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~t~3~ 0~
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La présente invention concerne un procédé de
réalisation de structures alvéolaires en matière
thermoplastique, par extrusion, ainsi que les appareils
mettant en oeuvre ce procédé et les structures ainsi
obtenues.
Il existe plusieurs procédés permettant de
réaliser des structures alvéolaires en matière
thermoplastique, par exemple le thermoforma~e à partir d'une
feuille ou le moulage en moule fermé.
Ces deux procédés présentent, entre autres
inconvénients, celui de ne pas pouvoir être mis en oeuvre de
fa~on continue ainsi que celui d'etre très limités en ce qui
concerne la longueur des structures qu'ils permettent
d'obtenir.
Il existe aussi des procédés utilisant l'extrusion
à travers une filière dont le profil correspond a celui de
la structure alvéolaire désirée. Ils présentent
l'inconvénient de nécessiter des moyens complexes pour
maintenir cette structure sans déformation à sa sortie de la
filière jusqu'à ce qu'elle se tienne d'elle-même après
refroidissement suffisant.
Parmi ces procédés, ceiui objet du brevet fran~ais
délivré le 7 mai 1982 sous le numéro 2,493,219 dont les
inventeurs sont Guy René DUCRUY et Robert Eugène LHOMMEAU,
propose des moyens simplifiés consistant essentiellement en
un refroidissement simultané de tous les alvéoles au fur et
à mesure de leur extrusion, ce qui permet d'extruder des
stru-,tures de section plus large que si le refroidissement
etait exclusivement périphérique. De plus, la filiere est
réalisée en un matériau très isolant comme le polytétra-
: fluoréthylène, ce qui permet d'obtenir un refroidissement
assez rapide des structures extrudées.
S'il est vrai que le refroidissement de la matièrethermoplastique constituant la structure extrudée est
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., ~ ,. . . -.. - . .. - .
i299
- la -
relativement rapide, il n'en reste pas moins qu~à sa sortie
de la filière, cette structur~ est encore à l'état ramolli
et risque donc de se déformer, ce qui obligerait alors à un
calandrage.
S Dans l'exemple de réalisation présenté,
l'extrusion se fait à la verticale et les moyens utilisés
pour éviter cette déformation son~t doubles. D'une part, on
e~erce, sur la structure extrudée, une traction avec des
organes de traction se deplaçant sensiblement à la vitesse
d'extrusion. D'autre part, chaque alvéole subit de chaque
côté, dès sa sortie de la filière, une pression constante
fonction de la colonne de liquide de refroidissement qui est
la même dans tous les alvéoles.
Mais la disposition verticale de llextrudeuse
presente l'inconvénient de nécessiter une installation très
complexe dans le cas où l'on désire des eléments de
structures alvéolaires de gxande longueur. En
.
Q~
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effe-t, tant que la s-tructure extrudée est maintenue dans le
liquide de refroidissement, chaque paroi interne de la
s-tructure est maintenue par la pression du liquide contenu
dans les alveoles voisins, et cha~ue paroi externe est
maintenue par ~a pression du li~uide de re~roidissemen-t à
l'extérieur de la structure et par la pression du liquide de
refroidissement à l'in-térieur de l'alvéole voisin. Mais il
est évident ~u'on ne peut pas allonger indé~iniment sans
problèmes, la hauteur du bac de refroidissement, et si on
limitait cette hauteur par rapport à la longueur de la
structure désirée, le poids du liquide. de refroidissement
contenu dans les alvéoles déformerait les parois extérieures
de la structure.
1a présente invention conserve les avantages de ce
procédé, notamment en ce qui concerne l'inutilité d'un
calibrage postérieur à la sortie de la filière, et permet
d'en éviter les inconvénients.
Sans nécessiter de moyens complexes pour éviter la
déformation de la structure extrudée à la sortie de la
filière, elle assure par ailleurs, eu égard aux autres
procédés d'extrusion, une rigidité accrue du produit final
et elle permet une extrusion sans contrain-tes particulières
concernant les longueurs de structures que l'on peut
obtenir.
