP. Selon une mise en oeuvre particulière de l'invention, le moule comporte des CEP qui, lorsqu'elles sont observées selon une coupe transversale réalisée dans le sens de la plus 35 grande longueur du moule sont de forme rectangulaire, polygonale, oblongue ou évolutive.10 Dans le cadre de la présente invention, le volume des CEP peut évoluer, on envisagera notamment le cas où le volume des CEP va décroissant depuis le point d'injection du moule vers la bague. Ces CEP sont dits "évolutifs" dans le cadre de la présente invention. 5 Selon un autre aspect de l'invention, le moule comprend des CEP dont l'orientation est longitudinale, hélicoïdale, et/ou évolutive. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le moule comprend en outre au moins deux dépressions dans la surface interne de la cavité. Le terme "préforme" utilisé dans le cadre de la présente invention est défini par trois zones différentes : le corps, la zone de transition et la bague. La préforme est obtenue par le comblement de l'empreinte par du matériau fondu injecté dans le moule. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la préforme à paroi mince comprend des zones d'épaisseur variables symétriques. Selon un mode encore plus préférentiel de réalisation de l'invention, la préforme à 15 paroi mince comprend des zones d'épaisseur variables symétriques et réparties de façon équiangulaire sur la circonférence de la préforme. Le terme "zone d'épaisseur variable" utilisé dans le cadre de la présente invention se réfère à un volume plus important de la préforme, correspondant à des CEP comblés par le matériau fondu et refroidi. 20 Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention les zones d'épaisseur variable de la préforme sont situées sur la zone correspondant au fond et corps de la préforme et/ou la zone de transition et/ou la bague. Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, les zones d'épaisseur variable de la préforme sont situées longitudinalement, hélicoïdalement ou de façon 25 évolutive par rapport à l'axe du noyau. Un autre aspect de la présente invention concerne le noyau, lequel est utilisable pour l'injection de préformes à parois minces et comprend des zones de dépression à sa surface. Le terme "zone de dépression" utilisé dans le cadre de la présente invention se 30 réfère à zone dépressionnaire à la surface du noyau, laquelle peut être créée par usinage du noyau ou moulage complet du noyau. Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, les dépressions à la surface du noyau sont obtenues par usinage ou par traitement de surface, lesdites zones ainsi modifiées étant symétrique. 35 Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les zones de dépression à la surface du noyau sont symétriques et sont réparties de façon équiangulaire sur la circonférence de la préforme. 6 Selon un autre aspect encore de la présente invention le noyau comporte 2 à 12 zones de dépression, et de façon tout à fait préférentielle il en comporte de 2 à 6. Selon un mode de réalisation de l'invention, les usinages réalisés sur le noyau peuvent être de forme rectangulaire, polygonale, oblongue ou évolutive par rapport à l'axe du noyau. Dans le cadre de la présente invention, les usinages réalisés à la surface du noyau peuvent permettre de faire évoluer la forme de l'usinage créée afin que la forme soit le mieux adaptée au profil de la préforme, on dit alors que l'usinage a une forme "évolutive". Selon un mode de réalisation de l'invention retenu, les usinages sont réalisés sur la zone correspondant au fond et corps de la préforme et/ou la zone de transition et/ou la bague. Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé d'injection de préformes à parois minces comprenant les étapes suivantes : le matériau fondu est injecté dans un moule comprenant un noyau tel que décrit ci-dessus, la préforme est refroidie à une température à laquelle la matière n'évolue plus, la préforme est ensuite démoulée. Dans un aspect préférentiel de l'invention, durant au moins une partie de l'étape d'injection du matériau fondu dans le moule, le noyau et/ou la cavité est chauffé. De façon tout à fait préférentielle, le chauffage est effectué dans des zones spécifiques du noyau et/ou de la cavité. La présente invention sera plus précisément décrite dans les mises en oeuvres distinctes données à titre exemplatif et non limitatif et illustrés par les figures suivantes : BREF DESCRIPTIF DES FIGURES La figure 1 représente une coupe longitudinale selon un axe ne présentant pas les CEP d'un moule fermé comprenant deux parties : une partie fixe également appelée porte cavité ou contre moule et une partie mobile 5 portant les noyaux : la paroi interne 1 du contre moule 4 et le noyau 2 situé sur la partie mobile du moule. Ils définissent une cavité ou empreinte 3 dans laquelle le matériau fondu sera injecté par le point d'injection 6. La figure 2 (A et B) représente une coupe longitudinale d'un moule comprenant : la paroi interne 1 du contre moule et le noyau 2 définissent une cavité qui correspond à 3 l'empreinte et les CEP 4. La figure 3 représente une coupe longitudinale d'une préforme selon l'invention qui comprend une bague 1 une zone de transition 2 un corps 3 et des zones d'épaisseur variable 35 4. La figure 4 représente une coupe transversale effectuée selon le plan AB de la préforme selon la figure 3. 