Brevet FR2989301A1 — publié le 20131018

L'invention concerne le domaine du moulage par injection, notamment de thermoplastiques. Elle porte sur une presse à injection pour injecter une matière plastique dans un moule pour réaliser un objet. Le moulage par injection fait intervenir deux éléments essentiels, une presse à injection et un moule. Le moule reproduit en creux la forme de la 15 pièce à fabriquer. La presse à injection injecte dans le moule, sous pression, un matériau rendu fluide ou pâteux par élévation de température, de façon qu'il occupe l'espace ménagé dans le moule et prenne la forme de l'objet en refroidissant. Il s'agit d'une technique adaptée à la fabrication de pièces en grande ou très grande série, notamment en matières plastiques. 20 Les matières thermoplastiques brutes se présentent sous la forme de granulés dont la dimension est voisine du millimètre. Un moyen connu pour ramollir ces granulés et les injecter dans un moule consiste à utiliser une presse à injection comportant une vis sans fin tournant dans un cylindre chauffé. L'action combinée de la chaleur et du frottement ramollit le matériau, 25 et celui-ci est entraîné par la vis vers le moule. Ce type de presse à injection présente plusieurs inconvénients : - le temps de séjour du matériau thermoplastique dans la presse est relativement important, ce qui est susceptible de provoquer une dégradation des matériaux les plus fragiles ; ceci est aggravé par la température élevée, 30 voisine de 250 °C, à laquelle le matériau est soumis dans ce type de presse ; - lors de l'arrêt de la presse, le volume perdu de matériau est important, alors que le coût de certains matériaux est très élevé, ceci d'autant plus qu'il n'est pas possible de réduire beaucoup le diamètre de la vis. Le document FR 2 246 377 décrit une presse à injection du type 5 comprenant un piston d'injection pouvant prendre alternativement deux mouvements : - un mouvement de rotation autour de son axe, dans une chambre de compression et une zone de cisaillement et de plastification ; la plastification du matériau est obtenue par l'entraînement du fluide adhérant aux surfaces, dit 10 effet de Couette, - un mouvement de coulissement dans un pot d'injection pour injecter le matériau fluidifié dans un moule. Un second piston annulaire dit de compression, coaxial au piston d'injection et monté coulissant sur sa partie supérieure, est destiné à 15 comprimer la matière brute dans la trémie et dans la chambre de compression pour la faire pénétrer dans la zone de cisaillement et de plastification, puis dans le pot d'injection une fois fluidifiée. Ce type de presse fonctionne avec une température plus basse d'environ 20 °C que la presse à vis déjà mentionnée, néanmoins il est difficile de régler 20 précisément le volume d'injection, ce qui est un problème pour réaliser de petites pièces. L'invention se propose de résoudre ces problèmes. A cet effet, elle propose une presse à injection pour injecter une matière fluide dans un moule, du type comportant : 25 - une zone de compression de la matière à injecter comportant des moyens de compression, - une zone de fluidification de la matière à injecter, en communication avec ladite zone de compression et comportant des moyens de fluidification, - une zone d'injection de la matière fluidifiée en communication d'une part 30 avec ladite zone de fluidification et le moule d'autre part. -3 Selon l'invention, la zone d'injection peut comporter deux chambres distinctes en communication l'une avec l'autre comportant chacune leurs moyens d' inj ection. Le fait de disposer de deux chambres distinctes comportant chacune leurs 5 moyens d'injection apporte des avantages en terme de souplesse d'utilisation de la presse, notamment s'agissant de petits volumes à injecter. Avantageusement, la zone d'injection peut comporte un pot d'injection et un canal latéral d'injection en communication avec le pot d'injection à proximité d'un point d'injection, une section transversale du canal d'injection 10 latéral étant plus faible qu'une section transversale intérieure du pot d'injection. Avantageusement, les moyens d'injection peuvent comprendre un premier piston d'injection, monté coulissant à l'intérieur du pot d'injection, et un deuxième piston d'injection, monté coulissant à l'intérieur du canal latéral 15 d'injection. De cette façon, on maîtrise mieux le volume à injecter, notamment pour les petits volumes, et on peut injecter à plus forte pression. Avantageusement, les moyens de fluidification peuvent comprendre le premier piston d'injection monté pivotant sur lui même à l'intérieur de ladite 20 zone de fluidification, et les moyens de compression peuvent comprendre un piston de compression annulaire coaxial au premier piston d'injection et monté coulissant autour du premier piston d'injection. La presse à injection selon l'invention comporte donc trois pistons : - un piston de compression annulaire, prévu pour coulisser entre la paroi 25 intérieure de la zone de compression et de la zone de fluidification d'une part, et le premier piston d'injection d'autre part ; ce piston de compression exerce une pression sur la matière solide introduite dans la zone d'alimentation, de manière à augmenter le frottement de la matière sur le premier piston d'injection et à faire pénétrer de la matière fluide dans la zone d'injection, 30 - un premier piston d'injection qui remplit deux fonctions : d'une part, en tournant sur lui-même dans zone de fluidification, il contribue à provoquer la fluidification de la matière, d'autre part, en coulissant