FR3001652A1

FR3001652A1 - Matrice pour moule d'injection integrant des pistes resistives de chauffage

Info

Publication number: FR3001652A1
Application number: FR1350980A
Authority: FR
Inventors: Thomas Pietri; Emmanuel Pauty
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-08

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer, le dispositif comprenant une couche extérieure pourvue d'une surface extérieure préférentiellement structurée contre laquelle la matière est destinée à être appliquée pour la fabrication de la pièce. Selon l'invention, le dispositif comporte une pluralité de pistes résistives de chauffage (32) agencées sous la couche extérieure.

Description

MATRICE POUR MOULE D'INJECTION INTEGRANT DES PISTES RESISTIVES DE CHAUFFAGE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de pièces à partir de matière à chauffer, par exemple à base polymère, chargée ou non, la charge pouvant par exemple être métallique, céramique, etc. L'invention concerne en particulier la gestion de la température appliquée au cours de la fabrication des pièces. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La fabrication de pièces en matière plastique fait appel à des techniques à présent largement répandues comme le moulage par injection, l'extrusion, l'embossage à chaud, le moulage par injection de poudre, l'injection par compression, etc. Avec ces techniques, au cours de la fabrication d'une pièce, la chaleur est appliquée à la matière plastique par un chauffage en masse de l'outillage, nécessitant une puissance d'alimentation conséquente. Ce chauffage s'effectue habituellement soit en mode massique par convection ou induction, soit en mode surfacique conduction ou radiation. Dans tous les cas, la nature inertielle du chauffage interdit une variation rapide/instantanée et contrôlée de la température de l'outillage et de la pièce fabriquée.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer, le dispositif comprenant une couche extérieure pourvue d'une surface extérieure de préférence structurée contre laquelle la matière est destinée à être appliquée pour la fabrication de la pièce. De plus, le dispositif comporte une pluralité de pistes résistives de chauffage agencées sous ladite couche extérieure. L'invention apporte ainsi une solution simple et efficace permettant de faire varier de manière dynamique la température de la surface extérieure, avec des temps de réponses très courts. De plus, en prévoyant une pluralité de pistes, il est possible d'adapter la quantité de chaleur produite en fonction de leur emplacement sur cette surface, de préférence pour y appliquer différentes températures spécifiques et/ou un gradient de température. L'invention permet globalement de réduire les temps de fabrication, d'obtenir un gain notable sur les propriétés des matériaux, et d'améliorer la qualité des pièces produites, notamment en étant capable d'assurer une meilleure fluidité de la matière chauffée, qui contribue à son insertion même dans les motifs de plus faibles dimensions et/ou d'élancement élevé, dans le cas préférentiel mais non limitatif où ladite surface extérieure est structurée, également dite « texturée ».

A cet égard, il est noté que l'invention peut s'appliquer à des dispositifs présentant une surface structurée avec des cavités de faible profondeur, pouvant par exemple aller du millimètre au micromètre, voire même être à l'échelle nanométrique. Alternativement, la surface extérieure est non-structurée, c'est-à-dire lisse, par exemple plane.

En particulier, avec ce type de pistes pouvant être miniaturisées, par exemple par des techniques de dépôt classiques, il est possible d'assurer une gestion à l'échelle microscopique de la température de la surface structurée. De préférence, ces pistes résistives de chauffage forment des sources de chaleur d'appoint qui s'ajoutent à des moyens de chauffage principaux, qui peuvent quant à eux être de conception plus classique, par convection, induction, conduction ou radiation. Les pistes permettent par exemple d'élever / de diminuer localement la température de plusieurs dizaines de degrés, par effet joule. De préférence, le dispositif comprend un corps ainsi qu'une couche d'isolation électrique agencés respectivement de part et d'autre des pistes résistives de chauffage.

