Brevet FR2965505A1 — publié le 20120406

Procédé de formaqe d'un récipient muni d'une empreinte sur une zone surchauffée L'invention a trait à la fabrication des récipients, notamment 5 bouteilles, flacons, par formage à partir d'ébauches (généralement des préformes, bien qu'il puisse s'agir de récipients intermédiaires) en matière plastique tel que polyéthylène téréphtalate (PET). La fabrication des récipients comporte deux étapes principales : une étape de chauffe au cours de laquelle les ébauches sont exposées 10 au rayonnement électromagnétique de sources émettant dans l'infrarouge, suivie d'une étape de formage au cours de laquelle un gaz sous pression est injecté dans les ébauches ainsi chauffées pour leur donner la forme finale du récipient. De nombreux récipients ne sont pas symétriques de révolution et 15 présentent des empreintes locales, en creux ou en saillie. Ces empreintes peuvent être purement esthétiques, ou avoir une fonction particulière telle qu'une poignée (cf. par exemple le brevet américain US4123217 au nom de FISHER), ou encore des pieds renforcés (cf. par exemple le brevet français FR2822804 ou son équivalent américain 20 US7051889, au nom de la demanderesse, décrivant un fond pétaloïde). Ces récipients sont plus difficiles et plus complexes à former que les récipients ordinaires, en raison d'une mauvaise répartition de la matière, qui entraîne une dégradation des propriétés physiques du récipient, ou un aspect opaque et blanchâtre de la matière. 25 C'est pourquoi la liberté des formes est souvent limitée par la volonté des fabricants d'éviter de trop contraindre localement la matière. L'invention vise à faciliter le formage des récipients munis d'empreinte en creux ou en saillie. 30 A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'un récipient muni d'une empreinte locale en creux ou en saillie, à partir d'une ébauche en matière thermoplastique, ce procédé comprenant : Une étape de chauffe dans laquelle l'ébauche est exposée à un rayonnement infrarouge monochromatique ou pseudo- 35 monochromatique, dont l'intensité présente localement un S001 B074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD extremum au droit d'une zone localisée de l'ébauche, de sorte à générer dans cette zone un extremum de température ; Une étape de formage dans laquelle un fluide sous pression est injecté dans l'ébauche ainsi chauffée, une empreinte en creux ou en saillie étant formée au niveau de ladite zone localisée. Ce procédé permet de faciliter la prise d'empreinte (soit en creux soit en saillie) au niveau d'une zone localisée dont la température présente un extremum, c'est-à-dire un maximum ou un minimum. Il en résulte une plus grande facilité de formage, une meilleure stabilité to dimensionnelle du récipient, ainsi qu'une plus grande liberté dans les formes possibles de récipient, Selon un mode de réalisation, la zone surchauffée est localisée à la fois axialement et radialement sur l'ébauche, par exemple sur un fond de l'ébauche. 15 Le rayonnement infrarouge est par exemple émis par une matrice de sources de rayonnement monochromatique ou pseudomonochromatique, subdivisée en un ensemble principal de sources émettant un rayonnement d'intensité moyenne sensiblement identique, et un ensemble secondaire de sources émettant un rayonnement dont 20 l'intensité présente un extremum : soit un pic, soit un creux, avec un écart par rapport à l'intensité moyenne d'au moins 10%. Selon un mode de réalisation, l'ensemble secondaire comprend une série de groupes ponctuels de sources, écartés les uns des autres et formant un motif périodique, qui présente par exemple une période 25 égale à la distance parcourue par une ébauche lors d'une révolution complète autour d'un axe principal de celle-ci. Les sources de rayonnement sont par exemple des sources laser, et de préférence des diodes laser, notamment du type VCSEL. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la 30 lumière de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective illustrant partiellement une unité de chauffe comprenant une paroi tapissée de sources infrarouge ponctuelles, devant laquelle défilent des préformes ; 35 - la figure 2 est une vue de face de l'unité de chauffe de la figure 1 ; S001 8074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD la figure 3 est une vue de l'unité de chauffe de la figure 2, en coupe verticale selon le plan de coupe III-III ; la figure 4 est une vue de l'unité de chauffe de la figure 3, en coupe horizontale selon le plan de coupe IV-IV ; la figure 5 est un schéma montrant, au centre, une préforme chauffée de manière sélective, sur la gauche, un diagramme illustrant le profil de l'intensité rayonnée par les sources en regard de la préforme et, sur la droite, un thermogramme illustrant les variations de la température de la préforme ; lo - la figure 6 est une vue en perspective de dessous montrant une préforme avec, en grisé, des zones surchauffées ; la figure 7 est une vue en perspective de dessous montrant un récipient à fond pétaloïde obtenu par formage de la préforme de la figure 6. 