Brevet FR3070299A1 — publié le 20190301

Procédé et unité de conditionnement thermique, qui comprend des émetteurs à allumage et extinction progressifs L'invention a trait à la fabrication des récipients à partir de préformes en matière plastique telle que PET. Cette fabrication comprend ordinairement : une première phase de conditionnement thermique (également appelée chauffe) des préformes, conduite au sein d'une unité de conditionnement thermique (également appelée four) définissant une cavité de chauffe, cette première phase consistant à faire défiler les préformes dans la cavité pour les amener à une température supérieure à la température de transition vitreuse de la matière (laquelle est, pour le PET, d'environ 80°C) ; une deuxième phase de formage des récipients à partir des préformes, conduite au sein d'une unité de formage équipée de moules à l'empreinte du modèle de récipient à former, cette deuxième phase consistant à introduire chaque préforme chaude dans un moule et à lui injecter un fluide (notamment un gaz, typiquement de l'air) sous pression pour la plaquer contre le moule et lui conférer ainsi l'empreinte du modèle de récipient. Les fours classiques sont équipés de lampes à incandescence de type halogène, qui rayonnent suivant la loi de Planck sur un spectre continu, associées à des réflecteurs en céramique. Avant de lancer toute production, il convient de préchauffer le four, pour amener les lampes et les réflecteurs à une température convenable susceptible de conférer aux préformes un profil thermique permettant de mener ensuite à bien le formage. Ce préchauffage est lent et nécessite des réglages délicats. Une technologie de chauffe alternative a cependant vu le jour récemment, fondée sur l'utilisation d'émetteurs équipés de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique (notamment des lasers), dont le spectre d'émission s'étend pour l'essentiel dans le domaine de l'infrarouge. Un four fonctionnant à l'aide de cette technologie, illustrée par la demande de brevet européen EP3119582 (Sidel Participations), présente de nombreux avantages par rapport à un four classique à lampes halogènes. Entre autres, ce type de four : 2 rayonne peu de chaleur et ne nécessite donc pas de ventilation, à la différence d'un four halogène ; permet de chauffer les préformes selon des profils thermiques plus précis ; 5 ne nécessite pas de préchauffe. Ce dernier avantage est déterminant en termes de productivité : il devient possible de démarrer une production sans préchauffage, et donc sans délai ; il suffit en effet de mettre en route l'unité de formage, d'allumer l'unité de conditionnement thermique (c'est-à-dire d'alimenter 10 en courant les émetteurs) et d'initier le défilement d'un train de préformes. On note cependant des défauts de qualité pendant les phases transitoires du début et de la fin de production. De fait, on constate, en début de production, qu'au moins la première 15 préforme (dite de tête) entrant dans le four présente un profil de chauffe insatisfaisant. Plus exactement, la préforme de tête apparaît surchauffée, c'est-à-dire que sa température moyenne est trop élevée, et son formage conduit à un récipient de mauvaise qualité qui doit être mis au rebut. Il en va souvent de même des quelques préformes qui suivent 20 la préforme de tête. Ce défaut est également constaté, en fin de production, au moins sur la dernière préforme (dite de queue) du train de même (souvent) que sur les quelques préformes qui la précèdent. L'invention vise à proposer une solution permettant de remédier à 25 ce problème, grâce à un procédé de conditionnement thermique qui permette de conférer aux préformes de tête et de queue un profil thermique acceptable, et dont le formage conduise par conséquent à des récipients ayant la qualité requise. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un procédé de 30 conditionnement thermique d'un train de préformes de récipients en matière plastique au sein d'une unité de conditionnement thermique définissant une cavité de chauffe et équipée d'une rangée d'émetteurs adjacents bordant la cavité et comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique, 35 chaque préforme étant fixée à un support individuel circulant d'amont en aval le long d'un trajet prédéterminé dans la cavité, le train 3 de préformes se terminant côté aval par une préforme de tête ou, côté amont, par une préforme de queue, chaque émetteur pouvant adopter un état allumé, dans lequel les sources émettent un rayonnement dans la cavité, et un état éteint, dans 5 lequel les sources n'émettent pas de rayonnement dans la cavité, ce procédé comportant les opérations suivantes : déterminer périodiquement la position, sur le trajet, de la préforme de tête ou, respectivement, de la préforme de queue ; au fur et à mesure du déplacement du train de préformes, allumer 10 progressivement les émetteurs situés en aval et au voisinage de la préforme de tête ou, respectivement, éteindre progressivement les émetteurs situés en amont et au voisinage de la préforme de queue. La détermination de la position de la préforme de tête ou de la préforme de queue peut être réalisée au moyen d'un ou plusieurs 15 capteurs, tel qu'un codeur ou une cellule de détection. Ce procédé comprend par ex. l'allumage de l'émetteur situé immédiatement en aval de la préforme de tête, les émetteurs situés en aval de cet émetteur étant maintenus éteints et les émetteurs situés en amont de cet émetteur étant maintenus allumés. 20 Ce procédé peut comprendre l'augmentation progressive, d'amont en aval, de puissances électriques fournies à plusieurs émetteurs situés en aval de la préforme de tête à l'approche de celle-ci, jusqu'à atteindre une puissance nominale au plus tôt au passage de celle-ci. L'état allumé des émetteurs est de préférence maintenu tant que le 25 passage de la préforme de queue n'est pas détecté. De manière correspondante, le procédé peut comprendre par ex. le maintien allumé de l'émetteur situé immédiatement en amont de la préforme de queue, les émetteurs situés en amont de cet émetteur étant éteint et les émetteurs situés en aval de cet émetteur étant maintenus 30 allumés. Le procédé peut comprendre la diminution progressive, d'amont en aval, des puissances électriques fournies à plusieurs émetteurs situés en amont de la préforme de queue au fur et à mesure de l'éloignement de celle-ci, d'une puissance nominale jusqu'à l'extinction. 35 Il est proposé, en deuxième lieu, une unité de conditionnement thermique de préformes de récipients en matière plastique, qui définit une cavité de chauffe et est équipée : 4 d'une rangée d'émetteurs adjacents bordant la cavité et comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique, chaque émetteur pouvant adopter un état allumé, dans lequel les sources émettent un rayonnement dans la cavité, et 5 un état éteint, dans lequel les sources n'émettent pas de rayonnement dans la cavité ; d'une série de supports individuels pour les préformes, circulant d'amont en aval le long d'un trajet prédéterminé dans la cavité ; d'un ou plusieurs capteurs propre(s) à permettre la détermination 10 périodique de la position, sur le trajet, d'une préforme de tête, ou, respectivement, d'une préforme de queue au sein d'un train de préformes défilant dans la cavité ; d'une unité de contrôle programmée pour allumer progressivement les émetteurs situés en aval et au voisinage de la préforme de tête 15 ou, respectivement, éteindre progressivement les émetteurs situés en amont et au voisinage de la préforme de queue. Les sources sont de préférence configurées pour émettre dans le domaine infrarouge. Il s'agit par exemple de diodes VCSEL. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière 20 de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la FIG.1 est une vue en perspective montrant une unité de traitement de préformes de récipients, comprenant une série de modules de chauffe adjacents ; 25 - la FIG.2 est une vue partielle en perspective, selon un autre angle d'observation, de l'unité de traitement de la FIG.1 fonctionnant en régime transitoire d'allumage, lors duquel les modules de chauffe sont progressivement allumés ; la FIG.3 est une vue similaire à la FIG.2, illustrant le fonctionnement 30 de l'unité de traitement en régime permanent ; la FIG.4 est une vue similaire à la FIG.2, montrant l'unité de traitement fonctionnant en régime transitoire d'extinction, lors duquel les modules de chauffe sont progressivement éteints ; la FIG.5 est une vue schématique illustrant la commande d'allumage 35 et d'extinction des modules de chauffe. 