Il est alors possible de prévoir que ladite couche d'isolation électrique constitue au moins en partie ladite couche extérieure du dispositif. Alternativement, ladite couche extérieure du dispositif recouvre cette même couche d'isolation électrique. De préférence, chaque piste comporte, à ses extrémités, deux bornes de connexion électrique. De préférence, le dispositif comprend des pistes électriques pour l'alimentation desdites pistes résistives de chauffage, lesdites pistes électriques étant également agencées sous ladite couche extérieure. De préférence, les pistes électriques et les pistes résistives de chauffage sont réalisées sur une même surface du corps de dispositif, au sein d'une même couche. De préférence, chaque piste résistive de chauffage présente une épaisseur comprise entre 0,2 et 50 um et, de préférence, une largeur comprise entre 0,1 et 10 mm. De préférence, le dispositif présente une épaisseur, entre chaque piste résistive de chauffage et la surface extérieure structurée, comprise entre 0,1 et 100 um. De préférence, le dispositif est une matrice destinée à être utilisée dans un moule d'une machine pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer, par exemple selon la technique de l'embossage à chaud ou de l'injection. Alternativement, il peut s'agir d'une tête d'extrusion, dite filière, ou de tout autre élément pourvu d'une surface extérieure structurée contre laquelle la matière à chauffer est destinée à être appliquée pour la fabrication de la pièce. Aussi, l'application à un insert, une plaque, un fourreau, une filière, etc. ne sont que des éléments indicatifs, non limitatifs. De préférence, au moins deux desdites pistes résistives de chauffage présentent une épaisseur et/ou une largeur différente. Cela permet de conférer un apport de chaleur distinct au niveau des pistes présentant des géométries différentes. L'invention se rapporte également à une machine pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer, comprenant un moule équipé d'au moins un tel dispositif. Il peut donc s'agir d'une matrice destinée à être rapportée sur l'une des parties du moule, ou bien être réalisée d'une seule pièce avec l'une de ces parties du moule. De préférence, la machine comprend des moyens principaux de chauffage du moule, prévus en sus desdites pistes résistives de chauffage du dispositif.

Alternativement, les pistes résistives pourraient constituer les seuls moyens de chauffage de la machine, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, la machine comprend des moyens d'alimentation électrique raccordés auxdites pistes résistives de chauffage du dispositif. De préférence, la machine comprend des moyens de mesure de la résistance électrique d'au moins l'une des pistes résistives de chauffage du dispositif, ainsi que des moyens permettant de déterminer la température de ladite piste à l'aide de la mesure de sa résistance électrique. L'invention a enfin pour objet un procédé de fabrication d'une pièce à partir d'une telle machine, lesdites pistes résistives de chauffage étant alimentées électriquement de sorte que durant au moins une partie de la mise en oeuvre de ce procédé, ladite surface extérieure structurée présente un gradient de température. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue schématique de côté d'une partie d'une machine pour la fabrication de pièces en matériau polymère, selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; et - les figures 2a à 3e' représentent des vues schématisant un procédé de fabrication d'une matrice équipant le moule de la machine montrée sur la figure 1.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une machine 1 pour la fabrication de pièces en matériau polymère, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. Ici, la matière à chauffer / refroidir au cours de la fabrication est donc à base polymère, chargée ou non, la charge pouvant par exemple être métallique, céramique, etc. D'autres matières peuvent néanmoins être envisagées, parmi les matières nécessitant une chauffe et/ou un refroidissement (apport calorifique) au cours de leur procédé de transformation. A cet égard, il peut être utilisé des huiles, silicones, thermodures, thermoplastiques, élastomères, etc.

La machine 1, montrée uniquement en partie, est conçue pour permettre la fabrication d'une pièce plastique par moulage par injection. Elle comprend un système d'amenée de la matière plastique (non représenté), un moule 2, et un système d'alimentation et de commande 4. Classiquement, le moule 2 comprend deux parties 2a, 2b capables d'être écartées / rapprochées l'une de l'autre. A l'état rapproché montré sur la figure 1, elles définissent ensemble une cavité de moulage 6 dans laquelle la matière plastique est destinée à être insérée, via un canal dédié 8 pratiqué dans la partie fixe 2a du moule. L'autre partie 2b du moule est montée mobile selon la direction 10 et permet, après son éloignement de la partie fixe 2a, de libérer la pièce plastique qui a été formée.

