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Procédé de moulage d'une matière thermoplastique par injection sur noyau tournant
La présente invention concerne un procédé particulier de moulage d'une matière thermoplastique par injection sur noyau tournant
La technique de l'injection sur noyau tournant, connue en soi, est notamment décrite dans le brevet US 3 907 952. Elle consiste à injecter une matière thermoplastique en fusion dans un moule dont une partie-généralement la partie centrale, que l'on qualifie de noyau-est rotative par rapport à l'autre, et est maintenue en rotation durant l'introduction de la matière thermoplastique dans le moule.
Cette technique oriente fortement la matière thermoplastique dans le sens circonférentiel, ce qui permet de compenser l'orientation majoritairement axiale induite par l'injection dans le cas d'un remplissage à partir d'une extrémité du moule, ainsi que"d'effacer"les éventuelles lignes de soudure dans le cas d'un remplissage latéral du moule. On peut ainsi obtenir des articles injectés creux tels que récipients, manchons, etc. dont la résistance mécanique est supérieure à celle des articles injectés au moyen d'une technique classique de moulage par injection, c'est-à-dire dans un moule dont toutes les parties sont immobiles les unes par rapport aux autres.
Dans les variantes de cette technique appliquées jusqu'ici, le moule présente spécifiquement une symétrie de révolution par rapport à son axe de rotation, ce qui permet uniquement la fabrication d'articles symétriques de révolution, par exemple des manchons cylindriques ou des récipients tronconiques tels que des gobelets Dans ces cas où le noyau présente une symétrie de révolution, on comprend sans difficulté que sa rotation a un effet bénéfique.
En effet, pendant cette rotation, la matière thermoplastique fondue"circule"de manière parfaitement régulière dans un canal annulaire-délimité par la partie fixe du moule et le noyau-dont la largeur reste constante sur toute sa périphérie, au fil du temps, ce qui permet à la matière thermoplastique ainsi qu'aux éventuelles charges anisotropes qu'elle contient de s'orienter de manière régulière, essentiellement circonférentiellement, avant la solidification de la matière
Pour ces raisons, l'utilisation d'un noyau ne présentant pas une symétrie de révolution, par exemple d'un noyau de section polygonale, n'a jamais été envisagée, car elle était considérée comme conduisant à l'obtention d'articles aux
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propriétés mécaniques déplorables.
En effet, dans le cas de noyaux ne présentant pas une symétrie de révolution, la largeur du canal annulaire dans lequel circule la matière thermoplastique fondue fluctue très fortement au cours de la rotation du noyau, du fait même que celui-ci ne présente pas une symétrie de révolution.
Autrement dit, la matière thermoplastique est forcée au travers d'une succession de passages alternativement convergents et divergents. On s'attendrait dès lors à ce que ces fluctuations du régime d'écoulement perturbent de manière défavorable l'écoulement de la matière thermoplastique et des éventuelles charges qu'elle contient, et lui donnent une orientation différant sensiblement d'une orientation circonférentielle, nuisant en fin de compte à la résistance de l'article.
En outre, surtout dans le cas d'une injection sur un noyau tournant de section polygonale, la résistance circonférentielle des articles ainsi obtenus devrait être amoindrie, les arêtes de la cavité prismatique intérieure ainsi créée correspondant à des zones d'épaisseur réduite. Du fait de cette réduction d'épaisseur et de l'effet d'entaille qu'ont ces arêtes sur la paroi de l'article, on devrait s'attendre à ce que la résistance de cette dernière soit particulièrement faible dans ces zones.
On a toutefois trouvé, de manière surprenante, que l'utilisation, dans un procédé d'injection sur noyau tournant, d'un noyau ne présentant pas une symétrie de révolution, est non seulement possible, mais conduit en outre à des résultats remarquables. En outre, il va sans dire que les articles ainsi obtenus, qui comprennent au moins une cavité ne présentant pas une symétrie de révolution, n'auraient pas pu être obtenus par un procédé d'injection sur noyau tournant classique, utilisant un noyau présentant une symétrie de révolution.
Dès lors, la présente invention concerne un procédé de moulage d'une matière thermoplastique par injection sur noyau tournant, qui se caractérise en ce que le noyau ne présente pas une symétrie de révolution.
Ce procédé est particulièrement utile pour la fabrication d'articles au moins partiellement creux, comprenant au moins une cavité ne présentant pas une symétrie de révolution (de forme correspondante à celle du noyau) et devant résister à des sollicitations mécaniques élevées, par exemple sur le plan de la torsion ou de la résistance à la pression d'un fluide.
Ce procédé permet de fabriquer des articles topologiquement équivalents à un anneau, comportant une cavité les traversant de part en part, telles que par exemple des manchons.
Il permet également de fabriquer des articles comportant une cavité à un
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seul orifice, par exemple des barres cylindriques dont une extrémité comporte une cavité prismatique coaxiale ne s'étendant que sur une partie de leur longueur. De tels articles peuvent notamment être utilisés comme arbres de transmission, la cavité prismatique permettant l'insertion de l'extrémité d'un autre organe de forme adaptée, de manière à pouvoir transmettre un couple notable sans risque de glissement De tels articles peuvent encore être destinés à contenir un fluide sous pression, et intervenir par exemple dans la construction de réservoirs d'huile sous pression pour systèmes de freinage.
