Brevet FR2982790A1 — publié le 20130524

Unité de traitement thermique d'ébauches de récipients à double paroi rayonnante en quinconce L'invention a trait à la fabrication de corps creux tels que des récipients, par soufflage ou étirage-soufflage à partir d'ébauches en matière plastique, le terme « ébauche » désignant une préforme, obtenue par injection d'une matière plastique dans un moule, ou un corps creux intermédiaire obtenu à partir d'une préforme ayant subi au moins une première opération de formage et destiné à en subir au moins une seconde. L'invention concerne plus précisément le traitement thermique des ébauches, généralement réalisé au défilé au sein d'une unité de traitement couramment appelée « four », équipée d'une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique devant lesquelles défilent les ébauches entraînées en rotation sur elles-mêmes. Une technique classique de chauffe consiste à employer des lampes tubulaires à incandescence de type halogène, rayonnant suivant la loi de Planck sur un spectre continu Cette technique, extrêmement répandue, ne va pas sans inconvénient, le principal étant que, pour l'essentiel, l'énergie électrique consommée par les lampes est tout bonnement gaspillée par dissipation thermique, seul le domaine infrarouge du spectre étant effectivement utile à la chauffe. C'est la raison pour laquelle le rendement des fours halogènes est très faible. Un autre inconvénient est le manque de précision de la chauffe, les lampes halogènes n'étant pas directives, même si des artefacts (miroirs, obturateurs) peuvent être employés pour tenter de concentrer localement le rayonnement absorbé par les ébauches. Une technologie alternative a récemment vu le jour, basée sur l'utilisation de lasers émettant dans le domaine de l'infrarouge (cf. les demandes de brevet français n° FR 2 878 185 et FR 2 917 418 au nom de la demanderesse). Le rendement et les propriétés (notamment de précision optique) des sources laser sont très supérieurs à ceux des sources halogènes, et permettent en théorie de réaliser une chauffe plus rapide et plus sélective des ébauches. S001 B078 FR_B1129_TQD Les seules qualités intrinsèques des sources laser connues à ce jour ne suffisent cependant pas à garantir une chauffe des ébauches avec un bon rendement et une bonne homogénéité, et il demeure à cet effet indispensable de travailler sur l'architecture de l'unité de chauffe. Des configurations nouvelles d'unités de chauffe ont été proposées, cf. par exemple la demande de brevet européen EP 2 002 962, qui propose d'incliner les sources directives par rapport à la tangente à la trajectoire des ébauches. Un premier objectif est d'assurer une bonne distribution énergétique dans l'enceinte de traitement. Un deuxième objectif est d'améliorer le rendement d'une unité de traitement d'ébauches. Un troisième objectif est de proposer une unité de traitement d'ébauches présentant une bonne compacité. Pour remplir au moins l'un de ces objectifs, il est proposé une unité de traitement d'ébauches de corps creux en matière plastique, comprenant une enceinte munie de deux parois opposées, à savoir une première paroi et une deuxième paroi en regard de la première, qui définissent ensemble une enceinte au sein de laquelle défilent les ébauches selon un trajet longitudinal prédéterminé, dans laquelle : chaque paroi comporte une série d'émetteurs espacés comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique ou pseudo-monochromatique, une section réfléchissante s'étend dans chaque espace entre deux émetteurs voisins ; les émetteurs de la deuxième paroi sont décalés longitudinalement par rapport à ceux de la première paroi, de sorte que les émetteurs de chaque paroi font face à une section réfléchissante de la paroi opposée. Des essais menés avec une telle configuration ont démontré que celle-ci permet d'obtenir la distribution énergétique souhaitée dans la zone d'exposition des ébauches. En particulier, lorsqu'un traitement homogène est souhaité, cette configuration permet d'obtenir une puissance homogène du rayonnement dans la zone d'exposition des ébauches. En outre, cette configuration présente une bonne compacité, et un bon rendement énergétique. S001 B078 FR_B1129_TQD Les caractéristiques supplémentaires suivantes peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - l'unité de traitement comprend des moyens d'entraînement des ébauches sur au moins deux rangées parallèles au sein de l'enceinte ; - les préformes sur deux rangées sont disposées en quinconce ; - chaque émetteur présente une largeur sensiblement égale ou supérieure à celle de la section réfléchissante qui lui fait face. - chaque paroi comprend une juxtaposition de modules individuels comprenant chacun : - un émetteur matriciel, - un réflecteur ajouré encadrant l'émetteur ; - pour un intervalle donné entre deux émetteurs adjacents, les émetteurs de la deuxième paroi sont décalés, par rapport à ceux de la première paroi, d'un demi-intervalle augmenté ou diminué d'une demi-largeur de réflecteur, ou - pour un intervalle donné entre deux émetteurs adjacents, les émetteurs de la deuxième paroi sont décalés, par rapport à ceux de la première paroi, d'un demi-intervalle ; - les sources de rayonnement sont des lasers, par exemple des diodes laser de type VCSEL. