Domaine technique

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de capsule par l'assemblage de deux éléments issus du formage de film thermoplastique. Elle concerne en particulier la fabrication de capsule emplie au moins partiellement par une matière sous forme solide, fractionnée, liquide, gazeuse ou pâteuse. Elle s'applique en particulier mais non exclusivement aux billes de peinture marquante utilisées dans les entraînements ou les jeux militaires.

Elle concerne également une installation mettant en œuvre ledit procédé.

Etat de la technique

De nombreux domaines techniques utilisent des capsules contenant une matière de différentes phases. Le domaine des médicaments utilisent des capsules pour contenir de la matière active sous forme de poudre, par exemple. La capsule est ingérée et l'enveloppe est dissoute pour libérer la matière active. Dans le domaine agricole, le demandeur a déjà proposé dans le document FR 2 943 219 A1 l'encapsulation d'engrais ou de produits phytosanitaires, afin de contrôler leur libération.

Un autre domaine d'utilisation de capsule est celui des billes de peinture marquante. Par bille de peinture marquante, on entend, au sens de la présente invention, une capsule généralement de forme sphérique, qui comprend une enveloppe et une composition de peinture marquante contenue dans cette enveloppe.

Dans ce contexte, la nature du matériau constitutif de l'enveloppe et ses caractéristiques dimensionnelles (notamment l'épaisseur) doivent être telles que l'impact provoqué d'une bille sur une cible provoque l'éclatement de l'enveloppe et l'étalement de la composition de peinture marquante sur la cible, ce qui indique que celle-ci a été atteinte.

A l'heure actuelle, une telle bille est réalisée avec une enveloppe en gélatine selon un procédé connu classiquement utilisé pour la fabrication de médicaments. Ce procédé comprend la formation par thermoformage de deux hémisphères, qui sont assemblés l'un avec l'autre par soudage, tandis que la composition marquante est introduite dans la cavité délimitée par les deux hémisphères.

Cette bille pose toutefois de nombreux problèmes liés à la nature de l'enveloppe.

En effet, étant donné que la gélatine est d'origine animale, sa préparation est délicate et il est difficile d'obtenir une composition constante et reproductible. En outre, la fabrication de billes en gélatine doit être effectuée dans des conditions atmosphériques contrôlées en raison de la grande sensibilité de la gélatine à l'humidité et à la température. Celle-ci se manifeste généralement comme suit : à partir d'un certain taux d'humidité, la gélatine se ramollit, tandis qu'à température élevée, elle a tendance à sécher. Par ailleurs, en cas de gel, l'eau contenue dans la gélatine se cristallise, ce qui a pour conséquence que la gélatine perd une partie de ses propriétés mécaniques. En conséquence également, les conditions de transport et de stockage sont strictes et nécessitent souvent des lieux à température maîtrisée avant et après la commercialisation des billes.

Enfin, la sensibilité de la gélatine à l'humidité impose d'utiliser des compositions de peinture non aqueuses à base de solvants tels que l'éthylène-glycol, le polyéthylène-glycol ou le polypropylène-glycol. Ces compositions de peintures non aqueuses se présentent généralement sous forme de gels visqueux et contiennent des solvants qui ne sont absolument pas respectueux de l'environnement.

Le demandeur a proposé dans le document WO2009/0747201 A1 une bille dont l'enveloppe est réalisée dans un matériau thermoplastique oxo-biodégradable. Ainsi la coquille peut rester dans la nature sans conséquence pour l'environnement, puisqu'elle peut disparaître naturellement sans laisser de trace. Cependant, le procédé de fabrication nécessite d'utiliser une composition de peinture autorisant une température élevée pour que le thermoformage puisse être réalisé dans la même opération que le remplissage.

L'invention vise donc à fournir un procédé et une machine de fabrication de capsules ou de billes permettant d'utiliser un matériau non sensible à l'humidité pour l'enveloppe indépendamment du matériau pour le fluide de remplissage.

