Brevet FR2903934A1 — publié le 20080125

La présente invention concerne une unité de thermoformage et le procédé de thermoformage associé permettant la fabrication de pièces de forme complexe. Une telle unité peut notamment être utilisée pour le thermoformage de membranes expansées souples comme les membranes en PTFE. La définition de l'invention est complétée par la définition du procédé de conception d'outillages adaptés pour ces unités. DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR Le thermoformage est un procédé bien connu pour la fabrication de pièces en matière plastique dont la forme est une coque mince. Ses avantages principaux sont les suivants : Il ne nécessite pas de préparation de la matière première ; les outillages utilisés sont généralement peu coûteux ; le procédé est simple et de mise en oeuvre rapide. Néanmoins, dans le cas de pièces de forme complexe, et dans le cas de certains thermoplastiques fragiles, le thermoformage peut s'avérer difficile ou impossible. En effet différents problèmes peuvent survenir : des déchirures dans la pièce ; des problèmes dimensionnels et l'impossibilité d'obtenir la forme souhaitée ; le manque de stabilité dimensionnelle qui conduit à fabriquer des pièces dont la forme n'est pas stable dans le temps ; l'apparition de zones de faible épaisseur qui ne possèdent pas les propriétés mécaniques ou autres attendues. Ces problèmes de fabrication peuvent être encore plus délicats dans le cas de pièces en plastique expansé et notamment en PTFE. En effet ce type de fabrication est particulièrement délicat. A une température trop faible, le plastique ne se déforme pas correctement et la forme souhaitée n'est pas atteinte ; à une température trop élevée, la structure expansée disparaît et les propriétés mécaniques de la pièce fabriquée ne possèdent plus les propriétés de la matière expansée que l'on souhaitait pourtant conserver. L'amorphisation partielle de la structure de la membrane de PTFE préservant ses propriétés mécaniques est décrite notamment par le document US 3,953,566 de Gore. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités des dispositifs de thermoformage en définissant une unité et un procédé de thermoformage aptes à 2903934 2 permettre la production de pièces thermoformées sans rencontrer les problèmes de fabrication cités. DEFINITION DE L'INVENTION 5 Ces nouvelles possibilités de fabrication sont atteintes grâce au fait que le thermoformage n'est pas réalisé en une seule étape, mais en plusieurs étapes de formage successives. L'unité de thermoformage comprend ainsi une série d'au moins deux moules dans 10 lesquels on conforme successivement une même feuille de matière plastique, les formes respectives desdits moules permettant de faire évoluer progressivement la forme de la feuille, de telle sorte qu'à l'étape finale, un moule final permet l'obtention de la forme voulue. Les moules des étapes antérieures à l'étape finale sont dits moules intermédiaires. 15 Dans ce qui suit, on dira qu'une forme, une surface, ou une courbe (par exemple une courbe de sectionnement ou section), est régularisée lorsqu'elle est remplacée respectivement par une forme, une surface, une courbe, de courbure plus régulière. Cela peut être le cas par exemple pour une forme, une surface, une courbe, dont le plus petit rayon de courbure à l'intérieur de la zone considérée est augmenté par 20 rapport à sa valeur initiale. Dans l'unité de thermoformage suivant l'invention, la forme d'une zone dans l'un des moules peut être avantageusement définie par régularisation de la zone correspondante du moule suivant (le moule utilisé à l'étape suivante). Avantageusement, cette régularisation peut se faire en suivant différentes méthodes 25 proposées ci-dessous. • La régularisation peut être faite à partir de sections choisies mesurées sur cette zone dans le moule suivant. • Plus précisément, cette régularisation peut être faite de manière à conserver la longueur développée de sections choisies mesurées sur cette zone. Cette 30 disposition permet lors de l'étape de formage suivante, de réduire les allongements subis par la matière dans le moule et ainsi, de faciliter l'obtention d'une pièce d'épaisseur constante. • La régularisation de l'ensemble ou d'une partie des sections indiquées ci-dessus peut être faite en particulier en remplaçant les sections considérées 2903934 3 par des courbes simples, par exemple des arcs de cercle ou des parties d'ellipse. Une autre méthode pour définir la forme de l'un des moules consiste à faire une inversion locale de la forme de la zone correspondante du moule suivant, en 5 effectuant une symétrie par rapport à un plan. Pour permettre l'obtention de pièces thermoformées de forme complexe, l'unité de thermoformage définie ci-dessus doit préférentiellement