Z5 Elle a pour objet un procédé de fabrication d'une
structure alvéolaire constituée d'alvéoles; en matériau
thermoplastique selon lequel on extrude un matériau à l'état
liquide ~ travers un réseau continu de passage délimité par
des cyli.ndres parallèles appartenant à une filière, depuis
une chambre d'alimentation vers une cuve occupée par un
liquide de reEroidissement, et on injecte un jet dudit
liquide à température inférieure au point de ramolissement
du matériau par l'intérieur de chacun des cylindres,
comprenant une extrusion qui s'effectue à travers la filière
B~
.
.
dans une direction approximativement horizontale selon une
vitesse d'ex-trusion donnée; une injection de liquide de
re~roidissement à une température suffisamment faible pour
tremper le matériau pratiquemen-t dès sa sortie de la
Eili~re; un maintient dans la cuve du liquide de
refroidissement à un niveau supérieur à celui de la
structure alvéolaire, une soumission du matériau extrudé à
un e-ffet de laminage à son passage dans la filière; et une
application en permanence sur ladite structure d'une force
tendant à l'extraire de la filière, à l'aide d'éléments
mobiles à une vitesse sensiblement égale à la vitesse
d'extrusion.
De préférence, suivant l'inven-tion, la structure
en cours d'extrusion est soumise, immédiatement avant
l'opération de trempe qu'elle subit à la sortie de la
fi.lière, à une traction qui en assure l'é-tirage, cet étirage
ayant pour résul-tat une orientation moléculaire qui, fixée
aussitôt par l'opération de -trempe, va augmenter les
propriétés mécaniques de la struc-ture extrudée.
De préférence, suivant l'invention, l'étirage de
la structure en extrusion est précédé d'un laminage/ de
manière à provoquer le début d'orientation moléculaire qui
sera ensuite accentuée par l'étirage.
Un tel procédé peut etre mis en oeuvre avec
l'appareillage décrit dans le brevet français 2,493,219 cité
plus haut ou des appareillages analogues.
De préférence, selon l'invention, la filière
reçoit la matière thermoplastique à former, d'une chambre
d'alimentation à au moins deux compartiments successifs,
séparés par une plaque perforée des-tinée à aider à une
homogénéisation et à une répartition régulière de la matière
thermoplastique sur -toute la section de la Eilière.
Dans une version préféren-tielle de cette
réalisation, chaque plaque perforée est munie de moyens de
~.'/ .
,
.
- 3a -
chauffage de manière à participer au maintien en température
de la matière thermoplastique.
La présente invention vise aussi une filière pour
extruder une structure alvéolaire en matériau
thermoplastique, comprenant plusieurs cylindres parallèles
répartis suivant un réseau régulier, délimitant entre eux et
avec un fond, une chambre d'alimenta-tion en ~atière
thermoplastique fondue, comportant chacun un corps tubulaire
isolant, un élément de dimension transversale supérieure à
celle du corps et de forme telle que les éléments délimitent
un réseau d'extrusion de forme correspondant à une section
de la structure alvéolaire, et une tuyauterie d'amenée d'un
liquide de refroidissement débouchant au centre de l'élément
correspondant, caractérisée en ce que les cylindres son-t
reliés par au moins une grille d'entretoisement parallèle au
plan du réseau, muni de moyens d'alimentation en courant
électrique de chauffage du matériau thermoplastique par
effet Joule.
De préférence, dans le cas où les éléments
constituant la filière sont portés par des corps parallèles
dont chacun contient un conduit qui lui est axial, en est
isolé thermiquement et amène un liquide de refroidissement
immédiatement en aval de la filière, chaque plaque perforée
peut avanta~eusement constituer une entretoise desdits corps
et permettre ainsi la réalisation d'une chambre
d'alimentation monobloc.
De préférence, selon l'invention, le circuit du
liquide de reEroidissement est relié à un circuit d'air
comprimé destiné à remplacer ce liquide dans certaines
conditions, de manière à assurer plus économiquement
l'étanchéité en-tre le circuit d'extrusion et le circuit de
refroidissement.