On comprendra aisément que l'invention s'étend également à la fabrication d'articles comportant plus d'une cavité, par exemple à la fabrication d'arbres de transmission qui soient massifs en leur centre mais comportent à chacune de leurs extrémités une cavité de section transversale prismatique. Pour les fabriquer, il faut utiliser un moule muni d'un noyau rotatif à chaque extrémité. L'invention s'étend encore, par exemple, à la fabrication d'une plaque comportant plusieurs orifices de section transversale hexagonale.
Pour fabriquer de tels articles à base de matière thermoplastique, la solution classique est de recourir à des techniques usuelles telles que l'injection ou l'extrusion. Toutefois, ces techniques conduisent généralement à orienter la matière de manière substantiellement longitudinale, et les articles ainsi fabriqués présentent dès lors une résistance circonférentielle médiocre, ce qui impose de les surdimensionner largement en ce qui concerne leur résistance longitudinale
On peut certes envisager d'accroître la résistance de tels articles en incorporant à la matière thermoplastique des matériaux de renforcement anisotropes, tels que des charges en forme de paillettes ou de fibres, par exemple des fibres de verre.
Cependant, lors de l'injection ou de l'extrusion d'une matière thermoplastique ainsi chargée, pour les raisons exposées ci-dessus, ces charges s'aligneront de manière plutôt longitudinale que circonférentielle, et la résistance circonférentielle ne sera que très faiblement améliorée. Dans ce cas également, on serait conduit à largement surdimensionner ces articles en ce qui concerne leur résistance longitudinale.
La matière thermoplastique comprend au moins un polymère thermoplastique De préférence, la matière thermoplastique est essentiellement constituée d'au moins un polymère thermoplastique. Tout polymère thermoplastique peut être utilisé, notamment les polymères du chlorure de vinyle, les polyamides et les polyoléfines De bons résultats ont été obtenus lorsque la matière thermoplastique comprend au moins une polyoléfine. Parmi les
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polyoléfines, on préfère utiliser des polymères de mono-oléfines, tels que les polymères de l'éthylène et/ou du propylène (y compris leurs copolymères comprenant en outre un ou plusieurs autres monomères).
De bons résultats ont été obtenus lorsque la matière thermoplastique comprend au moins un polymère thermoplastique semi-cristallin De préférence, au moins 50 % en masse de la matière thermoplastique est constituée d'un ou plusieurs polymères thermoplastiques semi-cristallins. De manière particulièrement préférée, la matière thermoplastique est essentiellement constituée d'un ou plusieurs polymères thermoplastiques semi-cristallins. Par polymères thermoplastiques semi-cristallins, on entend désigner des polymères thermoplastiques qui ne soient pas amorphes.
Des exemples de polymères thermoplastiques semi-cristallins sont les polyamides (en particulier aromatiques), le polysulfure de phénylène, le polyéthylène et le polypropylène
Par ailleurs, il est avantageux d'utiliser des polymères thermoplastiques à cristallisation rapide, tels que par exemple le polyéthylène (PE). En cas de besoin, un agent nucléant peut être ajouté à un polymère thermoplastique qui, en tant que tel, ne présenterait pas une cristallisation rapide.
En outre, la matière thermoplastique présente de préférence les propriétés généralement requises en vue d'une injection, par exemple une viscosité adéquate, une bonne démoulabilité, une bonne tenue aux cisaillements élevés, une bonne stabilité thermique, etc.
En ce qui concerne la viscosité, on préfère tout particulièrement que la matière thermoplastique présente un module de relaxation en cisaillement Gn (7, 5) supérieur à 0, 15.
Gn (7,5) désigne la valeur normalisée du module de relaxation en cisaillement de la matière thermoplastique, G (t) (comme décrit par H. M. Laun dans Rheologica Acta, vol. 17, nO 1 fjan./fév. 1978), pp. 1-15, en particulier dans l'équation [8]), à 7,5 secondes et à une température supérieure de 30 C à la température de fusion de la matière thermoplastique considérée (Tf telle que mesurée par DSC (calorimétrie différentielle à balayage) à une vitesse de 10 K par minute) Plus précisément, sur base de mesures des modules élastique et visqueux en fonction de la fréquence d'excitation (de 0, 01 à 100 s'), on déduit le modèle de Maxwell généralisé qui s'en rapproche le plus.
Ce modèle permet alors de tracer une courbe représentant l'évolution en fonction du temps du module de relaxation en cisaillement, qu'on normalise de telle sorte que Gn (t) = 100 pour t = 0. Autrement dit, Gn (t) = 100 x G (t)/G (0). La valeur de Gn (t) pour t = 7,5
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s est alors relevée sur cette courbe La demanderesse a constaté que parmi toutes les valeurs de t auxquelles on peut évaluer le module de relaxation en cisaillement
Gn (t), c'est pour t = 7,5 s qu'il est possible de définir le critère le plus fiable et le plus uniforme permettant de caractériser les matières thermoplastiques donnant les meilleurs résultats lors de leur injection sur noyau tournant.
