Brevet FR2922148A1 — publié le 20090417

PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UNE PREFORME AVEC UN RAYONNEMENT INFRAROUGE POUR LE SOUFFLAGE D'UN CONTENANT La présente invention concerne un procédé de chauffage d'une préforme avec un rayonnement infrarouge pour le soufflage d'un contenant. Dans les installations de fabrication de contenants creux comme des bouteilles en matière plastique destinées à contenir des liquides pour ne citer que cet exemple, on utilise un procédé dit de soufflage. Le procédé bien connu consiste à réaliser des préformes dans le matériau adapté, qui serviront au soufflage du contenant final de forme et de volume souhaités. Ces préformes ont généralement au moins deux parties : un col et un corps. Le col est aux dimensions et profil finaux du produit à obtenir. Le corps est de dimensions réduites, généralement cylindrique, à paroi épaisse puisqu'il inclut la matière nécessaire à l'obtention du corps aux dimensions finales du produit avec une épaisseur de paroi réduite. Le soufflage consiste à maintenir la préforme par le col, à mettre en température le corps de la préforme dans un four, à introduire le corps de la préforme en température dans un moule puis, après avoir fait l'étanchéité, à souffler par le col de l'air sous pression pour déformer la préforme et plaquer la paroi extérieure de la préforme soufflée contre la paroi intérieure du moule de sorte à lui conférer le profil volumique recherché, puis à figer le contenant avec cette forme par abaissement de la température du matériau dudit contenant. Les opérations se déroulent sur des chaînes travaillant généralement en continu et les cadences de ces chaînes sont notamment déterminées par les temps de traitement de certains postes notamment par le temps de chauffage de la préforme. Dans la mise en oeuvre de ce procédé, de très nombreuses difficultés sont rencontrées et pour certaines d'entre elles résolues. Néanmoins, un des postes très important et complexe reste le poste de chauffage des préformes. La problématique est multiple déjà pour ce seul poste. L'un des problèmes à résoudre est celui de chauffer le corps de la préforme en limitant très fortement le chauffage du col qui est définitif et qui ne doit subir aucune déformation, modification de structure, modification du profil ou modification du matériau qui le constitue. La température du col doit généralement rester inférieure à une température de 50°C pour donner un ordre d'idée tandis que le corps est porté à une température comprise entre 90 et 150°C, toujours pour donner un exemple. A cette fin, les supports de col sont refroidis à l'eau, ce qui est une source de pertes d'énergie et donc d'augmentation des coûts, d'autant plus importante que la diffusion de la chaleur environnante est importante. Or de très nombreuses calories sont diffusées dans l'air environnant, ce qui le porte à une température élevé, créant un cercle vicieux. En effet, pour chauffer les préformes, on utilise actuellement des rampes de lampes à infrarouges, ces rampes étant réparties en plusieurs postes le long du déplacement desdites préformes. A chaque poste, la rampe de lampes est alimentée de façon à obtenir un profil de températures le long du corps de la préforme. La préforme est tenue col en bas. Aussi, la chaleur ayant tendance à monter, il se produit un gradient naturel de température le long du corps de la préforme. Aussi, pour tenir compte de ce gradient et pour le compenser d'une part, mais aussi pour maîtriser un profil adapté de répartition de la chaleur le long du corps de la préforme en fonction des zones à souffler d'autre part, la température émise par chaque lampe d'une même rampe est différente. Ceci est actuellement obtenu en modulant la puissance électrique d'alimentation de chaque lampe d'une même rampe au moyen de variations de la tension 5 appliquée aux bornes de chaque lampe. Pour obtenir une homogénéité périphérique en température, les préformes sont mises en rotation durant le passage dans le four de façon à présenter toute la surface périphérique de chaque préforme aux lampes de chaque rampe. Les lampes sont toutes identiques de façon à éviter une gestion de stocks trop 10 complexe compte tenu du nombre de lampes d'une installation et, a fortiori, celle de plusieurs installations. Le changement d'une lampe est une opération qui nécessite une interruption du four d'où une recherche permanente de solutions pour limiter le nombre d'interventions en maintenance, en dehors des opérations normales de 15 changement des lampes. On constate que les lampes émettant dans l'infrarouge ont une durée de vie donnée en fonction d'une puissance optimisée de travail, déterminée. Ces durées de vie sont des données du constructeur. Un problème est lié au fait que, pour respecter