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description de modes de réalisation donnés à titre illustratif, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue de côté montrant une unité de traitement thermique de préformes, selon un premier exemple de réalisation ; la figure 2 est une vue en coupe horizontale de l'unité de traitement thermique de la figure 1, selon le plan de coupe II-II ; - la figure 3 est une vue de côté montrant une unité de traitement thermique de préformes, selon un deuxième exemple de réalisation ; la figure 4 est une vue en coupe horizontale de l'unité de traitement thermique de la figure 3, selon le plan de coupe IV-IV ; - la figure 5 est une vue en perspective d'une paroi d'une unité de traitement telle que représentée sur les figures précédentes ; S001 B078 FR_B1129_TQD la figure 6 est une vue de détail de la paroi de la figure 5, selon l'encart VI. On a schématiquement représenté sur les figures une unité 1 de traitement 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 l'obtention des récipients définitifs. De même, le traitement est en l'espèce un traitement thermique effectué par rayonnement dans l'infrarouge mais il pourrait s'agir d'un traitement de décontamination effectué par rayonnement dans l'ultraviolet. Les préformes 2 sont représentées orientées col en haut, mais elles pourraient être orientées col en bas. Comme cela est visible sur les figures, l'unité 1 de traitement comprend deux parois opposées, à savoir une première paroi 3 et une deuxième paroi 4 en regard de la première, qui définissent ensemble une enceinte 5 au sein de laquelle défilent les préformes 2 selon un trajet T prédéterminé définissant une direction longitudinale. Dans l'exemple illustré ce trajet T est linéaire, mais il pourrait être (au moins localement) courbe, selon la configuration des lieux dans lesquels est installée l'unité 1 de traitement. Les préformes 2 sont fixées à des supports 6 pivotants appelés tournettes (schématisées par des cylindres), qui entrai nent les préformes 2 en rotation autour de leur axe principal de manière à exposer le corps (c'est-à-dire la partie sous col) au traitement. Selon un mode de réalisation connu, les tournettes 6 sont montées sur une chaîne entraînée en déplacement le long du trajet T, et sont solidaires chacune d'un pignon qui engrène une crémaillère fixe, de sorte que chaque préforme 2 est également entraînée en rotation autour de son axe de révolution au fur et à mesure de son déplacement le long du trajet T. Tout autre moyen d'entraînement des tournettes en rotation peut être employé. A titre d'exemple, cette rotation peut être motorisée, par exemple au moyen d'un moteur individuel pour chaque tournette, ou au moyen d'un moteur commun dont la rotation est transmise aux tournettes par une transmission appropriée, par exemple par chaîne ou par courroie. Une telle motorisation présente l'avantage de permettre S001 B078 FR_B1129_TQD une rotation plus rapide des préformes 2 au sein de l'unité 1 de traitement, ce qui peut se révéler opportun compte tenu de la compacité de celle-ci. Chaque paroi 3, 4 est à la fois émettrice et réfléchissante, et comprend une série d'émetteurs 7 matriciels juxtaposés comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique émettant de manière monochromatique (ou pseudo-monochromatique) dans le domaine infrarouge. On note L1 la dimension longitudinale (ou largeur) de l'émetteur 7. 