La présente invention a pour objets un procédé de fabrication d'un objet creux moulé par soufflage, un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, et un objet obtenu par ce procédé.
La fabrication d'objets moulés par soumge remonte à plus de 100 ans. Conventionnellement, les objets moulés par soufflage sont formés en extrudant vers le bas une vessie en matériau fondu, à partir d'une matrice annulaire, ceci entre deux moitiés d'un moule. Les deux moitiés de moule sont ensuite fermées et de l'air sous pression est introduit dans la vessie de manière qu'elle se dilate en prenant la forme du moule.
On a développé récemment des techniques permettant l'obtention d'objets présentant une grande résistance et un brillant et un fini exceptionnels ceci en moulant par soufflage une vessie préformée qui a été refroidie à la température ambiante puis réchauffée à la température d'orienta tion (c'est-à-dire à la température pour laquelle les polyméres cris- tallins présentent un accroissement de résistance à l'extension), ceci de manière à assurer l'orientation moléculaire du matériau constituant l'objet durant les étapes de fabrication. il est clair que la façon la plus économique pour former des vessies consiste à extruder un tube continu puis à le découper en ébauches séparées, ceci par opposition au moulage injecté d'une vessie fermée, par exemple.
Toutefois, ce procédé préféré de fabrication des vessies présente l'inconvénient que l'on obtient une ébauche qui est ouverte à chaque extrémité et qui, par conséquent, doit être fermée à l'une de ses extrémités avant le moulage soufflé. Ainsi le fabricant se trouve confronté avec le problème de la fermeture étanche de l'ébauche de vessie qui est à la température d'orientation et donc bien au-dessus de celle pour laquelle l'ébauche est collante et par conséquent facile à sceller. De telles ébauches peuvent être scellées de façon sûre en appliquant une pression très élevée dans plusieurs directions radiales convergeant vers un point, mais ceci implique l'utilisation d'un équipement complexe et augmente le temps de fabrication.
Le procédé ici envisagé permet la fabrication économique de bouteilles bien finies et présentant une grande résistance.
Selon l'invention, le procédé de fabrication d'un objet creux moulé par soufflage, à partir d'une ébauche tubulaire en matériau polymère thermoplastique cristallin, dans lequel on étend et gon fle l'ébauche après qu'elle a été amenée à la zone de température d'orientation moléculaire, l'ébauche étant fermée et scellée de facon étanche à l'une de ses extrémités en la pinçant, est caractérisé en ce que la fermeture et le scellage sont effectués en introduisant, dans une étape préliminaire, un fluide de gonflage dans l'ébauche afin de maintenir une surpression dans celle-ci qui est insuffisante pour la gonfler complètement,
en ce qu'on exerce une pression mécanique le long d'une ligne étroite sur les parois latérales opposées pour couper et sceller une vessie à partir de cette ébauche tandis qu'on applique une pression mécanique de confinement à l'endroit de ladite ligne, de façon à former un bourrelet le long du scellage formé le long de ladite ligne.
Le dessin illustre, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé et de l'objet obtenu par le procédé.
La fig. I est une vue schématique d'un appareil pour former et fermer de façon étanche des ébauches de vessie.
La fig. 2 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle des moyens de fermeture étanche et de tronçonnement de l'appareil représenté à la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe à plus grande échelle d'une va
riante des moyens de fermeture et de tronçonnement.
La fig. 4 est une vue en coupe de la partie inférieure d'une bouteille fabriquée à partir d'une ébauche de vessie fermée et tronçonnée conformément au procédé décrit.
La fig. 5 est une vue de dessous de la bouteille représentée à la fig. 4.
Le procédé qui sera décrit est applicable pour la fermeture étanche de n'importe quel objet creux allongé, de forme triangu
laire, carrée, ronde ou analogue, bien que sa destination princi
pale soit la fermeture d'ébauches de vessies cylindriques.