5 On a représenté sur les dessins une unité 1 de conditionnement thermique de préformes 2 de récipients en matière plastique, par ex. en polytéréphtalate d'éthylène (PET). Chaque préforme 2 présente un corps 3 sensiblement cylindrique, 5 fermé à une extrémité par un fond 4 hémisphérique et se prolongeant à une extrémité opposée par un col 5 ouvert dont la forme est définitive et qui est destiné à former un buvant sur le récipient. Les préformes 2 sont représentées avec leur col 5 orienté vers le haut, mais elles pourraient être orientées col en bas. 10 L'unité 1 de conditionnement thermique, ci-après dénommée plus simplement « four », est configurée pour chauffer les préformes 2 à une température supérieure à la température de transition vitreuse de leur matière. Dans le cas du PET, dont la température de transition vitreuse est d'environ 80°C, les préformes 2 sont par ex. chauffées à une 15 température supérieure ou égale à 100°C. Après avoir été ramollie par chauffage au sein du four 1, chaque préforme 2 est destinée à subir dans un moule une opération de formage (par ex. de soufflage ou d'étirage soufflage) pour former un récipient tel qu'une bouteille ou un flacon. 20 Comme cela est visible notamment sur la FIG.1, le four 1 comprend deux parois 6 longitudinales opposées ayant des faces 7 internes en regard et qui définissent ensemble une cavité 8 au sein de laquelle défilent les préformes 2. Comme on le voit sur la FIG.1, le four 1 comprend un bâti 9 sur lequel sont montées les parois 6 longitudinales. 25 Les parois 6 longitudinales définissent entre elles, à au moins une (ou à chaque) extrémité de la cavité 8, une ouverture 10 pour le passage des préformes 2. En pratique, la cavité 8 présente (comme illustré sur la FIG.1) deux extrémités opposées définissant chacune une ouverture 10 pour le passage des préformes 2. 30 Chaque préforme 2 est fixée (ici par son col 5) à un support 11 individuel, appelé « tournette », qui circule d'amont en aval le long d'un trajet T prédéterminé dans la cavité 8. En pratique, les tournettes 11 sont montées sur une chaîne qui circule sur des roues dont l'une au moins est entraînée en rotation par un moteur. 35 Dans l'exemple illustré sur les FIG.2, FIG.3 et FIG.4, le trajet T est globalement linéaire (comme suggéré par la flèche F sur la FIG.2), mais il pourrait être (au moins localement) courbe, notamment selon la 6 configuration des lieux dans lesquels est installée le four 1. Dans l'exemple illustré sur la FIG.1, les préformes 2 défilent dans la cavité 8 sur une rangée unique, mais elles pourraient défiler sur plusieurs rangées, comme cela est décrit dans la demande EP3119582 précitée. 5 Chaque préforme 2 est en outre entraînée en rotation autour de son axe par sa tournette 11. L'une au moins des parois 6 comprend une rangée d'émetteurs adjacents bordant la cavité et comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique. On note N (N un entier 10 strictement supérieur à 1) le nombre d'émetteurs, que l'on note chacun Ei (i un entier tel que 1 i N, i croissant de l'amont vers l'aval). Les sources de chaque émetteur Ei sont choisies pour émettre un rayonnement monochromatique, dans le domaine de l'infrarouge. En théorie, une source monochromatique est une source idéale 15 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 ayant un spectre d'émission en fréquence qui s'étend sur une bande de 20 largeur spectrale faible mais non nulle, centrée sur une fréquence principale où l'intensité du rayonnement est maximale. Pour les besoins de la présente demande, on considère comme monochromatique une telle source réelle. De même, pour les besoins de la présente description, on considère comme monochromatique une source multimode, c'est-à-dire 25 émettant sur un spectre discret