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 sont organisées par juxtaposition (c'est-à- dire les unes à côté des autres longitudinalement) et superposition (c'est-à-dire les unes au-dessus des autres) pour former une matrice. Il s'agit par exemple de sources laser, et de préférence de diodes laser. Selon un mode préféré de réalisation, chaque source est une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), chaque diode émettant par exemple un faisceau 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 1pm. En pratique, la matrice est subdivisée en sous-ensembles 8 de diodes, que l'on a représentés de manière simplifiée sous forme de pavés, rassemblant chacun un nombre sensiblement équivalent de diodes. S001 B078 FR_B1129_TQD Les émetteurs 7 sont juxtaposés (c'est-à-dire disposés côte à côte selon la direction longitudinale), en étant espacés les uns des autres, c'est-à-dire que leurs bords latéraux ne sont pas jointifs, un espace étant ménagé entre eux. Chaque émetteur 7 définit un plan M médian vertical de symétrie, et l'on note P l'intervalle (constant dans le mode de réalisation illustré) entre deux émetteurs 7 voisins, défini comme la distance entre les plans M médians de ces émetteurs 7. Si, à l'échelle des préformes 2, chaque diode peut être considérée comme une source ponctuelle émettant un pinceau lumineux conique, chaque émetteur 7 produit, lorsque toutes les diodes sont allumées, un halo de rayonnement infrarouge dont il est difficile de donner une représentation tant sont complexes les phénomènes optiques, en particulier d'interférence, et nombreuses les sources (plusieurs milliers par émetteur). Quoi qu'il en soit, il demeure que l'intensité du halo de rayonnement produit par chaque émetteur présente un maximum centré autour d'un axe médian, et décroit avec l'éloignement de l'axe, tant horizontalement que verticalement. Les émetteurs 7 étant juxtaposés longitudinalement, il va de soi que la distribution énergétique de chaque paroi 3, 4 est anisotrope à une distance donnée de la paroi 3, 4, l'intensité du rayonnement pouvant être considérée comme sensiblement constante selon la direction longitudinale (tout en pouvant présenter, en pratique, des variations autour d'une intensité moyenne), tandis qu'elle décroît de part et d'autre aux extrémités longitudinales des parois 3 et 4. En pratique, comme cela est représenté sur la figure 3, chaque émetteur 7 est intégré à un module 9 individuel de chauffe qui comprend en outre un réflecteur 10 (propre à réfléchir la majorité du rayonnement des émetteurs 7), ajouré, encadrant l'émetteur 7, ainsi qu'un bloc 11 de refroidissement de l'émetteur 7, comprenant des conduits 12 d'amenée et d'évacuation d'un fluide caloporteur. Le réflecteur 10, de contour rectangulaire, peut se présenter sous forme d'un miroir ayant, de manière classique, une glace présentant une face frontale polie et une face arrière revêtue d'un tain métallique. De préférence toutefois, afin d'éviter ou de minimiser les phénomènes de perte d'énergie optique, le réflecteur 10 peut être : S001 B078 FR_B1129_TQD soit de type spéculaire, sous forme d'une plaque réalisée dans un matériau métallique et dont une face frontale, tournée vers l'intérieur de l'enceinte, est polie, ou dans un matériau non nécessairement métallique (par exemple un verre ou une matière plastique résistant à la chaleur) et dont une face frontale est polie ou revêtue d'une couche mince à forte réflectivité, par exemple métallique (notamment argentée ou dorée), soit de type diffus, sous forme par exemple d'une plaque réalisée dans une céramique à haute réflectivité telle qu'une alumine frittée. Chaque réflecteur 10 présente une section 13 inférieure, sensiblement rectangulaire, qui occupe l'espace sous l'émetteur 7, surmontée de deux sections 14 supérieures qui bordent latéralement l'émetteur 7. Les modules 9 de chauffe sont juxtaposés de telle manière que les réflecteurs 10 de deux modules 9 adjacents soient aboutés, sans interstice entre les réflecteurs 10, ou avec un interstice minimal juste suffisant pour permettre une éventuelle dilatation des réflecteurs 10 lors du fonctionnement de l'unité 1 de chauffe, en fonction des cycles thermiques subis. Les sections 14 supérieures de deux réflecteurs 10 adjacents forment conjointement une section 15 réfléchissante qui s'étend dans l'espace entre deux émetteurs 7 voisins, au même niveau et sur la même hauteur que ceux-ci. De préférence, chaque section 15 réfléchissante occupe tout l'espace entre les deux émetteurs 7 voisins, la largeur de cette section, notée L2, étant sensiblement égale à la distance entre les bords latéraux des émetteurs 7. Compte tenu de la valeur minimale de l'interstice éventuel existant entre deux réflecteurs 10 voisins, la section 15 réfléchissante peut être considérée en première approximation comme continue, les effets de bord (c'est-à-dire les phénomènes optiques sur les bords latéraux des réflecteurs 10) pouvant être minimisés. On peut toutefois, en seconde approximation, configurer l'unité 1 de traitement en tenant compte des effets de bord, comme nous le verrons ci-après. Comme on le voit sur les figures 1, 3 et 4, chaque paroi 3, 4 est surmontée d'un bandeau 16 limiteur, qui vient coiffer les émetteurs 7 pour limiter la propagation du rayonnement hors de l'enceinte 5. S001 B078 FR_B1129_TQD Comme cela est bien visible