Brevet FR2984793A1 — publié le 20130628

L'invention a trait à la fabrication des récipients par soufflage ou étirage soufflage, à partir d'ébauches en matière plastique tel que PET (polyéthylène téréphtalate). La technique de soufflage d'un récipient comprend, en premier lieu, une opération de chauffe d'une ébauche (qu'il s'agisse d'une préforme ou d'un récipient intermédiaire ayant subi une première opération de soufflage à partir d'une préforme) à une température prédéterminée supérieure à la température de transition vitreuse de la matière constitutive de l'ébauche. En deuxième lieu, l'ébauche ainsi chauffée est introduite dans un moule ayant une paroi délimitant une cavité à l'empreinte du récipient, et l'on réalise une opération de soufflage de l'ébauche en y injectant un fluide (généralement de l'air) sous pression (cette pression étant généralement comprise entre 20 et 40 bars). Une opération d'étirage peut être prévue, consistant, pendant le soufflage, à étirer l'ébauche au moyen d'une tige coulissante assurant le maintien du récipient dans l'axe du moule. Certains récipients doivent être résistants à la chaleur pour permettre leur remplissage à chaud. On dénomme « HR » (acronyme de l'anglais Heat Resistant) ces récipients. Pour accroître la résistance de la matière aux déformations induites par l'élévation de température lors du remplissage, une technique connue consiste à accroître de manière thermique la cristallinité de la matière. En pratique, la paroi du moule est chauffée à une température relativement élevée (supérieure à 100°C, et généralement de l'ordre de 130°C à 160°C). En fin de soufflage, le récipient est, pendant une durée prédéterminée, maintenu en contact avec la paroi du moule. Le transfert de chaleur entre la paroi et le récipient provoque un accroissement de la cristallinité de la matière. Cette technique est appelée thermofixation (heat set en anglais). On connaît principalement deux techniques de chauffe du moule permettant d'effectuer une thermofixation des récipients. Une première technique consiste à faire circuler dans la paroi du moule un fluide (notamment de l'eau ou de l'huile) préalablement S001 B092 FR - B1138 Version : TQD chauffé. Cette technique éprouvée est très répandue. Elle présente cependant un certain nombre d'inconvénients. Premièrement, compte tenu des échanges thermiques importants ayant lieu entre la paroi du moule est les récipients, elle nécessite un débit (et donc une réserve) de fluide important. Deuxièmement, la circulation du fluide dans le moule nécessite le percement de canaux complexes dans la paroi du moule. Une deuxième technique consiste à chauffer le moule au moyen d'une résistance électrique, la chaleur fournie au moule étant dissipée par effet Joule. On connaît ainsi du brevet européen EP 1 753 597 un support de moule sur lequel est fixée, à une interface avec un moule à l'empreinte du récipient, une résistance électrique en serpentin, munie de sections transversales situées au voisinage des extrémités du moule. Cette technique, peu répandue à ce jour, n'est pas non plus sans inconvénient. Premièrement, compte tenu de la disposition de la résistance, à l'interface entre le moule et son support, une partie importante de la chaleur dissipée par effet Joule est simplement perdue, ce qui diminue le rendement énergétique de la chauffe. Deuxièmement, la forme en serpentin de la résistance nécessite un usinage complexe du support de moule. Cet usinage est d'autant plus complexe que les tolérances qui lui sont associées sont faibles, puisqu'il apparaît souhaitable, pour minimiser les fuites, de maximiser la surface de contact entre la résistance et le support. Plus généralement, la technique décrite dans le brevet européen précité ne permet pas de régler de manière fiable la température du moule. Un premier objectif est d'améliorer le rendement énergétique de la chauffe électrique d'un moule. Un deuxième objectif est de simplifier la fabrication d'un moule muni d'un système de chauffe électrique. Un troisième objectif est de permettre une meilleure régulation de la température du moule. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un moule pour le formage de récipients à partir d'ébauches en matière plastique, qui comprend une coquille délimitant une cavité à l'empreinte d'un récipient s'étendant autour d'un axe central, et un système de chauffe de la coquille, le système de chauffe comprenant au moins un jeu d'éléments S001 B092 FR - B1138 Version : TQD résistifs distincts, superposés sensiblement parallèlement à l'axe central et de topologie similaire, le système de chauffe étant agencé pour dissiper une énergie thermique différente au niveau de chaque élément résistif d'un même jeu. Un tel moule, qui intègre le système de chauffe, offre notamment un rendement énergétique supérieur aux moules à chauffe électrique connus. Il permet en outre de réaliser un chauffage du récipient par zones superposées, au bénéfice de la précision de chauffe et, in fine, de la qualité (et des performances) du récipient. Il est proposé, en deuxième lieu, une unité de formage de récipients à partir de préformes en matière plastique, qui comprend au moins un tel moule, ou une pluralité de tels moules montés sur un carrousel commun. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - les éléments résistifs d'un même jeu présentent des résistances intrinsèques différentes ; - chaque élément résistif est de forme générale cylindrique, et s'étend sensiblement parallèlement à l'axe central ; - chaque jeu d'éléments résistifs se présente sous forme d'un élément radiant unitaire ; - chaque élément radiant se présente sous forme d'un crayon cylindrique inséré dans un trou complémentaire formé la coquille ; - chaque élément résistif est de forme générale torique de révolution autour de l'axe central ; - les éléments résistifs d'un même jeu sont montés en série sur un circuit électrique commun ; - les éléments résistifs d'un même jeu sont montés en parallèle sur un circuit électrique commun ; - le circuit électrique est piloté par une unité de contrôle ; - l'unité de contrôle est reliée à un capteur thermique (sonde de température montée dans le moule, ou caméra thermique montée en sortie du moule) configuré pour effectuer une prise de température au niveau de l'une au moins de zones de la cavité situées au droit des éléments résistifs ; - chaque élément résistif est monté sur un circuit électrique indépendant. S001 B092 FR - B1138 Version : TQD D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode préféré de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective montrant un moule assemblé pour le formage de récipients à partir d'ébauches ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale du moule de la figure 2, - la figure 3 est une vue partielle en perspective éclatée montrant une coquille du moule des figures 1 et 2, illustrant la structure du système de chauffe électrique du moule ; - la figure 4 est une vue en coupe du moule de la figure 2, suivant le plan de coupe IV-IV ; - la figure 5 est une vue en perspective montrant un jeu d'éléments résistifs selon une variante de réalisation dans laquelle chaque élément résistif est de forme torique ; - la figure 6 est un schéma illustrant, selon un premier mode de réalisation, la configuration électrique du système de chauffe, dans laquelle les résistors d'un même jeu sont montés en série ; - la figure 7 est un schéma illustrant, selon un deuxième mode de réalisation, la configuration électrique du système de chauffe, dans laquelle les résistors d'un même jeu sont montés en parallèle ; - la figure 8 est un diagramme illustrant les courbes des températures de chauffe correspondant à trois résistors superposés d'un même jeu, montés en série ou en parallèle, en fonction respectivement du courant circulant dans le circuit ou de la tension aux bornes de celui-ci ; - la figure 9 est un schéma illustrant, selon un troisième mode de réalisation, la configuration électrique du système de chauffe, dans laquelle les résistors d'un même jeu sont connectés à des circuits électriques distincts. Sur la figure 1 est représenté un moule 1 pour le formage de récipients à partir d'ébauches (il s'agit généralement de préformes) en matière plastique. Ce moule 1 est destiné à être intégré à une unité de formage des récipients, qui comprend par exemple un carrousel à la périphérie duquel sont montés plusieurs moules 1. S001 6092 FR - B1138 Version : TQD Ce moule 1 est du type portefeuille et comprend deux demi-moules 2 (également appelés coquilles) fixés de manière amovible dans deux porte-coquilles