La partie mobile 2b du moule présente un évidement 12 dans lequel il est placé une matrice 20 spécifique à la présente invention. La matrice, également dénommée matrice de réplication ou insert de réplication, présente une surface extérieure structurée 22 définissant en partie la cavité 6. La surface structurée présente en effet des motifs à répliquer sur la pièce plastique désirée. Il s'agit ici de préférence d'une microstructuration, à savoir la présence de motifs définissant des cavités de dimensions (longueur, largeur, profondeur) variable du millimètre au micromètre, voire même à l'échelle nanométrique. La matrice 20 équipant la partie mobile 2b du moule sera détaillée ci-après en référence aux figures 2a à 3e'. Il est par ailleurs noté que le moule 2 pourrait être équipé de plusieurs matrices conformes à l'invention, agencées sur l'une ou les deux parties 2a, 2b du moule. La machine 1 comporte également des moyens principaux de chauffage 24, de conception classique par convection, induction, conduction ou radiation. Ces moyens 24 sont prévus pour apporter au moule 2 la plus grande partie de l'énergie calorifique nécessaire à la fabrication de la pièce plastique. En référence aux figures 2e et 3e et 3e', il est représenté un exemple de réalisation de la matrice 20 sous forme de disque. Elle présente un corps 26 formant un substrat isolant, de nature organique ou inorganique. Par exemple, il s'agit d'un corps en Téflon, de diamètre d'environ 200 mm. La matrice 20 comporte une couche extérieure 30, définissant la surface extérieure 22 microstructurée. Il est noté que sur les figures schématiques 3e et 3e', la microstructuration n'a pas été représentée. Sous cette couche extérieure, l'invention présente la particularité de prévoir une pluralité de pistes résistives de chauffage 32, espacées les unes de autres. Ces pistes 32, permettant chacune un chauffage localisé, présentent une épaisseur comprise entre 0,2 et 50 um, et de préférence de l'ordre de 5 um, elles présentent également une largeur comprise entre 0,1 et 10 mm, et de préférence de l'ordre de 5 mm. Elles présentent des longueurs adaptées à la superficie à recouvrir.

D'ailleurs, la géométrie des pistes 32 peut varier d'une piste à l'autre, et également au sein d'une même piste, de façon à adapter localement au mieux la température de la surface microstructurée, aux besoins rencontrés. Aussi, par exemple, les pistes 32 peuvent pour certaines au moins avoir des épaisseurs différentes, voire disposer d'une épaisseur variable le long d'une même piste. Avec des telles gammes de dimensions pour les pistes résistives en matériau métallique, celles-ci sont capables de chauffer / refroidir très rapidement/instantanément et très précisément les zones de la surface extérieure 22 à proximité desquelles elles se trouvent. A cet égard, l'épaisseur « e » entre chaque piste 32 et la surface extérieure structurée 22 est comprise entre 0,1 et 100 um. Ici, seule une couche d'isolation électrique 36 de faible épaisseur est interposée entre la couche extérieure 30 et les pistes 32. Alternativement, la couche extérieure de la matrice pourrait être la couche d'isolation électrique 36, amenant alors les pistes 32 au plus près de la surface microstructurée 22 à chauffer. Il en résulte avantageusement des temps de fabrication encore plus courts. Comme cela a été évoqué ci-dessus, la disposition des pistes résistives 32 est choisie en fonction des zones de la surface extérieure microstructurée 22 devant faire l'objet d'un appoint de chaleur. Cet appoint peut être utilisé pour favoriser l'écoulement du matériau, réduire les temps de fabrication, obtenir un gain sur les propriétés plastiques de la pièce obtenue, et/ou améliorer la qualité de cette pièce. Typiquement, une zone de la surface extérieure 22 davantage chauffée aura pour conséquence d'assurer une meilleure fluidité de la matière plastique au contact de cette zone durant le moulage, et participera donc à une insertion satisfaisante du matériau chauffé dans les motifs de plus faibles dimensions. Même si l'invention est préférentiellement mise à profit pour permettre l'obtention d'un gradient de température sur la surface microstructurée durant le moulage, elle pourrait alternativement être dédiée à l'obtention d'une température homogène sur toute cette surface. Dans ce dernier cas, les pistes 32 pourraient alors servir de compléments d'énergie calorifique s'ajoutant aux moyens principaux de chauffage qui n'auraient pas capacité, à eux seuls, d'assurer une parfaite homogénéité de la température sur la surface microstructurée 22.