7 La figure 5 représente une coupe longitudinale de la bague et de la zone de transition d'une préforme comportant des zones d'épaisseur variable 1. La figure 6 présente les différents paramètres pris en compte pour le calcul de l'épaisseur minimum moyenne de la préforme. Dans une première mise en oeuvre de l'invention, les CEP 2 (Figure 2 A et B) sont délimitées par une zone de dépression à la surface du noyau 3 et la surface interne du contre moule 1. Dans une deuxième mise en oeuvre de l'invention Les zones d'épaisseur variables sont particulièrement visibles dans les mises en oeuvres de l'invention présentées aux figures 3 et 4. La figure 4 représente une préforme comportant des zones d'épaisseur variables situées sur le corps et la zone de transition de la préforme. Elles peuvent être observées en coupe transversale selon un plan AB à la figure 4 et désignées par le numéro 1. Enfin, dans une dernière mise en oeuvre de l'invention les zones d'épaisseur variables 1 situées sur bague de la préforme (Figure 5). Les exemples suivants, donnés à titre non limitatif, feront bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique et en fera ressortir les particularités. Exemple 1 : préforme conventionnelle en PET (17 g longueur 90,44 mm) et son procédé d'obtention. Dispositif mis en oeuvre Les préformes sont produites sur des presses à injecter équipées de moule multicavités. La matière PET préalablement séchée pour éviter une hydrolyse lors de la fusion est transférée par gravité dans la vis de plastification où elle va passer progressivement de l'état solide à l'état fondu. Cette plastification doit être faite dans les règles de l'art pour avoir une bonne homogénéité du fondu. La matière fondue est transférée à l'avant de la vis par rotation de la vis, augmentation de la température et augmentation de pression : extrusion. Il y a accumulation du matériau fondu à l'avant de la vis qui va être transféré dans le pot d'injection par passage de la vanne en position transfert, une quantité de matière correspondant à une moulée complète (nombre de cavités multiplié par le poids préforme en occurrence 17g) est transféré. Après transfert de cette matière la vanne est positionnée en position injection. La viscosité de la matière fondue va dépendre de la température, typiquement ces températures seront entre 230 C et 280 C, plus précisément 245 C ù 270 C. 8 L'injection se fait après fermeture du moule d'injection et verrouillage, les forces de fermeture doivent être suffisantes pour éviter les bavures sur les préformes mais pas trop élevées pour ne pas endommager les outils ; dans le cas d'un moule 48 cavités les forces mises en oeuvre sont comprises entre 200 et 300 tonnes, idéalement ne pas dépasser 250 tonnes. La matière fondue est introduite dans les cavités du moule après ouverture des obturateurs, le bon remplissage va dépendre de l'écoulement soit du réglage des paramètres vitesse et pression d'injection et du moment de passage de la phase injection à la phase de maintien. La gamme de pression utilisée sera inférieure à 150 bars et plus idéalement comprise entre 100 à 130 bars. Les vitesses de remplissage sont de 40 mm par seconde 20%. La température des canaux chauds du moule, généralement comprise entre 270 C et 290 C va pouvoir plus ou moins fluidifier la matière donc améliorer l'écoulement ; cependant les risques liés à une augmentation de celle û ci pour être supérieure à 290 C va générer des dégradations chimiques et des défauts de point d'injection non négligeables. Au contact des parois froides du moule (cavité et noyau) la matière va se figer, la qualité de l'injection va dépendre de la quantité injectée par unité de temps ; avec les procédés d'injection actuels la vitesse d'injection est de 8 à 12 g par seconde en fonction des types de résines PET ; cette vitesse d'injection permet un bon remplissage de la cavité mais aussi de la bague. Afin de garantir cette vitesse d'injection il y a une épaisseur minimum de la préforme a respecter qui va dépendre de sa longueur. En l'espèce si em y Après remplissage de la cavité la matière est maintenue sous pression pendant un certain temps appelé temps de maintien, ceci afin de compenser le retrait dû au refroidissement de la matière. L'ultime étape avant le démoulage de la préforme est son refroidissement, la 30 matière doit être suffisamment solidifiée pour ne pas subir de déformation et doit être en dessous la température de cristallisation à coeur. Le temps de refroidissement sera une fonction de l'épaisseur de la préforme, il respecte la loi suivante : tR = (e2 / it2 a) In [(8 / it2)(Ti û Tm) / (Td û Tm)] 35 Avec tR = temps de refroidissement (en s), - e = épaisseur (en mm), - a = coefficient de diffusion thermique, - Tm = température de surface de la cavité, 9 - Ti = température injection, - Td = température moyenne de la préforme au démoulage. Exemple 2 : Préforme selon l'invention (figure 3). L'allégement des emballages conduit à la conception de préformes de paroi de plus en plus minces dont le ratio épaisseur ù longueur devient inférieur à 2, dans ce cas le design de la préforme inclura des CEP pour permettre le remplissage de la cavité. Le procédé de fabrication est identique à celui exposé ci-dessus. L'allégement de la préforme se fait par le changement du noyau (investissement limité) ce qui réduit l'épaisseur de la préforme. Ainsi pour une préforme de longueur identique à celle de l'exemple 1, à savoir 90,44 mm, une préforme allégée au poids de 15,35 g pourra être réalisée. L'épaisseur moyenne de cette préforme sera de 1,8 mm et le remplissage de cette préforme ne pourra se faire qu'en présence de CEP