Brevet FR2990377A1 — publié le 20131115

- 1 - La présente invention concerne le domaine de la fabrication de compacts à partir de poudres ou de granulés notamment, et plus particulièrement une machine de compactage pour former de tels compacts par compaction ou compression. Les machines de compactage pour fabriquer des compacts par compaction sont classiquement des presses rotatives dotées d'un plateau central rotatif dans lequel est ménagée une pluralité de matrices traversantes. De part et d'autre et en regard de chacune des matrices sont agencés des poinçons inférieur et supérieur complémentaires l'un de l'autre, et destinés à s'insérer dans la matrice correspondante pour venir compacter le mélange qu'elle contient afin de former un compact. Les poinçons sont dotés d'extrémités de compaction dont les surfaces définissent, avec les parois de la matrice, un volume de confinement du mélange. Pendant le compactage, les poinçons sont progressivement rapprochés l'un de l'autre jusqu'à atteindre le volume de compaction prédéfini. Ces machines de compactage fonctionnent selon un cycle se décomposant 15 comme suit : après une phase de remplissage de la matrice avec le mélange de composés, les poinçons se rapprochent pour contraindre progressivement ledit mélange avant une compaction finale instantanée où les poinçons imposent une contrainte forte sur le mélange de manière à former un compact au volume désiré. Pour réaliser un tel cycle de compaction, il est connu d'utiliser des poinçons 20 maintenus par des supports de poinçons, lesquels supports de poinçons possèdent une tête qui se déplace en friction dans des chemins de came avec une lubrification importante. Le support de poinçon au sens de la présente invention est quelquefois désigné "porte poinçon" par les spécialistes du domaine technique. Dans la présente description, "support de poinçon" et "porte poinçon" désignent la 25 pièce s'étendant d'une extrémité, désignée tête, à l'extrémité opposée, recevant le poinçon. Le déplacement des supports de poinçon par friction de leur tête, dans toutes les phases de réalisation du compact, présente l'inconvénient d'user rapidement les cames et les têtes de support de poinçon. De ce fait, une lubrification est 30 nécessaire pour éviter la détérioration et le grippage de tels systèmes. On connait par ailleurs des supports de poinçon dont les galets roulent dans un rail de guidage au moyen d'une tête dont la forme particulière permet le roulement dans un chemin de came. Une description de ce type de supports de poinçon est disponible dans la publication W02010/007152 Al de la demanderesse. Pour 35 limiter les frottements, de tels systèmes nécessitent d'être lubrifiés ou graissés en permanence. Un but de la présente invention est de fournir un système de déplacement des - 2 - supports de poinçon qui permette de réduire considérablement les frottements et l'usure des zones de contact dans le chemin de came. Un but de la présente invention est de fournir un système de déplacement des supports de poinçon qui nécessite une très faible quantité de lubrifiant et de façon très localisée sur les éléments permettant le déplacement desdits supports dans le chemin de came. A cette fin, on propose un support de poinçon pour fabriquer des compacts, ledit support de poinçon ayant un axe longitudinal et étant destiné à être déplacé dans la machine par translation selon son axe longitudinal, ledit support de poinçon comprenant une tête destinée à être guidée dans un chemin de came de la machine, caractérisé en ce que la tête possède à cet effet : - d'une part, une surface d'appui apte à glisser contre le chemin de came et conformée de manière à entrer en contact avec le chemin de came de telle sorte qu'en position immobile du support de poinçon dans le chemin de came, la réaction du chemin de came sur la tête du support de poinçon ait pour résultante une force parallèle à l'axe longitudinal, - d'autre part, un galet de roulement agencé pour rouler sans frottement sur le chemin de came pendant le déplacement du support