Ce module de relaxation en cisaillement est de préférence supérieur à 0,2, de manière particulièrement préférée supérieur à 0,3, et idéalement supérieur à 0,5 Par ailleurs, on préfère que la valeur de Gn (7,5) soit inférieure à 10, et tout particulièrement inférieure à 5
Outre au moins un polymère thermoplastique, la matière thermoplastique injectée peut éventuellement comprendre au moins une charge Toute charge connue peut être utilisée Des exemples de charges utilisables, donnés à titre non limitatif, sont le talc, le carbonate de calcium et le mica. On préfère utiliser des charges anisotropes, par exemple en forme de paillettes ou de fibres L'utilisation de fibres est avantageuse sur le plan des propriétés mécaniques.
A titre d'exemples de fibres, on peut citer les fibres de verre et de carbone, ainsi que des fibres polymériques telles que d'aramide. On préfère que la charge comprenne des fibres de verre L'amélioration des résultats est surtout remarquable lorsque la teneur de la ou des charges dépasse 10 %, et en particulier dépasse 20 %, par rapport au poids total de la matière thermoplastique et de (s) charge (s).
Enfin, la matière thermoplastique peut encore éventuellement contenir un ou plusieurs additifs conventionnels tels que pigments, anti-oxydants, stabilisants, ignifugeants, etc.
. Pour des raisons de simplicité, il sera considéré que le moule comporte un seul noyau rotatif, sans que cela n'ait un caractère limitatif Pour la même raison, on considérera que la partie centrale du moule-le noyau-est rotative alors que sa partie extérieure est fixe (elle sera qualifiée de"moule fixe"). Toutefois, cet agencement n'a aucun caractère limitatif et l'on pourrait tout aussi bien utiliser un appareillage dans lequel seule la partie extérieure du moule, ou encore les deux parties du moule, seraient rotatives à des vitesses différentes.
La surface intérieure du moule fixe et la surface du noyau ne sont pas obligatoirement coaxiales, ni même globalement parallèles, à l'axe de rotation du noyau. Autrement dit, l'axe de rotation du noyau ne correspond pas forcément à l'éventuel axe de symétrie du noyau ou du moule fixe.
Longitudinalement, c'est-à-dire lorsqu'on se déplace parallèlement à son axe de rotation, le noyau peut présenter une section transversale variable La
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variation longitudinale de sa section doit toutefois être telle qu'elle permette l'extraction du noyau après la fabrication de l'article. L'utilisation d'un noyau démontable ou similaire permet cependant d'appliquer avec succès le procédé de l'invention à la fabrication d'articles dont b cavité centrale présente des contre- dépouilles ou d'autres irrégularités empêchant l'extraction d'un noyau conventionnel.
L'indication selon laquelle le noyau ne présente pas une symétrie de révolution signifie que sa surface n'est pas constituée exclusivement de cercles dont les centres sont alignés sur une droite, chacun contenu dans un plan perpendiculaire à cette droite. Si l'on qualifie de"rayon du noyau"la distance, mesurée perpendiculairement à l'axe de rotation du noyau, séparant ledit axe de la surface du noyau, l'indication selon laquelle le noyau ne présente pas une symétrie de révolution traduit le fait que le rayon du noyau n'est pas constant circonférentiellement, dans au moins une partie du noyau Ainsi, par exemple, dans le cas d'un noyau dont la section transversale présente la forme d'un polygone régulier, tournant autour de son axe de symétrie,
le rayon du noyau est élevé au droit des sommets du polygone et faible aux milieux de ses côtés. Si l'on désigne par r et rmax les rayons minimal et maximal du noyau, sur sa périphérie, dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation du noyau, le procédé de l'invention donne notamment de très bons résultats lorsque le rapport rmax/rmin est supérieur à 1,1, et tout particulièrement supérieur à 1,3, dans au moins une partie du noyau.
Rien ne s'oppose à ce qu'une ou plusieurs parties du noyau présentent une symétrie de révolution, pour autant qu'une partie au moins ne soit pas telle. A titre d'exemple, le noyau peut être constitué d'un corps cylindrique prolongé par un parallélépipède à base carrée qui lui serait coaxial.
De préférence, dans une section transversale donnée du noyau, les variations de rayon du noyau sont régulièrement réparties sur sa périphérie. Selon une variante avantageuse, au moins une partie du noyau a une section transversale polygonale, en particulier une section transversale carrée.
Dans le cas particulier d'un noyau de section transversale carrée mis en rotation autour de son axe de symétrie, le rapport rmaxlrmin est de 2. Une variante intéressante consiste à donner au noyau une section transversale non circulaire mais ne présentant pas d'angles vifs, par exemple une section ovale ou elliptique, ou encore la forme d'un polygone aux angles arrondis
De manière préférée, lorsque le noyau possède un axe de symétrie, celui-ci
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coïncide avec son axe de rotation
Le moule fixe peut avoir une section transversale intérieure de forme quelconque, par exemple circulaire ou polygonale, concentrique ou non à l'axe de rotation du noyau.