Description de l'invention

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de capsule, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :

a) une étape de préparation comportant la préparation d'un premier et d'un deuxième élément de capsule formés à partir de film en matière thermoplastique, le premier élément au moins comportant une cavité, chaque élément étant muni d'une couronne périphérique,

b) une étape de rapprochement dans laquelle le premier et le deuxième élément sont rapprochés de manière à superposer les couronnes,

c) une étape de placement pour placer l'ensemble des deux éléments entre une sonotrode et une enclume, l'enclume comportant un évidement d'enclume et une surface de frappe entourant l'évidement d'enclume, la sonotrode comportant un évidement de sonotrode de même section que l'évidement d'enclume et une surface de travail entourant l'évidement de sonotrode, les surfaces de frappe et de travail étant prévues pour venir en contact l'une sur l'autre sur une zone de travail s'étendant le long des évidements, la zone de travail ayant une largeur comprise entre 0,05 et 1 mm ;

d) une étape de serrage dans laquelle on serre les couronnes entre la surface de travail et la surface de frappe par le rapprochement de la sonotrode et de l'enclume,

e) une étape de soudure dans laquelle on actionne la sonotrode par des ultrasons dirigés vers l'enclume en maintenant le serrage jusqu'à l'obtention de la soudure des éléments et la découpe en détachant les couronnes d'une capsule.

L'utilisation de moyens de soudure par ultrasons permet de s'affranchir des contraintes de température lors de la fermeture de la capsule. De plus, on a réussi à réaliser ensemble l'étape de soudure et l'étape de découpage, ce qui permet une grande productivité. Du fait de la présence des surfaces de travail et de frappe, en regard l'une de l'autre sur une largeur contrôlée et qui pincent les couronnes superposées, on constate qu'on forme une zone fondue par l'application des ultrasons suffisamment conséquente pour assembler les deux éléments de la capsule. La zone fondue est refoulée lors du serrage et du rapprochement de la sonotrode sur l'enclume de telle sorte qu'une partie de cette matière forme un bourrelet repoussé vers les évidements. Ce bourrelet assure la liaison entre les deux éléments après refroidissement et solidification. Dans ce procédé, seule la zone pincée entre les surfaces de travail et de frappe est échauffée.

Selon une application particulière, le deuxième élément a également une cavité, les cavités étant en forme de demi-sphères de manière à former une capsule en forme de bille. Dans ce cas, les évidements ont une section circulaire. On constate que la bille formée ne comporte qu'une trace limitée de la soudure, avec un relief inférieur à 0,1 mm.

Selon un perfectionnement, entre les étapes a) et b) de préparation et de rapprochement, on emplit la cavité avec un liquide ou un solide sous forme fractionnée dans une étape de remplissage. Le formage des cavités est réalisé en amont du remplissage, et le refroidissement a pu être réalisé avant la mise en place d'une matière de remplissage. Celle-ci n'est donc pas affectée par les risques de température élevée. Après l'étape de soudure, la matière est enfermée et à l'abri des conditions atmosphériques.

Selon un autre perfectionnement, entre les étapes a) et b) de préparation et de rapprochement, on emplit la cavité avec un gel dans une étape de remplissage. Le gel permet d'obtenir un remplissage complet de la capsule. De plus, lorsque les deux éléments comportent des cavités, il est possible de remplir les deux cavités et de retourner l'une d'elles au moins afin de réaliser leur rapprochement sans que la matière ne s'échappe par gravité. En effet, le gel adhère naturellement à la paroi interne des cavités et reste d'un seul tenant.

Selon une application particulière, le volume de gel déposé dans la cavité est supérieur à celui de ladite cavité. Le gel ainsi déposé est apte à emplir complètement la cavité, sans laisser d'air.

De préférence, lors de l'étape b) de rapprochement, les couronnes sont serrées l'une contre l'autre de manière à chasser à l'extérieur des couronnes un excédent de gel. On s'assure que le volume de la capsule sera entièrement empli de gel, sans volume d'air résiduel.