Chaque piste 32 présente, à ses extrémités, deux bornes de connexion électrique auxquelles sont raccordées des pistes électriques 40 pour l'alimentation électrique de ces pistes. Ces pistes 40 sont réalisées sous forme de couches minces, comme les pistes résistives de chauffage 32. Le matériau métallique employé peut être différent pour les pistes 40, leur fonction étant uniquement l'alimentation électrique des pistes 32, et non la production de chaleur. Les pistes 40 s'étendent sur le corps 26 dans la même couche que les pistes 32, en se plaçant sous la couche d'isolation électrique 36 et sous la couche extérieure 30. Chaque piste d'alimentation présente une extrémité raccordée à l'une des bornes de connexion d'une piste résistive 32, et se prolonge ensuite vers une extrémité opposée située sur ou à proximité de la périphérie de la matrice, pour son raccordement électrique au système 4 d'alimentation et de commande de la machine. Chaque piste résistive de chauffage 32 est ainsi raccordée à deux pistes d'alimentation électrique 40, via ses deux bornes de connexion. Comme cela est représenté schématiquement sur la figure 1, des moyens électriques 42 du type filaire permettent de raccorder la matrice à des moyens d'alimentation électrique 44, via des moyens de régulation 46 également intégrés au sein du système 4. Les moyens 42 sont donc connectés aux extrémités opposées des pistes 40 situées à proximité de la périphérie de la matrice. Il est noté que les moyens d'alimentation électrique 44 et les moyens de régulation 46 associés sont également raccordés aux moyens principaux de chauffage 24, lorsque ceux-ci requièrent une telle alimentation électrique. Intégrés au système 4, se trouvent également des moyens 48 permettant la mesure de la résistance électrique de chaque piste de chauffage 32, ainsi que des moyens 50 permettant de déterminer la température de chaque piste 32 à l'aide de la mesure de sa résistance électrique. Ces moyens 50 peuvent se baser sur un tableau de correspondances préétabli, par exemple par étalonnage, liant la valeur de la résistance à celle de la température. Avantageusement, la présence des pistes 32 permet ainsi d'obtenir une information sur la température de la surface 22, sans avoir à implanter de thermocouples. En fonction des températures déterminées localement au niveau de chacune des pistes de chauffage 32, la puissance électrique fournie aux pistes 32 peut être modifiée via les moyens de régulation 46, de manière à diminuer / augmenter localement, très rapidement, l'intensité de chauffage. En référence à présent aux figures 2a à 3e', il va être décrit un procédé de fabrication de la matrice 20.

Tout d'abord, les figures 2a et 3a montrent la réalisation du corps en Téflon 26. La surface supérieure de ce corps est microstructurée selon un profil sensiblement identique ou similaire au profil final souhaité sur la surface extérieure 22. Alternativement, le corps 26 en Téflon peut être laissé vierge de toute structuration lorsque celle-ci est réalisée sur la face opposée 2a. La microstructuration est présente au niveau d'une zone centrale 26b du corps, entourée d'une zone périphérique non nécessairement active lors du moulage, car masquée par l'autre partie du moule. Sur les figure 2b à 3b', il est montré le dépôt sous vide des pistes résistives 32 sur la surface microstructurée du corps 26. Le dépôt, sous forme de couches minces, s'effectue dans des zones prédéterminées nécessitant une régulation particulière du chauffage de la pièce à fabriquer. Le dépôt peut s'effectuer de manière conventionnelle, par exemple avec un masque prenant de préférence la forme d'un feuillard métallique. C'est cette même technique qui est employée pour le dépôt ultérieur des pistes d'alimentation 40, comme cela est schématisé sur les figures 2c et 3c.

