EP3969380A1 - Boite boisson allegee en alliage d'aluminium - Google Patents

Boite boisson allegee en alliage d'aluminium

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EP3969380A1
EP3969380A1 EP20740700.8A EP20740700A EP3969380A1 EP 3969380 A1 EP3969380 A1 EP 3969380A1 EP 20740700 A EP20740700 A EP 20740700A EP 3969380 A1 EP3969380 A1 EP 3969380A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
beverage
lower ring
dome
radius
aluminum alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20740700.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Alireza Arbab
Thierry BAYLE
Mircea CABLEA
Laurent LASZCZYK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Constellium Neuf Brisach SAS
Constellium Muscle Shoals LLC
Original Assignee
Constellium Neuf Brisach SAS
Constellium Muscle Shoals LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR1904973A external-priority patent/FR3096035B1/fr
Application filed by Constellium Neuf Brisach SAS, Constellium Muscle Shoals LLC filed Critical Constellium Neuf Brisach SAS
Publication of EP3969380A1 publication Critical patent/EP3969380A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D1/00—Containers having bodies formed in one piece, e.g. by casting metallic material, by moulding plastics, by blowing vitreous material, by throwing ceramic material, by moulding pulped fibrous material, by deep-drawing operations performed on sheet material
    • B65D1/12—Cans, casks, barrels, or drums
    • B65D1/14—Cans, casks, barrels, or drums characterised by shape
    • B65D1/16—Cans, casks, barrels, or drums characterised by shape of curved cross-section, e.g. cylindrical
    • B65D1/165—Cylindrical cans
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D51/00—Making hollow objects
    • B21D51/16—Making hollow objects characterised by the use of the objects
    • B21D51/26—Making hollow objects characterised by the use of the objects cans or tins; Closing same in a permanent manner
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D1/00—Containers having bodies formed in one piece, e.g. by casting metallic material, by moulding plastics, by blowing vitreous material, by throwing ceramic material, by moulding pulped fibrous material, by deep-drawing operations performed on sheet material
    • B65D1/40—Details of walls
    • B65D1/42—Reinforcing or strengthening parts or members
    • B65D1/46—Local reinforcements, e.g. adjacent closures

Definitions

  • a beverage can generally comprises a beverage can body 6, a dome 1, a lower ring 3, a rectilinear part 2 of the dome 1 and a comb 4 connecting the lower ring and the body of the drink box.
  • Patent application EP 0 302 412 of Pac International Inc. is also known, which describes a particular structure for the bottom of a beverage can with a series of shelves and flat parts.
  • This test makes it possible to identify two values known to those skilled in the art: the overturning pressure, which corresponds to the maximum pressure observed when the dome is overturned, and the increase in the height of the beverage can after a pressure cycle. typical (increase from 0 to 6.2 bar, then decrease to 3.5 bar).
  • This increase in the height of the beverage can corresponds to the residual deformation caused by the increase in pressure and which persists even after the decrease in internal pressure.
  • the inventors propose two curves representing the increase in the height of the beverage can (measured at the level of the lower ring) as a function of the internal pressure for the purpose. to determine these two values and to understand the associated physical phenomena.
  • FIG. 2 of the present description A theoretical example of such a curve is given in Figure 2 of the present description.
  • This curve can be described by three stages I, II and III corresponding to distinct deformation mechanisms of the beverage can a, b and c, as illustrated in FIG. 3 of the present description.
  • a first linear stage, called stage I on the curve of Figure 2 corresponds to an elastic deformation characterized by a slight swelling of the dome and a rotation of the oblique edge (respectively a and b of Figure 3).
  • stage I is not very sensitive to the reduction in thickness of the bottom of the beverage can.
  • a second linear stage, called stage II on the curve in Figure 2 corresponds to the start of plastic deformation of the dome (a in Figure 3) characterized by the irreversible unfolding of the radius of the lower ring (c in Figure 3) ), as well as an amplified swelling of the dome.
  • stage II is sensitive to the reduction in thickness of the bottom of the beverage can: the resulting deformation of the pressure increases when the thickness decreases, which limits the possibilities of reducing the thickness.
  • stage III corresponds to a dramatic and irreversible deformation of the dome, that is to say that at this stage a minimal amount of additional pressure compared to stage II leads to a very important deformation of the dome, the oblique edge and the lower ring (respectively a, b and c in Figure 3) which persists even after pressure decrease.
  • the thickness of the initial sheet which is changed very little during the shaping of the dome of the drink can with a thinning of the order of 2 to 5%, and which therefore corresponds approximately to the thickness of the sheet of the dome, is chosen such that the overturning pressure is greater than the maximum internal pressure observed during the production, transport or storage of beverage cans, typically 90 pound-force per square inch (psi) (i.e. approximately 6.2 bars).
  • the axial resistance which is another of the main properties sought, can be characterized by a test consisting in applying a vertical force downwards on the upper end of the beverage can, empty and without a cover, when the latter is placed vertically. on a flat surface.
  • the geometry of the bottom of the beverage can as well as the thickness of the sheet are chosen such that the location of the dramatic and irreversible deformation during the increase in the applied vertical force, characterized by an inflection of the force versus curve. displacement, always takes place at the level of the body of the beverage can and for a force greater than the values observed during the production, transport or storage of the beverage cans, namely generally 200 pounds (Ibs) (i.e. approximately 900 Newton (N )).
  • the inventors have developed a beverage can capable of maintaining, or even reducing, 'improve the resistance to internal pressure, despite the reduction in thickness of the initial aluminum alloy sheet.
  • the initial aluminum alloy sheet thicknesses for beverage cans are generally about 260 ⁇ m in the United States and about 245 ⁇ m in Europe.
  • the initial aluminum alloy sheet thicknesses targeted according to the present invention are of the order of 200 to 230 ⁇ m, or approximately 6 to 18% reduction in thickness in Europe and approximately 11 to 23% in the United States. .
  • the technical problem solved according to the present invention is therefore to reduce the thickness of the initial aluminum alloy sheet used for the manufacture of beverage cans, for example by 5 to 25% compared to what is usually practiced in the field of beverage cans (about 15 to 60 ⁇ m reduction), while improving the resistance to internal pressure compared to a conventional beverage can obtained from a thinned sheet and while maintaining the resistance to internal pressure compared to to a conventional commercial beverage can, and while retaining satisfactory axial resistance (to vertical force).
  • the reduction in thickness of the initial aluminum alloy sheet used for the manufacture of beverage cans ultimately makes it possible to lighten the beverage cans by 2 to 15%, knowing that the bottom of the beverage can , which retains the initial thickness of the aluminum alloy sheet, generally accounts for more than 30% of the total weight of the beverage can.
  • a first object of the invention is a beverage can based on an aluminum alloy, preferably for a carbonated drink, comprising (see Figures 4 to 11):
  • a convex lower ring 7 having a bearing diameter D2 and a flat of width L2;
  • the thickness of the dome sheet is 180 to 230 ⁇ m, preferably 190 to 220 ⁇ m;
  • the outer diameter D3 of the concave dome 1 is 36 to 44 mm, preferably 37 to 43 mm;
  • the width of the lower ring L4 is 3 to 4.5 mm, preferably 3.3 to 4 mm; and in that the lower ring comprises concave deformations 8, distributed at regular intervals along the lower ring 7.
  • a second object of the invention is a method of manufacturing a beverage can according to the present invention, comprising the following successive steps:
  • an aluminum alloy for example AA3104, for example in the metallurgical state H14 or H19, in the form of a strip with a thickness of 180 to 230 ⁇ m, preferably 190 to 220 ⁇ m;
  • a third object of the invention is a tool for shaping the beverage can according to the present invention.
