Brevet FR3053271A1 — publié le 20180105

Procédé de fabrication par étirage soufflage d'un récipient à vitesse d'étirage élevée L'invention a trait à la fabrication des récipients par étirage soufflage à partir d'ébauches en matière plastique tel que polyéthylène téréphtalate (PET). Qu'il s'agisse d'une préforme ou d'un récipient intermédiaire ayant déjà subi une opération de préformage, une ébauche comprend un corps, généralement cylindrique de révolution, un col qui constitue le buvant du récipient à former, et un fond qui ferme le corps à l'opposé du col. La technique classique de fabrication consiste à introduire l'ébauche, préalablement chauffée à une température supérieure à la température de transition vitreuse de la matière (environ 80°C dans le cas du PET), dans un moule muni d'une paroi définissant une cavité à l'empreinte du récipient, et à injecter dans l'ébauche, par le col, un fluide, tel qu'un gaz (généralement de l'air), sous pression pour plaquer la matière contre la paroi du moule. Le formage comprend en général une phase de présoufflage lors de laquelle le fluide est injecté à une pression de présoufflage relativement basse (ordinairement inférieure ou égale à 15 bars), et une phase de soufflage, postérieure à la phase de présoufflage, lors de laquelle le fluide est injecté à une pression de soufflage élevée (ordinairement supérieure ou égale à 25 bars), supérieure à la pression de présoufflage. Sous l'effet de la pression, la matière ramollie par la chauffe forme une bulle qui enfle et se développe à la fois suivant une direction axiale, parallèle à l'axe principal du moule, et suivant une direction radiale, perpendiculaire à l'axe du moule. Afin d'éviter tout désaxement du récipient (ce qui permet d'assurer une bonne répartition de la matière constitutive de l'ébauche dans le récipient fini), l'étirage axial de l'ébauche est forcé au moyen d'une une tige déplaçable axialement dans le moule, cette tige comprenant une extrémité distale venant repousser le fond de l'ébauche jusqu'à venir le plaquer contre un fond de moule à l'empreinte du fond du récipient. II est connu de commander le mouvement de la tige d'étirage au moyen d'un dispositif magnétique, cf. la demande internationale W02012/156614 (Sidel Participations). 3053271 2 Il a été démontré, cf. par ex. la demande internationale W02008/081107 (Sidel Participations), que le bon formage d'un récipient repose sur un équilibre subtil entre divers paramètres incluant la température de chauffe des ébauches, la vitesse d'étirage, la 5 pression de fluide injecté dans les ébauches, et les instants auxquels sont commandés successivement le présoufflage et le soufflage. L'application des nouvelles normes environnementales incite les exploitants des installations de fabrication de récipients à diminuer leur consommation énergétique. Les fabricants doivent redoubler 10 d'ingéniosité pour proposer des solutions permettant de diminuer la consommation énergétique tout en préservant la qualité des récipients produits, afin de répondre aux attentes des consommateurs. L'invention vise à proposer une solution allant en ce sens, et permettant des gains substantiels en termes de consommation 15 énergétique, tout en préservant la qualité des récipients. A cet effet, il est proposé un procédé de fabrication d'un récipient par étirage soufflage à partir d'une préforme en matière plastique au sein d'une unité de formage comprenant : un moule pourvu d'une paroi latérale et d'un fond de moule à 20 l'empreinte, conjointement, du récipient, et une tige d'étirage montée mobile en translation par rapport au moule entre une position haute dans laquelle la tige est écartée du fond de moule et une position basse dans laquelle la tige est voisine du fond de moule, 25 ce procédé comprenant : une phase de présoufflage lors de laquelle un fluide à une pression dite de présoufflage est injecté dans la préforme et la tige est déplacée de sa position haute à sa position basse avec une vitesse maximale de déplacement supérieure ou égale à 2,5 m/s ; 30 une phase de soufflage lors de laquelle un fluide à une pression dite de soufflage, supérieure à la pression de présoufflage mais inférieure ou égale à 20 bars, est injecté dans la préforme. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison. Ainsi : 35 - la vitesse maximale peut est maintenue pendant la majeure partie de la phase de présoufflage ; 3053271 3 la vitesse maximale de déplacement de la tige est avantageusement de l'ordre de 3 m/s. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en 5 référence aux dessins annexés dans lesquels : la FIG.1 est une vue coupe, en perspective, montrant une unité de formage de récipients ; la FIG.2 est une vue de détail en coupe et en perspective, à plus grande échelle, de l'unité de formage de la FIG.1, suivant le 10 médaillon Il ; la FIG.3 est une vue en coupe, de face, de l'unité de formage de la FIG.2 ; les FIG.4, FIG.5 et FIG.6 sont des vues de détail en coupe, de face, illustrant le formage d'un récipient à partir d'une préforme ; 15 - la FIG.7 est un diagramme montrant l'évolution de la pression à l'intérieur de l'ébauche en fonction du temps, pendant un cycle complet de formage. Sur les FIG.1, FIG.2 et FIG.3 est partiellement représentée une machine 1 de fabrication de récipients 2 par étirage soufflage 20 d'ébauches, en l'occurrence des préformes 3, en matière plastique (tel que du PET) comprenant un corps 4 sensiblement cylindrique, un col 5 dont la forme est définitive, et un fond 6 hémisphérique qui ferme le corps 4 à l'opposé du col 5. En pratique, la machine 1 est équipée d'une série d'unités 7 25 individuelles de formage par étirage soufflage, montés sur un carrousel (non représenté) entraîné en rotation autour d'un axe central. Chaque unité 7 de formage, telle que celle représentée sur les figures 1 à 3, comprend un moule 8, une unité 9 d'étirage et une unité 10 d'injection surmontant le moule 8. 30 Le moule 8 est par exemple du type portefeuille et comprend deux demi-moules articulés autour d'une charnière commune et qui s'ouvrent pour permettre, successivement, l'évacuation d'un récipient 2 formé et l'introduction d'une préforme 3 à former, préalablement chauffée dans une unité de chauffe (couramment dénommée « four »). 35 Le moule 8 comprend une paroi 11 définissant une cavité 12 à l'empreinte du récipient 2, sensiblement symétrique de révolution 3053271 4 autour d'un axe X longitudinal principal et présentant, dans une partie inférieure, une ouverture dans laquelle est monté un fond 13 de moule qui, avec la paroi 11, complète l'empreinte du récipient 2. L'unité 9 d'étirage comprend un bâti 14, fixé au carrousel de la 5 machine 1, qui s'étend verticalement sensiblement à l'aplomb du moule 8, et un équipage 15 mobile incluant un chariot 16 portant une tige 17 d'étirage. Le chariot 16 est monté coulissant sur un rail 18 solidaire du bâti 14, entre : une position haute (FIG.2) dans laquelle la tige 17 est 10 complètement sortie du moule 8, une extrémité 19 inférieure libre de la tige 17 se trouvant dans cette configuration à une distance du moule 8 supérieure à la hauteur du col 5, de manière à permettre l'évacuation d'un récipient 2 formé et l'introduction d'une préforme 3 à souffler ; 15 - une position basse (FIG.6), dans laquelle la tige 17 d'étirage est reçue dans le moule 8 en venant au voisinage immédiat du fond 13 de moule, entraînant la prise en sandwich de la matière du récipient 2 entre l'extrémité 19 inférieure libre de la tige 17 et le fond 13 de moule. 20 L'unité 9 d'étirage est en outre équipée d'un dispositif 20 de commande électromagnétique du déplacement du chariot 16, qui comprend : une paire de moteurs 21, ici du type électromagnétiques et constitués par deux électroaimants fixés chacun sur une paroi 25 latérale du bâti 14 ; une paire de pistes 22 magnétiques disposée sur le chariot 16, chaque piste 22 étant formée d'une série d'aimants permanents à polarité alternée, placées en regard et à faible distance de chacun des moteurs 21 ; 30 - une unité 23 de contrôle (illustrée schématiquement sur la figure 5), reliée électriquement aux moteurs 21, et programmée pour leur délivrer un signal électrique de commande. L'unité 10 d'injection surplombe le moule 8 et a pour fonction d'introduire, dans la préforme 3 préalablement chauffée et suspendue 35 dans le moule 8 par son col 5, un fluide sous pression - notamment un gaz tel que de l'air - pour plaquer la matière contre la paroi 11 du moule 8 et lui conférer ainsi l'empreinte du récipient 2. 