La présente inven-tion vise aussi un appareil de
fabrication de s-tructures alvéolaires en matériau
.~
,.. ..
., , . ~
O~
- 3b -
thermoplastique, comprenant une extrudeuse munie de moyens
de chauffage, une filière comportant des cylindres
parallèles isolants répartis suivant un réseau régulier
délimitan-t un passage d'extusi.on de forme correspondant à
une section droite de la structure à réaliser, des moyens
d'envoi de liquide de refroidissement par l'intérieur de
chacun des cylindres et d'un bac de réception de la
structure des-tinée à e-tre occupé par ledit liquide de
refroidissement et comprenant des moyens tendant à entrainer
la structure à partir de la filière, appareil dans lequel
l'extrudeuse, la filière et le bac sont alignés sensiblement
horizontalement, le bac étant prévu pour recevoir du liquide
de reEroidissement jusqu'à un niveau supérieur à celui de la
s-tructure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion apparaitront au cours de la description qui va suivre
d'une réalisation de l'invention donnée a titre purement
indicatif et nullement limitatif.
La figure 1 montre schématiquement une
installation pour la mise en oeuvre de l'invention.
La figure 2 montre un détail de la chambre
d'alimentation de la filière de l'installation de la figure
1.
La figure 3 est une vue, partiellement en coupe,
suivant la ligne III-III, de la figure 2.
Sur la figure 1, on a une extrudeuse 1 avec une
trémie d'alimentation 2 et une tuyauterie de sortie 3
thermiquement isolée, qui alimente une filière 4 par
l'intermédiaire d'une chambre d'alimentation 6.
Cette filière 4 comprend (voir figures 2 et 3~ un
certain nombre d'élément hexayonaux 36 dont le montage sera
expliqué plus loin.
La chambre d'alimentation 6 es-t séparée par un
fond,13 et une cloison 15 d'un compartiment 7 qui lui est
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0~
- 3c -
voisin et sur lequel est fixée une ~uyauterie 8, reliee à
une tuyauterie d'eau 9 portant un dispositiE regulateur de
température 5 et un robinet d'àrrêt 11 et à une tuyauterie
d'air comprime 10 portant un robinet d'arrêt 12.
Des tuyauteries 14 sont piquées sur le fond 15 et
traversent la cloison interieure~l3 sur laquelle sont soudés
des cylindres 16.
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~2~
-- 4 --
Chaque cylindre 16 est concentrique à l'une des tuyauteries 14
et porte à son extrémité libre une pièce 17 dont la fonction est double :
servir d'entretoise entre le cylindre 16 qui la porte et la tuyauterie 14
concentrique audit cylindre,et constituer assise pour les éléments 36.
Ces éléments 36, qui ont une forme hex`agonale parce que le profil
désiré pour le produit à extruder est un profil en nid d'abeilles, sont
en matériau isolant tel que le polytétrafluoréthylène et sont maintenus
sur les pièces 17 par des écrous 19 qui se vissent sur les tuyauteries 14
grâce aux fentes 20 qu'ils comportent.
Ils sont écartés de telle manière que leurs lèvres 18 réalisent
un rétrécissement de la section de passage de la matière thermoplas-
tique.
La chambre d'alimentation 6 est partagée en trois compartiments
28, 29 et 30 par deux plaques perforées 21 et 22 maintenues en place
par des entretoises 23, 24 et 25 disposées autour des cylindres 16.
Les entretoises 23 maintiennent l'écartement de la plaque perfo-
rée 21 par rapport au fond 13. Les entretoises 24 maintiennent l'écar-
tement des deux plaques perforées 21 et 22 entre elles. Les entretoises
25 maintiennent l'écartement de la plaque perforée 22 par rapport aux
pièces i7 et donc également par rapport aux éléments 36 constituant la
filière.
La plaque perforée 22 a des perforations plus petites que la
plaque perforée 21 comme il appara~t sur la figure 3.
Les deux plaques perforées 21 et 22 sont en matériau permettant
de les chauffer par effet Joule et sont intégrées dans un système de
chauffage électrique non figuré.