  • Figure 1 is a sectional diagram of a beverage can half bottom.
  • Reference 1 corresponds to the dome of the beverage can, reference 2 to the rectilinear part of the dome, reference 3 to the lower ring, reference 4 to the oblique edge of the bottom of the beverage can, called comb, reference 5 to the outer shoulder of the body of the beverage can and the reference 6 to the body of the beverage can.
  • Figure 2 is a theoretical curve illustrating the increase in the height of the beverage can, measured at the level of the lower ring, as a function of the internal pressure, that is to say the pressure inside. of the drink can.
  • Reference I corresponds to a stage of reversible deformation
  • reference II to a stage of non-reversible deformation, which could adversely affect the filling, stability or stackability of the beverage can
  • reference III at a stage where the dome turns over.
  • stage III the beverage can is then no longer stable, that is to say that it can no longer stand upright, and it is no longer stackable.
  • FIG. 3 is a sectional diagram of a beverage can half-bottom illustrating the different stages of deformation as a function of the increase in internal pressure.
  • the solid line (stage 0) corresponds to the undeformed beverage can.
  • the dashed line corresponds to the limits of the bottom of the beverage can when transitioning from stage I to stage II in Figure 2.
  • the dotted line corresponds to the limits of the bottom of the beverage can when transitioning from stage II to stage III in Figure 2.
  • the reference “a” corresponds to the deformation of the dome, the reference “b” to the deformation of the oblique edge, and the reference “c” to the deformation of the lower ring.
  • Figure 4 is a sectional diagram of a beverage can half-bottom according to the present invention, and in particular according to Example 1 below.
  • the references 1, 2, 4, 5 and 6 are the same as those described in connection with Figure 1 above.
  • Reference 7 corresponds to the lower ring according to the present invention and reference 8 to a concave deformation of the lower ring (for example a rib).
  • FIG. 5 is a sectional diagram of a beverage can half-bottom according to the present invention, and in particular according to Example 1 below.
  • FIG. 6 is a sectional diagram of a beverage can half-bottom according to the present invention, and in particular according to Example 1 below.
  • the reference D4 corresponds to the diameter of the beginning of the rectilinear section of the comb, H4 to the height of the start of the rectilinear section of the comb, L1 to the width of the rectilinear section of the comb, A2 to the angle of the flat of the lower ring with respect to the horizontal, L2 to the length of the flat of the lower ring, L3 to the minimum width of the lower ring within a concave deformation, and L4 to the width of the lower ring out of concave deformations.
  • the widths L3 and L4 are defined at a height equal to half of the height H4.
  • FIG. 7 is a sectional diagram of a beverage can half-bottom according to the present invention, and in particular according to Example 1 below.
  • the reference R2 corresponds to the concave radius, located in the connecting portion between the comb and the lower ring, outside the concave deformations, before the spokes R3 and R4 described below, R3 at the convex radius, located in the connecting portion between the comb and the lower ring, outside the concave deformations, between the spokes R2 described above and R4 described below, R4 at the convex radius, located in the connecting portion between the lower ring and the rectilinear part of the dome, after the spokes R2 and R3 described above, R5 at the concave radius, located in the connecting portion between the comb and the lower ring, within the concave deformations, before the spokes R6 described above. after and R4 described above, and R6 at the convex radius, located in the connecting portion between the comb and the lower ring, within the
  • FIG. 8 is a diagram of a concave deformation seen from below.
  • the references 1, 2, 4, 5 and 6 are the same as those described in connection with Figure 1 above.
  • References 7 and 8 are the same as those described in connection with Figure 4 above.
  • Reference 9 corresponds to the curved section of the connecting zone between the interior of a concave deformation and a zone without concave deformation, along a horizontal section at a height equal to half the height H4.
  • Figure 9 is a diagram of a concave deformation seen from below.
  • the reference L5 corresponds to the length of the concave deformation 8, R7 to the radius concave of the curved section 9, and R8 to the convex radius of the curved section 9.
  • the references L3 and L4 are the same as those described in connection with Figure 6 above.
  • FIG. 10 is a sectional diagram of a beverage can half-bottom according to the present invention, and in particular according to Example 1 below.
  • an additional dome recovery shaping operation was applied, as currently practiced on a number of commercial beverage can formats, and so that the rectilinear portion of the dome 2 is transformed with a deformation axisymmetric concave 10.
  • Figure 11 is a three-dimensional diagram of a section of a beverage can bottom according to the present invention, and in particular according to Example 1 below.
  • the references 1, 2 and 4 to 9 are the same as those described in connection with Figure 8 above.
  • Figure 12 is a curve showing the increase in the height of the beverage can (generally expressed in mm), measured at the highest point when the beverage can is positioned upside down, i.e. when the dome is up, as a function of the internal pressure (generally expressed in bars), that is to say the pressure inside the beverage can. It illustrates the results of digital simulations for calculating the overturning pressure for several beverage cans, as explained in the examples below.
  • the abscissa axis is not expressed in bars but in standardized values, the value 1 corresponding to the value of the turning pressure of the reference preform C1, which is the objective that the present invention seeks to achieve at least. minus 100%.
  • This target is represented by the gray vertical line.
  • the ordinate axis is not expressed in mm but in standardized values, the value 1 corresponding to the box height of the reference preform C1 when it is turned over.
  • Figure 13 is a curve showing the increase in vertical force (usually expressed in newtons (N)), applied to the top of the beverage can during the axial strength test, as a function of vertical displacement (usually expressed in mm). It illustrates the results of numerical simulations of calculation of the axial resistance of the bottom, corresponding to the inflection point of the curve, characterizing the end of the linear section.
  • the abscissa and ordinate axes are not expressed in mm and in N respectively, but in normalized values, the values 1 corresponding to the vertical displacement and vertical force values representing the axial resistance of the reference drink can Cl.
  • horizontal gray corresponds to the value of 900 N (200 Ibs) discussed above in the description, which is the objective that the present invention seeks to exceed.
  • the term “convex” means oriented towards the outside of the beverage can.
  • the term “concave” means oriented towards the inside of the beverage can.
  • the beverage can according to the present invention makes it possible to compensate for the loss of resistance to internal pressure due to a reduction in the thickness of the aluminum alloy sheet from which the beverage can is made.
  • the maximum internal pressure that a beverage can undergoes during its manufacturing and life cycle is approximately 6.2 bars (or 90 psi). Also, it is desirable that the turning pressure is greater than 6.2 bars, that is to say of the same order of magnitude as that of the reference beverage can (C1 in the examples below) existing on the market.
  • the inversion pressure is the pressure at which the dome of the bottom of the beverage can is inverted. This reversal is irreversible and prevents the stability and stacking of the beverage cans on top of each other.
  • a beverage can is also preferably resistant to the axial loading (vertical force) which occurs during the various operations of shaping the shrinkage and the vertical section of the dome, as well as during filling and filling. cover crimping. It is considered, with current methods, that the beverage can body must withstand an axial force (vertical force) greater than approximately 900 N (ie 200 Ibs), without showing any damage to the bottom of the beverage can, or to any damage. the side wall. It is generally considered that this value of 900 N represents approximately 85% of the resistance of the reference beverage can (C1 in the examples below) existing on the market.
  • the beverage can according to the present invention makes it possible to compensate for the loss of strength due to the reduction in thickness of the aluminum alloy sheet from which the beverage can is made.