être mise en oeuvre en respectant certaines règles opératoires et pour certains matériaux. Ainsi, ce procédé de thermoformage donnera pleinement ses résultats si le matériau 10 utilisé est une matière plastique expansée, une matière thermoplastique fluorée expansée, ou notamment une membrane de PTFE expansé. Pour des matériaux comme ce dernier qui changent de translucidité lors du passage à la température de fusion cristalline, le contrôle de la température pendant l'une des opérations de formage peut avantageusement être réalisé en observant les 15 changements de translucidité de la matière. La matière mise en oeuvre devra être portée brièvement pendant le formage à une température supérieure à sa température de fusion cristalline. De plus, dans le cas où la matière mise en oeuvre possède une direction d'allongement spécifique (l'axe longitudinal d'une membrane uniaxialement 20 expansée par exemple) et où la forme d'un moule a été déterminée en modifiant des sections perpendiculaires à un axe donné, la matière pourra être mise en place dans les moules de telle sorte que sa direction d'allongement spécifique soit parallèle audit axe. Enfin, les caractéristiques de moules définies par la présente invention permettront 25 à l'homme du métier de définir de nouvelles unités de formage possédant la même aptitude à la production de pièces de formes complexes. On comprendra que le terme moule désigne ici tout outillage ou dispositif de formage de matière plastique. 30 DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : 2903934 4 • La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une unité de thermoformage conforme à l'invention ; • La figure 2 est un exemple de forme que l'on souhaite obtenir pour une pièce ; 5 • Les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant la détermination de la forme d'un moule intermédiaire pour la fabrication de cette pièce ; • Les figures 5 à 8 présentent une autre méthode de réalisation d'un moule intermédiaire, en effectuant des symétries locales par rapport à des plans. 10 DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES PREFERES DE REALISATION La figure 1 représente une unité de thermoformage conforme à l'invention. Celle-ci comporte un ensemble de moules 2,3, un système d'aspiration (partiellement 15 représenté), un système de chauffage (non représenté). Chaque moule est équipé d'un système de maintien de plaque 4. Le système d'aspiration comprend une ou plusieurs chambres d'aspiration 5, des canaux d'aspiration 6, des joints d'étanchéité 7 sur les chambres d'aspiration. 20 La plaque 1 de matière plastique est mise en place dans le système de maintien de plaque 4. Le système de chauffage vient ramollir la plaque 1, pendant que le système d'aspiration crée une dépression (dans l'exemple présenté) dans la chambre d'aspiration. La dépression se propage via les canaux d'aspiration jusqu'à la face non visible de la plaque 1. Sous l'effet du différentiel de pression entre la 25 face visible et la face non visible, la plaque 1 ramollie par la chaleur vient se plaquer et se conformer sur le moule. Dans le cas de l'unité présentée en figure 1, l'unité comporte seulement deux moules correspondant à deux étapes de formage. La plaque est d'abord formée 30 dans le moule intermédiaire 2 et prend une forme dont la section se rapproche dans l'exemple choisi d'un demi-cercle (1A en pointillé). Ensuite, la plaque est formée dans le moule final 3 au cours de l'étape finale de formage qui donne la forme définitive 1B. 35 Du fait que la pièce a reçue dans le moule 2 une forme préparatoire adéquate approchée de la forme définitive, l'opération de formage de l'étape finale donne de 2903934 5 bons résultats, c'est-à-dire notamment que la matière ne présente pas d'élongations ou d'amincissements excessifs et ne se déchire pas. Au lieu de mettre le moule en dépression pendant les étapes de formage, il est 5 également possible d'appliquer une pression sur la face visible de la pièce, la chambre d'aspiration, ses joints d'étanchéité, les canaux d'aspiration, étant modifiés en conséquence. De telles dispositions sont connues de l'homme du métier. Plus généralement, l'unité de thermoformage conforme à l'invention peut comporter 10 plusieurs moules de formes différentes de manière à pouvoir réaliser les opérations successives de formage : Une plaque est d'abord mise en forme sur le premier moule, puis après conformation par celui-ci, sur le moule suivant, et ainsi de suite jusqu'au dernier moule qui lui donne sa forme définitive (les changements de forme liés à la sortie de moule et au refroidissement étant mis à part). D'une manière 15 générale, plus la forme est complexe et comprend des zones de fort allongement de la matière, plus le nombre de moules sera élevé. Les moules présentés par les figures sont à empreinte unique, mais naturellement le procédé s'applique à des moules multi-empreintes. 