3053271 5 L'unité 10 d'injection comprend, en premier lieu, un bloc 24 d'injection, fixé sur le carrousel à l'aplomb du moule 8 et définissant un conduit 25 fluidique colinéaire à l'axe X principal. Le conduit 25 fluidique a pour fonction de canaliser le fluide injecté dans la préforme 5 3 pour former le récipient 2, et pour permettre le libre coulissement de la tige 17 d'étirage. Selon un mode de réalisation illustré sur les dessins, le bloc 24 d'injection comprend un boîtier 26 réalisé dans un matériau rigide et pourvu d'au moins un orifice 27 d'alimentation relié : 10 par un conduit 28 de présoufflage, à une source 29 de fluide (typiquement de l'air) à une pression PP de présoufflage relativement faible (comprise entre 5 et 15 bars) (par la suite, cette source 29 sera dénommée source 29 de présoufflage), et, par un conduit 30 de soufflage, à une source 31 de fluide 15 (typiquement de l'air) à une pression PS de soufflage relativement élevée, et en tout état de cause supérieure à la pression PP de présoufflage (par la suite, cette source 31 sera dénommée source 31 de soufflage). La pression PS de soufflage est ordinairement de l'ordre de 25 à 40 bars, mais il sera expliqué comment il est 20 possible de la diminuer sans sacrifier la qualité du récipient 2. Selon un mode préféré de réalisation, le conduit 28 de présoufflage et le conduit 30 de soufflage comprennent chacun une électrovanne 32, 33 respective reliée à l'unité 23 de contrôle, de sorte que cette dernière en commande l'ouverture et la fermeture pour placer successivement la 25 source 29 de présoufflage et la source 31 de soufflage en communication avec l'intérieur de la préforme 3 permettant de la transformer en récipient 2. L'unité 10 d'injection comprend, en deuxième lieu, un équipage 34 mobile muni d'une tuyère 35 creuse, encore appelée tuyère-cloche, qui 30 est montée sur le boîtier 26 et en communication fluidique avec le conduit 25. L'équipage 34 mobile est, avec la tuyère 35 embarquée, monté en translation par rapport au moule 8 entre une position haute dans laquelle la tuyère 35 est écartée du moule 8 pour permettre l'évacuation d'un récipient 2 formé et l'introduction d'une préforme 3, et 35 une position basse (FIG.3) dans laquelle la tuyère 35 est en contact étanche avec le moule 8 pour permettre le formage d'un récipient 2 à partir d'une préforme 3. 3053271 6 La fabrication d'un récipient 2 est réalisée comme suit. Tout d'abord; lors d'une première phase, la préforme 3, préalablement chauffée à une température supérieure à la température de transition vitreuse de la matière (environ 80°C dans le cas du PET), 5 est introduite dans le moule 8. Lorsque la préforme 3 est en position, le moule 8 est refermé puis l'unité 23 de contrôle commande le déplacement du chariot 16 (et donc de la tige 17 d'étirage) depuis sa position haute vers une position de départ dans laquelle l'extrémité 19 libre de la tige 17 vient au contact du fond 6 de la préforme 3 (figure 4). 10 Ensuite, lors d'une deuxième phase, dite de présoufflage, un fluide (normalement de l'air) à la pression PP de présoufflage est injecté dans la préforme 3 à partir de la source 29 de présoufflage par commande, à l'initiative de l'unité 23 de contrôle, de l'ouverture de l'électrovanne 32. Dans le même temps, la tige 17 d'étirage est déplacée, sur 15 commande de l'unité 23 de contrôle, depuis sa position de départ vers sa position basse. Lors de la phase de présoufflage, la vitesse de déplacement de la tige 17 d'étirage, notée VE, est réglée de sorte à maintenir le contact entre l'extrémité 19 libre de la tige 17 et le fond 6 de la préforme 3. 20 A la fin de cette phase de présoufflage (FIG.6) : le récipient 2 n'est pas complètement formé, plusieurs zones n'étant toujours pas au contact de la paroi 11 en raison de l'insuffisance de la pression ; la tige 17 d'étirage, dans sa position basse, vient plaquer 25 localement le fond 6 de la préforme 3 contre le fond 13 de moule. En d'autres termes, le fond 6 est pris en sandwich entre l'extrémité 19 libre de la tige 17 d'étirage et le fond 13 de moule. Survient alors une troisième phase, dite de soufflage, lors de laquelle 3 un fluide (typiquement de l'air) à la pression PS de soufflage 30 est injecté dans la préforme à partir de la source 31 de soufflage par commande, à l'initiative de l'unité 23 de contrôle, de l'ouverture de l'électrovanne 33. La pression PS de soufflage plaque alors intimement la matière de la préforme 3 contre la paroi 11 du moule 8 dont elle prend l'empreinte 35 venant alors former le récipient 2 tout en étant refroidie (et donc figée) à son contact. 