  • the beverage can according to the present invention makes it possible to limit the deformation of the bottom of the beverage can, and in particular of the dome, the lower ring and the comb, in stage II and to push back stage III (dramatic deformation ) at higher pressure levels than those requested by customers, generally 6.2 bars.
  • the solution proposed according to the present invention comprises the combination of three characteristics having a synergistic effect:
  • a first object according to the present invention is a beverage can based on an aluminum alloy, preferably for a carbonated drink, comprising:
  • a convex lower ring 7 having a bearing diameter D2 and a flat of width L2;
  • the thickness of the dome sheet is 180 to 230 ⁇ m, preferably 190 to 220 ⁇ m;
  • the outer diameter D3 of the concave dome 1 is 36 to 44 mm, preferably 37 to 43 mm;
  • the width of the lower ring L4 is 3 to 4.5 mm, preferably 3.3 to 4; mm; and in that the lower ring comprises concave deformations 8, distributed at regular intervals along the lower ring 7.
  • the outer diameter ID of the body 5 of the beverage can according to the present invention is 50 to 75 mm, preferably 55 to 70 mm.
  • the radius RI of the shoulder is 2 to 5 mm.
  • the dome 1 of the beverage can according to the present invention has at least one of the following characteristics:
  • a diameter D2 of the lower ring 3 is 39 to 47 mm, preferably 40 to 46 mm;
  • the lower ring 7 of the beverage can according to the present invention has at least one of the following characteristics:
  • the lower ring its geometry (for example its shape and its diameter) can be optimized to gain performance according to the applications envisaged. Likewise, the dimensions (eg height, width, radii of curvature) of the lower ring can also be optimized.
  • the comb 4 of the beverage can according to the present invention has at least one of the following characteristics:
  • the connecting portion between the comb 4 and the lower ring 7 comprises at least one of:
  • the connecting portion between the lower ring 7 and the rectilinear part 2 of the dome 1 comprises a radius R4 of 1 to 3 mm.
  • the concave deformations 8 of the beverage can according to the present invention have at least one of the following characteristics:
  • N a number N from 4 to 36, preferably from 6 to 24.
  • the concave deformations their shape and their number can be optimized according to the applications envisaged in order to gain in performance.
  • the deformations concaves extend generally and preferably beyond the lower ring in the connecting portion between the rectilinear section of the comb and the lower ring.
  • the beverage can according to the present invention can, in certain cases, be subjected to a subsequent operation of taking up the dome, as described in FIG. 10.
  • This modification of the profile of the bottom of the beverage can is generally carried out.
  • a second object of the invention is a method of manufacturing a beverage can according to the present invention, comprising the following successive steps:
  • an aluminum alloy for example AA3104, for example in the metallurgical state H14 or H19, in the form of a strip with a thickness of 180 to 230 ⁇ m, preferably 190 to 220 ⁇ m;
  • a third object of the invention is a tool for shaping the beverage can according to the present invention.
  • the metal used for the manufacture of beverage cans can be any aluminum alloy known to those skilled in the art which is suitable for this application.
  • an AA3104 type alloy can be used.
  • the metallurgical state of the aluminum alloy can be adapted according to the particular application.
  • the metallurgical state can be H14, H16 or H19, as described in standard EN515 (June 1993).
  • beverage can preforms have been evaluated from the point of view of their overturning pressure and their increase in can height as a function of internal pressure.
  • the preforms correspond to the beverage can just after the initial bottom shaping, without taking into account the subsequent recovery steps (reforming in English) of the dome.
  • the metal of the beverage cans was AA3104 aluminum alloy in H19 metallurgical condition.
  • the reference C1 corresponds to a reference beverage can having a conventional geometry as illustrated in Figure 1 and a dome sheet thickness of 240. pm.
  • the reference C2 corresponds to a reference beverage can having a conventional geometry as illustrated in Figure 1 but with a dome sheet thickness of 220 ⁇ m.
  • the bearing diameter of C1 and C2 is 57 mm.
  • the reference C3 corresponds to the drink can C2 but with a support diameter of 43 mm, a height H1 of 9.35 mm so as to avoid breaking in the rectilinear part 2 of the dome during shaping, and a height H2 of 10.5 mm such that the angle Al is kept identical to that of Cl.
  • the reference C4 corresponds to the drink can C3 but with a width L4 of the lower ring of 3.7 mm.
  • the references C1 to C4 are not according to the present invention.
  • the evaluation of the overturning pressure and of the increase in the height of the box as a function of the internal pressure was carried out thanks to a numerical modeling by finite elements with the commercial software "LS-Dyna", version 10.1, developed by the Livermore Software Technology Corporation.
  • the modeling consisted in first drawing the three-dimensional shape of the different drink can bottoms in Computer Aided Design.
  • the three-dimensional geometries have been discretized according to a sufficiently fine finite element mesh so that one can precisely simulate its mechanical behavior.
  • the boundary conditions were applied to simulate the behavior of the preform as a whole during the internal pressure resistance and axial force resistance tests.
  • FIG. 13 corresponds to a monotonic increase in the displacement, until the inflection of the curve then the bottom sag at maximum force.
  • the beverage can according to the present invention makes it possible to counterbalance the negative effects of a reduction in thickness of the initial sheet and therefore of the sheet of the dome ( drink can C2) on the overturning pressure and the axial resistance of the drink can, and to find a good compromise compared to the values obtained with the reference drink can C1, namely of the same order of magnitude for the resistance to pressure internal and more than 85% of the axial resistance.
  • Figures 12 and 13 illustrate the synergistic effect of the combination between the decrease in the diameter of the lower ring, the widening of the lower ring and the presence of concave deformations in the lower ring. Indeed, a satisfactory compromise between overturning pressure and resistance to axial force can only be obtained by combining the three characteristics together. The combination of only two elements between them is not enough (see curves C4).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Containers Having Bodies Formed In One Piece (AREA)
  • Rigid Containers With Two Or More Constituent Elements (AREA)

Abstract

L'invention concerne une boîte boisson à base d'alliage d'aluminium, de préférence pour boisson gazeuse, comprenant : - un corps (6) de forme cylindrique ayant un diamètre externe D1; - un fond en forme de dôme concave (1) ayant une profondeur H1 en son centre, un diamètre externe D3 et une partie rectiligne (2) de hauteur H3; - un anneau inférieur convexe (7) ayant un diamètre d'appui D2 et un méplat de largeur L2; - un épaulement extérieur (5) de rayon R1; - un peigne (4) reliant l'épaulement extérieur (5) et l'anneau inférieur (7); caractérisée en ce que l'épaisseur de la tôle du dôme est de 180 à 230 µm, de préférence de 190 à 220 µm; et en ce que le diamètre externe D3 du dôme concave (1) est de 36 à 44 mm, de préférence de 37 à 43 mm; et en ce que la largeur de l'anneau inférieur L4 est de 3 à 4,5 mm, de préférence de 3,3 à 4;mm;et en ce que l'anneau inférieur comprend des déformations concaves 8, réparties à intervalles réguliers le long de l'anneau inférieur (7).

Description

DESCRIPTION
Titre : Boîte boisson allégée en alliage d'aluminium DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine technique de l'invention est celui des boîtes boisson, en particulier de boissons gazeuses, à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. La Figure 1 représente un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson. En se référant à la Figure 1, une boîte boisson comprend généralement un corps de boîte boisson 6, un dôme 1, un anneau inférieur 3, une partie rectiligne 2 du dôme 1 et un peigne 4 reliant l'anneau inférieur et le corps de la boîte boisson. ART ANTERIEUR
Il existe un art antérieur fourni dans le domaine des boîtes boisson pour résoudre des problèmes techniques variés. On connaît par exemple, le brevet US 4,685,582 de National Can Corporation, qui décrit une solution pour améliorer la compatibilité entre le fond et le couvercle des boîtes boisson dans le but de pouvoir empiler les boîtes boisson facilement pendant leur transport et leur stockage.