20 Les moules peuvent être des moules femelles c'est-à-dire qu'ils esquissent ou reproduisent le côté concave de la pièce. Les moules peuvent aussi être des moules mâles. L'utilisation de moules femelles est préférable, la fixation des plaques ou membranes utilisées pour la fabrication étant particulièrement simple sur de tels 25 moules comme le montre la figure 1. Avantageusement, un moulage par dépression peut être réalisé plutôt qu'un moulage par injection d'air sous pression. Le moulage par dépression permet en effet de chauffer directement la matière sur sa face libre à l'air chaud, et d'observer 30 la déformation pour piloter le déroulement du procédé. Le chauffage peut être réalisé à l'aide d'un système de chauffage à infra-rouges, à air chaud pulsé, ou autre. La forme d'un moule intermédiaire est déterminée à partir de la forme du moule 35 suivant. La relation entre les formes des deux moules pourra être mieux comprise grâce à l'exemple suivant des figures 2 à 4. 2903934 6 La figure 2 présente un exemple de pièce 8 à fabriquer. Cette pièce comporte une zone 9 de fort allongement en partie centrale. La forme de la pièce comporte en particulier des arêtes vives 10. Comme il a été dit plus haut, une forme, une surface, ou une courbe (par exemple 5 une courbe de sectionnement ou section), est régularisée lorsqu'elle est remplacée respectivement par une forme, une surface, une courbe, de courbure plus régulière. Cela peut être le cas par exemple pour une forme, une surface, une courbe, dont le plus petit rayon de courbure à l'intérieur de la zone considérée est augmenté par rapport à sa valeur initiale. 10 Un première méthode de définition de la forme du moule intermédiaire consiste à régulariser la forme du moule suivant. Cette régularisation peut s'opérer de différentes manières. 15 • Selon l'exemple de la figure 3, la régularisation peut se faire en augmentant les valeurs de rayon, notamment sur les arêtes et zones de forte courbure. Avantageusement, on répartit à cette occasion la courbure de la pièce sur une zone plus grande. La figure 3 montre dans le cas de l'exemple présenté en figure 2, une forme de moule intermédiaire utilisable pour préparer la 20 matière en vue de l'étape finale. Les arêtes vives 10 de la figure 2 ont été remplacées par des congés 11. • La figure 4 montre un autre mode de régularisation : Elle est faite dans ce cas par régularisation d'un ensemble de sections choisies 12. Ces sections 25 pourront en particulier être choisies perpendiculaires à un même axe 13. • Sur chaque section, comme le montre la figure 4, un moyen avantageux pour régulariser la courbe obtenue, consiste à remplacer la section par une courbe de même longueur. Préférentiellement, on choisira une courbe sans point 30 d'inflexion comme par exemple un arc de cercle ou d'ellipse. La figure 4 présente les sections initiales 12A et les sections régularisées 12B qui seront utilisées pour définir le moule intermédiaire : La forme de celui-ci pourra être par exemple obtenue par interpolation de ces sections. 35 Dans les figures 5 à 8, il est présenté une autre possibilité pour la forme des moules intermédiaires. Pour certaines formes complexes et notamment les zones qui 2903934 7 nécessitent un fort allongement de la matière, cette méthode pour définir un moule intermédiaire peut donner de meilleurs résultats que les méthodes précédentes. La figure 5 présente un schéma de définition pour la forme d'un moule 5 intermédiaire. La forme 14 présentée comporte deux zones de fort allongement 15A et 16A, difficiles à réaliser en thermoformage. Pour réussir à thermoformer de telles zones, la forme choisie pour le moule intermédiaire est obtenue de la manière suivante : On détermine deux plans de symétrie P15 et P16. Pour ces plans on choisit 10 généralement les plans d'intersection entre la zone de fort allongement et la forme générale de la pièce. On réalise une symétrie des détails 15A et 16A par rapport à ces plans P15 et P16, ce qui fournit les formes 15B et 16B 'en miroir' des deux détails. 