dans le moule. L'ajout de CEP permettra de ramener la pression d'injection entre 100 et 130 bars par rapport a une pression maximum de 150 bars, pression maximum qui sans l'ajout de CEP ne garantit pas pour autant le remplissage de la cavité pour une épaisseur moyenne de 1,8 mm sans le risque d'avoir des bagues incomplètes. En l'espèce, pour une épaisseur moyenne de 1,8 mm et une longueur de 90,44 mm de la préforme, on vérifie bien que emoy REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection/soufflage comprenant au moins un moule utilisable pour l'injection d'une préforme creuse à parois minces susceptible d'être transformée en corps 5 creux plus volumineux par soufflage, ledit moule comprenant - un contre moule définissant la surface interne de la cavité, - un noyau situé dans la cavité et espacé de ladite surface interne, - une empreinte de préforme située entre la surface interne du contre moule et le noyau, 10 et qui recevra le matériau fondu, - au moins deux canaux d'écoulement préférentiel (CEP) caractérisé en ce que : • chaque CEP est délimité d'une part par au moins une zone de dépression à la surface du noyau et d'autre part par la surface interne de la cavité, • les CEP sont symétriques. 15 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les CEP sont symétriques et localisés de façon équiangulaire sur la circonférence de la cavité. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les CEP sont obtenus par 20 modification de l'état de surface ou par usinage du noyau. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'empreinte est définie par une épaisseur moyenne (emoy) emoy 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les CEP peuvent être situés au niveau du fond et corps et/ou dans la zone de transition et/ou dans la bague de l'empreinte de la préforme. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le 30 nombre de CEP est compris entre 2 et 12, de préférence 2 à 6. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les CEP peuvent être de forme rectangulaire, polygonale, oblongue ou évolutive. 35 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orientation des CEP : - est longitudinale, - est de forme hélicoïdale, et/ou évolutive. 11 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins deux dépressions dans la surface interne de la cavité. 10. Noyau utilisable pour l'injection de préformes à parois minces, caractérisé en ce qu'il comprend des zones de dépression à sa surface. 11. Noyau selon la revendication 10, caractérisé en ce que les dépressions sont obtenues par usinage ou par traitement de surface, lesdites zones ainsi modifiées étant symétriques. 12. Noyau selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les dépressions sont symétriques et réparties de façon équiangulaire sur la circonférence du noyau. 13. Noyau selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte 2 à 12 15 zones de dépression, de préférence 2 à 6. 14. Noyau selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les usinages réalisés sur le noyau peuvent être de forme rectangulaire, polygonale, oblongue ou évolutive. 15. Noyau selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que les usinages sont réalisés sur la zone correspondant au fond et corps de la préforme, et/ou la zone de transition et/ou la bague. 25 16. Noyau selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que les usinages sont réalisés longitudinalement, hélicoïdalement ou de façon évolutive par rapport à l'axe du noyau. 17. Préforme à paroi mince caractérisée en ce qu'elle comprend des zones d'épaisseur 30 variables symétriques. 18. Préforme à paroi mince selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comprend des zones d'épaisseur variables symétriques et réparties de façon équiangulaire sur la circonférence de la préforme. 19. Préforme selon la revendication 17 ou 18, caractérisée en ce que son épaisseur moyenne (emoy) est définie par est définie par emoy 20. Préforme selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisée en ce que les zones d'épaisseur variable sont situées sur la zone correspondant au fond et corps de la préforme, et/ou la zone de transition et/ou la bague. 21. Préforme selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisée en ce que les zones d'épaisseur variable sont situées longitudinalement, hélicoïdalement ou de façon évolutive par rapport à l'axe du noyau. 22. Procédé d'injection de préformes à parois minces selon l'une des revendications 17 à 21 10 comprenant les étapes suivantes : - le matériau fondu est injecté dans un moule comprenant un noyau selon l'une des revendications 10 à 16, - la préforme est refroidie à une température à laquelle la matière n'évolue plus, - la préforme est ensuite démoulée. 15 23. Procédé d'injection selon la revendication 22, caractérisé en ce que durant au moins une partie de l'étape d'injection du matériau fondu dans le moule le noyau et/ou la cavité est chauffé. 20 24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que le chauffage est effectué dans des zones spécifiques du noyau et/ou de la cavité. 25. Procédé d'injection/soufflage faisant intervenir le dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 comprenant les étapes suivantes : 25 - le matériau fondu est injecté dans le moule, - la préforme est refroidie à une température à laquelle la matière n'évolue plus, - la préforme est ensuite démoulée. 26. Procédé d'injection/soufflage comprenant le procédé d'injection selon l'une des 30 revendications 22 à 25.