le profil recherché de 20 températures au sein d'un même poste, les lampes étant pilotées en puissance, on fait varier la tension d'alimentation de ces lampes. Ces lampes travaillent donc rarement à la tension optimisée préconisée par le constructeur pour atteindre les durées de vie garantie, ces variations de tension limitent leur durée de vie. 25 De plus, les lampes ont un rendement optimal également pour une puissance donnée, c'est-à-dire le meilleur ratio électricité absorbée et rayonnement infrarouge émis. Dans le cas de la gestion des profils par variation de tension, le rendement des lampes n'est pas optimal, ce qui engendre une consommation électrique supérieure aux besoins avec une puissance consommée trop importante par rapport à la puissance émise pour obtenir la puissance nécessaire. De plus, pour chauffer une préforme, il faudrait que la paroi de la préforme ne présente pas de gradient de température dans son épaisseur, or on chauffe de l'extérieur vers l'intérieur. Il se produit donc un gradient de température avec une température de la surface extérieure de la paroi supérieure à la température de la surface intérieure de cette même paroi. Afin de limiter ce phénomène, de l'air est soufflé le long de la préforme pour refroidir la paroi extérieure afin d'émettre une forte puissance de rayonnement infrarouge pour chauffer rapidement dans l'épaisseur de la paroi, sans dégrader la surface extérieure. Ceci complète le cercle vicieux car plus on veut aller vite, plus on chauffe, plus on dissipe de calories dans l'environnement immédiat, plus il faut refroidir le col et la paroi extérieure. Un autre problème est celui qui se pose vis-à-vis du matériau de la préforme, considéré dans l'épaisseur de la paroi. Lors de l'émission des infrarouges, une première partie du spectre émis traverse le matériau sans provoquer d'élévation en température du matériau de la préforme, c'est le phénomène de transmission. Une deuxième partie du spectre émis est réfléchie par la préforme sans provoquer d'élévation en température du matériau de la préforme, c'est le phénomène de réflexion. Ces parties perdues du spectre émis contribuent par contre à échauffer encore l'environnement de la préforme, renforçant le cercle vicieux précité puisqu'il faut en plus évacuer ces calories inutilement produites. La troisième partie du spectre est la partie utile puisque les ondes émises sont absorbées par le matériau et contribuent ainsi à son échauffement. C'est le phénomène d'absorption. Pour permettre une bonne diffusion de cet échauffement lié à l'absorption dans l'épaisseur de la paroi, il est ainsi prévu plusieurs postes successifs afin de laisser diffuser les calories absorbées au sein du matériau. Afin de favoriser la proportion d'énergie absorbée et donc l'élévation de la température du matériau de la préforme et afin de permettre une bonne pénétration des ondes infrarouges dans l'épaisseur de la paroi il est nécessaire de contrôler, selon la présente invention, le spectre des longueurs d'ondes émises. Le spectre infrarouge couvre sensiblement de 800 nm à 10 pm, sachant que la 10 longueur d'onde optimale couvre la plage de 1 à 1,5 nm. La longueur d'onde est définie par la température du filament, si bien que lorsque le pilotage de l'art antérieur prévoit un pilotage en faisant varier la puissance donc la tension, la longueur d'onde de chaque lampe varie simultanément. 15 De fait, le spectre émis varie et le rayonnement infrarouge émis peut être plus ou moins transmis, plus ou moins réfléchi et plus ou moins absorbé. Si la puissance restait constante, le spectre du rayonnement infrarouge conserverait toujours la même distribution. Outre les contraintes énergétiques préalablement exposées, on constate de plus 20 une grande difficulté de réglage car la variation de puissance de l'ensemble des lampes du poste modifie le profil de chauffe par modification des longueurs d'ondes de chacune des lampes donc de l'absorption par le matériau au droit de chacune des lampes, ceci sans aucune proportionnalité. Un autre constat de déficience des procédés de l'art antérieur travaillant en 25 modulation de tension/puissance est celui des temps de cycle. Les lampes restent allumées en continu. De fait la consommation électrique étant proportionnelle à la durée d'allumage, ceci n'est pas satisfaisant. Dans le cas de la présente invention, les lampes fonctionnent en discontinu avec des phases d'extinction largement supérieures aux phases d'allumage. Ceci permet en outre une excellente diffusion des calories absorbées durant cette phase d'extinction, permettant ainsi d'optimiser cette phase de diffusion et de bénéficier d'une répartition homogène de toute l'énergie absorbée durant la phase d'allumage, à un poste. Ceci évite aussi de limiter la capacité