respectifs (non représentés) montés articulés en rotation l'un par rapport à l'autre autour d'une charnière commune. La figure 3 montre une coquille 2 seule, représentée en éclaté. Chaque coquille 2 est réalisée de manière monobloc dans un matériau métallique tel qu'un acier ou un alliage d'aluminium. Dans la coquille 2 est formée en creux, à partir d'une face 3 plane formant une interface entre les coquilles 2, une cavité 4 à l'empreinte d'un récipient final à former, qui s'étend autour d'un axe X central de symétrie. Les récipients à former sont du type HR, c'est-à-dire qu'ils présentent une bonne résistance mécanique à la déformation lors d'un remplissage à chaud. Cette résistance est conférée à chaque récipient par un accroissement de son taux de cristallinité par voie thermique, ce 15 processus appelé thermofixation étant rendu possible par une régulation de la température du moule 1 à une température élevée (supérieure à 100°C, et de préférence comprise entre 130°C et 160°C). Selon un mode particulier de réalisation, le récipient final présente des panneaux destinés à absorber les déformations lors du 20 remplissage. Ces panneaux sont par exemple formés par une série d'inserts 5 montés dans la cavité 4 de manière amovible, dans des logements prévus à cet effet. En pratique, la thermofixation consiste à maintenir, à la fin de son formage, le récipient plaqué contre la paroi de la cavité 4 pendant une 25 durée prédéterminée. Afin de maintenir la température des coquilles 2 à une température élevée, le moule 1 comprend un système 6 de chauffe électrique de chaque coquille 2. Ce système 6 de chauffe comprend, pour chaque coquille 2, au 30 moins un jeu 7 d'éléments résistifs ou résistors 8.i (où i est un entier compris entre 1 et N, N étant un entier strictement supérieur à 1, N étant égal à 3 dans le mode de réalisation illustré) distincts, superposés sensiblement parallèlement à l'axe X central et de topologie similaire, localisés en regard de zones 9.i correspondantes distinctes, 35 adjacentes et superposées de la cavité 4. La topologie de deux éléments est dite similaire lorsqu'ils présentent les mêmes propriétés géométriques. Ainsi, deux cylindres de révolution sont réputés de S001 B092 FR - B1138 Version : TQD topologie similaire, de même que deux tores de révolution. En revanche, un cylindre de révolution et un tore de révolution présentent des topologies dissemblables. Le système 6 de chauffe est agencé pour dissiper par effet Joule une énergie thermique différente au niveau de chaque résistor 8.i d'un même jeu 7, afin de chauffer et réguler en température les zones 9.i adjacentes superposées à des températures différentes. Chaque résistor 8.i comprend un conducteur électrique sous forme d'un enroulement hélicoïdal (ou solénoïde) autour d'une courbe guide C, noyé dans un isolant diélectrique réalisé dans un matériau réfractaire offrant une bonne conductivité thermique tout en ayant une grande résistance électrique. De manière classique, le conducteur peut être réalisé dans un alliage de nickel et de chrome. Selon un mode de réalisation préféré, illustré sur les figures 2 à 4, la topologie de chaque résistor 8.i est droite, c'est-à-dire que la courbe guide C du résistor 8.i est un segment de droite, le résistor 8 étant par conséquent, à grande échelle (c'est-à-dire à l'échelle du moule), cylindrique de révolution. Dans une variante illustrée sur la figure 5, la courbe guide C est un arc de cercle, chaque résistor 8.i étant par conséquent torique à grande échelle. Par convention, on nomme résistance intrinsèque, notée R1, la résistance électrique de chaque résistor 8.i, mesurée par unité de longueur d'arc de sa courbe guide C. La résistance intrinsèque R, est fournie par la formule suivante : li Ri = p A où R, est la résistance électrique du résistor 8.i, mesurée par unité de longueur d'arc de la courbe guide, en ohm [Q] ; p est la résistivité du matériau, mesurée en ohm-mètre [Q-m] 1, est la longueur développée de l'enroulement hélicoïdal mesuré sur une unité de longueur d'arc de la courbe guide C du résistor 8.i, exprimée en mètres [m] ; A est la section du résistor 8.i, exprimée en mètres carrés [m2]. Les résistors 8.i superposés d'un même jeu 7 présentent une topologie similaire (notamment cylindrique dans l'exemple des