On connaît également le brevet US 5,680,952 de Bail Corporation, qui décrit une boîte boisson ayant des dimensions particulières, ainsi que des déformations sur le dôme du fond de la boîte boisson.
II existe également plusieurs documents décrivant des déformations convexes ou concaves sur le dôme du fond de la boîte boisson et/ou le bord inférieur oblique du fond de la boîte boisson. On peut citer en particulier le brevet US 4,953,738 de Stirbis, la demande de brevet US 2008/0029523 de Rexam Beverage Can, ou encore le brevet US 7,185,525 de Elmer.
On connaît également le brevet US 4,732,292 de Schmalbach-Lubeca GmbH, qui décrit des déformations concaves sur le fond de la boîte boisson, réparties sur au moins deux cercles concentriques de diamètres différents.
On connaît également la demande de brevet EP 0 302 412 de Pac International Inc., qui décrit une structure particulière de fond de boîte boisson avec un enchaînement de rayons et de parties planes.
Malgré toutes ces solutions, les industriels sont en permanence en recherche de réduction des coûts, en s'intéressant en particulier à la réduction d'épaisseur de l'alliage métallique utilisé pour la fabrication des boîtes boisson. Cette réduction d'épaisseur soulève de nombreux problèmes, qui peuvent être par exemple la mise en forme et la résistance mécanique de la boîte boisson (résistance axiale, résistance à la pression interne, résistance à la chute, etc.).
La résistance à la pression interne, qui est l'une des principales propriétés recherchées, peut être caractérisée par un essai consistant à augmenter la pression interne (= pression à l'intérieur de la boîte boisson). Cet essai permet d'identifier deux valeurs connues de l'homme du métier : la pression de retournement, qui correspond à la pression maximale observée au moment du retournement du dôme, et l'augmentation de la hauteur de boîte boisson après un cycle de pression typique (augmentation de 0 à 6,2 bars, puis diminution jusqu'à 3,5 bars). Cette augmentation de hauteur de boîte boisson correspond à la déformation résiduelle causée par l'augmentation de pression et qui persiste même après la diminution de pression interne. Comme illustré dans les exemples ci-après (voir Figures 12 et 13), les inventeurs proposent deux courbes représentant l'augmentation de la hauteur de boîte boisson (mesurée au niveau de l'anneau inférieur) en fonction de la pression interne dans le but de déterminer ces deux valeurs et de comprendre les phénomènes physiques associés.
Un exemple théorique d'une telle courbe est donné à la Figure 2 de la présente description. Cette courbe peut être décrite par trois stades I, Il et III correspondant à des mécanismes de déformations distincts de la boîte boisson a, b et c, comme illustrés à la Figure 3 de la présente description. Un premier stade linéaire, appelé stade I sur la courbe de la Figure 2, correspond à une déformation élastique caractérisée par un léger gonflement du dôme et une rotation du bord oblique (respectivement a et b de la Figure 3). A ce stade, si la pression interne est retirée, le dôme et le bord oblique peuvent revenir à la position initiale. Ce stade I est peu sensible à la réduction d'épaisseur du fond de la boîte boisson.
Un deuxième stade linéaire, appelé stade II sur la courbe de la Figure 2, correspond à un début de déformation plastique du dôme (a sur la Figure 3) caractérisée par le dépliage irréversible du rayon de l'anneau inférieur (c sur la Figure 3), ainsi qu'un gonflement amplifié du dôme. A ce stade, si la pression est retirée, le dôme ne revient plus à sa position initiale et il subsiste une déformation résiduelle de l'anneau inférieur. Ce stade II est sensible à la réduction d'épaisseur du fond de la boîte boisson : la déformation résultante de la pression augmente lorsque l'épaisseur diminue, ce qui limite les possibilités de réduction d'épaisseur.
Enfin un troisième stade, appelé stade III sur la courbe de la Figure 2, correspond à une déformation dramatique et irréversible du dôme, c'est-à-dire qu'à ce stade une quantité minime de pression supplémentaire par rapport au stade II conduit à une déformation très importante du dôme, du bord oblique et de l'anneau inférieur (respectivement a, b et c sur la Figure 3) qui persiste même après diminution de la pression. L'épaisseur de la tôle initiale, qui est très peu modifiée lors de la mise en forme du dôme de la boite boisson avec un amincissement de l'ordre de 2 à 5 %, et qui correspond donc approximativement à l'épaisseur de la tôle du dôme, est choisie de telle sorte que la pression de retournement soit supérieure à la pression interne maximale observée lors de la production, le transport ou le stockage des boîtes boisson, à savoir généralement 90 livre-force par pouce carré (psi) (soit environ 6,2 bars).
La résistance axiale, qui est une autre des principales propriétés recherchées, peut être caractérisée par un essai consistant à appliquer un effort vertical vers le bas sur l'extrémité supérieure de la boîte boisson, vide et sans couvercle, lorsque celle-ci est posée verticalement sur une surface plane. La géométrie du fond de la boîte boisson ainsi que l'épaisseur de la tôle sont choisies de telle sorte que la localisation de la déformation dramatique et irréversible lors de l'augmentation de la force verticale appliquée, caractérisée par une inflexion de la courbe force versus déplacement, ait toujours lieu au niveau du corps de la boîte boisson et pour une force supérieure aux valeurs observées lors de la production, le transport ou le stockage des boîtes boisson, à savoir généralement 200 livres (Ibs) (soit environ 900 Newton (N)).
EXPOSE DE L'INVENTION
Dans ce contexte de réduction de l'épaisseur de la tôle initiale d'alliage d'aluminium utilisée pour la fabrication des boîtes boisson mise en perspective avec la résistance à la pression interne, les inventeurs ont développé une boîte boisson capable de maintenir, voire d'améliorer la résistance à la pression interne, malgré la réduction d'épaisseur de la tôle initiale d'alliage d'aluminium.
Actuellement, les épaisseurs de tôle initiale d'alliage d'aluminium pour les boîtes boisson sont généralement d'environ 260 pm aux Etats-Unis et d'environ 245 pm en Europe. Les épaisseurs de tôle initiale d'alliage d'aluminium visées selon la présente invention sont de l'ordre de 200 à 230 pm, soit environ 6 à 18 % de réduction d'épaisseur en Europe et environ 11 à 23 % aux Etats- Unis.
Le problème technique résolu selon la présente invention est donc de réduire l'épaisseur de la tôle initiale d'alliage d'aluminium utilisée pour la fabrication des boîtes boisson, par exemple de 5 à 25 % par rapport à ce qui se pratique habituellement dans le domaine des boîtes boisson (environ 15 à 60 pm de réduction), tout en améliorant la résistance à la pression interne par rapport à une boîte boisson classique obtenue à partir d'une tôle amincie et tout en maintenant la résistance à la pression interne par rapport à une boîte boisson classique du commerce, et tout en conservant une résistance axiale (à l'effort vertical) satisfaisante. Il est à noter que la réduction d'épaisseur de la tôle initiale d'alliage d'aluminium utilisée pour la fabrication des boîtes boisson permet in fine d'alléger les boîtes boisson de 2 à 15 %, sachant que le fond de la boîte boisson, qui conserve l'épaisseur initiale de la tôle d'alliage d'aluminium, représente généralement plus de 30 % du poids total de la boîte boisson.
