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.