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Title:
DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF A MOLD USING A LASER BEAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/071653
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for controlling the temperature of a mold (1) for manufacturing a plastic part (8). Said device comprises means (100) for heating the molding surface and including at least one radiation head (112). The heating means (100) include a heat exchange plate (120) made of a heat-conductive material and arranged such as to be in contact with a localized area (130) of the wall (4a, 4b) of the mold (1). The radiation head (112) is capable of controlling the temperature of the heat exchange plate (120) by emitting a beam (114) of rays that is directed toward the heat exchange plate (120). Moreover, the invention relates to a method for controlling the temperature of a mold for manufacturing a plastic part (8).

Inventors:
TORRES OLIVIER (FR)
GUILLIER STÉPHANE (FR)
Application Number:
PCT/FR2015/053015
Publication Date:
May 12, 2016
Filing Date:
November 06, 2015
Export Citation:
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Assignee:
PLASTIC OMNIUM CIE (FR)
TORRES OLIVIER (FR)
GUILLIER STÉPHANE (FR)
International Classes:
B29C33/06; B29C35/08
Domestic Patent References:
WO2013190020A12013-12-27
Foreign References:
DE102008023479A12008-12-04
US5785903A1998-07-28
DE4308008A11994-09-15
US20040185137A12004-09-23
EP2647479A12013-10-09
Other References:
ANONYMOUS: "Variotherm Temperature Control via Laser Beam Heating | Kunststoffe.de", 13 December 2010 (2010-12-13), XP055190607, Retrieved from the Internet [retrieved on 20150520]
CHARLES DANIEL FOX ET AL: "A BASIC UNDERSTANDING OF RAPID MOLD SURFACE HEATING VIA LASER ENERGY", 1 January 2012 (2012-01-01), XP055190609, Retrieved from the Internet [retrieved on 20150521]
Attorney, Agent or Firm:
REMY, VINCENT (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Dispositif de régulation de la température d'un moule pour la fabrication d'une pièce (8) en matière plastique, comprenant des moyens de chauffage (100) de la surface moulante comprenant au moins une tête de rayonnement (112),

caractérisé en ce que les moyens de chauffage (100) comprennent une plaque d'échange thermique (120) réalisée en un matériau thermiquement conducteur et agencée pour être en contact avec une zone localisée (130) de la paroi (4a, 4b) du moule (1 ),

la tête de rayonnement (112) étant apte à réguler la température de la plaque d'échange thermique (120) par émission d'un faisceau de rayons (114) dirigé vers la plaque d'échange thermique (120).

2. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de chauffage (100) comprennent une plaque d'isolant thermique (142) disposée entre la tête de rayonnement (112) et la plaque d'échange thermique (120), ladite plaque d'isolant thermique (142) étant munie d'un orifice (144) adapté au passage du faisceau de rayons (114).

3. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de rayonnement (112) est une source laser comprenant une tête optique reliée à une source d'alimentation (116) par une fibre optique (118).

4. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modulation de la puissance du rayonnement de manière à pouvoir faire varier la température de la plaque d'échange thermique (120).

5. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (100) sont disposés dans un corps métallique (102) destiné à être placé dans une cavité (104) réalisée dans la paroi (4a, 4b) du moule (1 ).

6. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d'échange thermique (120) présente une forme identique ou similaire à celle de la zone localisée (130) de la paroi (4a, 4b) du moule afin d'être positionnée en tout point à une distance sensiblement constante de cette zone localisée (130).

7. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d'échange thermique (120) est une plaque d'échange thermique réalisée en graphite ou en graphène.

8. Dispositif de régulation de la température d'un moule selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la plaque d'isolant thermique (142) est réalisée dans un matériau de type microporeux.

9. Moule pour la fabrication d'une pièce (8) en matière plastique comprenant un dispositif de régulation de la température (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.

10. Procédé de régulation de régulation de la température d'un moule pour la fabrication d'une pièce (8) en matière plastique par régulation de la température d'une plaque d'échange thermique (120) par émission d'un faisceau de rayons (114) dirigé vers une plaque d'échange thermique (120) réalisée en un matériau thermiquement conducteur et agencée pour être en contact avec une zone localisée de la paroi (4a, 4b) du moule (1 ).

Description:
DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE D'UN MOULE

PAR FAISCEAU LASER

La présente invention concerne un dispositif de régulation de la température d'un moule.

