Procédé de fabrication d'un récipient ouvert en une matière thermoplastique
et poinçon pour la mise en oeuvre de ce procédé
Le présent brevet concerne un procédé de fabrication d'un récipient ouvert en une matière thermoplastique, selon lequel on enfonce un poinçon dont la surface frontale correspond à celle du fond du récipient à obtenir dans un flan de matière plastique retenu par sa périphérie dans un serre-flan afin d'emboutir le flan à la forme du récipient. I1 concerne également un poinçon permettant la mise en oeuvre de ce procédé.
Pour mettre en oeuvre un tel procédé de fabrication, il est connu d'utiliser des flans d'épaisseur uniforme, de les chauffer à une température convenable et de les étirer au moyen d'un poinçon dont la surface d'appui est celle du fond du récipient à obtenir ou tout au moins de la périphérie de ce fond, le poinçon se déplaçant perpendiculairement au flan.
Toutefois, de tels procédés n'ont pas pu tre utilisés avec des résultats satisfaisants jusqu'à maintenant lorsqu'il s'agissait d'obtenir des récipients dont le rapport de la profondeur au diamètre du flan initial ou à une des dimensions transversales de ce flan est relativement grand, c'est-à-dire de la valeur de 1/2 à 1. Ces procédés connus jusqu'à maintenant, ne permettent pas non plus d'obtenir des récipients dont les parois sont très minces tout en présentant une épaisseur égale d'un endroit à l'autre. Cette difficulté est particulièrement gnante dans le cas où les récipients qu'on désire obtenir doivent tre transparents, car des variations d'épaisseur des parois font apparaître des zones teintées plus ou moins foncées ou plus ou moins claires dans les parois des récipients.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en créant un procédé qui permette d'obtenir des récipients à parois minces atteignant une épaisseur de quelques centièmes de millimètre, ces parois étant néanmoins d'épaisseur constante.
Pour cela, le procédé, objet du présent brevet est caractérisé en ce qu'on chauffe le flan à une température légèrement supérieure à celle qui permet un allongement permanent de la dite matière plastique suffisant pour réaliser le récipient, en ce qu'on embou- tit ce dernier suffisamment rapidement pour éviter un refroidissement de la dite matière plastique audessous de la dite température pendant l'emboutissage, et en ce qu'on utilise un poinçon dont la forme est telle qu'il n'entre en contact avec le flan que le long d'une portion de surface annulaire formant le bord de la face frontale du récipient lorsqu'on fait pénétrer le poinçon dans le flan.
Pour mettre ce procédé en oeuvre, on utilise un poinçon qui est caractérisé en ce qu'il présente une portion de surface annulaire formant le bord de sa face frontale et recouverte d'un isolant thermique.
Le dessin annexé illustre divers exemples de mise en oeuvre du procédé, objet du présent brevet.
La fig. 1 représente en plan et en coupe diamétrale suivant 1-1 un flan de matière thermoplastique à transformer en récipient,
la fig. 2 représente celui-ci en élévation,
la fig. 3 représente en coupe par un plan axial une phase de l'opération d'emboutissage du récipient de la fig. 2,
les fig. 4, 5 et 6 représentent un autre exemple de mise en oeuvre du procédé,
la fig. 7 représente en coupe par un plan axial une phase de l'opération d'emboutissage du récipient de la fig. 6,
la fig. 8 représente en coupe par un plan axial les différentes pièces composant un poinçon pouvant emboutir un récipient tel que celui de la fig. 6,
La fig. 9 représente en coupe par un plan axial le poinçon, après assemblage des pièces de la fig. 8,
la fig. 10 représente en perspective un récipient quasi prismatique dont la section est un triangle,
la fig.
1 1 représente en perspective un récipient tronconique dont la section est un rectangle, et
la fig. 12 représente les courbes de variation en fonction de la température de la résistance de rupture et de l'allongement du polystyrène choc .
Dans le procédé qui va tre décrit, le poinçon a (à un jeu près dans certains cas) la forme interne de l'objet à fabriquer qui est en général un tronc de cône ou de pyramide évasé vers l'ouverture; il déforme la matière thermoplastique du flan initial en l'étirant et celle-ci est parfois, en fin d'emboutissage, plaquée sur le poinçon qui lui donne sa forme. Des contrepoinçons agissant soit sur le fond, soit sur les côtés, peuvent, en outre, permettre d'obtenir, à la fin de l'emboutissage, des reliefs ou nervures modifiant localement les formes dudit tronc de cône ou de pyramide.