sur la figure 1, le bandeau 16 présente un bec 17 en saillie qui borde les émetteurs 7 et dont une face inférieure, tournée vers l'enceinte, est réfléchissante pour concentrer le rayonnement dans celle-ci. En pratique, et comme illustré sur les figures 3 et 4, le bandeau 16 est formé par juxtaposition d'éléments 18 individuels intégrés à chaque module 9 de chauffe. Comme on le voit sur la figure 2, les parois 3, 4 sont agencées de manière que les émetteurs 7 et les sections 15 réfléchissantes soient disposés en quinconce. En effet, les émetteurs 7 de la deuxième paroi 4 sont décalés longitudinalement (c'est-à-dire le long du trajet T des préformes 2) par rapport aux émetteurs 7 de la première paroi 3 de telle sorte que les émetteurs 7 de chaque paroi 3, 4 se trouvent face à une section 15 réfléchissante de la paroi opposée. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 2, dans lequel les effets de bord sont négligés, ce décalage est égal à un demi-intervalle, soit P/2, de sorte que le plan M médian de chaque émetteur 7 soit confondu avec le plan (noté M') de joint entre deux réflecteurs 10 successifs de la paroi opposée. Cette configuration peut être adoptée en l'absence de discontinuité à la jonction entre les modules 9 de chauffe ou, à tout le moins, lorsqu'une telle discontinuité est minime. En effet, une discontinuité importante entraînerait des défauts de réflexion du rayonnement dans la partie la plus énergétique de sa distribution spatiale (dans le plan M). Pour minimiser un tel interstice (et donc les effets de bord), on pourrait compter sur un usinage et un aboutement précis des bords de réflecteurs 10 adjacents. Toutefois, comme cela est déjà évoqué, l'échauffement dans l'enceinte 5 peut provoquer une dilatation de la matière, qui nécessite la présence d'un tel interstice. Une première solution peut consister à supprimer les effets de bord en prévoyant un réflecteur 10 unique pour deux modules 9 de chauffe adjacents, qui s'étendrait à cheval sur chacun d'eux, entre leurs émetteurs 7 respectifs. Dans une telle configuration, il n'existe plus d'interstice entre les modules 9 adjacents au niveau des réflecteurs. Une autre solution, qui préserve la réalisation individuelle de chaque module 9 équipé d'une paire de réflecteurs 10 de part et d'autre de l'émetteur 7, consiste à décaler longitudinalement les émetteurs 7 S001 B078 FR_B1129_TQD de la deuxième paroi 4 par rapport aux émetteurs 7 de la première paroi d'une valeur telle que le plan M (où la concentration de rayonnement est maximale) s'étende dans l'axe d'une portion réfléchissante dépourvue de discontinuité, en étant par exemple confondu avec un plan M médian d'un réflecteur 10. Une telle solution est illustrée sur la figure 4, qui montre un exemple de réalisation dans lequel le plan M médian de chaque émetteur 7 est non confondu avec le plan M' de joint entre deux réflecteurs 10 successifs, mais décalé de celui-ci d'une demi-largeur de réflecteur, soit L2/4. En d'autres termes, le décalage est égal à P/2 ± L2/4. Cette solution, qui ne néglige pas les effets de bord, en minimise toutefois les effets. Par ailleurs, afin d'éviter toute zone d'ombre éventuelle dans l'enceinte 5, la largeur L1 des émetteurs est égale ou supérieure à la largeur L2 de la section 15 réfléchissante qui lui fait face. L'unité 1 de chauffe peut comprendre un réflecteur 19 inférieur ayant une face 20 supérieure réfléchissante, tournée vers l'enceinte 5. Le réflecteur 19 est par exemple conforme du type décrit dans la demande de brevet FR 2 954 920 (ou son équivalent international WO 2011/083263), c'est-à-dire qu'il présente une surface réfléchissante plane, laquelle peut être munie de trous mettant l'enceinte 5 en communication avec une chambre de piégeage du rayonnement. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures, le réflecteur 19 inférieur est concave (en forme de gouttière) et s'étend dans la continuité des parois 3, 4 qu'il relie entre elles pour fermer l'enceinte 5 et y concentrer le rayonnement en limitant la dispersion de celui-ci vers l'extérieur. Comme on peut le voir sur les figures, le réflecteur 19 peut être réalisé en deux parties associées respectivement à chacune des parois 3, 4, de sorte à permettre un écartement (ou un rapprochement) de celles-ci. Dans ce cas, pour éviter toute fuite du rayonnement, il est préférable de positionner sous le réflecteur 19 un réflecteur 21 secondaire sous-jacent, qui assure le comblement de l'interstice entre les deux parties écartées du réflecteur 19. Cette disposition permet de régler la largeur de l'enceinte 5 pour l'adapter à des préformes 2 de différentes diamètres, ou au défilement de préformes 2 sur plusieurs rangées