3053271 7 S'ensuit une quatrième phase, dite de dégazage, à l'issue de la phase de soufflage, lors de laquelle le volume intérieur du récipient 2 ainsi formé est dégazé par remise à l'atmosphère ambiante (typiquement la pression atmosphérique). La pression interne du 5 récipient 2 chute alors jusqu'à atteindre asymptotiquement la pression atmosphérique. Puis le chariot 16 (avec la tige 17) est remonté en position haute, le moule 8 est ouvert et le récipient 2 formé est évacué pour permettre la répétition du cycle. La durée de la phase de présoufflage, incluant l'étirage, est de 10 l'ordre de (ou inférieure à) 200 ms. La durée de la phase de soufflage est de l'ordre de 700 ms à1 s. Quant à la phase de dégazage, elle est d'une durée de l'ordre de 400 à 500 ms. Au total, le cycle de formage d'un récipient 2 entre l'introduction 15 de la préforme 3 dans le moule 8 et l'évacuation du récipient 2 formé du moule 8 est de l'ordre de (ou inférieur) à 1,8 seconde environ. Des essais ont permis de démontrer qu'il est possible de réaliser des économies substantielles d'énergie en diminuant la pression PS de soufflage tout en augmentant la vitesse d'étirage VE, sans sacrifier la 20 qualité du récipient 2. Plus précisément, il a été constaté qu'en combinant : une pression PS de soufflage inférieure ou égale à 20 bars ; et une vitesse VE d'étirage ayant au moins temporairement un maximum supérieur ou égal à 2,5 m/s, 25 il est possible de former correctement un récipient 2 en le chauffant préalablement à une température plus basse, ce qui permet de diminuer la consommation de puissance au niveau du four. Un accroissement de la vitesse VE d'étirage aurait dû en théorie aboutir à un amincissement important de l'épaisseur de matière et donc 30 à un affaiblissement du récipient 2. Or il a étonnamment été constaté qu'il n'en est rien. Une explication plausible est que l'étirage rapide de la préforme 3 provoque au niveau moléculaire, au sein même de la matière, un échauffement par frottement qui compense la diminution de la température de chauffe et permet par conséquent un formage au 35 moins aussi qualitatif qu'à l'ordinaire, car cet auto-échauffement de la matière favorise une meilleure prise d'empreinte de la matière contre la paroi 11. 3053271 8 Au cours de la phase de présoufflage, la tige suit : premièrement, une phase d'accélération qui la fait passer d'une vitesse nulle, correspondant à l'arrêt en position haute, à une valeur nominale ; 5 deuxièmement' une phase de stabilisation au cours de laquelle la vitesse de déplacement de la tige 17 est sensiblement constante à sa valeur nominale ; troisièmement, une phase de décélération au cours de laquelle la vitesse de déplacement de la tige 17 décroit depuis la valeur nominale 10 jusqu'à une valeur nulle correspondant à l'arrêt au contact avec le fond 13 de moule. Selon un mode préféré de réalisation, la valeur nominale correspond au maximum atteint par la tige 17 pendant toute la phase de stabilisation. Cette phase de stabilisation s'étend avantageusement 15 pendant la majeure partie de la phase de présoufflage. En d'autres termes, la vitesse maximale est maintenue pendant la majeure partie de la phase de présoufflage. Il est d'ailleurs avantageux que la tige 17 aborde cette phase de stabilisation avant même d'accoster le fond 6 de la préforme 3. En 20 d'autres termes, la tige 17 atteint sa vitesse maximale avant même d'entrer en contact avec le fond 6 de la préforme 3. Cela permet d'accélérer la phase de présoufflage et donc de réaliser des gains de temps sur le soufflage, au bénéfice de la qualité du récipient 2 produit. 