Le flan à emboutir est maintenu par son rebord, de façon à éviter tout glissement de matière, grâce à un serre-flan 14 (fig. 3 et 7) appliqué avec pression sur le rebord du flan et muni d'une découpe centrale laissant passer le poinçon. Le pourtour du flan garde donc pratiquement son épaisseur et sa forme dans l'objet embouti. Il peut toutefois tre sectionné par une opération ultérieure qui n'est pas comprise dans l'invention.
Les fig. 1, 2 et 3 sont relatives à l'emboutissage d'un récipient tronconique dont les parois ont peu de dépouille. Le diamètre 12 de la tte du poinçon est proche de celui de la partie découverte et chauffée du flan, soit 13. Bien entendu, la différence des diamètres doit tre suffisante pour permettre au poinçon d'étirer le flan dans la première partie de sa course (fig. 3), compte tenu du refroidissement de la matière plastique au contact avec le rebord 15 du poinçon.
Cette différence de diamètre sera, par exemple de 4 à 6 fois l'épaisseur du flan. Mais on voit que, en raison de la plus faible surface à étirer initialement, par rapport au cas des fig. 4 à 7, cette course initiale sera faible et que la région où peuvent se situer les surépaisseurs sur les parois du récipient est proche du collet de oelui-ci, sinon mme contiguë au collet.
Son aspect inesthétique est donc moindre. Il en résulte qu'un poinçon, mme pas isolé thermiquement, peut convenir, au prix d'une surépaisseur près du collet, à condition que sa course soit assez rapide pour que la matière plastique ne se refroidisse pas au-dessous de la température où la limite de l'allongement conduit à la rupture du récipient en cours d'étirage. Toutefois, un poinçon constitué suivant les règles indiquées pour le cas des fig. 4 à 7 évitera plus sûrement à la surépaisseur en cause.
Les fig. 4, 5, 6 et 7 illustrennt la fabrication d'u récipient de forme générale tronconique à forte dépouille. Le flan 1 est maintenu dans le serre-flan 14 par la surface annulaire externe comprise entre les cercles de diamètres 3 et 4. Le flan, dans le cercle de diamètre 3, est chauffé à la température déterminée, comme indiqué plus haut. La forme du récipient à emboutir 8 est celle de la fig. 6. Le poinçon 7 qui est enfoncé sur le flan de haut en bas, a pour extrémité un cercle de diamètre égal au diamètre interne du fond, soit 2, dont le contact avec le flan peut n'tre que celui de
son pourtour 5.
La fig. 7 montre en coupe le flan qui a commencé d'tre étiré en 6 par le poinçon 7. On voit, d'une part, que la surface offerte à l'étirage initial, entre les cercles de diamètres 2 et 3, est assez grande par rapport à la surface totale du flan. Dès le contact avec le rebord 5 du poinçon, la matière se refroidit en cet endroit dont la résistance augmente; c'est évidemment la partie du flan extérieure au poinçon qui s'étire la première jusqu'à ce que le refroidissement de cette partie et son écrouissage lui confèrent une résistance supérieure tant à celle de la partie initialement refroidie par 5 qu'à celle de la partie encore maintenue sous la tte du poinçon. A ce moment, que l'on supposera tre celui de la fig. 7, le tronc de cône 6 sert d'ancrage élastique au reste du flan 9 qui s'étire en glissant sur le rebord 5, jusqu'à ce que le récipient soit formé.
(A noter que sur la fig. 7, on a représenté une variante comportant un contre-poinçon 10 qui, s'engageant dans le creux inférieur du poinçon 7, permet de former un relief dans le fond du récipient).
Comme on l'a dit, il faut que la partie du flan, en contact avec le poinçon au début de sa course, soit encore assez chaude pour qu'elle puisse s'étirer dans la seconde moitié de la course (celle qui succède à la phase représentée fig. 7) afin de ne pas tre le lieu de surépaisseurs notables de la paroi, entre les flans 11 et 12 des fig. 6 et 7.
Ceci implique, en particulier, soit que le poinçon soit chauffé, soit qu'il soit assez isolé thermiquement, compte tenu de la durée de l'emboutissage.
Un poinçon isolé thermiquement fait maintenant l'objet de la description qui suit et plus particulièrement des fig. 7, 8 et 9.
Un tel poinçon peut tre celui de la fig. 7 avec un coeur métallique plein au creux et une surface revtue d'un tissu quelconque. Un tissu de bas de soie donne des résultats remarquables mais sa durée est courte.