En plus de la résistance à la pression interne, l'homme du métier est également confronté à des problèmes de résistance à l'effort vertical pendant la fabrication et le remplissage des boîtes boisson, ainsi que le sertissage du couvercle. Il est à noter que la présente invention, qui permet de limiter les déformations subies par les canettes pendant leur cycle de vie à cause de la pression interne, présente également l'avantage de maintenir une résistance à l'effort vertical par rapport à une boîte boisson classique du commerce.
Un premier objet de l’invention est une boîte boisson à base d'alliage d'aluminium, de préférence pour boisson gazeuse, comprenant (cf. figures 4 à 11) :
- un corps 6 de forme cylindrique ayant un diamètre externe DI ;
- un fond en forme de dôme concave 1 ayant une profondeur H1 en son centre, un diamètre externe D3 et une partie rectiligne 2 de hauteur H3 ;
- un anneau inférieur convexe 7 ayant un diamètre d'appui D2 et un méplat de largeur L2 ;
- un épaulement extérieur 5 de rayon RI ;
- un peigne 4 reliant l'épaulement extérieur 5 et l'anneau inférieur 7 ;
caractérisée en ce que l'épaisseur de la tôle du dôme est de 180 à 230 pm, de préférence de 190 à 220 pm ;
et en ce que le diamètre externe D3 du dôme concave 1 est de 36 à 44 mm, de préférence de 37 à 43 mm ;
et en ce que la largeur de l'anneau inférieur L4 est de 3 à 4,5 mm, de préférence de 3,3 à 4 mm ; et en ce que l'anneau inférieur comprend des déformations concaves 8, réparties à intervalles réguliers le long de l'anneau inférieur 7.
Un deuxième objet de l’invention est un procédé de fabrication d'une boîte boisson selon la présente invention, comprenant les étapes successives suivantes :
- fourniture d'un alliage d'aluminium, par exemple AA3104, par exemple sous l'état métallurgique H14 ou H19, en forme de bande d'épaisseur de 180 à 230 pm, de préférence de 190 à 220 pm ;
- découpage de disques appelés flans dans la bande d'alliage d'aluminium ;
- emboutissage et étirage des flans pour obtenir un corps de boîte boisson, en utilisant des outils adaptés pour former la boîte boisson telle que décrite dans la présente demande; - fabrication d'un couvercle avec un autre alliage d'aluminium, par exemple AA5182;
- assemblage du couvercle et du corps de la boîte boisson pour obtenir une boîte boisson.
Un troisième objet de l'invention est un outil pour la mise en forme de la boîte boisson selon la présente invention.
FIGURES
[Fig. 1] La Figure 1 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson. La référence 1 correspond au dôme de la boîte boisson, la référence 2 à la partie rectiligne du dôme, la référence 3 à l'anneau inférieur, la référence 4 au bord oblique du fond de la boîte boisson, appelé peigne, la référence 5 à l'épaulement extérieur du corps de la boîte boisson et la référence 6 au corps de la boîte boisson.
[Fig. 2] La Figure 2 est une courbe théorique illustrant l'augmentation de la hauteur de la boîte boisson, mesurée au niveau de l'anneau inférieur, en fonction de la pression interne, c'est-à- dire la pression à l'intérieur de la boîte boisson. La référence I correspond à un stade de déformation réversible, la référence II à un stade de déformation non-réversible, qui pourrait nuire au remplissage, à la stabilité ou à l'empilabilité de la boîte boisson, et la référence III à un stade où le dôme se retourne. Dans le stade III, la boîte boisson n'est alors plus stable, c'est-à- dire qu'elle ne peut plus tenir debout, et elle n'est plus empilable.
[Fig. 3] La Figure 3 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson illustrant les différents stades de déformation en fonction de l'augmentation de la pression interne. Le trait plein (stade 0) correspond à la boîte boisson non déformée. La ligne en tirets correspond aux limites du fond de la boîte boisson au passage du stade I au stade II de la Figure 2. La ligne en pointillés correspond aux limites du fond de la boîte boisson au passage du stade II au stade III de la Figure 2. La référence « a » correspond à la déformation du dôme, la référence « b » à la déformation du bord oblique, et la référence « c » à la déformation de l'anneau inférieur.
[Fig. 4] La Figure 4 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson selon la présente invention, et en particulier selon l'exemple 1 ci-après. Sur cette figure, les références 1, 2, 4, 5 et 6 sont les mêmes que celles décrites en lien avec la Figure 1 ci-avant. La référence 7 correspond à l'anneau inférieur selon la présente invention et la référence 8 à une déformation concave de l'anneau inférieur (par exemple une nervure).
[Fig. 5] La Figure 5 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson selon la présente invention, et en particulier selon l'exemple 1 ci-après. Sur cette figure, la référence DI correspond au diamètre externe de la boîte boisson, D2 au diamètre d'appui de l'anneau inférieur, sur le point d'appui le plus extérieur par rapport à l'axe central du dôme, D3 au diamètre externe du dôme (= diamètre de la partie rectiligne du dôme), H1 à la profondeur du dôme, H2 à la hauteur du peigne, H3 à la hauteur de la partie rectiligne du dôme, Al à l'angle de la section rectiligne du peigne par rapport à l'horizontale, et RI au rayon de l'épaulement extérieur 5, qui est convexe, situé dans la portion de liaison entre le corps 6 de la boîte boisson et le peigne 4.
[Fig. 6] La Figure 6 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson selon la présente invention, et en particulier selon l'exemple 1 ci-après. Sur cette figure, la référence D4 correspond au diamètre du début de la section rectiligne du peigne, H4 à la hauteur du début de la section rectiligne du peigne, L1 à la largeur de la section rectiligne du peigne, A2 à l'angle du méplat de l'anneau inférieur par rapport à l'horizontale, L2 à la longueur du méplat de l'anneau inférieur, L3 à la largeur minimum de l'anneau inférieur au sein d'une déformation concave, et L4 à la largeur de l'anneau inférieur hors des déformations concaves. Les largeurs L3 et L4 sont définies à une hauteur égale à la moitié de la hauteur H4.
[Fig. 7] La Figure 7 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson selon la présente invention, et en particulier selon l'exemple 1 ci-après. Sur cette figure, la référence R2 correspond au rayon concave, situé dans la portion de liaison entre le peigne et l'anneau inférieur, hors des déformations concaves, avant les rayons R3 et R4 décrits ci-après, R3 au rayon convexe, situé dans la portion de liaison entre le peigne et l'anneau inférieur, hors des déformations concaves, entre les rayons R2 décrit ci-avant et R4 décrit ci-après, R4 au rayon convexe, situé dans la portion de liaison entre l'anneau inférieur et la partie rectiligne du dôme, après les rayons R2 et R3 décrits ci-avant, R5 au rayon concave, situé dans la portion de liaison entre le peigne et l'anneau inférieur, au sein des déformations concaves, avant les rayons R6 décrit ci-après et R4 décrit ci-avant, et R6 au rayon convexe, situé dans la portion de liaison entre le peigne et l'anneau inférieur, au sein des déformations concaves, entre les rayons R5 et R4 décrits ci-avant.