Dans une application particulière, le gel est une peinture et la capsule est une bille de paintball. La bille ainsi réalisée avec une enveloppe en matière thermoplastique peut être réalisée avec une peinture à base d'eau, contrairement aux capsules en gélatine selon l'art antérieur. En effet, la matière thermoplastique, telle que du polyéthylène ou du polypropylène n'est pas sensible à l'eau. Une telle peinture est moins nocive pour l'environnement. De plus, les conditions de stockage sont facilitées du fait qu'il n'est pas nécessaire de préserver les billes de l'humidité et du fait que l'enveloppe n'est pas sensible aux températures extrêmes d'environnement.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé, - la largeur de la zone de travail est comprise entre 0,1 et 0,4 mm. La plus faible largeur est adaptée aux fortes épaisseurs de films pour faciliter leur découpe, tandis que les plus fortes largeurs sont adaptées aux faibles épaisseurs de films afin de faire fondre une quantité suffisante de matière pour former le bourrelet reliant les deux éléments ;

- la puissance des ultrasons pendant l'étape e) de soudure est croissante. Un niveau de puissance modéré initialement permet de chasser éventuellement la matière excédentaire qui se trouverait entre les couronnes, et de commencer échauffement pour obtenir le ramollissement de la matière thermoplastique. Une augmentation de la puissance en fin d'opération permet de garantir la fusion en un seul bourrelet de la matière issue des couronnes et de le repousser jusqu'à obtenir la découpe ;

- la fréquence des ultrasons est comprise entre 25 et 40 kHz, de préférence entre 30 et 35 kHz. Les meilleures résultats ont été obtenus avec ces valeurs ;

- on munit les couronnes de moyens de retenue à l'étape a) de préparation, l'étape b) de rapprochement étant complétée par l'assemblage des moyens de retenue de manière à assembler le premier et le deuxième élément. Les moyens de retenue permettent de faciliter le transport de l'ensemble formé par les éléments. Ces moyens peuvent être une soudure temporaire ou des formes qui s'emboîtent ou s'encliquettent ;

- le premier élément est issu d'une première bande et le deuxième élément est issu d'une deuxième bande. Les éléments sont ainsi reliés entre eux, ce qui permet de les transférer facilement d'un poste à l'autre ;

- le premier élément et le deuxième élément sont en matière thermoplastique biodégradable. L'utilisation d'une matière biodégradable est avantageuse pour les applications dans lesquelles les capsules seront utilisées et resteront à l'extérieur. Ainsi, les enveloppes se dégraderont pour disparaître. La matière contenue dans la capsule sera libérée ou dégradée également. L'invention a aussi pour objet une installation de fabrication d'une capsule, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de réception d'un premier et d'un deuxième élément de capsule formés à partir de film en matière thermoplastique, le premier élément au moins comportant une cavité, chaque élément étant muni d'une couronne périphérique, des moyens de rapprochement pour rapprocher le premier et le deuxième élément de manière à superposer les couronnes, des moyens de soudure comportant une sonotrode et une enclume, l'enclume comportant un évidement d'enclume et une surface de frappe entourant l'évidement d'enclume, la sonotrode comportant un évidement de sonotrode de même section que l'évidement d'enclume et une surface de travail entourant l'évidement de sonotrode, les surfaces de frappe et de travail étant prévues pour venir en contact l'une sur l'autre sur une zone de travail s'étendant le long des évidements, la zone ayant une largeur comprise entre 0,05 et 1 mm, les moyens de soudure comportant des moyens de serrage pour serrer les couronnes entre la surface de travail et la surface de frappe par le rapprochement de la sonotrode et de l'enclume, et des moyens de génération d'ultrasons pour générer des ultrasons dans la sonotrode dirigés vers l'enclume, l'installation mettant en œuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 13.

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier et d'un deuxième film de matière thermoplastique avant formage ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 de deux éléments après une étape de formage ;

- la figure 3 montre une étape de remplissage ;

- la figure 4 montre une étape de rapprochement dans laquelle les deux éléments sont assemblés ;

- la figure 5 montre une étape de soudure des deux éléments entre eux ;

- la figure 6 est une vue du détail VI de la figure 5.

DESCRIPTION DETAILLEE

Un mode de réalisation du procédé selon l'invention va être décrit en lien avec la fabrication de billes à peinture marquante, bien que le procédé puisse s'appliquer à la fabrication de capsules ayant d'autres applications.

La figure 1 montre un premier et un deuxième film 1 , 2 de matière thermoplastique oxo-biodégradable, telle que du polyéthylène ou du polypropylène, d'une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm, de préférence entre 0,2 et 0,3 mm.