Un tissu de fils métalliques convient aussi. L'explication de ce fait tient à ce que les fils du tissu ne touchent la matière plastique à emboutir et le poinçon sur lequel le tissu est appliqué que par des surfaces presque réduites à des lignes et à des points, et par suite très faibles. Les intervalles entre les fils du tissu sont remplis d'air pratiquement immobilisé et par suite très bon isolant.
En pratique, il suffit d'isoler par un tel tissu les seules parties du poinçon en contact avec la matière thermoplastique. Les fig. 8 et 9 en sont un exemple non limitatif: le poinçon tronconique représenté est étudié en particulier pour que les artes de tte du poinçon, telles que 5 de la fig. 7, soient isolées thermiquement.
Le poinçon comporte les pièces représentées sur la figure développée 8, à savoir:
un support supérieur 21 doté d'un taraudage coaxial interne permettant sa fixation sur la tige de la presse d'emboutissage (non représentée);
une rondelle de caoutchouc 23 placée entre l'épaulement 242 du corps de poinçon 24 et le plat 212 du support supérieur;
un corps de poinçon 24 qui comporte une glissière torique supérieure 241 qui peut s'engager avec un faible jeu dans une rainure correspondante 211 du support supérieur, et qui lui permet de coulisser en comprimant la rondelle 23;
des vis 30 réunissant 21 et 24 mais dotées d'une partie lisse guidant et permettant le déplacement relatif de ces pièces;
deux pièces 25 et 27 supports du tissu métallique 26 et comportant, la première, une surface conique 251 s'y appliquant sur la surface correspondante 243 du corps de poinçon avec interposition du tissu 26; la seconde, une surface conique 271 s'appliquant sur la surface correspondante 252 de la première, avec interposition du tissu 26;
une toile métallique 26 à laquelle on donne la forme représentée en repliant soigneusement un disque de tissu autour de l'extrémité 253 de la pièce 25, puis en découpant le vide central, enfin en serrant la toile entre les pièces 25 et 27, réunies par la vis 28;
une feuille 30, par exemple en papier, placée entre le tissu métallique et le support 25;
en outre, dans l'exemple dessiné, une rondelle en caoutchouc 29 est déposée dans un logement 272 de 27.
Les dimensions de la partie avant 253 de 25 sont telles que le tissu métallique dépasse très légèrement des formes externes du poinçon. Celui-ci est utilisé comme le poinçon 7 de la fig. 7. Seule la toile métallique de l'angle 253 porte sur la matière plastique en cours d'emboutissage. On notera quelques détails supplémentaires: des évents 301 et 244 se prolongeant l'un l'autre, sont percés dans la vis 30 et le corps 24.
De mme, des évents 281 et 221 se prolongeant sont percés dans les vis 27 et 22. Ces évents permettent l'évacuation de l'air emprisonné entre le flan embouti et le poinçon, pendant l'emboutissage. Les derniers évents peuvent en outre servir à envoyer de l'air comprimé dans le mme espace, en vue de décoller le récipient du poinçon, après solidification du récipient.
La rondelle de caoutchouc 23 est écrasée par l'effort de la presse et son rebord s'épanouit en formant une gorge annulaire dans la paroi du récipient. La rondelle de caoutchouc 29 facilite la gravure des inscriptions qui peuvent tre portées par le contrepoinçon qui s'engage en fin de course du poinçon dans le vide inférieur de celui-ci.
Les mmes dispositions seraient applicables au poinçon dans le cas où le récipient à former serait un tronc de pyramide (fig. 10 et 11) ou un tronc de cône non circulaire. On a constaté que dans le cas où la base du poinçon est polygonale, le glissement de la matière plastique sur l'arte du poinçon correspond à 5 (fig. 7) ou 253 (fig. 8 et 9) était moindre au voisinage des angles les plus aigus, (tels que 11, fig. 10), en particulier lorsqu'il s'agit de récipient à faible dépouille. Dans ce cas, les artes 5 ou 253 peuvent tre revtues de tissu, uniquement à ces endroits critiques, pour rétablir l'uniformité de glissement de la matière plastique.
On peut encore envisager des formes de récipient résultant d'une découpe quelconque du serre-flan et d'un quelconque pourtour travaillant du poinçon, à la condition qu'une dépouille de toutes les faces latérales permette le retour du poinçon.
I1 est utile de comparer le procédé décrit avec l'emboutissage des métaux. Un flan métallique est embouti, avec ou sans chauffage préalable, au moyen d'un outillage comportant une matrice qui a la forme externe de l'objet embouti et d'un poinçon qui a pratiquement sa forme interne et qui déforme le flan en le poussant dans la matrice au moyen d'une presse.