Un bac 26 fait suite à la filière. I1 est équipé d'un banc de
traction des structures extrudées constitué par deux courroies sans fin
27 et 34 dont le dispositif de commande9 non représenté, comPorte un
variateur de vitesse.
Le bac 26 se termine par un plan incliné 31 et comporte, entre ce
plan incliné et les courroies 27 et 34 du banc de traction, un disposi-
tif de coupe cla9sique 32, mobile sur des rails 33 pour permettre la
coupe des structures extrudées 37, 38, sans avoir besoin d'arrêter leur
mouvement de translation vers le plan incliné 31.
Dans ces conditions, le fonctionnement s'établit comme décrit
ci-après.
En marche normale, la matière thermoplastique réchauffée et flui-
difiée dans l'extrudeuse 1 passe, par la tuyauterie 3, dans la chambre
~0 d'alimentation 6, où elle arrive dans le compartiment 28, avant d'être
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'
, . . ,; .- :
repoussée à travers la plaque perforée 21 dans le compartiment 29, puis,
à travers la plaque perforée 22, dans le compartiment 30 qui précède im-
médiatement la filière 4 à travers laquelle elle va recevoir son profil
alvéolaire.
Lorsqu'elle arrive à l'entrée de la chàmbre d'alimentation 6, la
matière thermoplastique est à une température suffisante pour être
fluente. Mais au passage de la filière, cette température doit 8tre rigou-
reusement constante dans le temps et dans tous les points de la filière
pour obtenir une structure régulière.
Le passage de la matière thermoplastique à travers la plaque perfo-
rée 21 réalise une première étape de l'homogénéisation du chauffage puis-
que chaque veine de matière passant par les perforations est réchauffée
au contact de la plaque perforée.
Le passage à travers les deux plaques perforées 21 et 22 donne un
autre résultat, à savoir l'équilibrage de la pression de la matière dans
tout l'intérieur du compartiment 30, et donc une distribution régulière
à travers toute la section de la filière.
Grâce à la réalisation de la filière 4 avec les éléments 36 en
polytétrafluoréthylène et grâce aussi au mouvement de la matière vers
l'extérieur, la température du liquide de refroidissement qui arrive dans
les alvéoles à la sortie de la filière, est sans incidence sur la tempéra
ture de la matière en amont de ladite filière et, dès lors, l'extrusion
peut s'effectuer normalement
Quant aux tuyauteries 14 qui amènent le liquide de refroidissement,
elles sont isolées thermiquement des plaques perforées chauffantes 21 et
22. Cette isolation est obtenue par l'air immobile présent entre les
tuyauteries 14 et les cylindres 16.
Du fait de cette isolation, les entretoises 23, 24 et 25 peuvent
éventuellement être munies de moyens de chauffage pour aider au maintien
à une température constante de la matière thermoplastique contenue dans
la chambre d'alimentation.
On notera que les fentes hexagonales réalisées par les levres 18
des éléments 36, fentes à travers lesquelles la structure va recevoir sa
forme alvéolaire, sont plus étroites que l'écartement entre deux ensembles
cylindre 16 et entretoises 23, 24, 25 voisins. Le profi} des pièces 17
et la traction opérée sur la structure en extrusion par les courroies 27
et 34 provoquent une double action sur cette structure, à savoir un éti-
rage précédé et/ou accompagné d'un laminage, ces deux actions ayant pour
résultat de réaliser une orientation moléculaire.
:. : :,
-- 6 --
En effet,dans un premier temps, la matière thermoplastique est
laminée au passage entre deux pièces 17 voisines et entre deux lèvres 18
voisines, grace à la réduction de section qu'elle subit Puis, dans un ..
deuxième temps, elle fait l'objet d'un étirage d~ à la traction opérée
par les courroies 27 et 34, étirage qui dure encore au moment où la ma-
tière extrudée est soumise, dès qu'elle a dépassé les éléments 36, à un
refroidissement asse~ brutal pour provoquer une trempe.