15 La figure 6 présente le moule intermédiaire obtenu à partir des formes définies par la méthode précédente. La figure 7 présente une première possibilité pour l'étape finale de formage suivant l'étape intermédiaire réalisée avec le moule de la figure 6. La plaque 1 est fixée dans 20 le moule 17 par le système de maintien 4. Sa forme vient de ce qu'elle a été conformée dans le moule de la figure 6 ; elle comporte donc notamment les formes inversées 15B et 16B. Le moule 17 peut avantageusement comporter plusieurs chambres d'aspiration de 25 manière à pouvoir agir plus spécifiquement sur les différentes zones de la pièce. En particulier, cela permet de soumettre les formes inversées à une dépression plus forte, ou pendant une plus longue durée, que le reste de la pièce. Un exemple de moule avec plusieurs chambres d'aspiration est présenté sur la figure 7. Lors de la mise en dépression du moule, les formes 15B et 16B vont s'inverser et 30 prendre les formes voulues 15A et 15B. La figure 8 représente une autre possibilité pour l'étape finale de formage suivant l'étape intermédiaire réalisée avec le moule de la figure 6. Du fait que certaines membranes sont très souples, il est envisageable avantageusement que l'étape 35 finale de thermoformage soit faite sur un moule mâle 18 comme le montre la figure 8. L'inversion des zones telles que 15B et 16B se fait alors dès le bridage de la plaque préformée sur le moule. 2903934 Plus généralement, la présente invention définit une méthode de conception d'unités de thermoformage. Celles-ci suivant l'invention sont conçues en respectant 5 pendant la conception des moules, les règles indiquées précédemment et en particulier : • le formage réalisé en plusieurs étapes de mise en forme successives • la définition d'une zone d'un moule par régularisation de la zone correspondante sur le moule de l'étape suivante, avec avantageusement 10 conservation de la longueur développée de sections choisies au cours de l'opération de régularisation ; ou • la définition d'une zone d'un moule par symétrie par rapport à un plan de la zone correspondante sur le moule de l'étape suivante. 15 La mise en oeuvre de l'unité de thermoformage définie par l'invention se fait de la manière suivante : La matière mise en oeuvre est initialement sensiblement sous forme de feuille 1. Les étapes de formage respectent chacune le processus suivant : • bridage de la plaque sur le système de maintien, 20 • Activation du système de chauffage qui vient ramollir la feuille, • Activation du système de mise en pression/dépression dans le moule. Le différentiel de pression créé entre les faces de la feuille vient déformer celle-ci et la plaquer sur le moule, • Arrêt des systèmes de chauffage et mise en pression/dépression, 25 • Dépose de la plaque formée, • Transfert de celle-ci vers le moule suivant. Avantageusement, pour une unité de thermoformage équipée d'un système d'aspiration, celui-ci possède un débit variable afin que l'opérateur en charge du 30 thermoformage puisse régler la dépression à appliquer en fonction du matériau et de l'état du matériau. Cette fonction est particulièrement utile dans le cas où un moule comporte plusieurs chambres d'aspiration, comme cela a été proposé plus haut. 2903934 9 Dans le cas où le matériau présente un changement de translucidité lorsqu'il atteint sa température de fusion cristalline, l'opérateur peut utiliser cette propriété pour optimiser la durée de la phase de chauffage dans le moule. Ainsi, le contrôle de la température pendant les opérations de formage est réalisé en 5 se fondant sur l'observation des changements de translucidité de la matière mise en oeuvre. Idéalement pendant le formage, la matière est portée seulement brièvement à une température supérieure à sa température de fusion cristalline. De plus, dans le cas où la matière mise en oeuvre possède une direction d'allongement spécifique (l'axe longitudinal d'une membrane uniaxialement 10 expansée par exemple) et où la forme du moule considéré a été déterminée en modifiant des sections perpendiculaires à un axe donné (l'axe 13 sur la figure 4, par exemple), l'opérateur peut avantageusement mettre en place la feuille dans le moule de telle sorte que ladite direction d'allongement de la matière soit parallèle audit axe ayant servi pour la conception du moule. 15 Ce procédé peut avantageusement être utilisé pour des matériaux expansés. Préférentiellement on utilisera des membranes souples pour faciliter les opérations de formage et notamment le bridage de la plaque de matière plastique dans le moule. Pour ces raisons, le procédé est particulièrement adapté à la conformation de matières thermoplastiques fluorées expansées et en particulier de membranes à base de PTFE (poly-tétra-fluor-éthylène). La souplesse de ces membranes et leur faible adhérence contribuent en effet au succès de la fabrication. 25 De plus, pour de tels matériaux, en s'élevant en température, la plaque change de translucidité lorsqu'elle atteint la température de transition cristalline. Il est alors possible simplement de limiter la durée du passage à haute température afin de préserver au mieux les propriétés mécaniques de la membrane initiale, tout en 30 assurant la stabilité dimensionnelle de la forme imposée pendant le formage. L'unité de thermoformage présentée dans ce document, le procédé de conception des moules qu'elle comporte, et le procédé de thermoformage associés, permettent l'obtention de pièces de forme complexe, stables en dimensions, et avec de faibles 35 variations en épaisseur. 