15 Sur les figures 1 à 4 est schématiquement représentée une unité 1 de chauffe d'ébauches 2 de récipients au défilé. Les ébauches 2 sont en l'occurrence des préformes, mais il pourrait s'agir de récipients intermédiaires ayant subi des opérations temporaires de formage et destinées à subir une ou plusieurs opérations définitives pour 20 l'obtention des récipients définitifs. Chaque préforme 2, réalisée dans une matière thermoplastique telle que polyéthylène téréphtalate (PET), comprend un col 3, qui n'est pas (ou peu) soumis à la chauffe et dont la forme est définitive, et un corps 4 qui se termine, à l'opposé du col 3, par un fond 5 25 hémisphérique. A la jonction entre le col 3 et le corps 4, la préforme 2 présente une collerette 6 par laquelle la préforme 2 est suspendue à diverses étapes de la fabrication du récipient. Dans l'unité 1 de chauffe toutefois, les préformes 2 sont fixées à 30 des supports pivotants appelés tournettes, qui entraînent les préformes 2 en rotation autour de leur axe A principal de manière à exposer la partie sous col (l'ensemble du corps 4 et le fond) à la chauffe. Chaque tournette comprend un pignon engrenant une crémaillère fixe, de sorte que chaque point situé sur la circonférence de la préforme 1 décrit sur 35 le trajet de la préforme 2 une cycloïde C (tracée en pointillés sur la figure 4) dont la période est égale à la distance parcourue par la S001 B074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD préforme 2 pour une révolution complète (dans le sens indiqué par la flèche f2 de la figure 4) autour de son axe A. Sur les figures 1 à 3, on a représenté les préformes 2 col en haut, mais cette représentation est arbitraire et illustrative, et les préformes 2 5 pourraient être orientées col en bas. L'unité 1 de chauffe présente une paroi 7 rayonnante en regard de laquelle défilent les préformes 2. Cette paroi 7 est tapissée d'une pluralité de sources 8 de rayonnement électromagnétique émettant de manière à la fois monochromatique (ou pseudo-monochromatique) et 10 directive vers les préformes 2, dans le domaine de l'infrarouge. En théorie, une source monochromatique est une source idéale émettant une onde sinusoïdale de fréquence unique. En d'autres termes, son spectre en fréquence est constitué d'une seule raie de largeur spectrale nulle (Dirac). 15 Dans la pratique, une telle source n'existe pas, une source réelle étant au mieux quasi-monochromatique, c'est-à-dire que son spectre en fréquence s'étend sur une bande de largeur spectrale faible mais non nulle, centrée sur une fréquence principale où l'intensité du rayonnement est maximale. Par abus de langage, on a toutefois 20 coutume de qualifier une telle source réelle de monochromatique. Par ailleurs, on qualifie de « pseudo-monochromatique » une source émettant de manière quasi-monochromatique sur un spectre discret comprenant plusieurs bandes étroites centrées sur des fréquences principales distinctes. On parle également de source multimodes. 25 En pratique, les sources 8 sont organisées par juxtaposition et superposition pour former une matrice 9. Il s'agit par exemple de sources 8 laser, et de préférence de diodes laser. Selon un mode préféré de réalisation, la matrice 9 est une matrice de diodes 8 laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), chaque diode 8 30 émettant par exemple un faisceau 10 laser d'une puissance unitaire nominale de l'ordre du milliWatt à une longueur d'onde située dans la plage des infrarouges courts et moyens - par exemple de l'ordre de 1 pm. A l'échelle des préformes 2, les diodes 8 peuvent être considérées 35 comme des sources ponctuelles, qui émettent chacune un rayonnement directif, c'est-à-dire sous forme d'un faisceau 10 lumineux conique dont S001 8074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD le demi-angle solide au sommet est fermé, et de préférence compris entre 10° et 60°. Le faisceau 10 peut être symétrique de révolution (i.e. à section circulaire), ou non symétrique de révolution (par exemple à section elliptique). L'objet de la présente demande n'est pas de décrire en détail la structure de la matrice 9 de diodes 8. C'est pourquoi on a représenté la matrice 9 de manière simplifiée, sous forme d'une plaque, les diodes 8 apparaissant sous forme de points. L'unité 1 de chauffe est conçue pour permettre une modulation de 10 la puissance (on parle également de l'intensité) du rayonnement émis par chaque diode 8, ou par groupes de diodes. Cette modulation peut être réalisée par voie électronique, la puissance des diodes 8 étant par exemple visualisée sur un moniteur de contrôle. Ce moniteur peut être tactile et afficher, pour un groupe donné 15 de diodes, un curseur dont le glissement provoque la modulation de la puissance du rayonnement émis par les diodes 8 du groupe à une valeur comprise entre une valeur Pm;n minimale prédéterminée (par exemple nulle) et une valeur Pmax maximale correspondant par exemple à la puissance nominale des diodes 8. 