Longitudinalement, cette section transversale peut être constante ou varier De préférence, lorsque le moule fixe présente un axe de symétrie, celui-ci coincide avec l'axe de rotation du noyau
En raison de la section transversale fortement irrégulière du noyau dans le sens circonférentiel (variations notables de son rayon), il faut veiller à ce que, durant la rotation du noyau, la matière thermoplastique ne soit pas entraînée"en bloc", en glissant sur les parois du moule fixe, ce qui risquerait de rendre impossible une orientation suffisante de la matière thermoplastique En vue d'éviter un tel glissement ou du moins de le réduire à des valeurs acceptables, il est dès lors souhaitable qu'au moins certaines zones du moule fixe présentent une surface rugueuse ou comportent des irrégularités géométriques.
De telles dispositions ne doivent généralement pas être prises si le moule fixe ne présente pas une symétrie de révolution ainsi, si le moule fixe a par exemple une section transversale carrée sur au moins une partie de sa longueur, aucun glissement ne doit en principe être redouté, même si sa surface est relativement lisse.
Si par contre le moule fixe est de forme cylindrique ou conique et que l'axe de rotation du noyau est confondu avec (ou proche de) l'axe de symétrie du moule fixe, il est prudent de munir sa surface d'irrégularités telles que des zones rugueuses ou encore des nervures ou rainures longitudinales
Dans certains cas, par exemple lorsque la matière thermoplastique utilisée présente une bonne résistance mécanique en fondu et/ou se fige rapidement, la carotte d'injection, c'est-à-dire la portion de matière thermoplastique stagnant dans le canal d'injection à la fin du remplissage du moule, suffit à empêcher que la matière thermoplastique ne soit entraînée"en bloc"par la rotation du noyau dans le moule.
La vitesse de rotation du noyau est avantageusement telle que le taux de cisaillement moyen auquel est soumise la matière thermoplastique soit d'au moins 10 -1, de préférence supérieur à 20 s -1 Elle est par ailleurs généralement telle que ce taux soit d'au plus 60 s 1, de préférence inférieur à 40 s'.
Généralement, dans le cas d'articles dont l'épaisseur est de l'ordre de 1 à 5 mm, la durée de la rotation est d'environ 5 à 120 s, de préférence de 10 à 80 s. Cette durée est liée à la nature de la matière thermoplastique, et en particulier à son temps de solidification, qui croît approximativement comme le carré de l'épaisseur
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de l'article, Elle dépend également de la mesure dans laquelle on souhaite "effacer"une éventuelle orientation initiale majoritairement axiale de la matière thermoplastique en orientant circonférentiellement la matière. A titre d'exemple, une durée de rotation du noyau plus élevée est généralement avantageuse dans le cas d'articles devant présenter une résistance circonférentielle nettement supérieure à la résistance axiale.
Le noyau peut être mis en rotation avant ou après la fin de la phase de remplissage (c'est-à-dire le moment où le moule est entièrement rempli de matière thermoplastique), il est toutefois souhaitable que sa rotation se poursuive pendant au moins une partie de la phase de maintien, qui la suit, pendant laquelle la matière thermoplastique est maintenue sous pression jusqu'à sa solidification complète La rotation du noyau est généralement interrompue avant la solidification complète de la matière thermoplastique, de manière préférée, on l'interrompt avant la fin de la phase de maintien, à un moment où au moins une partie de la matière thermoplastique n'est pas encore solidifiée De bons résultats ont été obtenus lorsque la rotation du noyau n'intervient que pendant la phase de maintien.
La résistance mécanique, notamment à la torsion ou à la pression d'un fluide, des articles obtenus au moyen du procédé de l'invention est excellente, à un tel point qu'il est non seulement avantageux d'utiliser ce procédé pour fabriquer des articles dont il a été décidé qu'ils doivent comporter une cavité ne présentant pas une symétrie de révolution, mais qu'il est même avantageux d'utiliser un noyau non symétrique de révolution, si la forme de la cavité des articles peut être librement choisie, en vue d'en améliorer les propriétés mécaniques lorsqu'ils sont fabriqués par injection sur noyau tournant.
A titres d'exemples non-limitatifs d'articles à base de matière thermoplastique pouvant être fabriqués par le procédé de l'invention, on peut citer - un arbre de transmission massif comportant à chacune de ses deux extrémités une cavité coaxiale de section hexagonale ; - un disque percé en son centre d'un orifice de section rectangulaire, permettant d'y insérer une barre de même section servant d'axe de rotation, - une plaque comprenant plusieurs cavités de section carrée, permettant de la fixer sur un support muni d'un nombre correspondant de tiges de section carrée, - un manchon dont la surface extérieure aurait une section circulaire et la surface intérieure une section octogonale
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A titre d'illustration, la figure 1 représente en perspective un article (1),
réalisé conformément au procédé de l'invention, dont la surface extérieure est cylindrique et comportant, sur une partie de sa longueur, à partir de l'une de ses extrémités, une cavité (2) de section transversale carrée. Cet article a été fabriqué en injectant une matière thermoplastique dans un moule cylindrique fixe, dans lequel était disposé un noyau rotatif de section transversale carrée, dont l'axe de rotation (3) était parallèle à celui du moule fixe mais néanmoins distinct de celuici Dans le cas représenté, on notera que l'axe de rotation du noyau (3) coïncidait avec son axe de symétrie. On a en outre indiqué, sur la figure 1, le plus petit (rmin) et le plus grand (rma0 rayon du noyau.
Les exemples qui suivent illustrent de manière non-limitative l'invention Les exemples IR et 4R sont donnés à titre de comparaison, les autres étant conformes à l'invention.