On a constaté que dans les procédés connus d'emboutissage de récipients à parois minces en matière plastique, l'épaisseur des parois dépend de la façon dont la matière se répartit au cours de l'étirage et non comme dans l'emboutissage des métaux de la position relative du poinçon et de la matrice en fin d'opération.
Pour obtenir le résultat recherché, il faut donc: 10) choisir la température du flan au moment de l'emboutissage de telle façon que cette température permette d'obtenir pendant l'étirage les allongements nécessaires pour former l'objet embouti sans rupture de la matière, 20) effectuer l'emboutissage assez rapidement et conformer le poinçon de façon qu'il ne refroidisse pas la matière plastique, et 30) permettre à la partie centrale du flan qui est emportée par le poinçon de glisser sur le bord du poinçon au fur et à mesure de l'emboutissage.
La température à laquelle on porte le flan avant l'emboutissage est choisie un peu au-dessous de la limite inférieure correspondant à l'allongement voulu, de façon à fournir une marge de sécurité tenant compte des conditions pratiques d'emploi: homogénéité ou isothropie imparfaites de la matière, variations possibles du chauffage du flan et du refroidissement, au cours de l'emboutissage. Cette marge sera d'autant plus petite que l'emboutissage sera plus rapide. Elle pourra atteindre 5 à 100C.
La détermination de ces températures se fait par l'examen d'une part, des courbes de ténacité à la rupture en fonction de la température et, d'autre part, des courbes des allongements de rupture en fonction de la température, les deux courbes variant en sens contraire. Ces courbes sont connues pour chaque matière thermoplastique.
I1 convient évidemment de partir d'une température assez élevée pour se tenir juste au-dessous de la limite d'allongement pendant toute la durée de l'emboutissage, au cours de laquelle la température de l'embouti décroît.
A titre d'exemple, la courbe A (fig. 12) représente les allongements à la rupture des polyamides en fonction des températures (OC), soit le rapport (%) de l'allongement à la longueur initiale de l'éprouvette.
La courbe R représente la résilience à la rupture en kilogramme par centimètre carré de section de l'éprou- vette. La première courbe, compte tenu de l'allongement nécessaire des rayons du flan initial, pour emboutir le récipient, donne la température minimum du polyamide, en cours d'emboutissage. La seconde courbe fait alors connaître les efforts à demander à la presse d'emboutissage.
Dans la pratique, on est amené à procéder à des essais successifs dans les conditions de travail, c'està-dire, en particulier, en fonction du moyen de chauffage du flan, qui consistera souvent à exposer celui-ci pendant un temps déterminé à l'effet d'une surface radiante, dès que le flan est immobilisé par le serre-flan. La température atteinte n'est pas toujours facile à mesurer; néanmoins, les essais successifs peuvent tre modifiés dans un sens favorable, grâce à la connaissance des courbes ci-dessus. Par exemple, les températures voisines de 60 C conviendront pour un polyamide type nylon à l'emboutissage d'un flan de 0,5 millimètre d'épaisseur et de 70 millimètres de diamètre pour l'obtention d'un récipient de 85 millimètres de profondeur, pour un emboutissage d'une durée de 0,1 seconde.
Pour éviter que le poinçon ne refroidisse la matière plastique il pourra, soit tre thermiquement isolé, soit éventuellement chauffé à une température convenable, proche de celle de la matière plastique, soit enfin utilisé avec une cadence rapide.
On comprendra ces conditions par l'étude des déformations de la matière pendant l'emboutissage: mme dans le cas d'un poinçon en une matière thermiquement isolante ou revtue d'un isolant thermique, quelles que soient les précautions prises, il y a refroidissement de la matière thermoplastique aux points de contact avec le poinçon. La matière se fige relativement ou tout au moins voit augmenter sa résilience et diminuer son allongement sous un effort donné. Ceci se produit dès que le poinçon prend contact avec le flan. II en résulte que c'est d'abord la partie du flan comprise entre la tte du poinçon et le serre-flan qui commence à s'étirer.
Pendant cet étirage, cette partie de la matière plastique augmente fortement de surface et diminue fortement d'épaisseur, ce qui favorise le durcissement de la paroi qui commence à se former. A ce moment, la partie déjà étirée sert d'ancrage élastique au reste du flan et celui-ci, y compris la première surface partiellement figée au contact du poinçon, est étiré en glissant sur ladite surface de contact du poinçon, ainsi que la matière correspondant initialement à la surface avant du poinçon.