comprenant plusieurs bandes étroites centrées sur des fréquences principales distinctes. L'avantage d'un rayonnement monochromatique est que, bien choisi, il peut être concentré sur une (ou plusieurs) fréquence(s) pour laquelle (ou pour lesquelles) le comportement thermique du matériau des 30 préformes 2 est, en termes d'absorption, particulièrement intéressant. A titre d'exemple, pour obtenir une chauffe rapide en surface des préformes 2, on peut choisir une (ou plusieurs) fréquence(s) dans l'infrarouge pour laquelle (pour lesquelles) le matériau est très absorbant. A contrario, pour obtenir une chauffe plus lente mais plus 35 homogène dans l'épaisseur des préformes 2, on peut choisir une (ou plusieurs) fréquence(s) pour laquelle (pour lesquelles) le matériau est relativement moins absorbant. 7 En pratique, les sources dont sont pourvus les émetteurs El...EN sont des lasers (par exemple des diodes laser) émettant dans l'infrarouge et organisés par juxtaposition et superposition pour former une ou plusieurs matrices. 5 En l'espèce, chaque matrice peut être une matrice de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), chaque diode émettant par exemple un faisceau laser d'une puissance unitaire de l'ordre du Watt à une longueur d'onde d'environ 1 Ces sources sont radiantes, c'est-à-dire que le rayonnement émis 10 est transmis aux préformes 2 sans que l'air serve de vecteur de transmission. Dans l'exemple illustré sur les FIG.2, FIG.3 et FIG.4, où à des fins de clarté on n'a représenté qu'une paroi 6, la (ou chaque) paroi 6 est équipée de plusieurs émetteurs Ei alignés côte à côte. 15 Dans ce même exemple, chaque émetteur Ei comprend une fenêtre 12 au travers de laquelle rayonnent les sources, et une paire de réflecteurs 13 qui bordent cette fenêtre 12, de part et d'autre. Chaque réflecteur 13 est par exemple une plaque en métal poli (ou revêtue d'une couche métallisée) présentant un état de surface de qualité spéculaire. 20 Chaque émetteur Ei peut adopter un état allumé (en grisé sur les FIG.2, FIG.3, FIG.4 et FIG.5), dans lequel ses sources émettent effectivement un rayonnement dans la cavité 8, et un état éteint (en blanc sur les FIG.2, FIG.3, FIG.4 et FIG.5, dans laquelle ses sources n'émettent pas de rayonnement dans la cavité 8. 25 Chaque émetteur Ei délimite dans la cavité 8 un volume élémentaire, ci-après dénommé cellule, que l'on note Ci (i le même indice que ci-dessus). La somme des cellules Ci constitue le volume interne de la cavité 8. Le four 1 comprend pour chaque émetteur Ei une alimentation 14 30 électrique par laquelle il peut être fourni à l'émetteur Ei une énergie électrique que les sources convertissent en un champ électromagnétique rayonné dans la cavité 8. En faisant l'hypothèse que chaque émetteur Ei offre un rendement, (noté Ri) constant, la puissance (notée /3;) du champ électromagnétique 35 rayonné par cet émetteur Ei est liée par une relation de proportionnalité à la puissance électrique (notée 13k) qui lui est fournie : 8 11; = Ri - 13k Le four 1 comprend avantageusement, pour chaque alimentation 14 électrique, un variateur 15 de puissance. Ce variateur 15 peut être analogique, ou, de préférence, électronique. Dans ce cas, le four 1 5 comprend une unité 16 de contrôle électronique (ou informatique) qui pilote chaque variateur 15. Les variateurs 15 peuvent être pilotés simultanément et de manière automatique par l'unité 16 de contrôle, qui à cet effet comprend un programme informatique implémenté sur une mémoire reliée à (et 10 commandée par) un microprocesseur. La puissance électrique fournie à chaque émetteur Ei présente une valeur nominale Pknom non nulle, et une valeur minimale 14 min qui peut être nulle. A la puissance nominale Pknom fournie correspond une puissance 15 électromagnétique nominale P;',,'n rayonnée par chaque émetteur Ei : Pnom - Ri Pknom De même, à la puissance minimale Irmin fournie correspond une puissance électromagnétique minimale notée 13min rayonnée par chaque émetteur Ei : 20 Cmin - Ri PÉlnin Dès lors que la puissance /4 électrique fournie (et donc la puissance /r); électromagnétique) est non nulle, l'émetteur Ei est dans un état dit « allumé », c'est-à-dire que ses sources émettent un rayonnement dans la cavité 8. 