Exemples
On a injecté différentes matières thermoplastiques sur noyau tournant, en utilisant une presse d'injection de type Engel 250 T munie d'une vis de 55 mm de diamètre, de manière à fabriquer des barreaux extérieurement cylindriques d'un diamètre extérieur de 32 mm et d'une longueur de 105 mm, comportant sur toute leur longueur une cavité coaxiale intérieure de section transversale carrée (de
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20 mm de côté). La matière thermoplastique a été injectée à partir d'une extrémité du moule.
Exemples 1 R à 3. Effet de la durée de la rotation du noyau sur la résistance à la torsion
La matière thermoplastique utilisée pour l'injection des barreaux était un polyamide aromatique (IXEFX 1022 de SOLVAY). La cavité de section carrée a permis d'appliquer aux barreaux un couple, en introduisant dans chaque extrémité de cette cavité un parallélépipède d'acier à base carrée (de 20 mm de côté), dépassant de 27,5 mm à l'intérieur de la cavité, et de mesurer ainsi leur résistance à la torsion (couple provoquant la rupture).
Ces barreaux ont été injectés en faisant tourner le noyau pendant des durées différentes, à une vitesse de rotation constante de 60 tours/minute La durée de la phase de remplissage du moule était de 4 s, et celle de la phase de maintien de 30 s (maintien de la pression hydraulique à 40 bars)
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> Durée <SEP> de <SEP> rotation <SEP> (s) <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> torsion <SEP> (Nm)
<tb> 1R <SEP> 0 <SEP> 150
<tb> 2 <SEP> 10 <SEP> 250
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 225
<tb>
Exemples 4R à 10 Effet de la durée de rotation sur la résistance à l'éclatement
On a mis en oeuvre du polyéthylène de haute densité (ELTEX# B3002 de SOLVAY),
dans les mêmes conditions opératoires que ci-dessus On a ici également fait tourner le noyau pendant des durées différentes, à une vitesse de rotation constante de 60 tours/minute. On a mesuré la pression d'éclatement des barreaux ainsi obtenus, après avoir fermé leurs extrémités par des bouchons reliés par des barres d'acier de façon à reprendre les efforts axiaux.
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<tb>
<tb> lExemple <SEP> Durée <SEP> de <SEP> rotation <SEP> (s) <SEP> Pression <SEP> d'éclatement <SEP> (bars)
<tb> 4R <SEP> 0 <SEP> 55
<tb> 5 <SEP> 5 <SEP> 60
<tb> 6 <SEP> 10 <SEP> 60
<tb> 7 <SEP> 15 <SEP> 60
<tb> 8 <SEP> 20 <SEP> 70
<tb> 930HO
<tb> 10 <SEP> 60 <SEP> 90
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Method for molding a thermoplastic material by injection on a rotating core
The present invention relates to a particular method of molding a thermoplastic material by injection on a rotating core.
The technique of injection on a rotating core, known per se, is described in particular in US Pat. No. 3,907,952. It consists in injecting a molten thermoplastic material into a mold, part of which, generally the central part, which is qualifies as a core - is rotatable with respect to the other, and is kept in rotation during the introduction of the thermoplastic material into the mold.
This technique strongly directs the thermoplastic material in the circumferential direction, which makes it possible to compensate for the mainly axial orientation induced by the injection in the case of filling from one end of the mold, as well as "to erase" any weld lines in the case of lateral filling of the mold. It is thus possible to obtain hollow injected articles such as containers, sleeves, etc. the mechanical strength of which is greater than that of the articles injected by means of a conventional injection molding technique, that is to say in a mold of which all the parts are stationary relative to one another.
In the variants of this technique applied so far, the mold specifically has a symmetry of revolution with respect to its axis of rotation, which only allows the manufacture of symmetrical articles of revolution, for example cylindrical sleeves or frustoconical containers such as cups In these cases where the core has a symmetry of revolution, it is easy to understand that its rotation has a beneficial effect.
Indeed, during this rotation, the molten thermoplastic material "circulates" in a perfectly regular manner in an annular channel-delimited by the fixed part of the mold and the core-whose width remains constant over its entire periphery, over time, this which allows the thermoplastic material as well as any anisotropic fillers it contains to orient itself regularly, essentially circumferentially, before the solidification of the material
For these reasons, the use of a core which does not have a symmetry of revolution, for example of a core of polygonal section, has never been envisaged, since it was considered as leading to obtaining articles with
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deplorable mechanical properties.
Indeed, in the case of cores which do not have a symmetry of revolution, the width of the annular channel in which the molten thermoplastic material circulates fluctuates very strongly during the rotation of the core, by the very fact that the latter does not have a symmetry of revolution.
In other words, the thermoplastic material is forced through a succession of alternately convergent and divergent passages. It would therefore be expected that these fluctuations in the flow regime adversely disturb the flow of the thermoplastic material and of the possible fillers which it contains, and give it an orientation which differs significantly from a circumferential orientation, which is detrimental. ultimately to the resistance of the article.