De façon générale, afin de réaliser une pièce en matériau plastique ou composite dans le domaine de la construction automobile, l'on utilise des moules d'injection ou de compression en matériau métallique dont on chauffe et refroidit alternativement les zones moulantes afin de conformer la matière contenue dans le moule à la forme désirée.

A cet effet, des dispositifs conventionnels de régulation de la température d'un moule sont généralement composés de moyens de chauffage et/ou de refroidissement par conduction d'eau chaude pressurisée, les moyens de chauffage fonctionnant notamment par induction, résistance électrique, ou par circulation de fluides (eau, huile... etc.) ou de gaz (vapeur sous pression).

De tels dispositifs présentent de nombreux inconvénients. S'agissant des dispositifs à moyens de chauffage par circulation de fluides, afin de chauffer les zones au contact de la pièce, les moyens de chauffage doivent traverser d'autres zones du moule (parois notamment), entraînant une déperdition de chaleur et une grande inertie dans les cycles de chauffe et de refroidissement. Les dispositifs à moyens de chauffage par induction ou résistance électrique permettent d'éviter en partie ces inconvénients, mais en présentent d'autres, tels qu'une très forte consommation énergétique et le fait de ne pouvoir être utilisés que pour former des pièces de petites dimensions et de forme sensiblement plane.

Outre la moindre efficacité énergétique de tels dispositifs, ils complexifient la conception et la réalisation du moule. Ceci est particulièrement le cas des dispositifs à moyens de chauffage par circulation de fluides qui imposent l'installation de circuits percés qui suivent les formes de la surface moulante.

Il existe donc un besoin de disposer d'un dispositif de régulation de température d'un moule énergétiquement efficace et permettant de simplifier la conception et la réalisation du moule

Il a déjà été proposé, dans EP 2 647 479, un procédé de fabrication d'une pièce à base de matière plastique moussée comprenant des étapes d'injection de matière moussée dans un moule chauffé et de refroidissement du moule. Le moule y est toutefois chauffé de manière homogène sur toutes ses parois en contact avec la matière de la pièce à réaliser, par exemple par laser.

Un tel procédé souffre donc d'une grande partie des inconvénients évoqués ci- dessus. L'invention a pour but d'y remédier en fournissant un dispositif de régulation de la température d'un moule pour la fabrication d'une pièce en matière plastique, comprenant des moyens de chauffage de la surface moulante comprenant au moins une tête de rayonnement.

L'invention se distingue par le fait que les moyens de chauffage comprennent une plaque d'échange thermique réalisée en un matériau thermiquement conducteur et agencée pour être en contact avec une zone localisée d'une paroi du moule, la tête de rayonnement étant apte à réguler la température de la plaque d'échange thermique par émission d'un faisceau de rayons dirigé vers la plaque d'échange thermique.

Un tel dispositif, de par sa régulation de température localisée, permet d'éviter la grande inertie dans les cycles de chauffe et de refroidissement et les déperditions de chaleur entraînées par un chauffage global, tout en étant énergétiquement efficace.

L'usage d'un dispositif selon l'invention évite également de devoir prévoir un réseau complexe de tuyauterie visant à refroidir l'ensemble du moule. Le fait de simplifier ce réseau, voire de ne pas utiliser un tel réseau, permet d'alléger les coûts d'investissement, les temps de montage ou démontage, mais permet également de réduire la taille des blocs constituant le moule.

La maintenance du système de refroidissement est également rendue moins fréquente du fait de la réduction de la taille du réseau et donc des fuites potentielles.

L'usage de têtes de rayonnement s'avère également particulièrement avantageux car elles permettent de faire monter très rapidement en température, ce qui peut parfois accélérer encore davantage les cycles de moulage.

En outre, étant particulièrement fiables, leur usage réduit les risques de panne et par conséquent réduit le temps de maintenance et leurs coûts associés.

Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de chauffage comprennent une plaque d'isolant thermique disposée entre la tête de rayonnement et la plaque d'échange thermique, ladite plaque d'isolant thermique étant munie d'un orifice adapté au passage du faisceau de rayons.

Ceci est particulièrement utile pour protéger les moyens de chauffage dans le cadre d'une fabrication de pièces par un procédé par compression on injection.

Ceci permet notamment d'empêcher que la tête de rayonnement ne soit endommagée par l'élévation de température de la plaque de matériau conducteur.

Dans un mode de réalisation particulier, qui présente l'avantage d'être simple de mise en œuvre, la tête de rayonnement est une source laser comprenant une tête optique reliée à une source d'alimentation par une fibre optique.

Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif de régulation comprend en outre des moyens de modulation de la puissance du rayonnement de manière à pouvoir faire varier la température de la plaque d'échange thermique.

Ceci permet de mieux contrôler la température de la zone localisée de la paroi et donc de la matière à mouler pour former la pièce.

En particulier, ceci permet d'utiliser des procédés de fabrication par paliers de température comme les procédés de moulage par injection basse pression de résine liquide (Resin Transfer Molding en terminologie anglo-saxonne).

Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de chauffage sont disposés dans un corps métallique destiné à être placé dans une cavité réalisée dans la paroi du moule.

Ceci présente l'avantage de conférer une plus grande modularité au dispositif, et en particulier de pouvoir remplacer et/ou déplacer facilement les moyens de chauffage dans le moule.

Dans un mode avantageux en efficacité, la plaque d'échange thermique présente une forme identique ou similaire à celle de la zone localisée de la paroi du moule afin d'être positionnée en tout point à une distance sensiblement constante de cette zone localisée.

Dans un mode de réalisation particulier, la plaque d'échange thermique est réalisée en graphite ou en graphène.

Le graphite est un matériau particulièrement adapté pour constituer la plaque d'échange thermique car il est à la fois particulièrement conducteur thermiquement et résistant aux températures élevées.

Dans un mode de réalisation particulier, la plaque d'isolant thermique est réalisée dans un matériau de type microporeux.

On rappelle ici qu'un matériau microporeux est un matériau à structure poreuse, autrement dit comportant des cellules fermées dont les dimensions sont inférieures au libre parcours moyen de certaines molécules.

De tels matériaux sont particulièrement adaptés pour constituer la plaque d'isolation thermique car ils sont par nature constitués d'alvéoles remplies de gaz, et bénéficient par conséquent d'une conductivité thermique très basse.

L'invention concerne également un moule pour la fabrication d'une pièce en matière plastique comprenant un dispositif de régulation de la température selon l'invention.

L'invention concerne également un procédé de régulation de la température d'un moule pour la fabrication d'une pièce en matière plastique par régulation de la température d'une surface d'échange thermique par émission d'un faisceau de rayons dirigé vers une surface d'échange thermique réalisée en un matériau thermiquement conducteur et agencée pour être en contact avec une zone localisée de la paroi du moule. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe d'un moule pour la fabrication d'une pièce en matière plastique muni d'un dispositif de régulation de la température selon l'invention ;

- la figure 2 est une représentation schématique de moyens de chauffage d'un dispositif de régulation de la température de la figure 1 .

On a représenté sur la figure 1 un moule 1 selon un mode de réalisation de l'invention.

Il comprend un bloc supérieur 2a et un bloc inférieur 2b comprenant respectivement une paroi supérieure 4a et une paroi inférieure 4b qui définissent entre elles une chambre 6. C'est dans cette chambre 6 qu'est moulée la matière formant une pièce 8.

Le moule 1 comprend un dispositif de régulation de la température 10, qui comprend, dans le mode de réalisation ainsi présenté, une pluralité de moyens de chauffage sous la forme d'intensifieurs 100 (« boosters » en terminologie anglo- saxonne).

De préférence, une pluralité d'intensifieurs 100 sont disposés de part et d'autre de la chambre 6, autrement dit des intensifieurs 100 sont disposés à la fois dans le bloc supérieur 2a et dans le bloc inférieur 2b.

Dans un autre mode de réalisation, non représenté, il peut n'y avoir d'intensifieurs 100 que dans le bloc supérieur 2a ou que dans le bloc inférieur 2b.

Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 1 , les intensifieurs 100 sont régulièrement répartis le long des blocs supérieur 2a et inférieur 2b en regard de la chambre 6. Il va de soi que leur disposition, tout comme leur nombre et leur taille ou forme, peut varier selon les utilisations désirées. Ainsi, les intensifieurs 100 peuvent être répartis en quinconce (dans la direction normale à la figure), avec un pas précis, ou non.

Un de ces intensifieurs 100 est représenté de façon plus précise à la figure 2.

Chaque intensifieur 100 comprend un corps 102, réalisé de préférence en matériau métallique, qui est disposé dans une cavité 104 réalisée dans le moule 1 .

Le corps 102 abrite, dans un espace 106, une tête de rayonnement 112, par exemple infrarouge ou laser.-Elle est ici composée d'une tête laser 112 adaptée à émettre un faisceau laser 114 et d'une source d'alimentation 116 par l'intermédiaire d'une fibre optique 118.