25 La puissance Pinom électromagnétique nominale est la puissance qui, en régime stationnaire (c'est-à-dire en pleine production et à la cadence normale de production) doit être rayonnée par chaque émetteur Ei pour garantir qu'a la sortie de la cavité 8 chaque préforme 2 présente un profil de température acceptable permettant de former un récipient de qualité 30 acceptable. A contrario, 13min est nulle si Irmin est nulle. Dans ce cas, l'émetteur Ei est dans un état dit « éteint », c'est-à-dire que ses sources n'émettent aucun rayonnement dans la cavité 8. 9 Pour chaque émetteur El, le variateur 15 permet de régler la puissance Pi,' électrique fournie, à une fraction de la puissance Pknom électrique nominale : PE = Ki - Pnom 5 où Ki est un coefficient de proportionnalité, nombre réel positif ou nul (correspondant à l'extinction dans ce dernier cas) associé à l'émetteur E. Les préformes 2 sont transportées par train, chaque train comprenant une série de préformes 2 adjacentes et se terminant, côté 10 aval, par une préforme 2T de tête ou, côté amont, par une préforme 20 de queue. On notera qu'un train de préformes 2 peut avoir une grande longueur, la préforme 20 de queue se présentant de nombreuses heures (voire plusieurs jours) après la préforme 2T de tête. En début de production, un train de préformes 2 se termine côté aval 15 par une préforme 2T de tête. Comme illustré sur la FIG.2, en aval de la préforme 2T de tête, les tournettes 11 sont vides. En début de production, la préforme 2T de tête est la première à entrer dans le four 1. En fin de production, un train de préformes 2 se termine par une préforme 20 de queue. Comme illustré sur la FIG.4, en amont de la 20 préforme de queue 20, les tournettes 11 sont vides. En fin de production, la préforme 20 de queue est la dernière à quitter le four 1. Ordinairement, en début de production, tous les émetteurs El...EN sont allumés simultanément avant l'entrée dans le four 1 de la préforme 2T de tête. 25 De même, en fin de production, tous les émetteurs El...EN sont éteints simultanément après la sortie du four 1 de la préforme 20 de queue. Ce fonctionnement n'est pas satisfaisant : d'une part, il ne permet pas d'optimiser la consommation électrique du four 1 ; deuxièmement, il 30 s'avère qu'en début de production la préforme 2T de tête est surchauffée (c'est souvent le cas de quelques préformes 2 qui la suivent), et que, de la même manière, en fin de production, la préforme 20 de queue est surchauffée (c'est souvent le cas de quelques préformes 2 qui la précèdent). 35 Pour éviter ce désagrément, il est proposé, en début de production, d'allumer progressivement, d'amont en aval, au fur et à mesure du 10 déplacement du train de préformes 2, les émetteurs E1...Ek situés en aval et au voisinage de la préforme 2T de tête (supposée située au droit d'un émetteur Et, FIG.2), où t, j et k sont des entiers inférieurs ou égaux à N, avec : 5 1 j N j t ou j t k > t L'émetteur Et situé au droit de la préforme 2T de tête n'atteint pas nécessairement sa puissance nominale à l'instant même du passage de 10 la préforme 2T de tête. Il peut en aller de même d'un ou plusieurs émetteurs E1 situés en amont de la préforme 2T de tête (cas où j t). De même, en fin de production, il est prévu d'éteindre progressivement, d'amont en aval, au fur et à mesure du déplacement du train de préformes 2, les émetteurs El... En, situés en amont et au 15 voisinage de la préforme 20 de queue (supposée située au droit d'un émetteur Eq, FIG.4), où q, I, m sont des entiers inférieurs ou égaux à N, avec : q REVENDICATIONS1. Procédé de conditionnement thermique d'un train de préformes (2) de récipients en matière plastique au sein d'une unité (1) de conditionnement thermique définissant une cavité (8) de chauffe et équipée d'une rangée d'émetteurs (El...EN) adjacents bordant la cavité (8) et comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique, chaque préforme (2) étant fixée à un support (11) individuel circulant d'amont en aval