de poinçon dans le chemin de came de manière que la réaction du chemin de came sur le support de poinçon ait pour résultante une force parallèle à l'axe longitudinal. Dans la définition ci-dessus, on considère le support de poinçon immobile pour éliminer les éventuelles forces de frottement qui pourraient engendrer une composante tangentielle de la force de réaction du chemin de came sur le support de poinçon. Des aspects préférés mais non limitatifs du support de poinçon ci-dessus sont les suivants : Dans un premier mode de réalisation, le support de poinçon possède un corps allongé selon l'axe de déplacement du support de poinçon, ayant une section orthogonale constante. Selon une variante de l'invention, le support de poinçon a une section de corps allongé possédant au moins un, de préférence quatre, côtés rectilignes parallèles à l'axe de déplacement axial du support de poinçon. Dans un autre mode de réalisation, le support de poinçon possède une tête prenant la forme d'une pièce de révolution ou encore d'un ou plusieurs patins. Dans un autre mode de réalisation, le support de poinçon comprend deux galets de roulement parallèles coaxiaux. Dans un autre mode de réalisation, compatible avec les précédents, le support - 3 - de poinçon possède un galet de roulement fabriqué à partir d'une nuance d'acier inoxydable martensitique, correspondant de préférence à la nuance X39CrMo17-1, et comportant des paliers de maintien latéral fabriqués dans une nuance de polymère, de préférence en polyétheréthercétone, la désignation commerciale étant KETRON PEEK 1000. Dans une variante avantageuse de ce mode de réalisation, le support de poinçon a une tête fabriquée à partir d'une nuance d'acier inoxydable martensitique, de préférence X105CrMo17. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le galet de roulement du support de poinçon fait saillie de la surface d'appui glissant. Dans un mode de réalisation particulier, le chemin de came est adapté pour guider le support de poinçon et comporte : - une première portion de guidage apte à entrer en contact avec la surface d'appui de la tête et permettant le guidage par friction de la tête et - une deuxième portion de guidage apte à servir de piste de roulement pour le galet de roulement. Dans une variante avantageuse de ce mode de réalisation, le chemin de came adapté pour guider le support de poinçon est fabriqué à partir d'un matériau , de préférence en polyéthylènetéréphtalate (PET) commercialisé sous le nom 20 E RTA LYTE TX. Dans une autre variante de ce mode de réalisation, la deuxième portion de guidage du chemin de came apte à servir de piste de roulement pour le galet de roulement comporte un insert en acier inoxydable constituant la piste de roulement, la nuance d'acier inoxydable martensitique étant de préférence X39CrMo17-1. 25 Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé d'utilisation du poinçon et de la came permettent de fabriquer des compacts dans une machine de compactage. Dans un autre mode de réalisation, des compacts sont fabriqués à partir du procédé d'utilisation du support de poinçon et de la came. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est une représentation tridimensionnelle du support de poinçon. La figure 2 est une représentation tridimensionnelle en coupe axiale du 35 support de poinçon dans une portion de guidage sans effort du chemin de came. - La figure 3 est une représentation tridimensionnelle en coupe axiale du - 4 - support de poinçon dans une portion de guidage avec effort du chemin de came. - La figure 4 illustre schématiquement la cinématique du passage du support de poinçon de la partie sans effort à la partie avec effort du chemin de came. Sur la figure 1, un support de poinçon 2 porte un poinçon 4 à l'une de ses 5 extrémités. Le support de poinçon 2 comporte une tête 6 à son extrémité opposée et un corps allongé selon un axe Z, qui est parallèle à la direction selon laquelle le poinçon 4 et son support 2 se déplacent par rapport à une matrice de moulage (non représentée) pendant le fonctionnement de la machine de compactage (non représentée). 