FR2713113A1 - Procédé de fabrication de couvercles et de boîtes en complexes métal-polymère-métal munis d'un bord roulé. - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un procédé permettant de rouler, en vue du sertissage, le bord d'un couvercle ou d'une boîte en complexe métal-plastique-métal sur un petit diamètre sans provoquer de fissure dans la couche métallique mise en extension ou cours de cette opération de pliage. Ce procédé consiste à diminuer localement l'épaisseur de plastique dans la zone qui doit être roulée afin que le complexe, réduit à une mince couche de plastique entre deux feuilles de métal, se comporte à peu près comme une feuille de métal homogène. Le plastisque refoulé hors de la zone destinée à être roulée forme un bourrelet soit vers l'extérieur de cette zone, soit vers l'intérieur. Le procédé s'applique aux boîtes alimentairet aux boîtes-boisson en complexe métal-plastique-métal ainsi qu'aux couvercles de ces boîtes. Les corps de boîtes et couvercles fabriqués par le procédé constituent également un objet de l'invention.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE COUVERCLES ET DE BOITES
EN COMPLEXES METAL-POLYMERE-METAL MUNIS D'UN BORD ROULE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.

L'invention appartient au domaine technique de la fabrication, par emboutissage ou emboutissage-étirage à partir de matériaux complexes métalloplastiques stratifiés, de boîtes destinées par exemple au conditionnement de boissons ou d'aliments, de récipients pour aérosols ou de couvercles à ouverture facile ou non.

Plus précisément, le complexe métalloplastique utilisé dans la présente invention est du type métal-polymère-métal, c'est-àdire dans lequel une feuille de polymère est intercalée entre deux feuilles métalliques auxquelles elle adhère.

Dans le texte de cette demande de brevet, on utilisera indifféremment pour la désignation de ce complexe les termes: métal-plastique-métal, métal-polymère-métal, ou plus simplement, de façon abrégée, MPM.

DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR.

De nombreux documents décrivent des complexes métalloplastiques stratifiés destinés à la fabrication de boîtes de conserve alimentaires, de boîtes-boisson ou de couvercles. Cependant, la majorité d'entre eux concernent des complexes métal-polymère ou polymère-métal-polymère, les complexes métal-polymère-métal étant plus rares.

A titre d'illustration, on peut citer la demande de brevet internationale PCT déposée le 25 juin 1981 par METAL BOX
LIMITED et publiée sous le n" WO 82/00020 le 7 janvier 1982.

Cette demande a donné naissance, en particulier, au brevet européen EP 0 055 719.

Ce brevet décrit une structure métalloplastique composée dans son mode de réalisation le plus simple, d'un film de polyéthylène (appelé pour abréger PE) liée à une feuille ou une tôle de métal. Un autre mode de réalisation consiste en deux films de PE liés aux surfaces opposées d'une tôle métallique pour former un complexe PE-métal-PE. Enfin un troisième mode de réalisation consiste en deux tôles ou feuilles de métal liées aux surfaces opposées du film de PE.

Le PE utilisé, obtenu par copolymérisation de l'éthylène et du butène-1, est du type linéaire à basse densité et il a été trouvé que ce type particulier dont les caractéristiques sont décrites dans la demande a la propriété intéressante d'adhérer directement au métal sans qu'il soit besoin d'utiliser un adhésif. I1 suffit de le faire adhérer au métal par application simultanée de chaleur et de pression (thermocollage).

Le substrat métallique peut être de l'acier, de l'acier ayant un revêtement d'étain ou de chrome ou de chrome/oxyde de chrome ou de zinc, de l'aluminium allié ou non, du nickel, du cuivre ou du zinc. I1 peut avoir subi un traitement de conversion chimique.

Dans les exemples donnés, des feuilles de différents types de
PE de 100 micromètres d'épaisseur sont ainsi thermocollées sur des tôles de différents métaux: acier, acier étamé, acier revêtu chrome-oxyde de chrome, aluminium, d'épaisseur 210 micromètres. Les échantillons obtenus sont ensuite mis en forme d'articles creux par plissage, estampage, emboutissage, étirage des parois. L'adhérence des revêtements est comparée et met en évidence la supériorité du PE linéaire à basse densité.