d'absorption d'énergie au poste suivant et permet au contraire d'optimiser l'absorption. Le rendement énergétique d'un four est généralement inférieur à 20% voire pour un grand nombre d'entre eux, le rendement énergétique est compris entre 12 à 15%. Dans le cas de la présente invention, le rendement peut atteindre 30 à 40%. Le procédé selon la présente invention est maintenant décrit en détail selon un mode particulier de réalisation, palliant les inconvénients précités et apportant 15 une solution aux différents problèmes exposés ci-avant. Afin d'illustrer très schématiquement le procédé, la description est effectuée en regard de dessins sur lesquels les différentes figures représentent -figure 1 : une préforme disposée au droit d'une rampe d'un poste de chauffage d'un four, et 20 - figure 2 : un synoptique des durées de chauffage et de diffusion. Ainsi que représenté sur la figure 1, une préforme 10 comprend un col 12 soutenu par un support 14 refroidi, généralement par une circulation interne d'eau. Le col 12 est au profil définitif et doit être maintenu à une température évitant toute déformation, toute modification de structure du matériau, toute perte des 25 propriétés mécaniques. Le col 12 est orienté ouverture vers le haut dans l'exemple retenu mais le procédé selon l'invention trouverait application de la même façon si la préforme était retournée de 180°, donc col vers le bas. La préforme comprend, dans la continuité du col 12, un corps 16. Ce corps 16, généralement cylindrique, présente une paroi 18 épaisse E. Ce corps 16 vient au droit d'un poste Px de chauffage comprenant une rampe 20 comportant des lampes L1 à L7 dans le cas présent, réparties sur la hauteur h du corps 16 de la préforme, par exemple. Dans le four, les préformes sont déplacées sans reprise mais en discontinu avec un arrêt au sein de chaque poste. Le procédé selon la présente invention consiste à piloter les lampes L1 à L7 de chaque rampe 20 des postes Px successifs de chauffage en faisant varier la durée d'alimentation et à puissance constante, afin d'obtenir un gradient de températures. Ainsi, le procédé prévoit d'associer à chacune des lampes L1 à L7 un temps d'alimentation t1 à t7. Dans cet exemple, en fonction du profil de chauffage nécessaire de la 15 préforme 10, on peut affecter les durées suivantes : - t1 = 2,0s - t2 = 1,5s - t3=1,0s - t4 = 1,0s 20 - t5 = 1,0s - t6 = 1,5s - t7 = 2,0s La puissance d'alimentation des lampes U. à L7 de chaque rampe est identique et correspond à la puissance Po optimale préconisée par le constructeur. Cette 25 puissance Po correspond au meilleur rendement et à la durée de vie minimale garantie. Le choix des lampes doit aussi tenir compte du spectre d'émission afin d'obtenir la meilleure absorption par le matériau constituant la préforme 10. Le procédé peut être affiné en ajustant la puissance optimale Po pour utiliser une puissance de travail Pt. Cette puissance de travail Pt correspond au spectre d'émission de chaque lampe pour lequel le matériau présente le meilleur taux d'absorption. Du fait de la meilleure absorption, de la puissance maximale du rayonnement émis, la durée d'allumage des lampes est réduite et comme le rendement de chaque lampe est également optimal, l'énergie électrique consommée est fortement réduite. De fait, la durée d'allumage des lampes étant réduite, le temps de diffusion dans l'épaisseur entre deux périodes de chauffage au sein de deux postes successifs est très important, ce qui améliore l'absorption durant la période de chauffage. En mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention, on peut même obtenir si cela s'avère nécessaire pour le soufflage de certains contenants spécifiques, un gradient inverse de température dans l'épaisseur de la paroi c'est-à-dire une température en surface intérieure de la paroi supérieure à la température en surface extérieure de cette même paroi. Il suffit pour cela de refroidir la préforme par une circulation d'air le long de la surface extérieure de la paroi. On note que les pertes énergétiques dans l'ambiance périphérique étant diminuées, ce "refroidissement" reste modestement pénalisant. La puissance de circulation reste faible car elle n'a pas pour but de protéger la surface extérieure vis-à-vis de dégradations générées par un chauffage prolongé et puissant mais seulement d'inverser le gradient de température. La facilité d'ajustement du chauffage est un avantage très important résultant 25 du procédé selon l'invention. En effet, si au poste de soufflage il est constaté un défaut de chauffage, il est très facile d'ajuster et de façon précise la puissance du chauffage par modification d'un pourcentage identique du temps de chauffage, appliqué à toutes les lampes de la rampe d'un poste donné. La tension durant la phase