Les ébauches de vessie fermées conformément au procédé dé
crit peuvent être en tous matériaux cristallins orientables tels que
les polymères d'au moins une mono-l-oléfine comprenant de 2 à
8 atomes de carbone par molécule, et de préférence les polymères
et copolymères de l'éthylène, du propylène et du butène et plus
particulièrement du polypropylène.
Les ébauches de vessie à fermer de façon étanche peuvent être ' fabriquées par tous procédés connus des hommes du métier, bien
que le procédé préféré consiste simplement à extruder un tube ou
tuyau de façon conventionnelle puis à tronçonner cette pièce ex
trudée continue en ébauches ayant la longueur voulue.
Les ébauches dont les extrémités sont ouvertes, sont amenées à
la température d'orientation avant la fermeture étanche et le mou
lage par soufflage. Par température d'orientation on entend,
comme indiqué plus haut, la température pour laquelle les poly
mères cristallins présentent un accroissement de résistance à l'ex
tension. Pour les polymères des mono-l-oléfines ayant de 2 à
8 atomes de carbone par molécule, cette température est générale
ment de l'ordre de 0,6 à 28-C, de préférence de 6 à 175C en des
sous du point de fusion. Le point de fusion peut être déterminé en
plaçant une éprouvette du matériau à tester dans l'étage de chauf
fage d'un microscope polarisant et en enregistrant la température
de fusion comme étant celle à laquelle la biréfringence disparaît
lorsqu'on chauffe lentement.
Les ébauches de vessie peuvent être
amenées à la température d'orientation dans un four chauffé à
l'air, un bain liquide, un bloc de chauffage ou en les soumettant à
un rayonnement calorifique ou par tout autre moyen.
Le terme cristallin a le sens conventionnel utilisé dans l'in
dustrie pour définir un matériau dont la structure est essentielle
ment cristalline, c'est-à-dire un matériau dont environ le 50% est
cristallin dans les conditions normales.
Il est important que l'ébauche, lorsqu'elle est à la température
d'orientation, soit étendue longitudinalement et que du fluide de
présoufflage soit introduit à l'intérieur de l'ébauche pour la dilater
légèrement, après quoi les moitiés de moule viennent se fermer sur
la partie étendue, des moyens serrant les parois ensemble pour ef
fectuer le scellage et le tronçonnage. Le taux d'extension longitu
dinale peut être compris entre 1,1:1 et 8:1 et de préférence entre
1,5:1 et 2,5:1. Par taux d'extension longitudinale on entend le
rapport entre la longueur de la partie soumise à l'extension (c'est
à-dire la partie de l'ébauche située entre les moyens de serrage)
après extension, à sa longueur avant l'extension. Un taux de 1:1
indiquerait qu'aucune extension n'a été effectuée avant l'introduit
tion du fluide de soufflage.
Il est indispensable que l'ébauche soit légèrement présoufflée
après avoir été soumise à l'extension et avant que le moule soit re
fermé sur elle pour effectuer la fermeture étanche. Ceci nécessite
naturellement certains moyens pour fermer temporairement l'une
des extrémités de la vessie avant que le moule ne se referme pour
effectuer le scellage définitif. Il est préférable que ceci soit effectué
simplement en saisissant l'une des extrémités de la vessie avec des
moyens de formation d'un filet et l'autre extrémité entre deux
moyens de serrage servant à fermer la vessie.
Les moyens de for
mation du filet et les moyens de serrage peuvent ensuite être dé
placés axialement les uns à l'écart des autres pour effectuer l'ex
tension longitudinale et la pression peut être introduite par un
mandrin creux que comprennent les moyens de formation du filet,
le fluide de présoufflage ne pouvant s'échapper en raison du fait
que les parois sont serrées ensemble à l'extrémité inférieure de la
vessie, par les doigts de serrage. En variante, un bouchon peut
être disposé temporairement dans l'extrémité ouverte inférieure de
la vessie ou cette extrémité inférieure peut être reliée à la même
source de fluide sous pression que l'extrémité supérieure de ma
nière à pouvoir assurer une contrepression à l'intérieur de la ves
sie.