[Fig. 8] La Figure 8 est un schéma d'une déformation concave en vue de dessous. Sur cette figure, les références 1, 2, 4, 5 et 6 sont les mêmes que celles décrites en lien avec la Figure 1 ci- avant. Les références 7 et 8 sont les mêmes que celles décrites en lien avec la Figure 4 ci-avant. La référence 9 correspond à la section courbe de la zone de liaison entre l'intérieur d'une déformation concave et une zone sans déformation concave, le long d'une section horizontale à une hauteur égale à la moitié de la hauteur H4.
[Fig. 9] La Figure 9 est un schéma d'une déformation concave en vue de dessous. Sur cette figure, la référence L5 correspond à la longueur de la déformation concave 8, R7 au rayon concave de la section courbe 9, et R8 au rayon convexe de la section courbe 9. Les références L3 et L4 sont les mêmes que celles décrites en lien avec la Figure 6 ci-avant.
[Fig. 10] La Figure 10 est un schéma en coupe d'un demi-fond de boîte boisson selon la présente invention, et en particulier selon l'exemple 1 ci-après. Dans cet exemple, une opération supplémentaire de mise en forme de reprise du dôme a été appliquée, telle que pratiquée actuellement sur un certain nombre de formats de boîtes boisson du commerce, et de sorte que la partie rectiligne du dôme 2 est transformée avec une déformation concave axisymétrique 10.
[Fig. 11] La Figure 11 est un schéma en trois dimensions d'une coupe d'un fond de boîte boisson selon la présente invention, et en particulier selon l'exemple 1 ci-après. Sur cette figure, les références 1, 2 et 4 à 9 sont les mêmes que celles décrites en lien avec la Figure 8 ci-avant.
[Fig. 12] La Figure 12 est une courbe représentant l'augmentation de la hauteur de la boîte boisson (généralement exprimée en mm), mesurée au point le plus haut lorsque la boîte boisson est positionnée à l'envers, c'est-à-dire lorsque le dôme est en haut, en fonction de la pression interne (généralement exprimée en bars), c'est-à-dire la pression à l'intérieur de la boîte boisson. Elle illustre les résultats de simulations numériques de calcul de la pression de retournement pour plusieurs boîtes boisson, tel qu'expliqué dans les exemples ci-après. L'axe des abscisses n'est pas exprimé en bars mais en valeurs normalisées, la valeur 1 correspondant à la valeur de la pression de retournement de la préforme de référence Cl, qui est l'objectif que la présente invention cherche à atteindre à au moins 100 %. Cette cible est matérialisée par le trait vertical gris. L'axe des ordonnées n'est pas exprimé en mm mais en valeurs normalisées, la valeur 1 correspondant à la hauteur de boîte de la préforme de référence Cl lors de son retournement.
[Fig. 13] La Figure 13 est une courbe représentant l'augmentation de la force verticale (généralement exprimée en newtons (N)), appliquée sur la partie supérieure de la boîte boisson lors du test de résistance axiale, en fonction du déplacement vertical (généralement exprimé en mm). Elle illustre les résultats de simulations numériques de calcul de la résistance axiale du fond, correspondant au point d'inflexion de la courbe, caractérisant la fin de la section linéaire. Les axes des abscisses et des ordonnées ne sont pas exprimés respectivement en mm et en N, mais en valeurs normalisées, les valeurs 1 correspondant aux valeurs de déplacement vertical et de force verticale représentant la résistance axiale de la boîte boisson de référence Cl. Le trait horizontal gris correspond à la valeur de 900 N (200 Ibs) discutée plus haut dans la description, qui est l'objectif que la présente invention cherche à dépasser.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dans la description, sauf indication contraire :
- la désignation des alliages d'aluminium est conforme à la nomenclature établie par The Aluminum Association ;
- les teneurs en éléments chimiques sont désignées en % et représentent des fractions massiques, sauf indication contraire.
Selon la présente invention, le terme « convexe » signifie orienté vers l'extérieur de la boîte boisson.
Selon la présente invention, le terme « concave » signifie orienté vers l'intérieur de la boîte boisson.
La boîte boisson selon la présente invention permet de compenser la perte de résistance à la pression interne due à une diminution de l'épaisseur de la tôle d'alliage d'aluminium à partir de laquelle la boîte boisson est fabriquée.
De manière générale, avec les procédés actuels, on considère que la pression interne maximale que subit une boîte boisson au cours de son cycle de fabrication et de vie est d'environ 6,2 bars (soit 90 psi). Aussi, il est souhaitable que la pression de retournement soit supérieure à 6,2 bars, c'est-à-dire du même ordre de grandeur que celle de la boîte boisson de référence (Cl dans les exemples ci-après) existant sur le marché. La pression de retournement est la pression à laquelle le dôme du fond de la boîte boisson se retourne. Ce retournement est irréversible et empêche la stabilité et l'empilement des boîtes boisson les unes sur les autres.
Outre la résistance à la pression interne, une boîte boisson est également de préférence résistante au chargement axial (force verticale) qui intervient lors des différentes opérations de mise en forme du rétreint et de la section verticale du dôme, ainsi que lors du remplissage et du sertissage du couvercle. On considère, avec les procédés actuels, que le corps de boîte boisson doit résister à un effort axial (force verticale) supérieur à environ 900 N (soit 200 Ibs), sans présenter d'endommagement ni du fond de la boîte boisson, ni de la paroi latérale. On considère généralement que cette valeur de 900 N représente environ 85 % de la résistance de la boîte boisson de référence (Cl dans les exemples ci-après) existant sur le marché.
La boîte boisson selon la présente invention permet de compenser la perte de résistance due à la diminution d'épaisseur de la tôle d'alliage d'aluminium à partir de laquelle la boîte boisson est fabriquée. De manière générale, la boîte boisson selon la présente invention permet de limiter la déformation du fond de la boîte boisson, et notamment du dôme, de l'anneau inférieur et du peigne, dans le stade II et de repousser le stade III (déformation dramatique) à des niveaux de pressions supérieurs à ceux demandés par les clients, soit généralement 6,2 bars. La solution proposée selon la présente invention comprend la combinaison de trois caractéristiques ayant un effet synergique :
- réduction du diamètre extérieur du dôme;
- augmentation de la largeur de l'anneau inférieur ;
- ajout de déformations concaves (par exemple des encoches ou des nervures) au niveau de l'anneau inférieur.
Un premier objet selon la présente invention est une boîte boisson à base d'alliage d'aluminium, de préférence pour boisson gazeuse, comprenant :
- un corps 6 de forme cylindrique ayant un diamètre externe DI ;
- un fond en forme de dôme concave 1 ayant une profondeur H1 en son centre, un diamètre externe D3 et une partie rectiligne 2 de hauteur H3 ;
- un anneau inférieur convexe 7 ayant un diamètre d'appui D2 et un méplat de largeur L2 ;
- un épaulement extérieur 5 de rayon RI ;
- un peigne 4 reliant l'épaulement extérieur 5 et l'anneau inférieur 7 ;
caractérisée en ce que l'épaisseur de la tôle du dôme est de 180 à 230 pm, de préférence de 190 à 220 pm ;
et en ce que le diamètre externe D3 du dôme concave 1 est de 36 à 44 mm, de préférence de 37 à 43 mm ;
et en ce que la largeur de l'anneau inférieur L4 est de 3 à 4,5 mm, de préférence de 3,3 à 4 ;mm ;et en ce que l'anneau inférieur comprend des déformations concaves 8, réparties à intervalles réguliers le long de l'anneau inférieur 7.
De préférence, le diamètre externe DI du corps 5 de la boîte boisson selon la présente invention est de 50 à 75 mm, de préférence de 55 à 70 mm.
De préférence, le rayon RI de l'épaulement est de 2 à 5 mm.