On notera que sur la figure 1 , les sources d'alimentation des têtes laser ne sont pas dessinées et que la représentation des intensifieurs a été simplifiée pour des raisons de clarté. Par ailleurs, dans une variante non représentée, le faisceau laser 114 peut être transmis et/ou guidé par l'intermédiaire de miroirs plutôt que par l'intermédiaire d'une fibre optique. Le corps 102 abrite également une plaque d'échange thermique 120 réalisée dans un matériau thermiquement conducteur (à conductivité thermique élevée) tel que le graphite, qui est disposée dans la cavité 104 de manière à être en contact avec une zone localisée 130 de la paroi inférieure 4b de la chambre 6 du moule.

La zone localisée 130 est elle-même en contact avec une zone localisée de la pièce à mouler 8.

De préférence, toute la surface de la plaque d'échange thermique 120 est en contact avec une zone localisée 130 de la paroi inférieure 4b associée.

Plus particulièrement encore, la plaque d'échange thermique 120 présente avantageusement une forme identique ou similaire à celle de la zone localisée 130 de la paroi inférieure du moule 4b afin d'être positionnée en tout point à une distance sensiblement constante de cette zone localisée.

La plaque d'échange thermique 120 est placée sur la trajectoire du faisceau laser

114 de manière à ce que le faisceau laser 114 puisse la chauffer par rayonnement.

Ainsi, la plaque d'échange thermique 120 étant en contact avec la zone localisée 130 du la paroi inférieure 4b du moule 1 , elle transmet par conduction la chaleur issue du rayonnement à la zone localisée 130. Elle ne la transmet en revanche pas ou très peu au reste du moule 1 , ce qui évite un chauffage global et les inconvénients qui y sont associés.

La zone localisée 130 de la paroi inférieure 4b étant elle-même en contact avec une zone localisée de la pièce 8 à fabriquer, elle transmet à son tour par conduction cette chaleur à la zone localisée de la pièce 8. Elle ne la transmet en revanche pas à l'ensemble de la pièce 8, ce qui augmente la précision du moulage.

De même, les autres intensifieurs 100 chauffent les zones localisées des parois supérieures 4a et inférieures 4b en face desquels ils se trouvent, et par ce biais les zones localisées de la pièce 8 associées.

De préférence, le dispositif de régulation 10 comprend en outre des moyens de modulation de la puissance du rayonnement, par exemple à travers une modulation (de puissance/intensité, distance focale, longueur d'onde, cyclage « marche/arrêt» ...) du faisceau laser 114 afin de pouvoir faire varier la température de la plaque d'échange thermique 120. Ces moyens ne sont pas représentés en détail et sont par exemple intégrés dans la source d'alimentation 116.

Comme on peut le voir sur la figure 2, dans le mode de réalisation préféré représenté ici, le corps 102 abrite également une plaque d'isolant thermique 142 disposée entre la plaque d'échange thermique 120 et la tête de rayonnement 112. La plaque d'isolant thermique 142 permet de protéger la tête de rayonnement 112 de la chaleur engendrée par l'émission du faisceau de rayons 114 sur la plaque d'échange thermique 120. En l'occurrence, on veut ici protéger la tête laser 112.

La plaque d'isolant thermique 142 est à cet effet munie d'un orifice 144 permettant le passage du faisceau laser 114.

La plaque d'isolant thermique 142 est de préférence réalisée dans un matériau de type microporeux qui présente l'avantage de bénéficier d'une conductivité thermique très basse.

Comme on peut le voir sur la figure 1 , dans le mode de réalisation préféré représenté ici, le moule 1 comprend des moyens d'isolation thermique 150 disposés autour des intensifieurs 100. Ces moyens d'isolation thermique sont disposés pour constituer un espace fermé autour de la chambre 6, et ils forment ainsi une enveloppe isolante, telle un sarcophage, autours des intensifieurs 100. Ces moyens permettent ainsi de confiner la chaleur dans la chambre 6. Cette enveloppe est prise en sandwich entre les deux blocs (2a, 2b) du moule 1 et doit donc résister à la pression au sein du moule 1 .

On notera que d'autres configurations des moyens d'isolation thermique 150 peuvent être envisagées selon la forme et la disposition des blocs supérieur 2a et inférieur 2b.

D'une manière générale, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.

Ainsi, la tête de rayonnement peut être directement placée dans le moule : dans ce cas, l'émission du faisceau de rayon est directe.