d'allumage reste toujours celle qui permet à chaque lampe de travailler à la puissance de travail, Pt, donc à la puissance optimisée. Les variations de longueur d'onde sont évitées et il est ainsi possible de disposer d'une réelle proportionnalité de réglage de la puissance de chauffe. Les avantages en cascade découlent de ce procédé. Les interruptions de production liées à des changements de lampes sont limitées à des exceptions car les lampes travaillant de façon optimisée, il en résulte qu'elles atteignent la durée de vie minimale garantie. bu fait de la diminution des pertes d'énergie dans l'environnement immédiat, il est possible de diminuer la puissance de refroidissement tant pour la ventilation qu'au niveau des supports de col. Le travail avec le col ouverture orientée vers le haut ne pose plus de problème. Il est même possible de supprimer un ou plusieurs postes dans les fours pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention car l'efficacité et le rendement des postes en service sont suffisants. Le four peut avoir un pilotage asservi du fait de la proportionnalité. Si la température mesurée de la préforme au sein du moule de soufflage n'est pas suffisante, il peut y avoir une augmentation de la durée de chauffage sur le dernier poste ou répartie sur plusieurs postes en fonction des règles édictées. Un bouclage permet un travail dans les meilleures conditions. On constate, à la lecture de la description qui précède, les avantages liés à la présente invention et exposés en préambule. Notamment dans le cas des fours travaillant en continu, on chauffe l'air ambiant. Si la puissance est diminuée et si on travaille en continu on continue à chauffer l'air, de façon légèrement moindre, mais parallèlement on fait varier la longueur d'ondes si bien que l'on disperse plus les calories émises. Dans le cas de la présente invention, on allume moins longtemps les lampes et les préformes absorbent plus, on chauffe donc beaucoup moins l'air environnant. Selon une variante de la présente invention, il est aussi possible de prévoir l'introduction dans la préforme d'un corps noir, par exemple un doigt en un matériau absorbant de sorte à ce que ce corps noir assure une ré-émission des calories transmises à travers la préforme vers la paroi intérieure. Selon une autre variante, il est prévu un doigt interne comportant des moyens de chauffage, ce doigt étant apte à être introduit dans la préforme. REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'une préforme (10) au moyen d'un rayonnement infrarouge émis par au moins une rampe (20) de lampes L1 à Ln identiques d'au moins un poste de chauffage, cette préforme étant notamment destinée à la réalisation d'un contenant par soufflage, caractérisé en ce qu'il consiste à piloter les lampes L1 à Ln de chaque rampe (20) des postes Px successifs de chauffage avec une puissance constante, en durée d'alimentation t1 à t7 afin d'obtenir un gradient de températures le long de chacune desdites rampes (20). 2. Procédé de chauffage d'une préforme (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit les lampes L1 à Ln en fonction du spectre d'émission afin d'obtenir la meilleure absorption par le matériau constituant la préforme (10). 3. Procédé de chauffage d'une préforme (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la puissance d'alimentation des lampes L1 à Ln de chaque rampe (20) est identique et correspond à la puissance Po optimale de ladite lampe. 4. Procédé de chauffage d'une préforme (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la puissance Po correspond au meilleur rendement et à la durée de vie garantie pour la lampe utilisée. 5. Procédé de chauffage d'une préforme (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance est ajustée à une valeur Pt de puissance de travail de façon à obtenir un spectre d'émission pour atteindre une absorption optimisée par la préforme. 6. Procédé de chauffage d'une préforme (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on asservit le pilotage dutemps de chauffage t à la température mesurée de la préforme lors de sa mise en forme par soufflage. 7. Procédé de chauffage d'une préforme selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour ajuster la température de la préforme (10), on augmente ou on diminue la durée t d'alimentation des lampes d'au moins une rampe (20). 8. Procédé de chauffage d'une préforme selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on ré-émet de l'intérieur de la préforme des calories émises par lesdites lampes en introduisant un corps noir dans la préforme (10). 9. Procédé de chauffage d'une préforme selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on émet des calories de l'intérieur de la préforme en introduisant des moyens de chauffage dans ladite préforme.