De préférence, le dôme 1 de la boîte boisson selon la présente invention présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- un diamètre D2 de l'anneau inférieur 3 est de 39 à 47 mm, de préférence de 40 à 46 mm ;
- une profondeur H1 de 7 à 12 mm, de préférence de 8 à 11 mm ; et/ ou
- une partie rectiligne 2 de hauteur H3 de 0 à 6 mm, de préférence de 1,5 à 4 mm.
De préférence, l'anneau inférieur 7 de la boîte boisson selon la présente invention présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- une largeur L4 de 3 à 4,5 mm, de préférence de 3,3 à 4 mm ;
- un méplat formant un angle A2 avec l'horizontale en direction de l'axe de symétrie de la boîte boisson de 0 à 10°; et/ou
- un méplat ayant une longueur L2 de 0 à 2 mm.
En ce qui concerne l'anneau inférieur, sa géométrie (par exemple sa forme et son diamètre) peut être optimisée pour gagner en performances selon les applications envisagées. De même, les dimensions (par exemple la hauteur, la largeur, les rayons de courbure) de l'anneau inférieur peuvent également être optimisées.
De préférence, le peigne 4 de la boîte boisson selon la présente invention présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- une hauteur H2 de 5 à 20 mm, de préférence 6 à 14 mm ;
- un diamètre D4 du début de la section rectiligne de 42 à 53 mm ;
- une hauteur H4 du début de la section rectiligne de 1,5 à 4 mm, de préférence de 1,5 à
3,5 ;mm ;
- un angle Al de la section rectiligne par rapport à l'horizontale de 30 à 40° ; et/ou
- une longueur L1 de la section rectiligne de 0 à 13,5 mm.
De préférence, la portion de liaison entre le peigne 4 et l'anneau inférieur 7 comprend au moins un parmi :
- un rayon R2 de 2 à 4 mm ; et/ou
- un rayon R3 de 1 à 3 mm.
De préférence, la portion de liaison entre l'anneau inférieur 7 et la partie rectiligne 2 du dôme 1 comprend un rayon R4 de 1 à 3 mm.
De préférence, les déformations concaves 8 de la boîte boisson selon la présente invention présentent au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- une largeur L3 de 2 à 4,5 mm, de préférence de 2,5 à 3,5 mm ;
- une longueur L5 de 1 à 10 mm, de préférence de 1 à 5 mm ;
- un rayon R5 de 2 à 4 mm ;
- un rayon R6 de 1 à 3 mm ;
- une longueur L5 de 1 à 10 mm ;
- un rayon R7 de 0,5 à 4 mm ;
- un rayon R8 de 0,5 à 20 mm ; et/ou
- un nombre N de 4 à 36, de préférence de 6 à 24.
En ce qui concerne les déformations concaves, leur forme et leur nombre peuvent être optimisés selon les applications envisagées pour gagner en performances. En particulier, les déformations concaves s'étendent généralement et de préférence au-delà de l'anneau inférieur dans la portion de liaison entre la section rectiligne du peigne et l'anneau inférieur.
Selon une pratique courante, la boîte boisson selon la présente invention peut, dans certains cas, être soumise à une opération ultérieure de reprise du dôme, telle que décrite dans la figure 10. Cette modification du profil du fond de la boîte boisson est généralement opérée, sur les boîtes boisson actuelles du marché, après application et cuisson des vernis, tout comme l'opération de rétreint en partie haute de la boîte boisson. Elle a un effet positif sur la résistance à la pression interne, et ce indépendamment des caractéristiques de la solution proposée.
Un deuxième objet de l’invention est un procédé de fabrication d'une boîte boisson selon la présente invention, comprenant les étapes successives suivantes :
- fourniture d'un alliage d'aluminium, par exemple AA3104, par exemple sous l'état métallurgique H14 ou H19, en forme de bande d'épaisseur de 180 à 230 pm, de préférence de 190 à 220 pm ;
- découpage de disques appelés flans dans la bande d'alliage d'aluminium ;
- emboutissage et étirage des flans pour obtenir un corps de boîte boisson, en utilisant des outils adaptés pour former la boîte boisson telle que décrite dans la présente demande;
- fabrication d'un couvercle avec un autre alliage d'aluminium, par exemple AA5182;
- assemblage du couvercle et du corps de la boîte boisson pour obtenir une boîte boisson.
Un troisième objet de l'invention est un outil pour la mise en forme de la boîte boisson selon la présente invention.
En ce qui concerne la fabrication de la boîte boisson selon la présente invention, l'homme du métier saura adapter les outils et paramètres de mise en forme du fond de la boîte boisson selon la présente invention.
Le métal utilisé pour la fabrication des boîtes boisson peut être tout alliage d'aluminium connu de l'homme du métier convenant pour cette application. Par exemple, on peut utiliser un alliage de type AA3104. L'état métallurgique de l'alliage d'aluminium peut être adapté en fonction de l'application particulière. Par exemple, l'état métallurgique peut être H14, H16 ou H19, tel que décrit dans la norme EN515 (juin 1993).
EXEMPLES
Dans le but d'illustrer la présente invention, plusieurs préformes de boîtes boisson ont été évaluées du point de vue de leur pression de retournement et de leur augmentation de hauteur de boîte en fonction de la pression interne. Les préformes correspondent à la boîte boisson juste après la mise en forme initiale du fond, sans tenir compte des étapes ultérieures de reprise (reforming en anglais) du dôme. Le métal des boîtes boisson était un alliage d'aluminium AA3104 dans un état métallurgique H19.
Pour déterminer la pression de retournement, il faut suivre la hauteur de boîte boisson, mesurée entre la base de l'anneau inférieur et le haut de la boîte boisson en fonction de la pression interne. Ces mesures permettent de tracer une courbe telle que celle présentée en Figure 12. Sur cette figure, la référence Cl correspond à une boîte boisson de référence ayant une géométrie classique telle qu'illustrée dans la Figure 1 et une épaisseur de tôle de dôme de 240 pm. La référence C2 correspond à une boîte boisson de référence ayant une géométrie classique telle qu'illustrée dans la Figure 1 mais avec une épaisseur de tôle de dôme de 220 pm. Le diamètre d'appui de Cl et C2 est de 57 mm. La référence C3 correspond à la boîte boisson C2 mais avec un diamètre d'appui de 43 mm, une hauteur H1 de 9,35 mm de sorte à éviter la rupture dans la partie rectiligne 2 du dôme lors de la mise en forme, et une hauteur H2 de 10,5 mm de telle sorte que l'angle Al est conservé identique à celui de Cl. La référence C4 correspond à la boîte boisson C3 mais avec une largeur L4 de l'anneau inférieur de 3,7 mm. Les références Cl à C4 ne sont pas selon la présente invention. La boîte boisson C5 est selon la présente invention et correspondent à la boîte boisson C4 mais avec N=18 déformations concaves (nervures) réparties le long de l'anneau inférieur et un anneau inférieur comprenant un méplat.
Le Tableau 1 ci-après donne les différentes caractéristiques de la boîte boisson C5.
[Tableau 1]
L'évaluation de la pression de retournement et de l'augmentation de hauteur de boîte en fonction de la pression interne a été réalisée grâce à une modélisation numérique par éléments finis avec le logiciel commercial « LS-Dyna », version 10.1, développé par l'entreprise Livermore Software Technology Corporation. La modélisation a consisté à d'abord dessiner la forme tridimensionnelle des différents fonds de boîte boisson en Conception Assistée par Ordinateur. Les géométries tridimensionnelles ont été discrétisées selon un maillage d'éléments finis suffisamment fin de telle sorte que l'on peut simuler précisément son comportement mécanique. Les conditions aux limites ont été appliquées pour simuler le comportement de la préforme dans sa globalité lors des tests de résistance à la pression interne et de résistance à l'effort axial.
