Brevet FR2976841A1 — publié le 20121228

Procédé de chauffe d'une ébauche de récipient à faible température de paroi externe L'invention a trait à la fabrication des récipients, notamment bouteilles, flacons, par formage à partir d'ébauches en matière plastique tel que polyéthylène téréphtalate (PET). Dans ce qui suit, on suppose que les ébauches sont des préformes, bien qu'il puisse s'agir de récipients intermédiaires ayant subi un premier soufflage et destiné à en subir un second en vue d'obtenir le récipient final. La fabrication des récipients comporte deux étapes principales : une étape de chauffe au cours de laquelle les ébauches sont exposées au rayonnement électromagnétique de sources émettant dans l'infrarouge, suivie d'une étape de formage au cours de laquelle un fluide sous pression est injecté dans les ébauches ainsi chauffées pour leur donner la forme finale du récipient. L'épaisseur de paroi des préformes est généralement de plusieurs millimètres, tandis que l'épaisseur du récipient final est inférieur au millimètre (ordinairement de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres). On comprend donc que le taux de déformation de la matière (qui subit un double étirage : axial et radial) varie dans l'épaisseur de la préforme. Plus précisément, le taux d'étirage de la paroi intérieure de la préforme est supérieur au taux d'étirage de la paroi externe, dans des proportions correspondant aux variations de surface des parois lors du soufflage. Compte tenu de la complexité des formes du récipient fini, ce qui rend difficile le calcul de la surface finale des parois interne et externe du récipient, on évalue le taux de déformation de la matière en calculant un taux de biorientation de chaque paroi, défini par le produit des taux d'étirage diamétral et axial de la paroi considérée. Prenons l'exemple d'une préforme de 27g, d'un diamètre extérieur Dext de 22,26 mm, d'un diamètre intérieur Dint de 14,56 mm, d'une longueur extérieure Lext sous col de 85 mm, et d'une longueur intérieure 47,1 sous col de 79 mm, destinée à former un récipient d'une capacité de 0,5 1 d'un diamètre moyen D de 65,5 mm (la différence entre le diamètre S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD intérieur et le diamètre extérieur du récipient peut être négligée) et d'une longueur sous col L moyenne de 243 mm. Les taux d'étirage diamétral TDext et axial TAext de la paroi externe sont calculés comme suit : D TDext = - 65,5 - 2,95 Dext 22,26 L 243 TAext = - 2,86 Lext 85 Le taux de biorientation, noté BOext de la paroi externe est par conséquent calculé comme suit : BOext = TDext x TAext = 2,95 X 2,86 = 8,44 Les taux d'étirage diamétral TDint et axial TAint de la paroi interne sont calculés comme suit : D 65,5 TDint = Dant 14,56 4,5 L 243 TAint = - = = 3,08 Lant 79 Le taux de biorientation, noté BOext de la paroi externe est par conséquent calculé comme suit : BOint = TDint x TAint = 4,5 X 3,08 = 13,86 Les calculs précédents fournissent le ratio R entre les taux de biorientation BOint et BOext des parois interne et externe : BOint 13,86 R - = = 1,65 BOext 8,44 En d'autres termes, la paroi interne de la préforme présente un taux de biorientation supérieur d'environ 65% à celui de la paroi externe. Cette différence d'étirage entre la paroi interne et la paroi externe provoque l'apparition de contraintes dans la matière entre les parois, qui rend difficile la prise d'empreinte et donc un formage correct du récipient. C'est pourquoi il apparaît nécessaire de conférer à la paroi interne une capacité de déformation supérieure à la paroi externe. Dans ce cadre, il est connu d'adapter le processus de chauffe de manière à obtenir une température Tint de paroi interne supérieure à la température Text de paroi externe ou, en d'autres termes, un delta .àT de température positif (où OT = Tint-Text). En effet, dans les procédés de S001 B075 FR - B1120 -CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD chauffe classique (notamment à lampes halogènes), le delta OT de température est par défaut négatif, la température Textde paroi externe étant supérieure à la température Tint de paroi interne. Comme cela est expliqué dans la demande de brevet français FR 2 935 924 (SIDEL), pour obtenir un tel delta positif de température, on joue essentiellement sur deux paramètres : d'une part, la ventilation des préformes, de manière à refroidir la paroi externe, d'autre part, le temps de stabilisation thermique des préformes à l'issue de la chauffe, de manière à équilibrer les températures par conduction thermique. Toutefois, un contrôle fin du delta de température est difficile. De plus, le bilan énergétique est relativement mauvais. En effet, non seulement la puissance du rayonnement nécessaire pour amener la température interne à la valeur souhaitée est importante (ce qui nécessite une puissance électrique proportionnellement élevée), mais il est nécessaire de dépenser un surcroît de puissance pour ventiler la paroi externe de manière à abaisser sa température. Un premier objectif est d'améliorer la capacité de formage des récipients en contrôlant mieux le delta de température entre paroi interne et paroi externe. Un deuxième objectif est d'améliorer le bilan énergétique de la chauffe, tout en conservant (et de préférence en améliorant) la qualité du récipient final. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un procédé de chauffe d'une ébauche en matière plastique pour la fabrication d'un corps creux par formage à partir de l'ébauche, qui comprend les opérations consistant à : introduire l'ébauche dans un four muni de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique ou pseudo-monochromatique émettant dans l'infrarouge ; - exposer l'ébauche au rayonnement des sources, réglées à une puissance d'émission prédéterminée, pendant un temps d'exposition prédéterminé ; mesurer une température sur une paroi externe de l'ébauche ; ajuster le temps d'exposition et/ou la puissance d'émission tant que la température Text de l'ébauche, mesurée à une sortie du four, S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD n'est pas comprise entre T9 et 1,8 - T9, où T9 est la température de transition vitreuse de la matière. Il a été constaté que, dans ces conditions, la température d'une paroi interne de l'ébauche demeure supérieure à la température de la paroi externe, c'est-à-dire que le delta de température est positif. Il en résulte, pour une puissance électrique consommée relativement faible, une meilleure soufflabilité des ébauches, et notamment une diminution des contraintes résiduelles dans le produit final. La mesure de température peut être ponctuelle, ou consister à établir un profil thermique de la paroi externe de l'ébauche au moyen d'une caméra thermique. La variation du temps d'exposition peut être effectuée par coupure de certaines sources, ou par coupure de groupes de sources, ou encore par variation d'une vitesse de défilement des ébauches dans le four. Il est proposé, en deuxième lieu, un produit programme d'ordinateur destiné à être stocké en mémoire d'une unité de traitement et/ou stocké sur un support mémoire lisible par un lecteur d'une unité de traitement, comprenant des instructions pour la mise en oeuvre des opérations évoquées ci-dessus. Il est proposé, en troisième lieu, une unité de chauffe d'ébauches de corps creux en matière plastique, qui comprend : un four muni d'une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique ou pseudo-monochromatique émettant dans l'infrarouge, pour la chauffe des ébauches à une puissance d'émission prédéterminée, et pendant un temps d'exposition prédéterminé, une sonde thermique disposée à une sortie du four, agencée pour effectuer une prise de température sur une paroi externe des ébauches; - une unité de contrôle programmée pour ajuster la puissance d'émission et/ou le temps d'exposition tant que la température Text de l'ébauche, mesurée à la sortie du four, n'est pas comprise entre T9 et 1,8 - T9, où T9 est la température de transition vitreuse de la matière. Les sources de rayonnement électromagnétique, qui sont de préférence organisées en colonnes dont la puissance peut être modulée S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD séparément, sont par exemple des lasers, et notamment des diodes laser. Selon un mode particulier de réalisation, il s'agit de diodes laser de type VCSEL. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la 5 lumière de la description de modes préférés de réalisation, 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 ; - la figure 2 est une vue d'élévation en coupe transversale de l'unité de chauffe de la figure 1 ; - la figure 3 est un diagramme illustrant divers profils de température dans l'épaisseur de la paroi de la préforme. Sur les figures 1 et 2 est schématiquement représentée une unité 1 de chauffe d'ébauches 2 de récipients. 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 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 hémisphérique (ou, dans certains cas, conique). 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 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 5) à la chauffe. Chaque tournette est fixée à une chaîne entraînée par une roue, et comprend un pignon engrenant un moyen d'engrènement fixe ou mobile, telle qu'une chaîne ou une courroie, de sorte que chaque point situé sur la circonférence de la préforme 1 décrit sur le trajet de la préforme 2 S001 B075 FR - 81120 -CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD une cycloïde dont la période est égale à la distance parcourue par la préforme 2 pour une révolution complète autour de son axe A. Sur les figures 1 et 2, on a représenté les préformes 2 avec le col 3 orienté en haut, mais cette représentation est arbitraire et illustrative, et les préformes 2 pourraient être orientées col en bas. L'unité 1 de chauffe comporte un four 7 ayant au moins une paroi 8 rayonnante en regard de laquelle défilent les préformes 2. Cette paroi 8 est tapissée d'une pluralité de sources 9 de rayonnement électromagnétique émettant de manière à la fois monochromatique (ou pseudo-monochromatique) et directive vers les préformes 2, dans le domaine de l'infrarouge. En variante, l'unité de chauffe comprend une pluralité de cavités tapissées de sources de rayonnement, dans chacune desquelles est reçue une préforme pour y être chauffée individuellement. 