Il est noté que les pistes 32 et 40 sont de préférence réalisées par la technique PVD à l'aide de matériaux du type Ti ou Cu, tandis que les pistes 36 sont de préférence réalisées par la technique PECVD ou APECVD à l'aide de matériaux du type Ti02, SiOC, SiCH, 5i02. Les pistes 32, 40 se trouvent au final agencées au sein d'une même couche sélective, interposée entre le corps 26 et la couche d'isolation électrique 36 déposée ultérieurement, montrée sur les figures 2d et 3d. Cette couche 36 est au contact direct du corps 26 au niveau des zones de celui-ci non revêtues par les pistes 32, 40. Enfin, la couche extérieure 30, de préférence réalisé en DLC/SiC, est déposée sur la couche d'isolation 36, et l'ensemble est recuit sous vide par exemple pendant une durée de 3 heures à 300°C, ces données pouvant varier en fonction des matériaux de la matrice. Cette dernière couche 30 peut être micro et/ou nanostructurée par différentes techniques (photolithographie, gravure plasma, ablation laser, etc.). Lors de la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'une pièce plastique, le matériau polymère à l'état fluide est introduit dans la cavité du moule chauffé par les moyens principaux 24 et par les pistes résistives 32. De préférence, il est fait en sorte que durant au moins une partie de cette étape de chauffage de la matière plastique dans la cavité du moule, la surface extérieure microstructurée 22 présente un gradient de température permettant d'appliquer un chauffage différencié en fonction des zones. L'obtention de ce gradient de température s'effectue en particulier à l'aide des pistes 32 espacées les unes des autres, pouvant dégager une quantité de chaleur différente en fonction de leur géométrie et de leur alimentation électrique, qui peut être indépendante pour chaque piste. Après le chauffage et la mise en forme de la pièce dans le moule, il est ensuite réalisé une étape de refroidissement, de préférence à température ambiante.

Enfin, il est procédé à l'aide de moyens conventionnels à l'éjection de la pièce en matériau polymère, après la séparation des deux parties du moule. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 15

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif (20) pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer, le dispositif comprenant une couche extérieure (30) pourvue d'une surface extérieure de préférence structurée (22) contre laquelle la matière est destinée à être appliquée pour la fabrication de la pièce, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de pistes résistives de chauffage (32) agencées sous ladite couche extérieure (30).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un corps (26) ainsi qu'une couche d'isolation électrique (36) agencés respectivement de part et d'autre des pistes résistives de chauffage (32).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche d'isolation électrique (36) constitue au moins en partie ladite couche extérieure du dispositif.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche extérieure (30) du dispositif recouvre ladite couche d'isolation électrique (36).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque piste (32) comporte, à ses extrémités, deux bornes de connexion électrique.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des pistes électriques (40) pour l'alimentation desdites pistes résistives de chauffage (32), lesdites pistes électriques étant également agencées sous ladite couche extérieure (30).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque piste résistive de chauffage (32) présente une épaisseur comprise entre 0,2 et 50 um et, de préférence, une largeur comprise entre 0,1 et 10 mm.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur (e), entre chaque piste résistive de chauffage (32) et la surface extérieure structurée (22), comprise entre 0,1 et 100 um.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux desdites pistes résistives de chauffage (32) présentent une épaisseur et/ou une largeur différente.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est une matrice destinée à être utilisée dans un moule d'une machine pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer.
11. Machine (1) pour la fabrication d'une pièce à partir d'une matière à chauffer, comprenant un moule (2) équipé d'au moins un dispositif (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens principaux (24) de chauffage du moule, prévus en sus desdites pistes résistives de chauffage (32) du dispositif.
13. Machine selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'alimentation électrique (44) raccordés auxdites pistes résistives de chauffage (32) du dispositif.
14. Machine selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (48) de mesure de la résistanceélectrique d'au moins l'une des pistes résistives de chauffage (32) du dispositif, ainsi que des moyens (50) permettant de déterminer la température de ladite piste à l'aide de la mesure de sa résistance électrique.
15. Procédé de fabrication d'une pièce à partir d'une machine (1) selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que lesdites pistes résistives de chauffage (32) sont alimentées électriquement de sorte que durant au moins une partie de la mise en oeuvre de ce procédé, ladite surface extérieure structurée (22) présente un gradient de température.10