Ce rei'roidissement est obtenu par la distribution, à travers les
tuyauteries 14, d'un liquide de rei'roidissement amené à une température
ad hoc par le dispositif régulateur de température 5.
Par exemple, pour une extrusion suivant l':Lnvention de polypropy-
lène chauffé à environ 240 Celsius dans la chambre d'alimentation de la
i'ilière, on peut utiliser comme liquide de refroidissement, de l'eau à une
température de 5 Celsius environ et en tout cas inferieure à 10 Celsius.
La structure ainsi extrudée obtient sa forme définitive sans
qu'il soit besoin de la calibrer à nouveau.
De plus, elle se tient d'elle-m~me suffisamment pour ne pas néces-
siter de dispositions particulières pour sa manutention, d'autant plus
que chaque paroi de chaque alvéole est soumise simultanément à la même
action par le même liquide de refroidissement
Enfin, le produit final obtenu est mécaniquement plus résistant que
s'il avait ~té extrudé par les méthodes habituelles, grâce, d'une part, à
l'effet de trempe, mais grace aussi à ce que cette trempe est intervenue
sur une matière thermoplastique dans laquelle un laminage et un étirage
avaient réalisé une orientation moléculaire.
A la sortie de la filière, la structure obtenue 37 avance dans le
bac 26 grâce à la traction opérée par les courroies 27 et 34, et aussi,
mais dans une moindre mesure, à la poussée venant de l'extrudeuse.
Il est d~ailleurs nécessaire qu'il y ait un équilibre entre ces
deux actions pour obtenir un produit constant, tant en dimensions qu'en
qualités mécaniques. C'est pourquoi les courroies 27 et 34 sont équipées
d'un variateur de vitesse qui permot d'adapter celle-ci aux conditions
d'extrusion désirées. En effet, pour une poussée constante de l'extrudeuse,
un ralentissement ~u banc de traction provoquerait un épai.ssissement des
parois, voire des boursouflures, tandis qu'une accélération provoquerait
leur amaigrissement, voire un manque de matière par places
On découpe, à la demande et suivant la longueur désirée, la struc-
ture extrudée, en utilisant le dispositif de coupe 32, et le tronçon cou-
pé 38 continue d'avancer, poussé par le tronçon 37 suivant entra~né par les
courroies 27 et 34, jusqu'à ce que ledit tronçon coupé atteigne le plan
g~
incliné 31 qui lui fait quitter le bac en assurant simultanémerlt le vidage
dans le bac, du liquide de refroidissement contenu dans les alvéoles.
Pour arrêter l'installation, on opère de deux manières différentes,
suivant que l'arrêt doit n'être que momentané ou doit durer un laps de
temps un peu long
Pour arrêter l'installation momentanément, par exemple si on sou-
haite ne pas avoir à faire réchauffer toute la matière première thermo-
plastique contenue dans l'extrudeuse 1 ~t dans la chambre d'alimentation 6,
ce qui peut demander quelques heures, on arrête simultanément l'extrudeuse
1 et les courroies 27 et 34 ce qui supprime la poussée en amont de la fi-
lière et la traction en aval sur la structure en extrusion, on coupe par un
moyen quelconque la structure extrudée à une très courte distance de la
filière, par exemple à 20 centimètres, en vue de faciliter le re-démarrage et
on place alors le système de chauffage sur la position minimum désirée à
la fois pour l'extrudeuse 1 et pour la chambre d'alimentation 6.
Mais le chauffage, mame minimum, dans la chambre d'alimentation,
risquerait de faire couler de la matière thermoplastique à travers la t8te
de filière et de venir obturer certaines des tuyauteries 14 sinon toutes,
et elles ne pourraient plus alors fournir normalement le liquide de refroi-
dissement nécessaire en fonctionnement d'extrusion.
Il est vrai que pour éviter cet inconvénient, on pourrait laissercouler le liquide de refroidissement pendant tout l'arr8t de l'installa-
tion. ~ais cela serait onéreux.