figures 2 S001 B092 FR - B1138 Version : TQD à 4, ou torique dans l'exemple de la figure 5) tout en ayant de préférence des résistances électriques intrinsèques R, respectives différentes. On a représenté sur les figures 2, 3 et 4 une configuration physique préférée, dans laquelle chaque résistor 8.i est cylindrique, c'est-à-dire que la courbe guide C du conducteur est un segment de droite. Comme cela est bien visible sur les figures, chaque jeu 7 constitue dans cette configuration un élément radiant unitaire sous forme d'un crayon cylindrique comprenant chacun plusieurs (trois en l'espèce) résistors 8.i coaxiaux qui peuvent être montés sur un même circuit électrique, en série ou en parallèle comme illustré respectivement sur les figures 6 et 7, ou indépendamment sur des circuits électriques distincts, comme illustré sur la figure 9. Chaque crayon 7 est monté dans un trou 10 cylindrique complémentaire formé dans la coquille 2 sur sensiblement toute la hauteur de celle-ci, parallèlement à l'axe X central de la cavité 4. Comme on le voit sur la figure 2, les crayons 7, en l'espèce au nombre de cinq, sont répartis circulairement de manière régulière à la périphérie de la coquille 2, à distance sensiblement égale de l'axe X central. Le trou 10 présente un diamètre légèrement supérieur au diamètre externe du crayon 7, le jeu entre eux étant toutefois suffisamment faible (en fonction de ce que les tolérances de fabrication permettent) pour maximiser le contact entre le crayon 7 et la coquille 2 et ainsi limiter les fuites thermiques et améliorer le rendement énergétique du moule 1. Comme illustré sur la figure 4, les résistors 8.i au sein d'un même crayon 7 s'étendent sur des hauteurs respectives Hi qui peuvent être différentes et correspondent chacune à une zone 9.i particulière de chauffe de la cavité 4. Ainsi, dans l'exemple illustré sur la figure 4, chaque crayon 7 comprend : un premier résistor 8.1, de résistance intrinsèque notée R1, qui s'étend sur une première hauteur H1, au niveau d'une zone 9.1 supérieure de chauffe correspondant à l'empreinte d'une épaule du récipient à former, à chauffer à une première température T1 prédéterminée ; S001 B092 FR - B1138 Version : TQD - un deuxième résistor 8.1, de résistance intrinsèque notée Rz, qui s'étend sur une deuxième hauteur H2, au niveau d'une zone intermédiaire 9.2 de chauffe correspondant à l'empreinte d'un corps du récipient à former, à chauffer à une deuxième température T2 prédéterminée ; - un troisième résistor 8.3, de résistance intrinsèque notée R3, qui s'étend sur une troisième hauteur H3, au niveau d'une zone 9.3 inférieure de chauffe correspondant à l'empreinte d'un fond du récipient à former, à chauffer à une troisième température T3 prédéterminée. Pour faire varier la température de la coquille 2 suivant la hauteur de celle-ci, on veille de préférence à ce que chaque résistor 8.i présente une résistance électrique intrinsèque différente : R1#R2#R3 avec, de préférence : R1 # R3 Concrètement, selon un mode particulier de réalisation, chaque crayon 7 comprend un conducteur électrique unique ayant plusieurs sections successives aboutées présentant des résistances intrinsèques différentes par unité de longueur d'arc de la courbe guide (rectiligne en l'espèce) et formant chacune un résistor 8.i distinct. De la sorte, la puissance électrique dissipée par effet Joule et par unité de longueur par deux conducteurs voisins varie d'un conducteur à l'autre (c'est-à-dire d'un résistor 8.i à l'autre). Il en découle que la température de chauffe est différente pour chaque zone 9.i de la cavité 4. La variation de résistance intrinsèque dans chaque crayon 7 peut se faire, dans l'hypothèse où l'enroulement spiral est réalisé dans un matériau unique, par variation de densité de l'enroulement des conducteurs (c'est-à-dire par variation de la longueur développée du conducteur par unité de longueur de la courbe guide C), ou par variation de la section du conducteur. Les résistors 8.1 d'un même crayon 7 peuvent être montés en série (comme illustré sur le schéma de principe de la figure 6) ou en parallèle (comme illustré sur le schéma de principe de la figure 7) sur un même circuit électrique comprenant un fil 11 conducteur aller et un fil 12 conducteur retour. Les fils 11, 12 sont de préférence