parallèles, comme illustré sur les figures 3 et 4. S001 B078 FR_B1129_TQD Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, les préformes 2 défilent en effet sur plusieurs (en l'espèce deux) rangées R1, R2 parallèles, suivant la même direction longitudinale, de préférence suivant un agencement en quinconce. L'écartement transversal entre les rangées R1, R2, et l'écartement longitudinal entre les préformes 2 peut être ajusté en fonction notamment du diamètre des préformes 2. L'entraînement des préformes 2 sur deux rangées peut être similaire à celui des préformes 2 sur une rangée unique, les tournettes étant simplement disposées en quinconce sur deux rangées parallèles. La configuration en vis-à-vis des deux parois 3, 4 émettrices est particulièrement approprié à un défilement des préformes 2 sur au moins deux rangées agencées en quinconce. En effet, cette configuration permet d'effectuer une chauffe symétrique des préformes 2 des deux rangées, avec une même distribution spatiale du rayonnement, et in fine un même profil thermique sur l'ensemble des préformes 2 à la sortie de l'unité 1 de traitement. La configuration de l'unité 1 de traitement qui vient d'être décrite présente les avantages suivants. Premièrement, l'unité 1 de traitement présente une bonne compacité, grâce aux deux parois 3, 4 émettrices en regard. A nombre d'émetteurs égaux, l'unité 1 de traitement est environ deux fois plus compacte qu'une unité de traitement de puissance équivalente équipée d'une unique paroi émettrice. Deuxièmement, en corollaire de la compacité de l'unité 1 de traitement, le temps de traitement des préformes 2 est réduit, à vitesse de défilement égale. Troisièmement, grâce au décalage des émetteurs des parois 3, 4 en regard, le rayonnement auquel sont soumises les préformes 2 présente de faibles variations d'irradiance (c'est-à-dire de puissance du rayonnement par unité de surface transversale à la direction générale du rayonnement). Il en résulte une bonne homogénéité de chauffe. Quatrièmement, dans le cas de préformes 2 disposées sur deux rangées R1, R2 parallèles, on augmente la capacité de production de l'unité 1 de traitement, et l'on augmente le rendement optique de celle- ci grâce à un important taux de remplissage de l'enceinte 5. S001 B078 FR_B1129_TQD REVENDICATIONS1. Unité (1) de traitement d'ébauches (2) de corps creux en matière plastique, comprenant une enceinte (5) munie de deux parois (3, 4) opposées, à savoir une première paroi (3) et une deuxième paroi (4) en regard de la première, qui définissent ensemble une enceinte (5) au sein de laquelle défilent les ébauches (2) selon un trajet longitudinal prédéterminé, caractérisé en ce que : chaque paroi (3, 4) comporte une série d'émetteurs (7) espacés comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique ou pseudo-monochromatique, une section (15) réfléchissante s'étend dans chaque espace entre deux émetteurs (7) voisins ; les émetteurs (7) de la deuxième paroi (4) sont décalés longitudinalement par rapport à ceux de la première paroi (3), de sorte que les émetteurs (7) de chaque paroi (3, 4) font face à une section réfléchissante de la paroi opposée. 2. Unité de traitement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'entraînement des ébauches (2) sur au moins deux rangées (R1, R2) parallèles au sein de l'enceinte (5). 3. Unité de traitement selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'entraînement des préformes (2) sur deux rangées (R1, R2) en quinconce. 4. Unité (1) de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque émetteur (7) présente une largeur sensiblement égale ou supérieure à celle de la section (15) réfléchissante qui lui fait face. 5. Unité (1) de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque paroi (3, 4) comprend une juxtaposition de modules (9) individuels comprenant chacun : un émetteur (7) matriciel, un réflecteur (10) ajouré encadrant l'émetteur. 6. Unité (1) de traitement selon la revendication 5, caractérisée en ce que, pour un intervalle donné entre deux émetteurs (7) adjacents, les émetteurs (7) de la deuxième paroi (4) sont décalés, S001 B078 FR_B1129_TQDpar rapport à ceux de la première paroi (3), d'un demi-intervalle augmenté ou diminué d'une demi-largeur de réflecteur (10). 7. Unité (1) de traitement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour un intervalle donné entre deux émetteurs (7) adjacents, les émetteurs (7) de la deuxième paroi (4) sont décalés, par rapport à ceux de la première paroi (3), d'un demi-intervalle. 8. Unité (1) de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources de rayonnement sont des lasers, de préférence des diodes laser de type VCSEL. S001 B078 FR_B1129_TQD