C'est pourquoi l'invention propose de remplacer le liquide de re-
froidissement par de l'air comprimé. Pour cela, on ferme progressivementle robinet 11 du liquide de refroidissement, en ouvrant progressivement
le robinet 12 situé sur la tuyauterie 10 d`air comprimé. Celui~ci passe,
en les vidant de leur liquide de refroidissement, dans la tuyauterie 8 et
dans le compartiment 7, et sort par les tuyauteries 14 qu'il maintient
ouvertes en s'opposant à une entrée intempestive de la matière thermoplas-
tique qui s'écoulerait de la chambre d'alimentation 6, le long de la filière.
Pour re-démarrer l'installation, on met en route le chauffage nor-
mal de l'extrudeuse et de la chambre d'alimentation 6 et lorsque la tempé-
rature est atteinte, on substitue le liquide de refroidissement à l'air
comprimé dans les tuyauteries 14 en fermant progressivement le robinet 12
et en ouvrant progressivement le robinet 11 et on met en route l'extru-
deuse puis le banc de traction.
Pour arr8ter l'installation pour un temps asse~ long, on arr8te en
premier lieu l'extrudeuse et son système de chauffage, puis le système de
~0 chauffage de la chambre d'alimentation 6 et les courroies 27 et 34 formant
. :
.
,
- 8 - ~2~0~
le banc de traction. On nttend que la matière thermoplastique ne soit plus
fluente dans la chambre d'alimentation 6 et on ferme le robinet d'arr~t 11
du liquide de refroidissement. Comme dans le cas précédent, il est recom-
mandé dela couper à une petite distance de la filière 4, en vue de faci-
liter le re-démarrage.
Pour opérer celui-ciJ on met d'abord en route les systèmes de chauf-
fage de l'extrudeuse 1 et de la chambre d'alimentation 6 et on ouvre le
robinet 12 d'air comprimé pour empêcher la matière thermoplastique deve-
nant fluente d'obturer ies tuyauteries 14.
Lorsque la matière thermoplastique atteint la température d'extru-
sion, on remplace l'air comprimé par le liquide de refroidissement en
ouvrant progressivement le robinet 11 et en fermant progressivement le
robinet 12 et on met en route l'extrudeuse 1 et le banc de traction 27-3~.
Il est entendu que l'on peut, sans sortir de l'inventionJmodifier
des détails de construction et/ou de fonctionnement en vue d'obtenir les
mêmes résultats.
Par 0~emple, les plaques perforées 21 et 22 qui sont disposées dans
la chambre d'alimentation 63 pourraient, au lieu d'8tre chauffées directe-
ment, être chauffées indirectement, par exemple, par l'intermédiaire de
cordons de résistance qui pourraient être enroulés autour des cylindres 16.
Le profil hexagonal des alvéoles pourrait etre remplacé par tout
autre profil cylindrique, notamment triangulaire, permettant la réalisa-
tion de poutrelles résistant à la flexion.
Le bac 26 peu* 8tre équipé d'une vanne disposée,par exemple, à 50
centimètres de la filière. Cette vanne,dessinée en pointillé rep.35 sur la
fig.l, est ouverte en fonctionnement d'extrusion et fermée à l'arrêt de la
filière. Elle permet un remplissage instantané de la partie du bac entre
vanne et filière, au moment de la remise en route, ce qui représente un
gain de temps pour effectuer cette remise en route.
Pour assurer le libre passage des tuyauteries 14, on pourrait rem-
placer l'air comprimé par un circuit fermé de liquide de refroidissement
qui s'alimenterait dans la partie du bac fermée par la vanne 35 et revien-
drait en t8te de la chambre d'alimentation 6, en amont ou en aval du dis-
positif régulateur de température 5.
On pourrait également, dans le but de limiter la sortie de la matière
thermoplastique à travers la filière lorsque l'extrudeuse est arratée mais
avec un certain chauffage dans la chambre d'alimentation 6, aquiper celle-
ci d'une soupape réglable de manière à assurer l'évacuation d'un éventuel
surplus de volume de matière dû à une gazéification du fait de la chaleur,
et à éviter ainsi que ce surplus ne traverse la filière
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