On a constaté de façon surprenante, que lorsque l'on procède comme décrit, c'est-à-dire que l'on étend la vessie et assure un présoufflage avant de la soumettre aux moyens de scellage et de tronçonnage, que l'on obtient une meilleure étanchéité que celle obtenue de façon identique mais sans présoufflage. Ce résultat était entièrement inattendu et ne peut être expliqué même en tenant compte des paramètres observés. Il est en effet surprenant qu'une vessie à la température d'orientation puisse être présouf née et encore davantage qu'un tel présoufflage entraîne une amélioration de l'étanchéité.
Bien que le titulaire ne désire pas être lié par aucune théorie, il semble que lorsque la vessie n'est pas présoufflée, la fermeture des parois moulées provoque une venue en contact de celles-ci et un scellage partiel sur une surface s'étendant vers le haut sur environ 1,6 mm au-dessus du point où la pression est appliquée. Ensuite lors de l'introduction du fluide de soufflage principal, cette zone partiellement scellée est déchirée lorsque la vessie est soufflée contre les parois du moule. Lorsqu'on utilise le présoufflage décrit, avant de fermer les moitiés du moule, le fluide intérieur empêche la venue en contact des parois de la vessie excepté dans la zone d'application de la pression, ce qui entraîne une amélioration importante de l'étanchéité. Ceci empêche également la formation de déchirures invisibles.
Le fluide de présoufflage doit être introduit à une pression supérieure aux 1,2 à 1,4 atm.abs. généralement utilisés pour le présoufflage dans les opérations conventionnelles de moulage par soufflage dans lesquelles on utilise des vessies extrudées à chaud.
Une pression de présoufflage d'au moins 3,38 atm.abs. est préférable, des valeurs comprises entre 3,38 et 4,4 atm.abs. étant entièrement satisfaisantes. On a toutefois constaté qu'en réglant la vitesse d'introduction ou le programme d'introduction du fluide de présoufflage, on peut utiliser la même source de fluide pour le présoufflage que pour le soufflage principal. Par exemple, le fluide à la pression maximale (6,4-11,2 atm.abs.) peut être admis pour le présoufflage juste au moment ou le moule se ferme, après quoi la pression du fluide dilate la vessie en lui donnant la forme du moule. Le fluide de soufflage principal est de préférence constitué par de l'air à une pression de 5 à 15 atm.abs. et de préférence 7 à 11,2 atm.abs.
On a indiqué plus haut qu'il est essentiel que la vessie soit étendue dans la zone qui doit être fermée avant cette fermeture et qu'il est essentiel que la vessie soit présoufflée avant cette fermeture. La troisième caractéristique importante réside dans la forme des moyens de scellage et de tronçonnage, ou dans la façon et la direction des forces utilisées pour effectuer le scellage et le tron çonnage. La région profilée pour le scellage et le tronçonnage présente un bord de coupe qui en constitue un prolongement; ce bord de coupe coopère avec un bord correspondant situé sur la moitié opposée du moule pour tronçonner la vessie. De préférence ces bords sont disposés de manière à dépasser un axe fictif entre les deux moitiés de moule, de 0,013 à 0,13 mm et de préférence de 0,026 à 0,10 mm.
Un second prolongement coopérant avec un prolongement correspondant de la moitié opposée du moule est situé au voisinage d'une paroi formant fond de la section de scellage et de tronçonnage. Ce second prolongement et le prolongement correspondant coopèrent pour maintenir la vessie tronçonnée dans une cavité qui sera décrite ci-dessous. Pour pouvoir traiter des vessies dont l'épaisseur de la paroi est comprise entre 1,9 et 5,72 mm, un bord avant de ces prolongements de support présente une hauteur de 0,13 à 0,41 mm et de préférence de 0,2 à 0,31 mm. Une petite cavité est ménagée entre le prolongement de support et le bord de coupe de chacun des moyens de scellage et de tronçonnage, laquelle cavité coopère avec une cavité correspondante de l'autre moitié de moule pour former un moule de
formation d'un bourrelet.