dans le pot d'injection, il exerce une pression sur la matière pour la faire pénétrer dans le canal latéral d'injection, - un deuxième piston d'injection qui, en coulissant dans le canal latéral 5 d'injection, dans un premier temps aspire la matière dans le canal latéral, dans un second temps exerce une pression sur la matière pour la pousser vers le point d'injection et dans le moule. Le piston de compression et le premier piston d'injection sont coaxiaux : le piston de compression est annulaire et coulisse le long du premier piston 10 d'injection dans la zone de compression. Avantageusement, le point d'injection comporte un clapet d'injection. Une fois la matière fluidifiée, le fonctionnement de la presse selon l'invention est séquentiel : - dans un premier temps, le premier piston d'injection, en coulissant dans 15 le pot d'injection, provoque le remplissage du canal latéral, - dans un deuxième temps, le deuxième piston d'injection, en coulissant dans le canal latéral, provoque l'injection de matière dans le moule relié à la buse d' inj e cti on. Le bon fonctionnement de cette séquence implique la présence d'un 20 clapet dont l'ouverture et la fermeture peuvent être commandées, de façon à ce que : - dans la première séquence, le clapet soit fermé afin que la matière soit dirigée vers le canal latéral, - dans la deuxième séquence, le clapet soit ouvert afin que la matière soit 25 dirigée vers le moule, le premier piston d'injection restant fixe dans le pot d'injection. L'invention porte également sur un procédé d'injection utilisant une presse à injection selon l'invention, comportant les étapes consistant à : 30 - fermer ledit clapet d'injection, - appliquer une rotation axiale audit premier piston d'injection de manière à fluidifier la matière présente dans la zone de fluidification, - appliquer une pression axiale sur la matière avec ledit piston de compression de manière à augmenter le frottement de la matière sur le premier piston d'injection et à faire pénétrer de la matière fluide dans la zone d'injection, - injecter de la matière fluide dans ledit canal d'injection latéral en exerçant une pression sur ladite matière fluide à l'aide dudit premier piston d'injection, avec ou sans rotation axiale dudit premier piston d'injection, - ouvrir ledit clapet d'injection et injecter la matière fluide dans un moule relié 10 audit point d'injection en exerçant une pression sur ladite matière fluide à l'aide du deuxième piston d'injection. Avantageusement, lors de l'étape d'injection de la matière fluide dans ledit canal d'injection latéral, on aspire simultanément la matière fluide à l'aide dudit deuxième piston d'injection. 15 Ce procédé présente de nombreux avantages : - il permet d'injecter de faibles volumes de matière fluide de façon plus précise, - il permet d'injecter des volumes variables, - il permet d'injecter à forte pression grâce au faible diamètre du canal 20 latéral d' inj ection, - il permet d'injecter à vitesse importante, - grâce au faible volume du pot d'injection on plastifie juste ce qui est nécessaire, - l'injection peut être répétée dès lors qu'il subsiste de la matière dans le 25 canal latéral. Le procédé est tout particulièrement avantageux dans le moulage par injection de matières fragiles et onéreuses en vue de fabriquer de petites pièces, telles que des pièces utilisées en chirurgie osseuse. 30 Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : Les figures 1 à 4 représentent schématiquement en coupe la presse à injection dans différentes positions dans le cycle d'injection. La presse à injection illustrée en figures 1 à 4 comporte un corps principal A qui comprend trois zones coaxiales dans le prolongement l'une de 1' autre : - une zone de compression 10 en partie supérieure, qui reçoit le matériau brut sous la forme de granulés solides introduits au travers d'une ouverture 10 latérale 11 pratiquée dans la paroi de la zone, dans laquelle le matériau est comprimé ; cette zone alimente la presse en matériau ; - une zone de fluidification 20 de forme conique, dans laquelle se produit la fluidification ou plastification de la matière par cisaillement et frottement (effet de Couette) ainsi que par chauffage, 15 - une zone d'injection comprenant un pot d'injection 30 de section intérieure cylindrique, dans le prolongement de la zone de fluidification ; ce pot d'injection est fermé par un fond 31 comportant un point d'injection 32 sous la forme d'une buse d'injection munie d'un clapet 33, prévue pour être reliée à un moule (non représenté). 20 Du matériau brut est donc présent au moins dans la zone d'alimentation et de compression 10, la zone de fluidification 20 et le pot d'injection 30. Un corps secondaire B se raccorde sur la zone d'injection de la presse à proximité du point d'injection 32. Ce corps secondaire comprend un canal d'injection latéral 40 qui communique avec le pot d'injection 30 dans sa partie 25 basse, près du fond 31 et donc près du clapet 33 ; le diamètre intérieur de ce canal d'injection latéral est inférieur à celui du pot d'injection. Par exemple, le diamètre du canal latéral d'injection sera d'environ 4 mm alors que celui du pot d'injection sera d'environ 10 mm. Ce dispositif est complété par trois pistons : 30 - un premier piston d'injection 50 de forme cylindrique qui traverse la zone d'alimentation et de compression 10 et plonge dans la zone de fluidification 20 et dans le pot d'injection 30 ; ce premier piston 50 peut être animé de deux mouvements : un mouvement de rotation axiale (flèche F2) qui provoque, par cisaillement et