In addition, especially in the case of an injection on a rotating core of polygonal section, the circumferential resistance of the articles thus obtained should be reduced, the edges of the interior prismatic cavity thus created corresponding to zones of reduced thickness. Because of this reduction in thickness and the notch effect that these edges have on the wall of the article, it should be expected that the resistance of the latter is particularly low in these areas.
However, it has surprisingly been found that the use, in an injection process on a rotating core, of a core which does not have a symmetry of revolution, is not only possible, but also leads to remarkable results. Furthermore, it goes without saying that the articles thus obtained, which comprise at least one cavity which does not have a symmetry of revolution, could not have been obtained by an injection process on a conventional rotating core, using a core having a symmetry of revolution.
Therefore, the present invention relates to a method of molding a thermoplastic material by injection on a rotating core, which is characterized in that the core does not have a symmetry of revolution.
This process is particularly useful for the manufacture of at least partially hollow articles, comprising at least one cavity not having a symmetry of revolution (of shape corresponding to that of the core) and having to withstand high mechanical stresses, for example on the plane of torsion or resistance to pressure of a fluid.
This process makes it possible to manufacture articles topologically equivalent to a ring, comprising a cavity passing right through them, such as for example sleeves.
It also makes it possible to manufacture articles comprising a cavity at a
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single orifice, for example cylindrical bars, one end of which has a coaxial prismatic cavity extending only over part of their length. Such articles can in particular be used as transmission shafts, the prismatic cavity allowing the insertion of the end of another member of suitable shape, so as to be able to transmit a significant torque without risk of slipping. Such articles can also be intended to contain a pressurized fluid, and intervene for example in the construction of pressurized oil tanks for braking systems.
It will easily be understood that the invention also extends to the manufacture of articles comprising more than one cavity, for example to the manufacture of transmission shafts which are solid at their center but have at each of their ends a cavity of prismatic cross section. To make them, you need to use a mold with a rotating core at each end. The invention further extends, for example, to the manufacture of a plate comprising several orifices of hexagonal cross section.
To manufacture such articles based on thermoplastic material, the conventional solution is to use usual techniques such as injection or extrusion. However, these techniques generally lead to orienting the material substantially longitudinally, and the articles thus produced therefore exhibit poor circumferential resistance, which means that they must be oversized considerably with regard to their longitudinal resistance.
It is certainly possible to envisage increasing the resistance of such articles by incorporating into the thermoplastic material anisotropic reinforcing materials, such as fillers in the form of flakes or fibers, for example glass fibers.
However, during the injection or extrusion of a thermoplastic material thus loaded, for the reasons explained above, these loads will line up rather longitudinally than circumferentially, and the circumferential resistance will only be very slightly improved. . In this case also, one would be led to greatly oversize these articles with regard to their longitudinal strength.
The thermoplastic material comprises at least one thermoplastic polymer Preferably, the thermoplastic material essentially consists of at least one thermoplastic polymer. Any thermoplastic polymer can be used, in particular vinyl chloride polymers, polyamides and polyolefins. Good results have been obtained when the thermoplastic material comprises at least one polyolefin. From
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polyolefins, it is preferred to use polymers of mono-olefins, such as polymers of ethylene and / or propylene (including their copolymers further comprising one or more other monomers).
Good results have been obtained when the thermoplastic material comprises at least one semi-crystalline thermoplastic polymer. Preferably, at least 50% by mass of the thermoplastic material consists of one or more semi-crystalline thermoplastic polymers. In a particularly preferred manner, the thermoplastic material essentially consists of one or more semi-crystalline thermoplastic polymers. The term “semi-crystalline thermoplastic polymers” is intended to denote thermoplastic polymers which are not amorphous.
Examples of semi-crystalline thermoplastic polymers are polyamides (in particular aromatic), polyphenylene sulfide, polyethylene and polypropylene
Furthermore, it is advantageous to use thermoplastic polymers with rapid crystallization, such as for example polyethylene (PE). If necessary, a nucleating agent can be added to a thermoplastic polymer which, as such, would not exhibit rapid crystallization.
In addition, the thermoplastic preferably has the properties generally required for injection, for example an adequate viscosity, good demouldability, good resistance to high shear, good thermal stability, etc.
As regards viscosity, it is particularly preferred that the thermoplastic material has a shear relaxation modulus Gn (7, 5) greater than 0.15.
Gn (7.5) denotes the normalized value of the shear relaxation modulus of the thermoplastic material, G (t) (as described by HM Laun in Rheologica Acta, vol. 17, nO 1 fjan./fév. 1978), pp . 1-15, in particular in equation [8]), at 7.5 seconds and at a temperature 30 C higher than the melting temperature of the thermoplastic material considered (Tf as measured by DSC (differential scanning calorimetry ) at a speed of 10 K per minute) More precisely, on the basis of measurements of the elastic and viscous modules as a function of the excitation frequency (from 0.01 to 100 s'), the generalized Maxwell model which s is closest to it.
This model then makes it possible to draw a curve representing the evolution as a function of time of the shear relaxation modulus, which is normalized so that Gn (t) = 100 for t = 0. In other words, Gn (t) = 100 x G (t) / G (0). The value of Gn (t) for t = 7.5
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s is then raised on this curve The Applicant has observed that among all the values of t at which one can evaluate the relaxation modulus in shear
Gn (t), it is for t = 7.5 s that it is possible to define the most reliable and uniform criterion allowing to characterize the thermoplastic materials giving the best results during their injection on a rotating core.