De préférence cette cavité présente une
forme circulaire bien que d'autres formes puissent également être prévues. Cette cavité présente de préférence une grandeur latérale maximale égale à 15-25% de l'épaisseur totale des deux parois de
la vessie, avant son extension. Pour des vessies dont l'épaisseur de la paroi avant l'extension est de 3,8 mm une grandeur latérale maximale de 1,15-1,90 mm est satisfaisante.
Il est extrêmement avantageux que les moyens de scellage et de tronçonnage présentent des surfaces inclinées vers l'arrière depuis le bord de coupe, du côté opposé à cette cavité de formation d'un bourrelet, ceci sous un angle tel que l'angle inscrit entre les surfaces opposées lorsque les deux moitiés de moule sont fermées, soit compris entre 15 et l00#, de préférence entre 25 et 90 et mieux encore entre 30 et 470. De cette façon la pression latérale exercée sur la queue de la vessie en train d'être coupée présente une composante de force verticale suffisante pour provoquer la chute libre de la queue tronçonnée de la partie de la vessie qui est maintenue dans la cavité de formation du bourrelet.
La partie du moule constituant les moyens de scellage et de tronçonnage peut être en métal. Un matériau préféré est l'acier
Vega amené à une dureté de 59 à 61 Rockwell C. On a constaté que des lames faites en ce matériau et présentant un prolongement au-delà de la ligne centrale tel que décrit au sujet des formes d'exécution préférées, ne sont pas émoussées, même après un million de cycles ou davantage.
La combinaison de l'extension, du présoufflage et du scellage à l'aide des moyens de scellage et de tronçonnage décrits plus haut entraîne un travail suffisant du polymère dans la zone de scellage pour que l'on obtienne un scellage authentique par fusion. Ainsi le but du bourrelet n'est pas de produire un renforcement mécanique mais sa formation fait partie du processus qui s'est révélé le meilleur pour produire un scellage par fusion du polymère qui se trouve à une température à laquelle un scellage ne saurait normalement se produire. La production de nervures de renforce ment mentmécanique dans la zone de scellage d'objets moulés par soufflage à partir d'un matériau thermoplastique entièrement fondu, est bien connue des hommes du métier.
La fig. 1 représente un extrudeur à vis conventionnel 10 destiné à former un tuyau 12. Le tuyau fondu 12 passe dans une chambre à vide de refroidissement et de calibrage 14. Le tuyau passe ensuite de la chambre 14 aux moyens de tronçonnage 16 où il est tronçonné en ébauches de vessie 18. Les ébauches 18 passent à travers un four à air 20 où elles sont chauffées à la température d'orientation. Elles sont ensuite transférées par des moyens non représentés à la tête de formation de filet 22. La tête 22 peut par exemple être identique à celle représentée dans le brevet U.S.
N > 3390426 au nom de Turner et al. La vessie 18 est saisie au côté opposé de la tête 22, par des doigts 24, qui sont commandés par des vérins pneumatiques ou des cames non représentés. Un déplacement relatif est imprimé entre la tête 22 et les doigts 24 à
l'aide de la tête 22 commandé par un vérin 25, ceci afin d'étendre
la vessie comme représenté en 18a. De l'air de présoufflage est in
troduit par la conduite 27. Ensuite, les moitiés de moule 26 et 28
se ferment sur la vessie étendue. Les pièces de scellage et de tron çonnage 30 des moitiés de moule 26 et 28, amènent les parois de
la vessie en contact intime et provoquent le tronçonnage de la ves
sie. Ensuite, les doigts 24 se rétractent pour permettre à la partie
arrière tronçonnée de la vessie de se déplacer librement par rap
port au reste de la vessie.