Bien entendu, pour que l'opération d'étirage se déroule ainsi, les conditions des températures déterminées par les courbes de résilience et d'allongement limites doivent tre observées pendant toute la durée de l'étirage. En résumé, é, et en termes simples rappelant ce qui précède, la température initiale doit tre suffisante, I'opération doit tre rapide et la partie du poinçon en contact avec la matière plastique ne doit pas refroidir celle-ci au point de l'empcher de s'étirer dans la deuxième phase de l'étirage.
Lorsqu'il n'en est pas ainsi, la partie du flan qui a été en contact avec le poinçon garde une surépaisseur plus ou moins grande. Dans les procédés déjà connus dans lesquels la tte du poinçon refroidit sensiblement la matière plastique, on solidifie généralement le flan dans la partie du fond du récipient, et on empche ainsi cette partie du flan de s'étirer. La connaissance de ce qui précède permet d'ailleurs d'atteindre ce résultat, lorsque l'on désire avoir un fond du récipient de plus forte épaisseur que les parois.
De plus, le procédé décrit permet, en raison des conditions de maintien de la température, d'obtenir en fin de course un poinçon, des reliefs sur le fond ou les parois en utilisant, pour le premier, un contrepoinçon avec les reliefs désirés, pour le second, un contre-poinçon pouvant tre éclipsé, lors du retour en arrière du poinçon, ou toute autre solution connue.
Après l'emboutissage, le produit obtenu est refroidi par un moyen connu (jet d'air, etc..), la séparation d'avec le poinçon peut tre facilitée par l'envoi d'air comprimé entre poinçon et embouti, tout en prévoyant bien entendu une certaine dépouille.
REVENDICATIONS
I. Procédé de fabrication d'un récipient ouvert en une matière thermoplastique, selon lequel on enfonce un poinçon dont la surface frontale correspond à celle du fond du récipient à obtenir dans un flan de matière plastique retenu par sa périphérie dans un serre-flan afin d'emboutir le flan à la forme du récipient, caractérisé en ce qu'on chauffe le flan à une température légèrement supérieure à celle qui permet un allongement permanent de la dite matière plastique suffisant pour réaliser le récipient, en ce qu'on emboutit ce dernier suffisamment rapidement pour éviter un refroidissement de la dite matière plastique au-dessous de la dite température pendant l'emboutissage,
et en ce qu'on utilise un poinçon dont la forme est telle qu'il n'entre en contact avec le flanc que le long d'une portion de surface annulaire formant le bord de la face frontale du récipient lorsqu'on fait pénétrer le poinçon dans le flan.
Method of manufacturing an open container from a thermoplastic material
and punch for the implementation of this method
The present patent relates to a method of manufacturing an open container made of a thermoplastic material, according to which a punch is inserted, the front surface of which corresponds to that of the bottom of the container to be obtained in a plastic blank retained by its periphery in a greenhouse. -flan in order to stamp the blank to the shape of the container. It also relates to a punch allowing the implementation of this method.
To implement such a manufacturing process, it is known to use blanks of uniform thickness, to heat them to a suitable temperature and to stretch them by means of a punch whose bearing surface is that of the bottom. from the container to be obtained or at least from the periphery of this base, the punch moving perpendicular to the blank.
However, such methods have not been able to be used with satisfactory results until now when it was a question of obtaining containers of which the ratio of the depth to the diameter of the initial blank or to one of the transverse dimensions of this. blank is relatively large, that is to say of the value of 1/2 to 1. These methods known until now also do not make it possible to obtain containers whose walls are very thin while having a equal thickness from place to place. This difficulty is particularly troublesome in the case where the containers which it is desired to obtain must be transparent, since variations in the thickness of the walls cause tinted zones to be more or less dark or more or less light to appear in the walls of the containers.
The aim of the present invention is to remedy these drawbacks by creating a process which makes it possible to obtain containers with thin walls reaching a thickness of a few hundredths of a millimeter, these walls nevertheless being of constant thickness.
For this, the method, object of the present patent is characterized in that the blank is heated to a temperature slightly higher than that which allows a permanent elongation of the said plastic material sufficient to make the container, in that it is stuffed. tit the latter sufficiently quickly to prevent cooling of said plastic material below said temperature during stamping, and in that a punch is used, the shape of which is such that it only comes into contact with the blank. along an annular surface portion forming the edge of the front face of the container when the punch is penetrated into the blank.
To implement this method, a punch is used which is characterized in that it has an annular surface portion forming the edge of its front face and covered with a thermal insulator.
The appended drawing illustrates various examples of implementation of the process which is the subject of the present patent.