25 On a tracé sur la FIG.7 deux graphes : en trait fin mixte, une courbe de pression normale, correspondant à une température de chauffe habituelle, à une vitesse VE d'étirage habituelle (de l'ordre de 2 m/s) et à une pression PSO de soufflage de l'ordre de 30 bars ; 30 - en trait gras continu, une courbe de pression correspondant à une vitesse VE d'étirage élevée (ici 3 m/s) et une pression PS de soufflage comparativement plus faible (ici 20 bars). La durée du présoufflage, mesurée entre l'ouverture de l'électrovanne 32 de présoufflage et l'ouverture de l'électrovanne 33 de 35 soufflage est notée TO pour la courbe de pression normale (en trait fin 3053271 9 mixte), et T1 pour la courbe de pression correspondant à la vitesse d'étirage supérieure (en trait gras continu). Par ailleurs, l'intervalle de temps séparant l'instant où la tige 17 atteint sa position basse et la fin du présoufflage est noté T2 pour la 5 courbe de pression normale (en trait fin mixte), et T3 pour la courbe de pression correspondant à la vitesse d'étirage supérieure (en trait gras continu). Les intervalles T2 et T3 correspondent, dans les deux cas, au gonflement radial de la préforme 3 sous l'effet de la pression de 10 présoufflage. Dans ce qui suit, on nomme « temps de gonflement radial » les intervalles T2 et T3. On voit dans le médaillon de détail de la FIG.7 que les durées de présoufflage TO et T1 sont identiques, mais que les temps T2, T3 de gonflement radial sont différents. Plus précisément, il apparaît que le 15 temps T3 de gonflement radial mesuré sur la courbe de pression correspondant à une vitesse d'étirage élevée, est supérieur au temps T2 de gonflement radial mesuré sur la courbe de pression correspondant à une vitesse d'étirage habituelle : T3 > T2 20 Dans l'exemple illustré sur la FIG.7, le temps T3 de gonflement est même de l'ordre du double du temps T2 de gonflement : T3 -' 2.12 C'est cet allongement du temps de gonflement radial, conséquence de l'augmentation de la vitesse d'étirage, qui permet, entre autres, une 25 meilleure prise d'empreinte de la préforme 3 à la fin du présoufflage et autorise une baisse de la pression de soufflage pour une qualité de récipient identique ou supérieure. Une autre option permise par l'utilisation d'une vitesse accrue d'étirage est la possibilité de réduire la durée totale du présoufflage 30 tout en conservant le temps de gonflement radial (dans ce cas T3 -' T2). Le gain de temps ainsi réalisé permet d'accroître la durée du soufflage. Dans tous les cas, le temps de contact du récipient 2 avec la paroi 11 est supérieur dans le cas de la vitesse d'étirage élevée, puisque la matière entre en contact plus tôt avec celle-ci et est maintenue en 35 contact plus longtemps. 3053271 10 Grâce à l'étirage rapide et la combinaison de l'optimisation des temps de présoufflage et de soufflage, accompagnés de l'auto-échauffement de la préforme 3, on obtient des récipients 2 de qualité équivalente ou meilleure à ceux obtenus avec une vitesse d'étirage 5 ordinaire ; de plus la diminution de la pression de soufflage et, le cas échéant, un chauffage moindre entraînent de substantielles économies d'énergie. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un récipient (2) par étirage soufflage à partir d'une préforme (3) en matière plastique au sein d'une unité (7) 5 de formage comprenant : un moule (8) pourvu d'une paroi (11) latérale et d'un fond (13) de moule à l'empreinte, conjointement, du récipient (2), et une tige (17) d'étirage montée mobile en translation par rapport au moule (8) entre une position haute dans laquelle la tige (17) est 10 écartée du fond (13) de moule et une position basse dans laquelle la tige (17) est voisine du fond (13) de moule, ce procédé comprenant : une phase de présoufflage lors de laquelle un fluide à une pression (PP) dite de présoufflage est injecté dans la préforme (3) et la tige 15 (17) est déplacée de sa position haute à sa position basse ; une phase de soufflage lors de laquelle un fluide à une pression (PS) dite de soufflage, supérieure à la pression (PP) de présoufflage, est injecté dans la préforme (3) ; ce procédé étant caractérisé en ce que : 20 la vitesse maximale de déplacement de la tige (17) au cours de la phase de présoufflage est supérieure ou égale à 2,5 m/s ; la pression (PS) de soufflage est inférieure ou égale à 20 bars. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse maximale est maintenue pendant la majeure partie de la phase 25 de présoufflage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse maximale de déplacement de la tige (17) est de l'ordre de 3 m/s. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que la pression (PS) de soufflage est de l'ordre de 20 bars.