Le brevet français FR 2 665 887 (PECHINEY EMBALLAGE
ALIMENTAIRE) décrit une capsule de surbouchage emboutie, emboutie-étirée ou fluotournée, caractérisée en ce qu'elle comprend deux couches d'aluminium liées entre elles par une couche adhésive de dureté Shore inférieure à 80. La couche adhésive peut être constituée de copolymère éthylène-acide acrylique ou de polyéthylène ou de polypropylène modifiés par des fonctions acides. L'épaisseur totale du complexe est comprise entre 120 et 400 um avec la répartition suivante en % de l'épaisseur totale:
-couche extérieure d'aluminium: 20 à 50 %
-couche adhésive: 3 à 30 %
-couche intérieure d'aluminium: 40 à 60 %
PROBLEME POSE
Le problème posé aux inventeurs était celui de l'amélioration des corps de boîtes embouties, en particulier alimentaires, de boîtes embouties-étirées destinées aux boissons et de leurs couvercles, qu'ils soient à ouverture facile ou standard.

Le procédé de mise en forme des boites alimentaires est le procédé d'emboutissage-réemboutissage, celui des boîtesboisson est l'emboutissage-étirage, celui des couvercles est l'emboutissage. Tous ces procédés permettent des cadences de production très élevées.

Dans tous les cas, on commence par une passe d'emboutissage.

On part d'un flan circulaire plan en acier ou alliage d'aluminium. Pour les couvercles, ce flan est embouti en une seule passe. Pour les boîtes alimentaires, il est embouti soit en une seule passe, soit en deux ou plusieurs passes. Dans ce dernier cas, la première passe donne une ébauche en forme de coupelle qui est ensuite réemboutie pour diminuer son diamètre et augmenter sa hauteur. Enfin, pour les boîtes-boisson, l'ébauche en forme de coupelle obtenue par emboutissage en une ou plusieurs passes est ensuite étirée à l'aide d'une série de bagues d'étirage, généralement au nombre de trois, de diamètres intérieurs décroissants. I1 en résulte un amincissement et un allongement corrélatif de la paroi. Toutes ces techniques sont bien connues de l'home du métier.

Ces boîtes et couvercles à ouverture facile sont revêtus intérieurement par un vernis alimentaire et extérieurement par une ou plusieurs couches de décoration indiquant la nature et la marque du produit contenu.

Parmi les éléments du prix de revient des boîtes et couvercles obtenus par emboutissage ou emboutissage-étirage, le coût du métal, en dépit de son faible poids, intervient pour une part prépondérante. L'idée est donc venue aux chercheurs de remplacer une partie de ce métal par une matière moins coûteuse: la matière plastique. Le prix des polymères usuels, polyoléfines telles le polyéthylène (PE) ou le propylène (PP), polyesters (PET), polyamides est généralement inférieur, à épaisseur égale, à celui des alliages d'aluminium.

Le module d'élasticité et la limite d'élasticité de la plupart des matières plastiques étant beaucoup plus faibles que celles des métaux, la substitution du plastique au métal se heurte à plusieurs problèmes de structure. En plus de ces problèmes de structure, se posent des problèmes de procédé, liés au fait que les boîtes métalliques sont fabriquées généralement dans des conditions bien différentes de celles utilisées pour la mise en oeuvre des plastiques. Par exemple, les récipients métalliques sont fabriqués normalement à grande vitesse et à une température ambiante ou modérée alors que le comportement des plastiques est tel que les récipients en plastique sont fabriqués normalement à plus faible vitesse et à plus haute température.

Des recherches antérieures ont montré que de fines couches de plastique adhérant bien à une feuille métallique peuvent être mises en oeuvre par de simples modifications des procédés conventionnels de mise en oeuvre du métal. Cela s'explique par le fait que le comportement du complexe métalloplastique pendant la mise en oeuvre est régi par le métal plus résistant et plus épais et par le fait que les contraintes générées dans la ou les fines couches de plastique sont facilement transférées dans la feuille métallique en raison de leur bonne adhérence.

Cette restriction à des couches de plastique relativement fines n'a pas été une gêne dans ces recherches antérieures parce que le rôle du plastique était en général de protéger le métal contre la corrosion et qu'une relativement fine couche de plastique suffit à cette protection.