Concernant le test de résistance à la pression interne, le calcul a été piloté avec un incrément de flux de gaz constant, permettant de simuler :
la pression interne résultante, et
- le déplacement des différents points du fond sous cette pression interne.
En combinant ces deux variables, il a été possible de tracer les courbes, pour chacune des boîtes testées, donnant l'augmentation de la hauteur de la boîte boisson en fonction de la pression interne, normalisées respectivement par la pression et la hauteur de la boîte boisson lors du retournement de la référence Cl. La Figure 12 correspond à une augmentation monotone de la pression interne, jusqu'au retournement du dôme. Concernant le test de résistance à l'effort axial, le calcul a été piloté avec un incrément de déplacement vertical de l'extrémité supérieure du corps de boîte, permettant de simuler : l'effort axial résultant, et
le déplacement des différents points du fond sous cet effort axial.
En combinant ces deux variables, il a été possible de tracer les courbes, pour chacune des boîtes testées, donnant la force axiale résultante sur l'extrémité supérieure de la boîte boisson en fonction du déplacement appliqué, normalisés respectivement par la force et le
déplacement lors de l'inflexion de la courbe de la référence Cl. La Figure 13 correspond à une augmentation monotone du déplacement, jusqu'à l'inflexion de la courbe puis l'affaissement du fond au maximum d'effort.
Les résultats obtenus en matière de pression de retournement de boîte boisson et d'inflexion de la courbe de la force axiale en fonction du déplacement axial, caractérisant la résistance à l'effort axial du fond de boîte boisson, sont donnés dans les Figures 12 et 13 et dans le Tableau 2 ci-après.
[Tableau 2]
D'après les courbes des Figures 12 et 13 et le Tableau 2 ci-avant, la boîte boisson selon la présente invention permet de contrebalancer les effets négatifs d'une diminution d'épaisseur de la tôle initiale et donc de la tôle du dôme (boîte boisson C2) sur la pression de retournement et la résistance axiale de la boîte boisson, et de retrouver un bon compromis par rapport aux valeurs obtenues avec la boîte boisson de référence Cl, à savoir du même ordre de grandeur pour la résistance à la pression interne et plus de 85% de la résistance axiale.
Il est à noter que les Figures 12 et 13 permettent d'illustrer l'effet synergique de la combinaison entre la diminution du diamètre de l'anneau inférieur, l'élargissement de l'anneau inférieur et la présence de déformations concaves dans l'anneau inférieur. En effet, un compromis satisfaisant entre pression de retournement et résistance à l'effort axial ne peut être obtenu qu'en combinant les trois caractéristiques ensemble. La combinaison de seulement deux éléments entre eux ne suffit pas (voir les courbes C4).

Claims

REVENDICATIONS
1. Boîte boisson à base d'alliage d'aluminium, de préférence pour boisson gazeuse, comprenant :
- un corps 6 de forme cylindrique ayant un diamètre externe DI ;
- un fond en forme de dôme concave 1 ayant une profondeur H1 en son centre, un diamètre externe D3 et une partie rectiligne 2 de hauteur H3 ;
- un anneau inférieur convexe 7 ayant un diamètre d'appui D2 et un méplat de largeur L2 ;
- un épaulement extérieur 5 de rayon RI ;
- un peigne 4 reliant l'épaulement extérieur 5 et l'anneau inférieur 7 ;
caractérisée en ce que l'épaisseur de la tôle du dôme est de 180 à 230 pm, de préférence de 190 à 220 pm ;
et en ce que le diamètre externe D3 du dôme concave 1 est de 36 à 44 mm, de préférence de 37 à 43 mm ;
et en ce que la largeur de l'anneau inférieur L4 est de 3 à 4,5 mm, de préférence de 3,3 à 4 ;mm ;et en ce que l'anneau inférieur comprend des déformations concaves 8, réparties à intervalles réguliers le long de l'anneau inférieur 7.
2. Boîte boisson selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre externe DI du corps 6 de la boîte boisson est de 50 à 75 mm, de préférence de 55 à 70 mm.
3. Boîte boisson selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dôme 1 présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- un diamètre D2 de l'anneau inférieur 3 de 39 à 47 mm, de préférence de 40 à 46 mm ;
- une profondeur H1 de 7 à 12 mm, de préférence de 8 à 11 mm ; et/ ou
- une partie rectiligne 2 de hauteur H3 de 0 à 6 mm, de préférence de 1,5 à 4 mm.
4. Boîte boisson selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'anneau Inférieur 7 présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- une largeur L4 de 3 à 4,5 mm, de préférence de 3,3 à 4 mm ;
- un méplat formant un angle A2 avec l'horizontale en direction de l'axe de symétrie de la boîte boisson de 0 à 10° ; et/ou
- un méplat ayant une longueur L2 de 0 à 2 mm. 5. Boîte boisson selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le peigne 4 présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- une hauteur H2 de 5 à 20 mm, de préférence 6 à 14 mm ;
- une section rectiligne formant un angle Al avec l'horizontale de 30 à 40° ;
- un diamètre D4 du début de la section rectiligne de 42 à 53 mm ;
- une hauteur H4 du début de la section rectiligne de 1,5 à 4 mm, de préférence de 1,5 à 3,5 mm ; et/ou
- une longueur L1 de la section rectiligne de 0 à 13,
5 mm.
6. Boîte boisson selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la portion de liaison entre le peigne 4 et l'anneau inférieur 7 comprend au moins un parmi :
- un rayon R2 de 2 à 4 mm ; et/ou
- un rayon R3 de 1 à 3 mm.
7. Boîte boisson selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la portion de liaison entre l'anneau inférieur 7 et la partie rectiligne 2 du dôme 1 comprend un rayon R4 de 1 à 3 mm.
8. Boîte boisson selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les déformations concaves 8 présentent au moins l'une des caractéristiques suivantes :
- une longueur L5 de 1 à 10 mm, de préférence de 1 à 5 mm ;
- un nombre N de 4 à 36, de préférence de 6 à 24 ;
- une largeur L3 de 2 à 4,5 mm, de préférence de 2,5 à 3,5 mm ;
- un rayon R5 de 2 à 4 mm ;
- un rayon R6 de 1 à 3 mm ;
- une longueur L5 de 1 à 10 mm ;
- un rayon R7 de 0,5 à 4 mm ; et/ou
- un rayon R8 de 0,5 à 20 mm.
9. Procédé de fabrication d'une boîte boisson selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes successives suivantes : - fourniture d'un alliage d'aluminium, par exemple AA3104, par exemple sous l'état métallurgique H14 ou H19, en forme de bande d'épaisseur de 180 à 230 pm, de préférence de 190 à 220 pm ;
- découpage de disques appelés flans dans la bande d'alliage d'aluminium ;
- emboutissage et étirage des flans pour obtenir un corps de boîte boisson, en utilisant des outils adaptés pour former la boîte boisson telle que décrite dans l'une quelconque des revendications précédentes ;
- fabrication d'un couvercle avec un autre alliage d'aluminium, par exemple AA5182;
- assemblage du couvercle et du corps de la boîte boisson pour obtenir une boîte boisson.
10. Outil pour la mise en forme de la boîte boisson selon l'une quelconque des revendications là 8.
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