20 On souhaite procéder à une chauffe différentielle, c'est-à-dire sélective et non uniforme, de chaque préforme 2, de manière à obtenir localement sur celle-ci au moins une zone 11 localisée, à la fois axialement (c'est-à-dire dans la hauteur de la préforme 2) et radialement (c'est-à-dire dans la circonférence de la préforme 2), dans 25 laquelle la température présente un extremum (maximum ou minimum) par rapport à son voisinage. En d'autres termes, on souhaite surchauffer, ou au contraire sous-chauffer, localement, la préforme 2. Selon un mode particulier de réalisation, on souhaite obtenir des zones 11 surchauffées, localisées par exemple sur le fond 5, afin 30 notamment de faciliter la réalisation de pieds 12 lors du formage d'un récipient 13 à fond 14 pétaloïde, comme nous le verrons ci-après. Ces zones 11 sont localisées non seulement axialement, mais aussi radialement sur le fond 5 de la préforme 2. A cet effet, la matrice 9 est subdivisée en deux ensembles de 35 diodes, à savoir : S001 8074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD - Un ensemble 15 principal, connexe, dont les diodes 8 émettent un rayonnement dont l'intensité P1 est réglée à une valeur moyenne identique, par exemple inférieure à la puissance Pmax maximale (notamment avec une atténuation comprise entre 10% et 20%) ; Un ensemble 16 secondaire composé d'une série de groupes 17 ponctuels, fixes, de diodes 8 émettant un rayonnement dont l'intensité est réglée à une valeur P2 (constante et identique au sein de chaque groupe 17) extrêmale, présentant avec la valeur P1 un écart d'au moins 10%, et possiblement jusqu'à 20% (selon un mode de réalisation illustré sur la figure 5, où les diodes de l'ensemble 16 secondaire sont réglée sur un pic d'intensité, l'intensité P2 est égale à la puissance Pmax maximale tandis que l'intensité P1 moyenne est égale à environ 80% de la puissance Pmax maximale). Le terme « ponctuel » ne signifie pas que chaque groupe 17 est nécessairement réduit à une diode 8 unique (ce qui est toutefois envisageable) ou que chaque groupe 17 comprend un nombre négligeable de diodes 8. Il signifie, d'une part, que chaque groupe 17 soit connexe, ses diodes 8 étant adjacentes, et, d'autre part, que l'aire occupée par chaque groupe 17 de diodes 8 soit faible par rapport à l'aire totale de la matrice 9. Les groupes 17 de diodes 8 de l'ensemble 16 secondaire sont disjoints et épars le long du trajet des préformes 2. Ils sont écartés les uns des autres tout en formant ensemble un motif périodique dépendant de la configuration de la zone 11 (ou des zones) que l'on souhaite surchauffer (ou à l'inverse sous-chauffer) sur la préforme 2. Ainsi, afin de localiser l'intensité P2 de chauffer sur des zones 11 situées sur le fond 5 des préformes 2, l'ensemble 16 secondaire est formé d'une série linéaire, horizontale, de groupes 17 de diodes 8 situés à hauteur et en regard du fond 5 des préformes 2. Chaque groupe 17 de diodes 8 définit un contour fermé correspondant sensiblement au contour de la zone 11 localisée. Ainsi, dans l'exemple illustré, où les zones 11 sont des secteurs angulaires localisés sur le fond 5 de la préforme 2, le contour des groupes 17 de diodes 8 de l'ensemble 16 secondaire est sensiblement triangulaire, S001 8074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD avec un sommet du triangle pointant vers le bas et le côté opposé du triangle horizontal. A chaque zone 11 localisée correspond dans l'ensemble 16 secondaire un sous-ensemble de groupes 17 de diodes 8 équirépartis le long du trajet (indiqué par la flèche F1 sur la figure 4) de la préforme 2 et présentant entre eux un écartement égal à la distance parcourue par la préforme 2 pour une révolution complète autour de son axe A, cette distance étant elle-même égale au périmètre moyen du pignon de la tournette à laquelle est fixée la préforme 2. Dans la configuration illustrée sur les figures 6 et 7, où cinq secteurs 11 angulaires équirépartis sur le fond 5 de la préforme 2 doivent faire l'objet d'une chauffe différentielle, on ne distingue