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). 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 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. En pratique, les sources 9 sont organisées par juxtaposition et superposition pour former une matrice 10. Il s'agit par exemple de sources 9 laser, et de préférence de diodes laser. Selon un mode préféré de réalisation, les sources 9 sont des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), chaque diode 9 émettant par exemple un faisceau 11 laser d'une puissance unitaire nominale de quelques dizaines de milliWatt à une longueur d'onde située dans la plage des infrarouges courts et moyens - par exemple de l'ordre de 1 pm. S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD A l'échelle des préformes 2, les diodes 9 peuvent être considérées comme des sources ponctuelles, qui émettent chacune un rayonnement directif, c'est-à-dire sous forme d'un faisceau 11 lumineux conique dont le demi-angle solide au sommet est fermé, et de préférence compris entre 10° et 60°(cf. la figure 2 où l'on a représenté des faisceaux 11 dont le demi-angle au sommet est de 10°). Le faisceau 11 peut être symétrique de révolution (Le. à section circulaire), ou non symétrique de révolution (par exemple à section elliptique). Une plaque 12 absorbante (ou réfléchissante) est disposée horizontalement dans l'interstice entre la paroi 8 rayonnante et les préformes 2, au niveau de la collerette 6, pour préserver le col 3 du rayonnement infrarouge. L'objet de la présente demande n'est pas de décrire en détail la structure de la matrice 10 de diodes laser 9. C'est pourquoi on a représenté la matrice 10 de manière simplifiée, sous forme d'une plaque, les diodes 9 apparaissant sous forme de points. Selon un mode préféré de réalisation, illustré sur la figure 1, la matrice est subdivisée en plusieurs groupes 13 adjacents et indépendants de diodes 9, chaque groupe 13 étant constitué par une colonne de diodes formant un sous-ensemble de la matrice 10. Les colonnes 13 de diodes 9 peuvent être de largeur égale, ou différente. Dans ce cas, cette largeur peut diminuer (ou au contraire augmenter) le long du trajet des préformes 2. Cette architecture permet de réaliser une modulation de la puissance (on parle également de l'intensité) du rayonnement émis par les diodes 9, soit en ajustant la puissance émise par les diodes 9 d'un ou plusieurs groupes 13 prédéfinis, soit en coupant (c'est-à-dire en éteignant) les diodes 9 d'un ou plusieurs groupes 13 prédéfinis. En variante, ou en complément, l'unité 1 de chauffe peut être conçue pour permettre une modulation de la vitesse de défilement des préformes 2, c'est-à-dire du temps d'exposition des préformes 2 au rayonnement. Il est ainsi possible de moduler la puissance du rayonnement reçu par les préformes 2, en modulant la puissance du rayonnement émis et/ou en modulant la vitesse de défilement des préformes 2 dans le four 7. S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD La modulation de puissance de chaque colonne 13 de diodes 9 est réalisée par voie électronique, au moyen d'une unité 14 de contrôle sous forme d'un processeur intégré à un ordinateur et programmé à cet effet. La puissance des diodes 9, qui peut être visualisée sur un moniteur de contrôle, est comprise entre une valeur Pmin minimale prédéterminée (par exemple nulle) et une valeur Pmax maximale correspondant par exemple à la puissance nominale des diodes 9. L'unité 14 de contrôle commande également la sélection des groupes 13 de diodes 9 à allumer ou éteindre (c'est-à-dire à régler sur la valeur Pmin), ainsi que, le cas échéant, la vitesse de défilement des préformes 2. A cet effet, l'unité 14 de contrôle est par exemple reliée à la roue dentée sur laquelle circule la chaîne ou la courroie d'entraînement des préformes 2. Comme cela est illustré sur la figure 1, l'unité 1 de chauffe est équipée d'une sonde 15 thermique reliée à l'unité 14 de contrôle et permettant d'effectuer une mesure de la température Text d'une paroi 16 externe de la préforme 2 à la sortie du four 7, que la sonde 15 soit située dans le four ou, comme illustré sur la figure 1, à l'extérieur de celui-ci (de la sorte, la température mesurée par la sonde 15 correspond de manière relativement précise à la température réelle de la paroi 16 externe à l'instant où la préforme 2 sort du four 7). La mesure de la température Text peut être ponctuelle (par exemple à mi-hauteur de la préforme 2, auquel cas la sonde 15 est un simple capteur thermique. De préférence toutefois, la mesure de température vise à élaborer un profil thermique de la paroi 16 externe sur au moins une partie (et éventuellement la totalité) du corps 4, sous la collerette 6. Dans ce cas, la sonde 15 peut comprendre une série de capteurs répartis verticalement en regard du corps 4, ou se présenter, comme illustré sur la figure 1, sous forme d'une une caméra thermique (infrarouge) agencée pour effectuer une