En se référant à la figure 2, un premier élément 10 est formé à partir du premier fil m1 tandis qu'un deuxième élément 20 est formé à partir du deuxième film 2. Pour cela, chaque film 1 , 2 est chauffé de manière à le ramollir, puis subit une opération de thermoformage, d'une manière connue en soi, par l'application de poinçons contre des matrices, non représentés, combinée éventuellement à une aspiration ou à un soufflage par de l'air contre les matrices. Lors de cette opération, le premier élément 10 est formé avec une première cavité 101 hémisphérique et une première couronne 102 entourant la première cavité 101 , ainsi que deux premières cuvettes 31 issues de la première couronne 102 du même côté que la première cavité 101 par rapport à la première couronne 102. Le deuxième élément 20 est formé avec une deuxième cavité 201 hémisphérique et une deuxième couronne 202 entourant la deuxième cavité 201 , ainsi que deux deuxièmes cuvettes 32 issues de la deuxième couronne 202 du côté opposé à la deuxième cavité 201 par rapport à la deuxième couronne 202. Plusieurs éléments peuvent être réalisés en parallèle à partir d'un même film, celui-ci étant refendu avant ou après l'opération de thermoformage pour former une bande d'éléments 10, 20 les uns à la suite des autres. Lorsque plusieurs bandes sont obtenues à partir de films larges, il est possible de séparer chacune des bandes vers des postes spécifiques, chaque poste mettant en œuvre le remplissage et la soudure de manière indépendante l'un de l'autre. Le dysfonctionnement de l'un des postes n'oblige par à arrêter les autres postes.

Le premier et le deuxième élément 10, 20 se refroidissent après formage et durcissent. Ils sont amenés à un poste de remplissage auquel les cavités 101 , 201 reçoivent une peinture marquante sous forme de gel 4 comme montré sur la figure 3. Le volume est légèrement excédentaire par rapport au volume des cavités 1 01 , 201 .

Le deuxième élément 20 est retourné et plaqué contre le premier élément 1 0 par des moyens de rapprochement, non représentés, lors d'une étape de rapprochement, pour arriver à la position représentée sur la figure 4. Lors de cette étape de rapprochement, les cuvettes 31 , 32 sont emboîtées par paire d'une première cuvette 31 et d'une deuxième cuvette 32, de manière à former des moyens de retenue 3.

L'étape suivante est représentée sur les figures 5 et 6. L'ensemble 5 des deux éléments 1 0, 20 assemblés est placé dans des moyens de soudure 6, entre une enclume 61 et une sonotrode 62. L'enclume 61 comporte un évidement d'enclume 61 0 de forme cylindrique de section circulaire et une surface de frappe 61 1 entourant l'évidement d'enclume 61 0. La surface de frappe 61 1 est prolongée vers l'extérieur par une surface de dégagement 61 2, de forme tronconique. La sonotrode 62 comporte un évidement de sonotrode 620 de même section que l'évidement d'enclume 61 0 et une surface de travail 621 entourant l'évidement de sonotrode 620. Les surfaces de frappe et de travail 61 1 , 621 sont prévues pour venir en contact l'une sur l'autre sur une zone de travail s'étendant le long des évidements 610, 620, la zone ayant une largeur I comprise entre 0,05 et 1 mm. Les moyens de soudure 6 comportent des moyens de serrage, non représentés, pour rapprocher et serrer la sonotrode 62 contre l'enclume 61 . Les moyens de soudure 6 comportent également des moyens de génération d'ultrasons, non représentés, pour générer des ultrasons dans la sonotrode 62 dirigés vers l'enclume 61 . Les cavités 101 , 201 des éléments 10, 20 se logent respectivement dans les évidements 610, 620 d'enclume et de sonotrode, comme montré sur la figure 5. L'enclume et la sonotrode sont montés coulissants l'un en regard de l'autre selon le même axe et actionné par des vérins, par exemple pneumatiques, non représentés.