toutefois aucun sous-ensemble de groupes 17 de diodes 8, l'ensemble 16 secondaire comprenant en effet une série régulière de groupes 17 de diodes 8 à contour triangulaire équidistants, l'écartement entre deux groupes 17 voisins étant égal à un cinquième du périmètre du pignon. Le réglage de la forme et de la taille des groupes 17 ponctuels de diodes 8 peut être adapté en fonction de plusieurs facteurs, notamment : - l'angle solide des faisceaux 10 lumineux émis par les diodes 8 : en effet, les faisceaux 10 étant divergents, la zone éclairée correspondante sur la préforme 2 présente une aire supérieure à celle du groupe 17 de diodes 8 ; la distance de la préforme 8 à la matrice 9 : combinée à l'angle solide évoqué ci-dessus, cette distance a un impact sur la taille des zones de la préforme 2 éclairées par les groupes 17 de diodes 8, la présence éventuelle de réflecteurs en regard de la matrice 9, qui peut avoir une influence sur la répartition du rayonnement sur la 30 préforme 2. Par ailleurs, compte tenu du caractère non homogène de la chauffe, il est nécessaire de veiller à ce que l'orientation angulaire de la préforme 2, lors de son introduction dans un moule à l'issue de la chauffe, soit correcte. A cet effet, la préforme 2 peut être munie d'un 35 repère d'orientation (par exemple sous forme une encoche prévue au niveau du col 3) susceptible d'être détecté par des moyens mécaniques S001 B074 FR - Chauffe localisée fond pétal - TQD (ou optiques) de contrôle garantissant une bonne orientation angulaire de la préforme 2 à chaque instant. Selon un mode particulier de réalisation, les préformes 2 sont transférées de l'unité 1 de chauffe à un moule au moyen de pinces munies d'un ergot en saillie venant se loger dans l'encoche de la préforme 2, de sorte que l'orientation correcte de chaque préforme 2 est maintenue tout au long du transfert, jusqu'à l'introduction de la préforme 2 dans le moule. Pour chauffer les préformes 2, on les fait défiler dans l'unité 1 de chauffe tout en les faisant tourner autour de leur axe A, de manière à to exposer leur partie sous col (corps 4 et fond 5) au rayonnement des diodes 8. Compte tenu de la configuration particulière de la matrice 9, décrite ci-dessus, des zones 11 localisées sur le fond 5 de la préforme 2 sont exposées de manière répétée et périodique au rayonnement différentiel des groupes 17 de diodes de l'ensemble 16 secondaire et 15 subissent par conséquent une chauffe différentielle (en l'espèce une surchauffe), tandis que les autres parties de la préforme 2 (i.e. le restant du fond 5 et l'intégralité du corps 4 dans l'exemple illustré) sont exposées au rayonnement des diodes 8 de l'ensemble 15 principal et subissent par conséquent une chauffe d'intensité moyenne. 20 Le différentiel de température mesuré sur les zones 11 surchauffées (ou au contraire sous-chauffées) et sur les zones chauffées normalement est illustré sur le thermogramme de la figure 5 (à droite) : on voit en l'espèce que les zones 11 surchauffées présentent une température supérieure d'au moins 10% (et de 25 préférence 20%) à celle des zones chauffées normalement. A cet effet, on veillera à maintenir entre la puissance des diodes 8 de l'ensemble 16 secondaire et celle des diodes 8 de l'ensemble 15 principal un écart d'au moins 10% (et de préférence 200/0), comme cela est illustré sur le diagramme de la figure 5 (à gauche). Bien entendu, les variations de 30 température au sein de la préforme 2 sont continues, en raison d'une part de la divergence des faisceaux 10 et d'autre part de la diffusion de la chaleur au sein de la matière. Toutefois ces variations sont relativement brusques en raison de la concentration de puissance autorisée par les diodes 8 laser. 35 Ainsi, à l'issue de la chauffe le corps 4 de la préforme 2 présente une température de paroi sensiblement uniforme, et le fond 5 de la S001 8074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD préforme 2 présente une alternance de secteurs 18 angulaires chauffés normalement, dont la température est sensiblement égale à celle du corps 4, et de secteurs 11 angulaires (apparaissant en grisé sur la figure 6) surchauffés (ou au contraire sous-chauffés). La déformabilité de zones 11 localisées surchauffées est élevée, supérieure à celle des secteurs 18, ce qui facilite la formation d'empreintes en saillie au niveau des zones 11. La déformabilité de zones 11 sous-chauffées est moindre, ce qui permet a contrario la formation d'empreintes en saillie autour des zones 11, et par conséquent la formation d'empreintes en creux dans les zones 11. A la sortie de l'unité 1 de chauffe, la préforme 2 est transférée dans le moule, son orientation angulaire étant maîtrisée comme