Pour atteindre l'objectif de la présente invention qui est de réduire l'épaisseur et donc le coût du métal utilisé, les inventeurs ont trouvé que la couche de plastique doit être placée entre deux couches métalliques et doit être plus épaisse que celle atteinte jusqu'ici dans les récipients faits en complexe métalloplastique.

L'amélioration de la tenacité des complexes MPM caractérisée par leur allongement à la rupture a permis d'emboutir avec succès des structures MPM avec des épaisseurs relatives de plastique bien plus élevées que l'on ne l'avait jamais fait.

C'est ainsi que pour les boîtes-boisson embouties-étirées, les inventeurs ont mis au point un complexe métalloplastique constitué d'une couche centrale de polymère thermoplastique d'épaisseur P revêtue sur chacune de ses faces intérieure et extérieure de feuilles métalliques d'épaisseurs respectives Mi et Me, telles que le rapport P/(Mi + Me) soit supérieur à 0,5.

A titre d'exemple, l'épaisseur P du polymère est comprise entre 100 et 500 um et l'épaisseur M1 ou Me de chacune des feuilles métalliques est comprise entre 25 et 150 um.

Le même complexe métalloplastique est utilisable pour les boîtes alimentaires embouties et les couvercles. Pour les boîtes, l'épaisseur P du polymère est comprise entre 100 et 500 pin et l'épaisseur M1 ou Me de chacune des feuilles métalliques est comprise entre 25 et 150 pm. Pour les couvercles, l'épaisseur P du polymère est comprise entre 80 et 300 pin et l'épaisseur M1 ou Me de chacune des feuilles métalliques est comprise entre 25 et 100 pm.

Pour fabriquer une boîte à partir d'un corps de boîte, on procède d'abord à la mise à hauteur du corps par cisaillage de la partie supérieure des parois, puis à un rétreint de cette partie supérieure. Le bord supérieur doit être ensuite roulé sur un petit rayon de courbure pour permettre le sertissage du couvercle après remplissage de la boîte. Or, au cours de cette opération de pliage du complexe métalloplastique selon ce petit rayon, on constate que la feuille métallique la plus éloignée du centre de courbure, celle qui est donc en extension, se rompt là où le rayon est le plus faible, l'autre feuille métallique restant intacte. Ce phénomène, pour des raisons qu'il serait trop long d'exposer ici ne se produit pas avec une feuille homogène de métal de même épaisseur sans couche de polymère.

Confrontés à ce problème, les inventeurs ont tout d'abord cherché une solution, puis ont rapidement émis l'hypothèse que cette rupture de la feuille métallique en extension n'avait aucune conséquence sur la tenue mécanique de la boîte remplie et munie de son couvercle serti. Ce que l'on pouvait craindre, en effet, c'est qu'une boîte avec un bord roulé dans lequel l'une des deux feuilles métalliques du complexe est rompue, ne puisse résister à la contrainte de traction créée par la pression interne qui tend à arracher le couvercle. Or les contraintes créées par une pression interne dans la direction de l'axe d'un cylindre sont approximativement la moitié de celles dans la direction perpendiculaire à l'axe.

Ainsi, s'il y a assez de métal dans la structure métalloplastique complète, avec ses deux couches de métal, pour résister aux contraintes dans un plan perpendiculaire à l'axe, il y a assez de métal dans la couche restée intacte pour résister aux contraintes axiales. Cette hypothèse a été confirmée par le calcul. En outre, l'épaisseur totale dans le rebord est en général supérieure à celle de la partie la plus mince de la paroi, ce qui donne encore une marge de sécurité.

I1 est aussi possible, pour renforcer la boîte, de choisir pour la feuille extérieure une épaisseur plus élevée ou un alliage plus résistant que pour la couche intérieure. Enfin, l'aspect extérieur de la boîte ne sera pas affecté puisque la partie rompue du film métallique sera recouverte par le bord roulé du couvercle de sorte que l'utilisateur final de la boîte ne s'en apercevra même pas. boîte s en apercevra même pas.

En revanche, pour les couvercles, dont les bords doivent aussi être roulés sur un petit rayon en vue du sertissage, le problème reste entier.

OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour objet un procédé permettant de rouler le bord d'un couvercle en complexe MPM sur un petit diamètre sans provoquer de fissure dans la couche métallique mise en extension ou cours de cette opération de pliage.

Ce procédé consiste à diminuer localement l'épaisseur de plastique dans la zone qui doit être roulée afin que le complexe, réduit à une mince couche de plastique entre deux feuilles de métal, se comporte à peu près comme une feuille de métal homogène.

Bien que ce procédé, ainsi que cela a été expliqué plus haut, ne soit pas indispensable pour rouler la partie supérieure des corps de boîtes, il peut également lui être appliqué. Dans la suite de la description et les figures, les couvercles seront presque seuls mentionnés, mais le procédé s'applique aussi aux corps de boîtes.

Les corps de boîtes et couvercles fabriqués par le procédé cidessus constituent également un objet de l'invention.

DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente une des variantes de l'invention dans laquelle la diminution locale de l'épaisseur du plastique se fait par refoulement vers l'extérieur.

La figure 2 représente une des variantes de l'invention dans laquelle la diminution locale de l'épaisseur du plastique se fait par refoulement vers le centre du couvercle.

DESCRIPTION DE L'INVENTION
Les inventeurs sont partis de la constatation que ce phénomène de fissuration de la couche métallique en extension observée sur les complexes MPM lorsqu'on les plie sur un petit rayon ne se produit pas avec une feuille métallique homogène, ainsi que cela a été expliqué plus haut. Ils ont aussi remarqué que le rayon de courbure autour duquel on pouvait plier la structure
MPM sans rompre aucune des couches était d'autant plus faible que l'épaisseur totale de la structure et en particulier que l'rame de polymère était faible. Ils ont eu l'idée de diminuer l'épaisseur de la couche de matière plastique centrale uniquement dans la zone annulaire externe où le couvercle doit être roulé.

Le procédé utilisé consiste à refouler, en exerçant une pression, le plastique central de façon à ce que, à l'endroit où cette pression s'exerce, l'épaisseur du polymère soit réduite dans une proportion d'au moins 50 % telle que le pliage devienne possible sans rupture de la couche externe de métal.

I1 faut évidemment que, lorsque la pression est exercée, le plastique soit suffisamment fluide pour qu'il puisse s'écouler. I1 faut donc le porter à une température supérieure à son point de ramollissement et, de préférence, à son point de fusion. Cela est obtenu aisément par un chauffage localisé sur une couronne extérieure du couvercle. L'opération de refoulement du plastique se faisant dans la ligne de production des couvercles, qui fonctionne à grande vitesse, on choisira un mode de chauffage rapide par exemple le chauffage par induction.

Le procédé comprend deux étapes successives et quasi simultanées:
- chauffage localisé du bord du couvercle à une température supérieure à celle de ramollissement du plastique et, de préférence à celle de fusion;
- application d'une pression sur la zone périphérique du couvercle pour refouler une partie du plastique de cette zone.

Une question importante du point de vue pratique est la récupération de ce plastique expulsé. Deux possibilités ont été expérimentées.

La première consiste à expulser le plastique vers l'extérieur.

Dans ce cas, le plastique ainsi expulsé vient s'ajouter au plastique déjà présent dans la zone annulaire extérieure. I1 contribue alors à en augmenter l'épaisseur, formant ainsi un bourrelet annulaire de diamètre supérieur au diamètre de la zone correspondant à la réduction d'épaisseur.

Si la zone dont l'épaisseur de plastique a été réduite est très proche du diamètre extérieur du couvercle, une partie du plastique sera effectivement expulsé à l'extérieur formant ainsi un anneau de plastique supplémentaire autour du diamètre extérieur du couvercle.

Suivant les cas, cet anneau de plastique sera utilisé pour améliorer l'étanchéité du couvercle sur la boite ou il sera découpé de manière à le séparer du couvercle.

La deuxième solution consiste à refouler le plastique vers le centre du couvercle où il formera un léger bourrelet annulaire qui permettra d'améliorer les qualités mécaniques de ce couvercle et en particulier sa rigidité.

Les figures 1 et 2 illustrent l'une et l'autre de ces deux solutions.