le long d'un trajet (T) prédéterminé dans la cavité (8), le train de préformes (2) se terminant côté aval par une préforme (2T) de tête ou, côté amont, par une préforme (2Q) de queue, chaque émetteur (E;) pouvant adopter un état allumé, dans lequel les sources émettent un rayonnement dans la cavité (8), et un état éteint, dans lequel les sources n'émettent pas de rayonnement dans la cavité (8), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : - déterminer périodiquement la position, sur le trajet (T), de la préforme (2T) de tête ou, respectivement, de la préforme (2Q) de queue ; - au fur et à mesure du déplacement du train de préformes (2), allumer progressivement les émetteurs (Ej...Ek) situés en aval et au voisinage de la préforme (2T) de tête ou, respectivement, éteindre progressivement les émetteurs (El... Em) situés en amont et au voisinage de la préforme (2Q) de queue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination de la position de la préforme (2T) de tête ou de la préforme (2Q) de queue est réalisée au moyen d'un ou plusieurs capteurs (18). 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'allumage de l'émetteur (Ei+i) situé immédiatement en aval de la préforme (2T) de tête, les émetteurs (E,+2... EN) situés en aval de cet émetteur (EI+1) étant maintenus éteints et les émetteurs (E,... E1) situés en amont de cet émetteur (EI+1) étant maintenus allumés. 4. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'augmentation progressive de 16 puissances (1e1...PEt+P) électriques fournies à plusieurs émetteurs (Ei...Ek) situés en aval et au voisinage de la préforme (2T) de tête à l'approche de celle-ci, jusqu'à atteindre une puissance (PL,,) nominale au plus tôt au passage de celle-ci. 5 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'état allumé des émetteurs est maintenu tant que le passage de la préforme (2Q) de queue n'est pas détecté. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend le maintien allumé de l'émetteur (E1.1) situé 10 immédiatement en amont de la préforme (2Q) de queue, les émetteurs (E1...E1_2) situés en amont de cet émetteur (Ei_1) étant éteint et les émetteurs (Ei.i...EN) situés en aval de cet émetteur (Ei_1) maintenus allumés. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 15 qu'il comprend la diminution progressive des puissances (PEi-P...PP1) électriques fournies à plusieurs émetteurs (EI...Ern) situés en amont et au voisinage de la préforme (2Q) de queue au fur et à mesure de l'éloignement de celle-ci, d'une puissance nominale jusqu'à l'extinction. 8. Unité (1) de conditionnement thermique de préformes (2) de 20 récipients en matière plastique, qui définit une cavité (8) de chauffe et est équipée : - d'une rangée d'émetteurs (El...EN) adjacents bordant la cavité (8) et comprenant chacun une pluralité de sources de rayonnement électromagnétique monochromatique, chaque émetteur (Ei) pouvant 25 adopter un état allumé, dans lequel les sources émettent un rayonnement dans la cavité (8), et un état éteint, dans lequel les sources n'émettent pas de rayonnement dans la cavité (8) ; - d'une série de supports (11) individuels pour les préformes (2), circulant d'amont en aval le long d'un trajet (T) prédéterminé dans 30 la cavité (8) ; caractérisée en ce qu'elle comprend : - un ou plusieurs capteurs (18) propre(s) à permettre la détermination périodique de la position, sur le trajet (T), d'une préforme (2T) de tête, ou, respectivement, d'une préforme (2Q) de queue au sein d'un 35 train de préformes (2) défilant dans la cavité (8) ; 17 une unité (16) de contrôle programmée pour allumer progressivement les émetteurs (E1.1...EN) situés en aval et au voisinage de la préforme (2T) de tête ou, respectivement, éteindre progressivement les émetteurs (Ei...Ei_i) situés en amont et au 5 voisinage de la préforme (2Q) de queue. 9. Unité (1) de conditionnement thermique selon la revendication 8, caractérisée en ce que les sources sont configurées pour émettre dans le domaine infrarouge. 10. Unité (1) de conditionnement thermique selon la revendication 10 9, caractérisée en ce que les sources sont des diodes VCSEL.