This shear relaxation modulus is preferably greater than 0.2, particularly preferably greater than 0.3, and ideally greater than 0.5. Furthermore, it is preferred that the value of Gn (7.5) is less than 10, and especially less than 5
In addition to at least one thermoplastic polymer, the thermoplastic material injected may optionally comprise at least one filler. Any known filler can be used. Examples of usable fillers, given without implied limitation, are talc, calcium carbonate and mica. It is preferred to use anisotropic fillers, for example in the form of flakes or fibers. The use of fibers is advantageous in terms of mechanical properties.
As examples of fibers, mention may be made of glass and carbon fibers, as well as polymer fibers such as aramid. It is preferred that the filler comprises glass fibers. The improvement in the results is especially remarkable when the content of the filler (s) exceeds 10%, and in particular exceeds 20%, relative to the total weight of the thermoplastic material and (s ) charge (s).
Finally, the thermoplastic material may also optionally contain one or more conventional additives such as pigments, antioxidants, stabilizers, flame retardants, etc.
. For reasons of simplicity, it will be considered that the mold has a single rotating core, without this being limiting. For the same reason, we will consider that the central part of the mold - the core - is rotating while its part exterior is fixed (it will be called a "fixed mold"). However, this arrangement has no limiting character and one could just as easily use an apparatus in which only the outer part of the mold, or even the two parts of the mold, would be rotatable at different speeds.
The inner surface of the fixed mold and the surface of the core are not necessarily coaxial, or even generally parallel, to the axis of rotation of the core. In other words, the axis of rotation of the core does not necessarily correspond to the possible axis of symmetry of the core or of the fixed mold.
Longitudinally, that is to say when moving parallel to its axis of rotation, the core can have a variable cross-section La
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longitudinal variation of its section must however be such that it allows the extraction of the core after the manufacture of the article. The use of a removable core or the like however makes it possible to successfully apply the process of the invention to the manufacture of articles whose central cavity has undercuts or other irregularities preventing the extraction of a conventional core.
The indication that the nucleus does not have a symmetry of revolution means that its surface does not consist exclusively of circles whose centers are aligned on a line, each contained in a plane perpendicular to this line. If one qualifies as "radius of the nucleus" the distance, measured perpendicular to the axis of rotation of the nucleus, separating said axis from the surface of the nucleus, the indication according to which the nucleus does not present a symmetry of revolution translates the fact that the radius of the nucleus is not constant circumferentially, in at least part of the nucleus Thus, for example, in the case of a nucleus whose cross section has the shape of a regular polygon, rotating around its axis of symmetry,
the radius of the nucleus is high in line with the vertices of the polygon and small in the middle of its sides. If r and rmax denote the minimum and maximum radii of the nucleus, on its periphery, in the same plane perpendicular to the axis of rotation of the nucleus, the method of the invention gives in particular very good results when the ratio rmax / rmin is greater than 1.1, and more particularly greater than 1.3, in at least part of the nucleus.
There is nothing to prevent one or more parts of the core from exhibiting symmetry of revolution, provided that at least one part is not such. By way of example, the core can consist of a cylindrical body extended by a rectangular parallelepiped which would be coaxial to it.
Preferably, in a given cross section of the core, the variations in radius of the core are regularly distributed over its periphery. According to an advantageous variant, at least part of the core has a polygonal cross section, in particular a square cross section.
In the particular case of a core with a square cross section rotated around its axis of symmetry, the ratio rmaxlrmin is 2. An advantageous variant consists in giving the core a non-circular cross section but having no sharp angles , for example an oval or elliptical section, or the shape of a polygon with rounded angles
Preferably, when the core has an axis of symmetry, this one
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coincides with its axis of rotation
The fixed mold may have an interior cross section of any shape, for example circular or polygonal, concentric or not with the axis of rotation of the core.
Longitudinally, this cross section can be constant or vary Preferably, when the fixed mold has an axis of symmetry, this coincides with the axis of rotation of the core
Due to the highly irregular cross-section of the core in the circumferential direction (notable variations in its radius), care must be taken that, during the rotation of the core, the thermoplastic material is not entrained "en bloc", by sliding on the walls of the fixed mold, which would risk making it impossible to orient the thermoplastic material sufficiently. In order to avoid such sliding or at least reduce it to acceptable values, it is therefore desirable that at least certain zones of the fixed mold have a rough surface or have geometric irregularities.
Such arrangements generally do not have to be taken if the fixed mold does not have a symmetry of revolution thus, if the fixed mold has for example a square cross section over at least part of its length, no sliding should in principle be feared , even if its surface is relatively smooth.
If on the other hand the fixed mold is of cylindrical or conical shape and the axis of rotation of the core is coincident with (or close to) the axis of symmetry of the fixed mold, it is prudent to provide its surface with irregularities such as rough areas or longitudinal ribs or grooves
In certain cases, for example when the thermoplastic material used has good mechanical resistance to fade and / or freezes quickly, the injection core, that is to say the portion of thermoplastic material stagnating in the injection channel at the end of the filling of the mold, suffices to prevent the thermoplastic material from being entrained "en bloc" by the rotation of the core in the mold.