Fig. 1 shows in plan and in diametral section along 1-1 a blank of thermoplastic material to be transformed into a container,
fig. 2 shows it in elevation,
fig. 3 shows in section through an axial plane a phase of the stamping operation of the container of FIG. 2,
figs. 4, 5 and 6 represent another example of implementation of the method,
fig. 7 shows in section through an axial plane a phase of the stamping operation of the container of FIG. 6,
fig. 8 shows in section by an axial plane the different parts making up a punch capable of stamping a container such as that of FIG. 6,
Fig. 9 shows in section through an axial plane the punch, after assembly of the parts of FIG. 8,
fig. 10 shows in perspective a quasi-prismatic container whose section is a triangle,
fig.
1 1 shows in perspective a frustoconical container whose section is a rectangle, and
fig. 12 represents the curves of variation as a function of the temperature of the breaking strength and of the elongation of the impact polystyrene.
In the process which will be described, the punch has (except for a clearance in certain cases) the internal shape of the object to be manufactured which is generally a truncated cone or pyramid flared towards the opening; it deforms the thermoplastic material of the initial blank by stretching it and it is sometimes, at the end of the stamping, pressed onto the punch which gives it its shape. Counter punches acting either on the bottom or on the sides can, moreover, make it possible to obtain, at the end of the stamping, reliefs or ribs locally modifying the shapes of said truncated cone or pyramid.
The blank to be stamped is held by its rim, so as to avoid any slippage of material, thanks to a blank holder 14 (fig. 3 and 7) applied with pressure on the rim of the blank and provided with a central cutout allowing passage. the punch. The periphery of the blank therefore practically retains its thickness and its shape in the stamped object. It can however be cut by a subsequent operation which is not included in the invention.
Figs. 1, 2 and 3 relate to the stamping of a frustoconical container whose walls have little undercut. The diameter 12 of the head of the punch is close to that of the uncovered and heated part of the blank, ie 13. Of course, the difference in diameters must be sufficient to allow the punch to stretch the blank in the first part of its stroke. (Fig. 3), taking into account the cooling of the plastic material in contact with the rim 15 of the punch.
This difference in diameter will be, for example 4 to 6 times the thickness of the blank. But it can be seen that, due to the smaller area to be stretched initially, compared to the case of FIGS. 4 to 7, this initial stroke will be small and the region where the extra thicknesses on the walls of the container may be located is close to the neck of the latter, if not even contiguous to the neck.
Its unsightly appearance is therefore less. It follows that a punch, even not thermally insulated, may be suitable, at the cost of an extra thickness near the collar, on condition that its stroke is fast enough so that the plastic does not cool below the temperature where the limit of the elongation leads to the rupture of the container during stretching. However, a punch formed according to the rules indicated for the case of FIGS. 4 to 7 will more surely avoid the excess thickness in question.
Figs. 4, 5, 6 and 7 illustrate the manufacture of a generally frustoconical container with a strong undercut. The blank 1 is held in the blank holder 14 by the external annular surface lying between the circles of diameters 3 and 4. The blank, in the circle of diameter 3, is heated to the determined temperature, as indicated above. The shape of the container 8 to be stamped is that of FIG. 6. The punch 7 which is pressed on the blank from top to bottom, has as its end a circle of diameter equal to the internal diameter of the base, that is to say 2, whose contact with the blank may be only that of
its perimeter 5.
Fig. 7 shows in section the blank which has started to be stretched at 6 by the punch 7. It can be seen, on the one hand, that the area offered to the initial stretching, between the circles of diameters 2 and 3, is quite large relative to the total surface of the blank. Upon contact with the rim 5 of the punch, the material cools down at this point, the resistance of which increases; it is obviously the part of the blank outside the punch which is the first to stretch until the cooling of this part and its work hardening give it greater resistance both than that of the part initially cooled by 5 and that of the part still maintained under the head of the punch. At this moment, which will be assumed to be that of FIG. 7, the truncated cone 6 serves as an elastic anchor for the rest of the blank 9 which stretches by sliding on the rim 5, until the container is formed.
(Note that in Fig. 7, there is shown a variant comprising a counter-punch 10 which, engaging in the lower hollow of the punch 7, makes it possible to form a relief in the bottom of the container).
As we have said, the part of the blank, in contact with the punch at the start of its stroke, must still be hot enough for it to be able to stretch in the second half of the stroke (the one which follows the phase shown in Fig. 7) so as not to be the site of notable extra thicknesses of the wall, between the blanks 11 and 12 of Figs. 6 and 7.