Lors de l'étape de soudure, après l'introduction de l'ensemble des deux éléments 10, 20 entre la sonotrode 62 et l'enclume 61 , ces dernières sont rapprochées par les vérins jusqu'à enserrer les couronnes 102, 202. Une pression de serrage est maintenue pendant une durée suffisante pour amener les couronnes 102, 202 en contact l'une avec l'autre en évacuant l'excédent de gel 4 vers la périphérie des couronnes 102, 202. Puis les moyens de génération des ultrasons sont activés afin de réaliser la soudure. En maintenant une pression, la puissance est fournie d'abord à un premier niveau, afin de finir de chasser le gel 4 résiduel entre les couronnes 102, 202 en regard des surfaces de travail et de frappe, et de commencer à faire fondre la matière des couronnes 102, 202 en périphérie des cavités 101 , 201 . Quand la matière est à une température suffisante, la puissance des ultrasons est augmentée. Dans la zone de soudure, la matière des deux couronnes 102, 202 se réunit et forme un bourrelet qui est chassé vers les cavités 101 , 201 . La sonotrode 62 et l'enclume 61 viennent en contact de manière à ne laisser subsister aucune matière entre les couronnes 102, 202 et les cavités 101 , 201 . La soudure est terminée ainsi, les ultrasons sont stoppés et les cavités 101 , 201 forment une capsule en forme de bille à peinture marquante qui est évacuée par l'un des évidements 61 0, 620. La sonotrode 62 et l'enclume 61 s'écartent et les couronnes 1 02, 202 restantes sont évacuées. L'opération peut être renouvelée pour fabriquer une autre capsule.

Des essais de fabrication ont été conduits en faisant varier certains paramètres. Ceux qui sont rapportés ici ont été conduits avec un même film de polypropylène d'épaisseur environ 0,45 mm. La largeur de la surface de travail était de 0,2 mm. Les cavités 1 01 , 201 étaient formées par themoformage en forme hémisphérique de diamètre 1 2,7 mm. La puissance des ultrasons était maintenue constante tout au long de la phase de soudure-découpé à 35 kHz. Une première phase de test a été réalisée sans remplissage. Une deuxième phase a été conduite en remplissant chaque cavité par une peinture à l'eau sous forme de gel.

Les paramètres qui ont variés sont : la pression d'air dans les vérins de diamètre 40 mm, le temps d'application des ultrasons, la puissance des ultrasons (80% correspond ci-après à une amplitude de 39 μιτι).

Tableau 3 : pression 1 ,5 bar Cas Puissance Durée de soudage

Soudure Découpe Fluage ultrasons (s)

10 80% 0,1 Non Non

11 80% 0,2 Oui Non Mauvais

12 80% 0,3 Ouverte

Tableau 4 : pression 6 bar

On constate que dans les nombreux essais, très peu de combinaisons de paramètres sont concluantes. Les critères qui ont été évalués sont les suivants :

- soudure : les cavités sont-elles assemblées, si oui, l'assemblage est- il ouvert ? On attend que la capsule soit fermée de manière étanche.

- découpe : est-elle réalisée ?

- fluage : un bourrelet est-il formé dans la capsule formée ? La formation de celui-ci témoigne d'une solidité de la soudure.

On en conclut que si la durée d'application des ultrasons est insuffisante, la découpe ne se fait pas (cas 1 / cas 2). La soudure est également affectée par une durée trop courte (cas 9 / cas 8). Une puissance trop élevée rend difficile le contrôle de la durée de soudure (cas 4 / cas 5) entre le fait réaliser la découpe ou d'avoir une soudure étanche. La force d'application de la sonotrode sur l'enclume est également déterminante. Pas assez fort, et la soudure ne se fait pas de manière étanche (tableau 3), trop fort, et l'enclume et la sonotrode vienne rapidement en contact ce qui met la machine en défaut avant la réalisation de la découpe (tableau 4).

Avec les paramètres ainsi déterminés, des billes à peinture marquante à l'eau ont été réalisées. Les essais de tir ont été concluants en ce que les billes n'éclatent pas lors du tir, même avec de fortes puissances de tir (330 pieds/s), mais en touchant la cible. La trajectoire des billes est satisfaisante en permettant d'atteindre une cible à 20 m à coup sûr. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple. La section des évidements 610, 620 peut être quelconque, de même que la forme des cavités 101 , 201 . Les cavités 101 , 201 peuvent n'être remplies que partiellement, par une matière solide fractionnée ou par un liquide.