L'air de soufflage principal est ensuite
introduit par la conduite 29.
La fig. 2 représente plus en détail les pièces 30 destinées à assu
rer le scellage et le tronçonnage. Chaque pièce présente un bord
de coupe 32 destiné à tronçonner la vessie le long d'une ligne 34
(voir fig. 4 et 5). Chacun de ces bords de coupe 32 émerge au-delà
d'une ligne centrale fictive séparant les deux pièces 30 lorsque le
moule est fermé, d'une distance comprise entre 0,013 et 0,13 mm.
Des surfaces 36 inclinées s'étendent vers le bas depuis les bords de
coupe 32 de manière à inscrire un angle d'environ 47', comme re
présenté au dessin, cet angle pouvant toutefois varier comme re
présenté plus haut. Ces surfaces inclinées assurent, avec la projec
tion des bords de coupe 32 au-delà de la ligne centrale, un tron
çonnage complet de la vessie, ce qui a pour effet d'éviter des opé
rations de rognage pour enlever la queue. Au voisinage de la sur face 38 formant le fond de l'objet à mouler, le moule présente des prolongements 40 de support de la vessie. De préférence les prolongements 40 présentent chacun une arête plate 42. Chaque pièce 30 présente une petite cavité 44 de formation d'un bourrelet, laquelle coopère avec une cavité correspondante de la pièce opposée pour former un bourrelet 46 (voir fig. 4).
Les deux cavités délimitent ensemble un espace de section circulaire, comme représenté à la fig. 2, bien que des sections ayant d'autres formes, telles que triangulaire comme représenté en 44a à la fig. 3, puissent être utilisées. Le bourrelet 46 s'étend vers le bas depuis la surface inférieure 48 du fond de l'objet moulé, ceci sur une distance de 0,25 à 13 mm et de préférence de 0,8 à 3,2 mm.
Exemple I
Un homopolymére de polypropylène ayant une densité de 0,905 (ASTM D 1 505-63T), une fluidité à l'état fondu de 2 (ASTM D l238-62'll), condition L), et un point de fusion cristalline d'environ 171 C, a été extrudé sous la forme d'un tube dont le diamètre extérieur était de 2 cm et l'épaisseur de la paroi de 3,82 mm. Le tube a été refroidi à la température ambiante dans une chambre de refroidissement et de calibrage et tronçonné en segments de 18 cm de long. Ces segments ont été chauffés à une température de 160 C. Les segments ainsi chauffés ont été placés dans des mâchoires de formation de filets telles que celles représentées à la fig. 1, tandis qu'ils étaient maintenus, à l'autre extrémité, par des doigts de serrage semblables à ceux représentés à la fig. I.
Un déplacement axial relatif a été imprimé entre les mâchoires de formation de filets et les doigts de serrage de manière à imprimer un taux d'allongement de 1:2. Ensuite, de l'air de présoufflage a été introduit à une pression de 4,4 atm.abs. dans la vessie de manière à lui imprimer une légère dilatation radiale. Ensuite on a fermé sur la vessie, des parties de moule semblables à celles représentées à la fig. 1, présentant, dans la région de scellage et de tronçonnage, une forme identique à celle représentée à la fig. 2. Ces opérations ont été exécutées immédiatement à la suite les unes des autres, de sorte que la vessie demeurait à la température d'orientation pendant ce temps.
On a ensuite introduit, dans la vessie de l'air de soufflage principal à une pression de 11,2 atm.abs. pour que la vessie épouse la forme du moule, soit celle d'une bouteille à deux axes de symétrie, ayant des parois bien finies et très résistantes. Des bouteilles semblables ont été fabriquées sans présoufflage mais toutes les autres conditions y compris le type de polymère utilisé et la forme du moule utilisé étant les mêmes. Les bouteilles ainsi fabriquées ont été ensuite remplies d'eau et on les a laissées tomber d'une hauteur de 3,7 mm.