This implies, in particular, either that the punch is heated, or that it is sufficiently thermally insulated, taking into account the duration of the stamping.
A thermally insulated punch is now the subject of the following description and more particularly of FIGS. 7, 8 and 9.
Such a punch may be that of FIG. 7 with a solid metal core in the hollow and a surface coated with any fabric. A silk stocking fabric gives remarkable results but its duration is short.
A fabric of metallic threads is also suitable. The explanation for this is that the threads of the fabric only touch the plastics material to be embossed and the punch to which the fabric is applied by surfaces almost reduced to lines and points, and therefore very weak. The gaps between the threads of the fabric are filled with practically immobilized air and therefore very good insulator.
In practice, it suffices to isolate with such a fabric the only parts of the punch in contact with the thermoplastic material. Figs. 8 and 9 are a non-limiting example: the frustoconical punch shown is designed in particular so that the head edges of the punch, such as 5 of FIG. 7, are thermally insulated.
The punch comprises the parts shown in developed figure 8, namely:
an upper support 21 provided with an internal coaxial thread allowing it to be fixed to the rod of the stamping press (not shown);
a rubber washer 23 placed between the shoulder 242 of the punch body 24 and the flat 212 of the upper support;
a punch body 24 which comprises an upper O-ring slide 241 which can engage with a small clearance in a corresponding groove 211 of the upper support, and which allows it to slide while compressing the washer 23;
screws 30 joining 21 and 24 but provided with a smooth part guiding and allowing the relative displacement of these parts;
two pieces 25 and 27 for supporting the metallic fabric 26 and comprising, the first, a conical surface 251 applying thereon to the corresponding surface 243 of the punch body with the interposition of the fabric 26; the second, a conical surface 271 applying to the corresponding surface 252 of the first, with the interposition of the fabric 26;
a wire mesh 26 which is given the shape shown by carefully folding a disc of fabric around the end 253 of the part 25, then cutting the central void, finally by clamping the wire between the parts 25 and 27, joined by the screw 28;
a sheet 30, for example of paper, placed between the metallic fabric and the support 25;
furthermore, in the example drawn, a rubber washer 29 is deposited in a housing 272 of 27.
The dimensions of the front portion 253 of 25 are such that the metallic fabric protrudes very slightly from the outer shapes of the punch. This is used like the punch 7 of FIG. 7. Only the wire mesh of the angle 253 bears on the plastic material being stamped. Note some additional details: vents 301 and 244 extending from each other, are drilled in screw 30 and body 24.
Likewise, extending vents 281 and 221 are drilled in screws 27 and 22. These vents allow the evacuation of the air trapped between the stamped blank and the punch, during stamping. The last vents can also serve to send compressed air into the same space, with a view to detaching the container from the punch, after the container has solidified.
The rubber washer 23 is crushed by the force of the press and its rim opens out, forming an annular groove in the wall of the container. The rubber washer 29 facilitates the engraving of the inscriptions which can be carried by the counter punch which engages at the end of the travel of the punch in the lower void of the latter.
The same provisions would be applicable to the punch in the event that the container to be formed is a truncated pyramid (FIGS. 10 and 11) or a non-circular truncated cone. It has been observed that in the case where the base of the punch is polygonal, the sliding of the plastic material on the edge of the punch corresponds to 5 (fig. 7) or 253 (fig. 8 and 9) was less near the angles. the most acute, (such as 11, fig. 10), especially when it comes to a vessel with little draft. In this case, the edges 5 or 253 can be covered with fabric, only at these critical places, in order to restore the sliding uniformity of the plastic material.
It is also possible to envisage container shapes resulting from any cutout of the blank holder and from any working periphery of the punch, provided that an undercut of all the side faces allows the punch to return.
It is useful to compare the process described with the stamping of metals. A metal blank is stamped, with or without prior heating, by means of a tool comprising a die which has the external shape of the stamped object and a punch which has practically its internal shape and which deforms the blank by pushing it. in the die by means of a press.
It has been found that in the known methods of stamping thin-walled plastic containers, the wall thickness depends on the way in which the material is distributed during drawing and not as in the stamping of metal. the relative position of the punch and the die at the end of the operation.
To obtain the desired result, it is therefore necessary: 10) to choose the temperature of the blank at the time of stamping in such a way that this temperature makes it possible to obtain, during drawing, the elongations necessary to form the stamped object without breaking the material, 20) stamping fairly quickly and shaping the punch so that it does not cool the plastic, and 30) allowing the central part of the blank which is carried by the punch to slide over the edge of the punch at the as the stamping progresses.