raccordés à une borne électrique qui peut être intégrée à un bornier (non représenté). S001 B092 FR - B1138 Version : TQD En variante, les résistors 8.1 peuvent être indépendants (comme illustré sur le schéma de principe de la figure 9) et intégrés à des circuits électriques indépendants. Dans ce cas, leurs résistances électriques intrinsèques Ri peuvent être identiques, la variation de puissance d'un résistor à l'autre découlant d'une variation de l'intensité du courant ou de la tension qui les alimente. Le (ou chaque) circuit électrique est alimenté en courant par un générateur 13. Afin de varier et réguler la puissance dissipée au niveau de chaque résistor 8.i, le circuit électrique est relié à une unité 14 de contrôle avec interposition d'un gradateur 15 à commande par angle de phase ou, préférentiellement, par train d'onde. Dans ce cas le gradateur comprend un interrupteur assurant alternativement le passage et la coupure du courant issu du secteur sur des durées respectives prédéterminées. L'unité 14 de contrôle est programmée pour régler le rapport des durées de passage et de coupure. Selon un mode préféré de réalisation, l'unité 14 de contrôle assure le réglage et la régulation de la puissance (via le gradateur 15) par rétroaction en fonction par exemple d'un paramètre de température, tel que la température au droit de l'une des zones 9.i de la cavité 4, mesurée au moyen d'un au moins un capteur 16 thermique tel qu'un thermocouple (pour une prise de température unique) ou une caméra thermique (pour une cartographie thermique) reliée à l'unité 16 de contrôle - et plus précisément au gradateur 15. Dans le montage électrique de la figure 6, les puissances électriques Pi dissipées par chaque résistor 8.i sont toutes, suivant la loi d'Ohm, proportionnelles à la résistance R, et au carré de l'intensité du courant I circulant dans le circuit : = Ri - I2 Dans le montage électrique de la figure 7, les puissances électriques P, dissipées par chaque résistor 8.i sont toutes, suivant la loi d'Ohm, proportionnelles à l'inverse de la résistance R, et au carré de la tension V aux bornes du circuit : V2 P. - - Ri S001 B092 FR - B1138 Version : TQD Les températures moyennes T1, T2 et T3 régnant dans chacune des zones 9.i étant proportionnelles aux puissances dissipées, on comprend qu'il soit possible de rétroagir via l'unité 14 de contrôle sur le courant I circulant dans le circuit (respectivement la tension V aux bornes à ses bornes). On a représenté sur la figure 8 les lois de variation des températures T1, T2 et T3 en fonction de l'intensité I du courant (dans le cas d'un circuit en série, figure 6), respectivement de la tension U (dans le cas d'un circuit en parallèle, figure 7). On voit que le système 6 fonctionne de manière biunivoque, c'est- à-dire qu'à un courant d'intensité Io (respectivement à une tension Vo) donnée correspond un unique triolet de températures T1, T2, T3 dans les zones 9.i superposées de la cavité 4, et réciproquement. Pour le branchement en série et en parallèle, une seule sonde suffit donc puisque la régulation ne peut pas être conduite séparément pour chaque zone 9.i. On choisira la valeur de la résistance propre de chaque résistor 8.i en fonction du profil de température visé, lui-même fonction de l'intensité (pour un montage en série) ou de la tension (pour un montage en parallèle). On peut monter la sonde dans la coquille 2 au niveau de n'importe laquelle des zones (par exemple la zone 9.1 supérieure). En variante, une caméra thermique peut être montée en sortie du moule 1, en regard de la cavité 4 ouverte. On régule par exemple la température T1 de la zone supérieure 9.1 de chauffe à une valeur comprise entre 100°C et 160°C, notamment à environ 130°C. Suivant un mode de réalisation alternatif, illustré de manière schématique sur la figure 9, les résistors 8.i sont branchés sur des circuits électriques distincts comprenant chacun un générateur 13 indépendant. La configuration physique des jeux 7 peut demeurer conforme à la description faite ci-dessus, en référence aux figures 2 à 4 ou 5. Il est dans ce cas possible de régler et réguler la température de chaque zone 9.i de manière indépendante, au moyen d'une unité 14 de contrôle reliée à un capteur 16 thermique (tel qu'une sonde montée dans la coquille au droit de