20 2903934 io Ainsi, les caractéristiques spécifiques de l'unité de thermoformage définie par l'invention, conjointement avec les propriétés de souplesse et de glisse de certaines membranes en matière plastique, et notamment en PTFE, permettent la fabrication de pièces de formes jusqu'à présent irréalisables par les méthodes traditionnelles de 5 thermoformage. REVENDICATIONS 1. Unité de thermoformage d'une pièce de matière plastique, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux moules (2,3) , dont les formes respectives permettent de faire évoluer progressivement la forme de la matière mise en oeuvre, de manière à ce qu'à l'étape finale, un moule final permette l'obtention de la forme voulue. 2. Unité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le formage est réalisé pendant l'une des étapes au moins avec mise sous vide d'un moule à l'aide d'un système d'aspiration (5). 3. Unité selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'un au moins des moules est un moule femelle. 4. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière mise en oeuvre est initialement sensiblement sous forme de feuille (1). 5. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la forme d'une zone d'un moule est définie en régularisant la zone correspondante du moule suivant. 6. Unité selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisée en ce que la forme d'au moins une zone de l'un des moules est déterminée à partir de la forme de la zone correspondante du moule suivant, de manière à régulariser des sections choisies (12A) mesurées sur cette zone dans le moule suivant. 7. Unité selon la revendication 6, caractérisée en ce que la régularisation de l'ensemble ou d'une partie desdites sections se fait en remplaçant les sections considérées par des courbes (12B) de mêmes extrémités ne comportant pas de point d'inflexion, qui peuvent être par exemple des arcs de cercle ou des parties d'ellipse. 8. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la forme d'au moins une zone de l'un des moules est déterminée à partir de la forme de la zone correspondante du moule suivant, de manière à conserver la longueur développée de sections choisies mesurées sur cette zone. 9. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la forme d'au moins une zone (15B,16B) de l'un des moules est déterminée 2903934 12 sensiblement en inversant localement la forme de la même zone du moule suivant (15A,16A), en effectuant une symétrie par rapport à des plans. 10. Procédé comprenant la mise en oeuvre de l'unité de thermoformage définie par l'une quelconque des revendications 1 à 9. 5 11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau utilisé est une matière plastique expansée. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour le procédé est une matière thermoplastique fluorée expansée. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau est un 10 matériau constitué majoritairement de PTFE expansé. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13 pour une unité de thermoformage équipée d'un système d'aspiration (5), caractérisé en ce que ledit système d'aspiration possède un débit variable. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce 15 que le contrôle de la température pendant l'une des opérations de formage est réalisé en se fondant sur l'observation des changements de translucidité de la matière mise en oeuvre, dans le cas de matières pour lesquelles le changement de translucidité est lié au changement d'état ou de structure microscopique de la matière. 20 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que la matière mise en oeuvre est portée brièvement pendant une phase de formage à une température supérieure à sa température de fusion cristalline. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, dans le cas où la matière mise en oeuvre possède une direction d'allongement spécifique et où 25 la forme d'un moule intermédiaire a été déterminée en modifiant des sections perpendiculaires à un axe (13), caractérisé en ce que la matière est mise en place dans les moules de telle sorte que ladite direction soit parallèle audit axe. 18. Procédé de conception de moule de thermoformage, dans lequel la forme 30 d'un moule intermédiaire est conçue à partir de la forme d'un moule suivant, en régularisant une zone ou encore des sections (12A) sur une zone, cette régularisation conservant la longueur développée de sections mesurées sur la zone modifiée. 2903934 13 19. Procédé de conception de moule de thermoformage, dans lequel la forme d'un moule est conçue à partir de la forme du moule suivant, en inversant la forme de certaines zones (15A,16A) par symétrie par rapport à des plans.