Les résultats ont été les suivants:
Pourcentage d'échecs
A vec présoufflage Sans présoufflage
0 90* * Environ 40% des bouteilles fabriquées sans présoufflage perdaient avant la chute, tandis qu'aucun des exemplaires fabriqués avec présoufflage ne perdait.
On a de plus observé que les doigts de serrage serrant le fond de la bouteille exercent une force contre les parois de la bouteille, ce qui a pour effet de les aplatir et de les presser ensemble à grande pression. Aucun scellage par fusion ne s'est produit dans cette région ce qui montre qu'il ne suffit pas d'exercer une simple pression forçant les parois de la vessie l'une contre l'autre pour effectuer un scellage étapche. Ainsi le procédé décrit est supérieur à celui dans lequel on se limite à exercer une force purement mécanique pour presser ensemble les parois de la vessie, afin d'effectuer la fermeture étanche. Les bouteilles fabriquées selon les exem ples 1 et 2 présentaient un scellage véritablement fondu lorsque la vessie était fermée.
Exemple 2
Des vessies identiques ont été soufflées pour former des bouteilles comme dans l'exemple 1, excepté que le fuide de présouf flage était à une pression de 11,2 atm.abs. et que son introduction était programmée de manière que la vessie se trouvait présoufflée au moment ou les moitiés de moule se fermaient. L'introduction du fluide était poursuivie sans interruption de manière à assurer le soufflage principal. On a obtenu des bouteilles parfaites.
REVENDICATION I
Procédé de fabrication d'un objet creux moulé par soufflage, à partir d'une ébauche tubulaire en matériau polymère thermoplastique cristallin, dans lequel on étend et gonfle l'ébauche après qu'elle a été amenée à la zone de température d'orientation moléculaire, l'ébauche étant fermée et scellée de façon étanche à l'une de ses extrémités en la pinçant, caractérisé en ce que la fermeture et le scellage sont effectués en introduisant, dans une étape préliminaire, un fluide de gonflage dans l'ébauche afin de maintenir une surpression dans celle-ci qui est insuffisante pour la gonfler complètement, en ce qu'on exerce une pression mécanique le long d'une ligne étroite sur les parois latérales opposées pour couper et sceller une vessie à partir de cette ébauche tandis qu'on applique une pression mécanique de confinement à l'endroit de ladite ligne,
de façon à former un bourrelet le long du scellage formé le long de ladite ligne.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche est moulée et scellée à une température comprise entre 0,6 et 28 C au-dessous de son point de fusion cristalline.
2. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que le matériau moulé est un polymère d'une l-oléfine.
3. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que le bourrelet est de forme cylindrique.
4. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la pression mécanique est appliquée contre une queue de l'ébauche qui est voisine de la ligne de coupe. ceci pour produire une composante de force longitudinale provoquant le déplacement vers le bas de la queue.
5. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la pression du fluide de gonflage appliqué lors de l'étape de soufflage préliminaire produit une expansion radiale partielle de l'ébauche.
REVENDICATION Il
Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant des moitiés de moule pouvant être déplacées dans une position fermée et une position ouverte, lesquelles présentent, à l'une de leurs extrémités. des surfaces correspondantes de formation d'un col, à l'extrémité opposée, des bords correspondants de tronçonnage et de scellage.
ainsi que des cavités correspondantes de formation d'un bourrelet, qui sont situées entre lesdits bords et l'intérieur du moule et communiquent avec cet intérieur, caractérisé en ce que chacune des moitiés présente une surface extérieure inclinée (36) adjacente au bord de tronçonnage et de scellage (32), ces surfaces inscrivant un angle compris entre 15 et I100 lorsque les moitiés de moule sont en position fermée.
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