frottement, la fluidification ou plastification du matériau, et un mouvement de coulissement (flèche F1) qui provoque l'injection de la matière fluidifiée ; dans le mode de réalisation décrit, les mouvements de rotation et de coulissement sont disjoints, bien qu'ils puissent être conjoints dans un autre mode de réalisation ; - un piston de compression annulaire 60, coaxial au premier piston d'injection 50, monté coulissant (flèche F3) entre la paroi interne de la zone d'alimentation et de compression 10 et le premier piston d'injection 50 sur sa partie haute ; ce piston de compression 60 exerce une pression sur le matériau solide au niveau de la zone d'alimentation et de compression 10 pour le faire pénétrer dans la zone de fluidification 20 et augmenter le frottement sur le premier piston d'injection 50 ; - un deuxième piston d'injection 70 monté coulissant (flèche F4) à l'intérieur du canal latéral 40 ; bien entendu, le diamètre de ce deuxième piston d'injection est inférieur au diamètre du premier piston d'injection 50. La tolérance entre le diamètre de l'orifice 21 de la zone de fluidification et du pot d'injection 30 d'une part, et celui du premier piston 50 d'autre 20 part est une caractéristique importante de la presse, sachant que le premier piston doit pouvoir coulisser, même sur une faible longueur, dans le pot d'injection. La tolérance entre les diamètres est d'environ 1 micron. La figure 1 représente la presse à injection dans une position où elle peut être alimentée en matériau brut par l'ouverture latérale 11, le piston de 25 compression 60 étant relevé. La figure 2 représente la presse à injection dans une position où le matériau brut est mis en compression par le piston de compression 60. Le premier piston d'injection 50 est en rotation pour fluidifier la matière ; il a été relevé pour préparer l'injection ; le clapet 33 est fermé. 30 La figure 3 représente la presse à injection dans une position où le premier piston d'injection 50 injecte de la matière dans le canal d'injection -8 latéral 40 ; avantageusement, le deuxième piston d'injection 70 aspire simultanément la matière ; le clapet 33 est fermé. La figure 4 représente la presse à injection dans une position où le deuxième piston d'injection 70 injecte la matière dans le moule, le clapet 33 étant ouvert. REVENDICATIONS1. Presse à injection pour injecter une matière fluide dans un moule, du type comportant : - une zone de compression (10) de la matière à injecter comportant des moyens de compression, - une zone de fluidification (20) de la matière à injecter, en communication avec ladite zone de compression et comportant des moyens de fluidification, - une zone d'injection de la matière fluidifiée en communication d'une part 10 avec ladite zone de fluidification et le moule d'autre part, caractérisée en ce que la zone d'injection comporte deux chambres distinctes (30, 40) en communication l'une avec l'autre comportant chacune leurs moyens d' inj ection. 15 2. Presse à injection selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone d'injection comporte un pot d'injection (30) et un canal latéral d'injection (40) en communication avec le pot d'injection à proximité d'un point d'injection (32), une section transversale du canal d'injection latéral étant plus faible qu'une section transversale intérieure du 20 pot d'injection (30). 3. Presse à injection selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens d'injection comprennent un premier piston d'injection (50), monté coulissant à l'intérieur dudit pot d'injection (30), et un 25 deuxième piston d'injection (70), monté coulissant à l'intérieur dudit canal latéral d'injection (40). 4. Presse à injection selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de fluidification comprennent ledit 30 premier piston d'injection (50) monté pivotant sur lui même à l'intérieur de ladite zone de fluidification (20).-10- 5. Presse à injection selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de compression comprennent un piston de compression annulaire (60) coaxial audit premier piston d'injection (50) et 5 monté coulissant autour dudit premier piston d'injection. 6. Presse à injection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit point d'injection (32) comporte un clapet d'injection (33). 10 7. Procédé d'injection utilisant une presse à injection selon l'une des revendications 1 à 6, comportant les étapes consistant à : - fermer ledit clapet d'injection (33), - appliquer une rotation axiale audit premier piston d'injection (50) de manière 15 à fluidifier la matière présente dans la zone de fluidification (20), - appliquer une pression axiale sur la matière avec ledit piston de compression (60) de manière à augmenter le frottement de la matière sur le premier piston d'injection (50) et à faire pénétrer de la matière fluide dans la zone d'injection, - injecter de la matière fluide dans ledit canal d'injection latéral (40) en 20 exerçant une pression sur ladite matière fluide à l'aide dudit premier piston d'injection (50), avec ou sans rotation axiale dudit premier piston d'injection (50), - ouvrir ledit clapet d'injection (33) et injecter la matière fluide dans un moule relié audit point d'injection en exerçant une pression sur ladite matière fluide à 25 l'aide du deuxième piston d'injection (70). 8. Procédé d'injection selon la revendication 7, caractérisé en ce que, dans l'étape d'injection de la matière fluide dans ledit canal d'injection latéral (40), on aspire simultanément ladite matière fluide à 30 l'aide dudit deuxième piston d'injection (70).