thermographie complète de la paroi 16 externe. Les mesures (ou les données thermographiques dans le cas d'une caméra thermique) sont communiquées à l'unité 14 de contrôle qui, en fonction de la température ainsi mesurée, ou du profil de température ainsi établi, est programmée pour commander une modulation : - du temps d'exposition des préformes 2 au rayonnement infrarouge des sources 9 via l'extinction partielle de certains groupes 13 de S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD diodes 9 et/ou l'adaptation de la vitesse de défilement des préformes 2, et/ou de la puissance électrique fournie aux sources (et donc la puissance émise par les sources 9), en tout ou en partie, et de préférence par colonnes 13, de manière à maintenir la température Text de la paroi 16 externe de la préforme 2 dans une gamme prédéterminée dont une borne inférieure est la température T9 de transition vitreuse, notée Tg, de la matière, et dont une borne supérieure est égale à 1,8 - T9 : Tg Dans le cas d'une mesure ponctuelle de température, la température Text dont il est question est la température mesurée par la sonde 15 réduite à un simple capteur thermique. Dans le cas d'une mesure thermographique effectuée par une caméra 15, la température Text désigne la température mesurée en tout point de la paroi 16 externe, c'est-à-dire que l'inégalité ci-dessus doit être vérifiée pour l'ensemble des températures mesurées sur la paroi 16 externe. Afin d'économiser le temps de traitement, l'unité 14 de contrôle peut être programmée pour extraire du profil thermique mesuré la valeur minimale Tmin et la valeur maximale Tmax de l'ensemble des valeurs, et se contenter de vérifier alors la double condition suivante : Tmin Tg Tmax REVENDICATIONS1. Procédé de chauffe d'une ébauche (2) en matière plastique pour la fabrication d'un corps creux par formage à partir de l'ébauche (2), qui comprend les opérations consistant à : introduire l'ébauche (2) dans un four (7) muni de sources (9) de rayonnement électromagnétique monochromatique ou pseudomonochromatique émettant dans l'infrarouge ; exposer l'ébauche (2) au rayonnement des sources (9), réglées à une puissance d'émission prédéterminée, pendant un temps d'exposition prédéterminé ; mesurer une température (Text) sur une paroi (16) externe de l'ébauche (2) ; Caractérisé en ce qu'il comprend une opération consistant à : - ajuster le temps d'exposition et/ou la puissance d'émission tant que ladite température (Te,t), mesurée à une sortie du four (2), n'est pas comprise entre Tg et 1,8 - Tg, où Tg est la température de transition vitreuse de la matière. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de température est une mesure ponctuelle. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de température consiste à établir un profil thermique de la paroi externe de l'ébauche (2) au moyen d'une caméra (15) thermique. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la variation du temps d'exposition est effectuée par coupure de certaines sources (9), ou par coupure de groupes (13) de sources (9). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la variation du temps d'exposition est effectuée par variation d'une vitesse de défilement de l'ébauche (2) dans le four (7). 6. Produit programme d'ordinateur destiné à être stocké en mémoire d'une unité de traitement et/ou stocké sur un support mémoire lisible par un lecteur d'une unité de traitement, comprenant des instructions pour la mise en oeuvre des opérations d'un procédé selon l'une des revendications précédentes. 7. Unité (1) de chauffe d'ébauches (2) de corps creux en matière plastique, qui comprend : S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQDun four (7) muni d'une pluralité de sources (9) de rayonnement électromagnétique monochromatique ou pseudo-monochromatique émettant dans l'infrarouge, pour la chauffe des ébauches (2) à une puissance d'émission prédéterminée, et pendant un temps d'exposition prédéterminé, une sonde (15) thermique disposée à une sortie du four (7), agencée pour effectuer une prise de température (Text) sur une paroi (16) externe des ébauches (2) ; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre - une unité (14) de contrôle programmée pour ajuster la puissance d'émission et/ou le temps d'exposition tant que ladite température (Te,t) n'est pas comprise entre Tg et 1,8 - Tg, où Tg est la température de transition vitreuse de la matière. 8. Unité (1) de chauffe selon la revendication 7, caractérisée en ce que les sources (9) de rayonnement électromagnétique sont des lasers. 9. Unité (1) de chauffe selon la revendication 8, caractérisée en ce que les sources (9) de rayonnement électromagnétique sont des diodes laser. 10. Unité (1) de chauffe selon la revendication 8, caractérisée en ce que les sources (9) de rayonnement électromagnétique sont des diodes laser de type VCSEL. 1 1 . Unité (1) de chauffe selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les sources (9) sont organisées en colonnes (13) dont la puissance peut être modulée séparément. S001 B075 FR - B1120 - CHAUFFE LASER FAIBLE T Version : TQD