indiqué ci-dessus, de manière que les secteurs 11 angulaires de la préforme 2 ayant subi une chauffe différentielle se trouvent à l'aplomb ou au droit de parties du moule en creux (ou, au contraire, en saillie). Puis un fluide sous pression (par exemple un gaz tel que de l'air) est injecté dans la préforme 2 au moyen d'une tuyère qui vient s'appliquer de manière étanche autour du col 3 sur une face supérieure du moule. Dans l'exemple illustré sur la figure 7, où le récipient comprend un fond 13 pétaloïde muni d'une série périmétrique de pieds 12 en saillie, le moule comprend, de manière correspondante, un fond muni d'une série périmétrique de réserves en creux dans lesquelles des secteurs 11 surchauffés peuvent facilement s'étirer en raison de la déformabilité localement élevée de la matière. On récapitule les principaux avantages du procédé décrit ci-dessus. La chauffe de la préforme 2 réalisée au moyen d'un rayonnement infrarouge de sources monochromatiques directives (tel que laser) est suffisamment précise pour obtenir des variations de température 3o marquées entre les zones 11 localisées surchauffées (ou sous- chauffées) et les zones environnantes, comparativement moins chauffées (respectivement plus chauffées). La grande déformabilité des zones 11 localisées surchauffées permet de faciliter la formation d'empreintes en saillie (tels que des pieds 12 sur un fond 14 pétaloïde, 35 comme nous l'avons vu) ou en creux (par exemple à l'aide d'inserts S001 B074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD mobiles, par exemple pour former des poignées sur le corps du récipient). De ce fait : D'une part, on évite, dans les régions fortement déformées (par exemple les pieds d'un fond pétaloïde), le surétirage de la matière et ses conséquences néfastes (apparition de fissures, blanchissement de la matière) ; D'autre part, on peut réaliser un formage de qualité à des pressions (de l'ordre de 20 bars ou moins) inférieures aux to pressions ordinaires (de l'ordre de 35 bars) nécessaires à une bonne prise d'empreinte des zones fortement déformées. Il en résulte de substantielles économies d'énergie. S001 B074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQD REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un récipient (13) muni d'une empreinte (12) locale en creux ou en saillie, à partir d'une ébauche (2) 5 en matière thermoplastique, ce procédé comprenant : Une étape de chauffe dans laquelle l'ébauche (2) est exposée à un rayonnement infrarouge ; Une étape de formage dans laquelle un fluide sous pression est injecté dans l'ébauche (2) ainsi chauffée ; 10 Caractérisé en ce que : dans l'étape de chauffe, le rayonnement infrarouge est monochromatique ou pseudo-monochromatique, dont l'intensité présente localement un extremum au droit d'une zone localisée (11) de l'ébauche, de sorte à générer dans cette zone (11) un 15 extremum de température ; Dans l'étape de formage, l'empreinte (12) en creux ou en saillie est formée au niveau de ladite zone (11) localisée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone (11) est localisée à la fois axialement et radialement sur 20 l'ébauche (2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone (11) est localisée sur un fond (5) de l'ébauche (2). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé 25 en ce que le rayonnement infrarouge est émis par une matrice (9) de sources (8) de rayonnement monochromatique ou pseudomonochromatique, subdivisée en un ensemble (15) principal de sources (8) émettant un rayonnement d'intensité moyenne et un ensemble (16) secondaire de sources (8) émettant un rayonnement d'intensité 30 extrêmale, situé au droit de la zone (11) à surchauffer. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'intensité extrêmale présente avec l'intensité moyenne un écart d'au moins 10%. 6. Procédé selon la revendication 4 ou la revendication 5, 35 caractérisé en ce que l'ensemble (15) secondaire comprend une série S001 8074 FR - Chauffe localisée fond pétai - TQDde groupes (17) ponctuels de sources (8), écartés les uns des autres et formant un motif périodique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le motif formé par les groupes (17) ponctuels de sources (8) présente une période égale à la distance parcourue par une ébauche (2) lors d'une révolution complète autour d'un axe (A) principal de celle-ci. 8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que les sources (8) de rayonnement sont des sources laser. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les sources (8) de rayonnement sont des diodes laser. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les diodes (8) sont du type VCSEL. S001 B074 FR - Chauffe localisée fond pétal - TQD