The speed of rotation of the core is advantageously such that the average shear rate to which the thermoplastic material is subjected is at least 10 -1, preferably greater than 20 s -1 It is moreover generally such that this rate is at most 60 s 1, preferably less than 40 s'.
Generally, in the case of articles whose thickness is of the order of 1 to 5 mm, the duration of the rotation is approximately 5 to 120 s, preferably 10 to 80 s. This duration is linked to the nature of the thermoplastic, and in particular to its solidification time, which increases approximately as the square of the thickness
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of the article, it also depends on the extent to which one wishes to "erase" a possible initial, mainly axial, orientation of the thermoplastic material by circumferentially orienting the material. By way of example, a longer duration of rotation of the core is generally advantageous in the case of articles having to present a circumferential resistance clearly greater than the axial resistance.
The core can be rotated before or after the end of the filling phase (i.e. when the mold is completely filled with thermoplastic material), it is however desirable that its rotation continues for at least part of the holding phase, which follows, during which the thermoplastic material is kept under pressure until it has solidified completely The rotation of the core is generally interrupted before the solidification of the thermoplastic material, preferably it is interrupts before the end of the holding phase, at a time when at least part of the thermoplastic material is not yet solidified Good results have been obtained when the rotation of the core occurs only during the holding phase.
The mechanical resistance, in particular to the torsion or to the pressure of a fluid, of the articles obtained by means of the process of the invention is excellent, to such an extent that it is not only advantageous to use this process for manufacturing articles which it has been decided to have a cavity which does not have a symmetry of revolution, but which it is even advantageous to use a non-symmetrical core of revolution, if the shape of the cavity of the articles can be freely chosen , with a view to improving their mechanical properties when they are produced by injection on a rotating core.
By way of non-limiting examples of articles based on thermoplastic material which can be manufactured by the process of the invention, there may be mentioned - a solid transmission shaft comprising at each of its two ends a coaxial cavity of hexagonal section; - a disc pierced in its center with a hole of rectangular section, allowing to insert a bar of the same section serving as axis of rotation, - a plate comprising several cavities of square section, allowing to fix it on a support provided a corresponding number of rods of square section, - a sleeve whose outer surface would have a circular section and the inner surface an octagonal section
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By way of illustration, FIG. 1 represents in perspective an article (1),
produced in accordance with the method of the invention, the outer surface of which is cylindrical and comprising, over part of its length, from one of its ends, a cavity (2) of square cross section. This article was manufactured by injecting a thermoplastic material into a fixed cylindrical mold, in which was disposed a rotary core of square cross section, the axis of rotation (3) of which was parallel to that of the fixed mold but nevertheless distinct from it. the case shown, it will be noted that the axis of rotation of the core (3) coincided with its axis of symmetry. We have also indicated, in Figure 1, the smallest (rmin) and the largest (rma0 radius of the nucleus.
The examples which follow illustrate the invention without limitation. Examples IR and 4R are given by way of comparison, the others being in accordance with the invention.
Examples
Different thermoplastic materials were injected on a rotating core, using an Engel 250 T type injection press fitted with a 55 mm diameter screw, so as to produce externally cylindrical bars with an external diameter of 32 mm and with a length of 105 mm, comprising over their entire length an internal coaxial cavity of square cross section (of
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20 mm side). The thermoplastic material was injected from one end of the mold.
Examples 1 R to 3. Effect of the duration of the rotation of the core on the torsional strength
The thermoplastic material used for the injection of the bars was an aromatic polyamide (IXEFX 1022 from SOLVAY). The square section cavity made it possible to apply a torque to the bars, by introducing into each end of this cavity a steel parallelepiped with square base (20 mm side), protruding 27.5 mm inside the cavity, and thus measure their resistance to torsion (torque causing rupture).
These bars were injected by rotating the core for different durations, at a constant rotational speed of 60 revolutions / minute. The duration of the mold filling phase was 4 s, and that of the holding phase was 30 s. (maintaining the hydraulic pressure at 40 bars)
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<tb>
<tb> Example <SEP> Duration <SEP> of <SEP> rotation <SEP> (s) <SEP> Resistance <SEP> at <SEP> the <SEP> torsion <SEP> (Nm)
<tb> 1R <SEP> 0 <SEP> 150
<tb> 2 <SEP> 10 <SEP> 250
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 225
<tb>
Examples 4R to 10 Effect of the duration of rotation on the burst strength
We used high density polyethylene (ELTEX # B3002 from SOLVAY),
under the same operating conditions as above The core was also rotated here for different times, at a constant rotational speed of 60 revolutions / minute. The bursting pressure of the bars thus obtained was measured, after closing their ends with plugs connected by steel bars so as to take up the axial forces.
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<tb>
<tb> lExample <SEP> Duration <SEP> of <SEP> rotation <SEP> (s) <SEP> Burst pressure <SEP> <SEP> (bars)
<tb> 4R <SEP> 0 <SEP> 55
<tb> 5 <SEP> 5 <SEP> 60
<tb> 6 <SEP> 10 <SEP> 60
<tb> 7 <SEP> 15 <SEP> 60
<tb> 8 <SEP> 20 <SEP> 70
<tb> 930HO
<tb> 10 <SEP> 60 <SEP> 90
<tb>