The temperature to which the blank is brought before stamping is chosen a little below the lower limit corresponding to the desired elongation, so as to provide a safety margin taking into account the practical conditions of use: homogeneity or isothropy imperfect material, possible variations in blank heating and cooling during stamping. This margin will be all the smaller the faster the stamping. It can reach 5 to 100C.
The determination of these temperatures is done by examining, on the one hand, the fracture toughness curves as a function of temperature and, on the other hand, the fracture elongation curves as a function of temperature, the two curves varying in the opposite direction. These curves are known for each thermoplastic material.
I1 should obviously start from a temperature high enough to stay just below the limit of elongation throughout the duration of the stamping, during which the temperature of the stamping decreases.
By way of example, curve A (FIG. 12) represents the elongations at break of polyamides as a function of temperatures (OC), ie the ratio (%) of the elongation to the initial length of the test piece.
Curve R represents the tensile strength in kilograms per square centimeter of section of the specimen. The first curve, taking into account the necessary extension of the radii of the initial blank, to stamp the receptacle, gives the minimum temperature of the polyamide, during stamping. The second curve then shows the forces to be requested from the stamping press.
In practice, it is necessary to carry out successive tests under working conditions, that is to say, in particular, depending on the means for heating the blank, which will often consist in exposing it for a determined time to the effect of a radiant surface, as soon as the blank is immobilized by the blank holder. The temperature reached is not always easy to measure; nevertheless, the successive tests can be modified in a favorable direction, thanks to the knowledge of the above curves. For example, temperatures close to 60 C will be suitable for a nylon-type polyamide for stamping a blank 0.5 mm thick and 70 mm in diameter to obtain a container 85 mm deep. , for a stamping duration of 0.1 second.
To prevent the punch from cooling the plastic material, it could either be thermally insulated, or possibly heated to a suitable temperature, close to that of the plastic material, or finally used at a rapid rate.
These conditions will be understood by studying the deformations of the material during stamping: even in the case of a punch made of a thermally insulating material or coated with a thermal insulator, whatever the precautions taken, there is cooling. of the thermoplastic material at the points of contact with the punch. The material freezes relatively or at least sees its resilience increase and its elongation decrease under a given force. This happens as soon as the punch makes contact with the blank. As a result, it is first of all the part of the blank between the head of the punch and the blank holder which begins to stretch.
During this stretching, this part of the plastic material greatly increases in surface area and greatly decreases in thickness, which promotes hardening of the wall which begins to form. At this moment, the already stretched part serves as an elastic anchor to the rest of the blank and the latter, including the first surface partially fixed in contact with the punch, is stretched by sliding on said contact surface of the punch, as well as the material initially corresponding to the front surface of the punch.
Of course, for the stretching operation to take place in this way, the temperature conditions determined by the limit resilience and elongation curves must be observed throughout the duration of the stretching. In short, and in simple terms recalling the above, the initial temperature must be sufficient, the operation must be rapid and the part of the punch in contact with the plastic material must not cool the latter to the point of prevent stretching in the second phase of stretching.
When this is not the case, the part of the blank which has been in contact with the punch keeps a greater or lesser thickness. In the already known methods in which the head of the punch substantially cools the plastic material, the blank is generally solidified in the part of the bottom of the container, and this part of the blank is thus prevented from stretching. Knowledge of the above also makes it possible to achieve this result, when it is desired to have a bottom of the container of greater thickness than the walls.
In addition, the method described makes it possible, due to the conditions for maintaining the temperature, to obtain at the end of the stroke a punch, reliefs on the base or the walls by using, for the first, a counter punch with the desired reliefs, for the second, a counter punch which can be eclipsed, during the retraction of the punch, or any other known solution.
After stamping, the product obtained is cooled by a known means (air jet, etc.), the separation from the punch can be facilitated by sending compressed air between the punch and the stamped element, while providing of course for some remains.
CLAIMS
I. A method of manufacturing an open container made of a thermoplastic material, according to which a punch is inserted, the front surface of which corresponds to that of the bottom of the container to be obtained in a plastic blank retained by its periphery in a blank holder in order to of stamping the blank to the shape of the container, characterized in that the blank is heated to a temperature slightly higher than that which allows a permanent elongation of said plastic material sufficient to produce the container, in that this is stamped last sufficiently quickly to avoid cooling of said plastic material below said temperature during stamping,
and in that a punch is used the shape of which is such that it only comes into contact with the side along an annular surface portion forming the edge of the front face of the container when the punch in the blank.