chaque zone 9.1, ou caméra thermique montée en sortie du moule 1 et balayant l'ensemble des zones 9.i pour en évaluer la température respective). Selon un mode de réalisation S001 B092 FR - 81138 Version : TQD préféré, un gradateur 15 commandé par l'unité 14 de contrôle est monté sur chaque circuit pour faire varier la puissance dissipée par train d'onde. Il résulte des architectures qui viennent d'être décrites les avantages communs suivants. Premièrement, il est possible d'effectuer un zonage thermique précis du moule 1, c'est-à-dire de réguler thermiquement par zones 9.i superposées la température de chauffe d'un récipient HR au sein du moule 1. Deuxièmement, ce zonage peut être réglé de manière précise en fonction de l'intensité circulant dans le circuit électrique du système de chauffe, ou de la tension aux bornes du circuit. Troisièmement, grâce au montage des éléments 7 de chauffe directement dans la coquille, les fuites thermiques sont minimisées et le rendement énergétique de la chauffe électrique du moule 1 est meilleur. Quatrièmement, dans le cas de crayons 7 cylindriques, la fabrication de la coquille 2 pour permettre le montage du système de chauffe est relativement simple, puisque de simples trous 10 cylindriques suffisent (respectant cependant de faibles tolérances de dimensionnement de sorte à maximiser les surfaces de contact effectif entre les crayons et la paroi de la coquille 2). S001 B092 FR - B1138 Version : TQD REVENDICATIONS1. Moule (1) pour le formage de récipients à partir d'ébauches en matière plastique, qui comprend une coquille (2) délimitant une cavité (4) à l'empreinte d'un récipient s'étendant autour d'un axe (X) central, et un système (6) de chauffe de la coquille (2), caractérisé en ce que le système (6) de chauffe comprend au moins un jeu (7) d'éléments (8.i) résistifs distincts, superposés sensiblement parallèlement à l'axe (X) central et de topologie similaire, le système (6) de chauffe étant agencé pour dissiper une énergie thermique différente au niveau de chaque élément (8.i) résistif d'un même jeu (7). 2. Moule (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments (8.i) résistifs d'un même jeu (7) présentent des résistances (R1) intrinsèques différentes. 3. Moule (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément (8.i) résistif est de forme générale cylindrique, et s'étend sensiblement parallèlement à l'axe (X) central. 4. Moule (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque jeu (7) d'éléments (8.i) résistifs se présente sous forme d'un élément radiant unitaire. 5. Moule (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément (7) radiant se présente sous forme d'un crayon cylindrique inséré dans un trou (10) complémentaire formé dans la coquille (2). 6. Moule (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément (8.i) résistif est de forme générale torique de révolution autour de l'axe central. 7. Moule (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments (8.i) résistifs d'un même jeu (7) sont montés en série sur un circuit électrique commun. 8. Moule (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments (8.i) résistifs d'un même jeu (7) sont montés en parallèle sur un circuit électrique commun. 9. Moule (1) selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit électrique est alimenté par un générateur de courant relié à une unité (16) de contrôle. S001 B092 FR - B1138 Version : TQD 10. Moule (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'unité (16) de contrôle est reliée à un capteur thermique tel qu'un thermocouple monté dans le moule, ou une caméra thermique montée en sortie du moule (1) et configurée pour effectuer une prise de température au niveau de l'une au moins de zones (9.i) de la cavité (4) situées au droit des éléments (8.i) résistifs. 11. Moule (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque élément (8.i) résistif est monté sur un circuit électrique indépendant. 12. Unité de formage de récipients à partir de préformes en matière plastique, qui comprend au moins un moule (1) selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Unité de formage selon la revendication 12, qui comprend une pluralité de moules (1) selon l'une des revendications 1 à 11, montés sur un carrousel commun. S001 B092 FR - B1138 Version : TQD