10 La section orthogonale du corps allongé 6 est constante, ce qui permet audit corps allongé 6 de coulisser dans un guide axial (non représenté) de la machine de compactage pendant le mouvement du poinçon. Dans le mode de réalisation représenté, le corps allongé 6 comporte quatre méplats 3 (mais il pourrait en comporter un nombre différent), qui sont parallèles à l'axe Z. Le guide axial dans 15 lequel coulisse le corps allongé possède une section de forme correspondante, ce qui assure le blocage en rotation du support de poinçon 2. La tête 6 est une pièce de révolution qui possède une surface d'appui 8 lisse, c'est à dire dépourvue d'arêtes vives, apte à glisser uniquement par frottement (c'est à dire sans roulement) contre un chemin de came 20. La surface d'appui 8 20 s'étend tout autour de la tête 6. Elle présente donc globalement une face distale 8a et une face proximale 8b chacune approximativement en forme de calotte sphérique, les deux faces distale et proximale se rejoignant sur le diamètre maximal 8c de la tête 6. Le chemin de came 20 offre une surface de contact avec la tête 6 qui est 25 conformée de manière à ce qu'en position immobile du support de poinçon 2 dans le chemin de came 20, la réaction du chemin de came 20 sur la tête 6 du support de poinçon 2 ait pour résultante une force parallèle à l'axe Z. En d'autres termes, les surfaces de contact entre la tête 6 et le chemin de came 20 sont telles que le chemin de came exerce sur la tête 6 des forces dont la résultante, si la tête n'est 30 pas en mouvement par rapport au chemin de came, est parallèle à l'axe Z. Le fait de considérer l'état immobile de la tête 6 permet d'éliminer les forces de friction qui bien que minimes, ajoutent une composante tangentielle aux forces exercées par le chemin de came sur la tête 6. La tête 6 peut aussi prendre d'autres formes qu'une pièce de révolution, par exemple elle peut avoir la forme d'un ou plusieurs 35 patins qui possèdent une surface d'appui 8 apte à glisser contre le chemin de came 20, à condition que soit toujours respectée la condition précitée que la résultante des forces exercées par le chemin de came sur la tête soit parallèle à l'axe Z. - 5 - On ne décrira pas ici le fonctionnement d'une machine de compactage, supposé connu de l'homme du métier. On rappelle néanmoins que le compactage se déroule en quatre phases principales de mouvement des poinçons : le remplissage, le dosage, la pré-compression et la compression. On rappelle également qu'une machine possède des poinçons supérieurs et des poinçons inférieurs, positionnés deux à deux en vis-à-vis pour fermer une matrice de moulage d'un compact et portés par des supports de poinçon opposés, dont les têtes se déplacent dans des chemins de came supérieur et inférieur. Au cours des phases de remplissage, de dosage et de pré-compression des poinçons supérieurs et inférieurs, les chemins de came exercent sur chaque tête 6 de support de poinçon un niveau faible de pression. Cette portion des chemins de came est appelée portion de guidage sans effort 22. Ainsi, lorsqu'une tête 6 se déplace dans une portion de guidage sans effort 22, elle glisse en friction contre le chemin de came 20. Comme indiqué précédemment, la tête 6 est conformée de manière à entrer en contact avec le chemin de came 20 de telle sorte qu'en position immobile du support de poinçon 2 dans le chemin de came 20, la réaction du chemin de came 20 sur la tête 6 du support de poinçon 2 ait pour résultante une force parallèle à l'axe Z. Le déplacement par friction de la tête 6 assure un niveau de frottement très faible grâce à un couple de matériau particulièrement adapté pour limiter les frottements dans cette configuration. En effet, la surface d'appui 8 de la tête 6, qui est fabriquée préférentiellement dans une nuance d'acier inoxydable, glisse pratiquement sans frottement dans le chemin de came 20 qui est fabriqué dans une nuance de matière polymère limitant les frottements. Ce couple de matériau acier inoxydable / polymère permet de réduire presque totalement les frottements. Le couple de matériaux le plus performant pour ce type d'application est un acier de nuance X105CrMo17 couplé à un polymère de type polyéthylènetéréphtalate (PET) et commercialisé sous le nom ERTALYTE TX. 35 - 6 - Propriétés physiques à 23°C ERTALYTE TX (PET) (polyéthylènetéréphtalate) KETRON PEEK 1000 (polyétheréthercétone) Densité g/cm3 1.44 1.31 Point de fusion (°C) 255 340 Résistance à la traction (MPa) 76 115 Dureté Rockwell (ISO M94 M105 2039-2) Tableau 1 Composition chimique `)/0 / masse X39CrM017-1 X105CrM017 C 0.33 - 0.45 0.95 - 1.20 Cr 15.50 - 17.50 16.00 - 18.00 Si 1.00 1.00 Mo 0.80 - 1.30 0.40 - 0.80 Mn 1.50 10 S 0.015 0.015 Ni 1.00 1.00 Tableau 2 La figure 2 montre le support de poinçon 2 et le chemin de came 20, vus en coupe axiale et en perspective dans une portion de guidage sans effort 22. Le chemin de came 20 a un profil adapté pour recevoir le profil de la tête 6. Dans cette partie de guidage sans effort 22, la surface d'appui 8 est en contact avec le chemin de came 20 et la tête se déplace en friction. Le galet de roulement 12 se déplace sans contact ni frottement avec le chemin de came 20, grâce à une gorge 15 ménagée dans ledit chemin de came ayant une profondeur plus grande que la hauteur de saillie du galet par rapport à la face distale de la surface d'appui. La figure 3 présente la configuration de déplacement du support de poinçon 2 dans une portion de guidage avec effort du chemin de came 20. Les portions de guidage avec effort sont des portions de guidage du chemin de came 20 où la machine de compactage applique des efforts de compaction axiaux importants - 7 - dans le but de compacter les compacts à réaliser. Dans ces portions de guidage avec effort du chemin de came 20, un insert métallique 18 complémentaire, de préférence en acier inoxydable X39CrMo17-1, est inséré dans la gorge du chemin de came 20, pour servir de piste de roulement au galet de roulement 12 agencé pour rouler sans frottement, ou avec des frottements négligeables, et permet le déplacement et le guidage par roulement de la tête 6 de manière que la réaction du chemin de came sur le support de poinçon ait pour résultante une force parallèle à l'axe Z. Dans cette portion de guidage avec effort de compaction, la surface d'appui 8 de la tête 6 n'est plus en contact avec le chemin de came 20, grâce au fait que la piste de roulement formée par l'insert est moins profonde que la hauteur de saillie du galet de roulement 12 par rapport à la face distale 8a de la surface d'appui 8. La figure 4 présente un exemple de cinématique d'un déplacement des têtes 6 de support de poinçon 2 dans le chemin de came 20 dont le profil est évolutif. Cet exemple montre une portion de guidage sans effort 22 et une portion de guidage avec effort 24 qui comporte par exemple un plan incliné de mise en compression progressive et un plan fixe de compression continue. L'insert métallique 18 comporte un point de graissage 18a qui se trouve au début de la portion de guidage avec effort 24 du chemin de came 20. Ce point de graissage 18a de l'insert 18 doit être très légèrement lubrifié afin de supprimer les frottements des supports de poinçon 2 lors de leur entrée dans la portion de guidage avec effort 24. Des essais de longue durée ont révélé qu'une quantité d'un centimètre cube de graisse comme lubrifiant, appliqué toutes les quatorze heures au niveau du point de graissage 18a, suffit à réduire les frottements de manière efficace. Comme mentionné plus haut, l'insert métallique 18 et le galet de roulement 12 sont fabriqués à partir d'une nuance d'acier X39CrMo17-1. Toutefois, d'autres matériaux ayant de très bonnes performances quant à la limitation des frottements pourraient être utilisés pour la fabrication de ces deux éléments. Notamment, les couples de matériaux suivants pourraient être choisis afin de réduire encore les frottements jusqu'à supprimer totalement toute la lubrification; Téflon brut / inox, téflon brut / verre, téflon brut / céramique, verre / inox, céramique / inox, céramique / céramique ou encore polymère technique (Techtron) / inox. Divers aménagements et variantes du support de poinçon 2 décrit ci-dessus sont par ailleurs envisageables en fonction de contraintes de fabrication de compacts particuliers. A titre d'exemple, la forme et la disposition de la tête 6 de poinçon, la géométrie du chemin de came 20 ou le choix des matériaux peuvent être modifiés. REVENDICATIONS1. Support de poinçon (2) d'une machine de compactage pour fabriquer des compacts, ledit support de poinçon (2) ayant un axe longitudinal et étant destiné à être déplacé dans la machine par translation selon son axe longitudinal, ledit support de poinçon (2) comprenant une tête (6) destinée à être guidée dans un chemin de came (20) de la machine, caractérisé en ce que la tête (6) possède à cet effet : - d'une part, une surface d'appui (8) apte à glisser contre le chemin de came (20) et conformée de manière à entrer en contact avec le chemin de came (20) de telle sorte qu'en position immobile du support de poinçon (2) dans le chemin de came (20), la réaction du chemin de came (20) sur la tête (6) du support de poinçon (2) ait pour résultante une force parallèle à l'axe longitudinal, - d'autre part, un galet de roulement (12) agencé pour rouler sans frottement sur le chemin de came (20) pendant le déplacement du support de poinçon (2) dans le 15 chemin de came (20) de manière que la réaction du chemin de came (20) sur le support de poinçon (2) ait pour résultante une force parallèle à l'axe longitudinal. 2. Support de poinçon (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de poinçon (2) possède un corps allongé selon l'axe de déplacement du support de poinçon (2), ayant une section orthogonale constante. 20 3. Support de poinçon (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section du corps allongé possède au moins un, de préférence quatre, côtés rectilignes parallèles à l'axe de déplacement axial du support de poinçon (2). 4. Support de poinçon (2) selon l'une des revendications 1 à 3, dont la tête (6) a une forme de révolution. 25 5. Support de poinçon (2) selon la revendication 1 à 4 comprenant deux galets de roulement (12) parallèles coaxiaux. 6. Support de poinçon (2) selon la revendication 1 à 5, dont le galet de roulement (12) est fabriqué à partir d'une nuance d'acier inoxydable martensitique dont la nuance correspond de préférence à X39CrMo17-1, et comportant des 30 paliers de centrage (14) fabriqués dans une nuance de polymère , de préférence en polyétheréthercétone. 7. Support de poinçon (2) selon la revendication 1 à 6, dont la tête (6) est fabriquée à partir d'une nuance d'acier inoxydable, de préférence en X105CrMo17. 8. Support de poinçon (2) selon la revendication 1 à 7, dont le galet de 35 roulement (12) fait saillie de la surface d'appui glissant (8). 9. Chemin de came (20) adapté pour guider un support de poinçon (2) selon- 9 - l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première portion de guidage apte à entrer en contact avec la surface d'appui (8) de la tête (6) et permettant le guidage par friction de la tête (6) et ; - une deuxième portion de guidage apte à servir de piste de roulement pour le galet de roulement (12). 10. Chemin de came (20) adapté pour guider un support de poinçon (2) selon la revendication 9 caractérisé en ce que le matériau utilisé pour fabriquer le chemin de came (20) est un matériau polymère, de préférence en polyéthylènetéréphtalate (PET). 11. Chemin de came (20) adapté pour guider un support de poinçon (2) selon la revendication 10 caractérisé en ce que la deuxième portion de guidage apte à servir de piste de roulement pour le galet de roulement (12) comporte un insert complémentaire (18) en acier inoxydable, la nuance étant de préférence en X39CrMo17-1. 12. Procédé d'utilisation du support de poinçon (2) et du chemin de came (20) selon les revendications 1 à 11 pour fabriquer des compacts dans une machine de compactage. 13.Compacts susceptibles d'être fabriqués selon le procédé de la revendication 12.20