La figure 1 représente l'élimination d'une partie du plastique vers l'extérieur. Un ébauche de couvercle circulaire vue en coupe selon un diamètre (1) est constituée d'une âme en matière plastique (2) et de deux feuilles de métal (3) et (4).

On chauffe le bord circulaire de l'ébauche sur tout son pourtour: zones (5) et (6) de façon à ramollir ou même à fondre le plastique. Cette zone correspond à celle où le couvercle sera roulé sur un petit diamètre. On applique alors sur toute la périphérie de l'ébauche une pression représentée par les flèches. Le plastique liquide ou au moins ramolli flue alors vers l'extérieur et forme un bourrelet (7) vers l'extérieur du couvercle. La zone où une partie de la matière plastique a été éliminée peut alors être pliée sur un faible rayon sans que l'on observe de fissures.

La figure 2 représente l'élimination du plastique vers le centre du couvercle. Un ébauche de couvercle circulaire vue en coupe selon un diamètre (11) est constituée d'une ame en matière plastique (12) et de deux feuilles de métal (13) et (14). On chauffe une zone annulaire de l'ébauche à faible distance du bord (15) et (16) de façon à ramollir ou même à fondre le plastique. On applique alors sur toute la périphérie de l'ébauche une pression représentée par les flèches et s'exerçant sur la zone où le couvercle sera roulé. Le plastique liquide ou au moins ramolli ne peut fluer vers l'extérieur puisque le bord lui-même n'est pas chauffé et que le plastique y est donc demeuré solide. I1 fluera donc vers le centre du couvercle et va former un bourrelet (17), (18), situé encore dans la zone chauffée et qui absorbe le plastique expulsé par la pression. Le bord de l'ébauche d'où la matière plastique a été éliminée complètement ou presque complètement peut alors être plié sur un faible rayon sans que l'on observe de fissures.

Le procédé ci-dessus décrit peut être appliqué également dans ces deux variantes à la partie supérieure des parois de boîtes. Le principe reste le même: on chauffe la partie supérieure de la paroi et les pressions, au lieu d'être appliquées perpendiculairement au plan du couvercle sont appliquées radialement.

Les couvercles à ouverture facile ou à ouverture standard et les boîtes en complexe métalloplastique du type métalpolymère-métal selon l'invention sont caractérisées en ce que, à l'endroit où, en vue du sertissage, le couvercle ou la boîte doivent être roulés sur un petit diamètre, l'épaisseur de matière plastique formant l'aine a été réduite d'au moins 50 %.

Aussi bien pour les boîtes que pour les convercles, il est possible et recommandé d'utiliser des polymères recyclés.

EXEMPLES
Exemple 1.

Une bande de polypropylène de 140 micromètres d'épaisseur a été revêtue sur chacune de ses faces d'une couche de 5 micromètres d'épaisseur d'un adhésif constitué d'une feuille de polypropylène modifié à l'acide maléfique. Les deux feuilles d'adhésif ont été appliquées sur la feuille à froid par passage entre des rouleaux. La bande composite ainsi obtenue a été ensuite introduite en continu entre deux feuilles de 80 micromètres d'épaisseur d'alliage d'aluminium 3003, alliage au manganèse selon les normes "Aluminum Association" et préchauffées par passage dans un four à une température de 200ex de façon à fondre l'adhésif. Le complexe MPM obtenu a était alors introduit entre des rouleaux pour le thermocoller.

A partir de ce complexe, on a découpé des flans circulaires de 75,4 mm de diamètre. Ces flans ont été ensuite emboutis pour donner des couvercles de diamètre 65 mm . Avant de procéder au roulage des bords, ces bords ont été traités selon le schéma de la figure 1 en les chauffant par induction à une température de 200 C de façon à fondre le plastique. Une pression de 1500 kPa a été appliquée sur le pourtour du couvercle de façon à expulser une partie du plastique central de la zone chauffée. Les bords des couvercles ont été ensuite roulés en vue du sertissage. Au cours de cette opération, aucune fissure du métal ni du plastique n'a été mise en évidence
Exemple 2
Une couche de polyéthylène basse densité de 150 micromètres d'épaisseur a été extrudée entre deux feuilles de 80 micromètres d'épaisseur d'aluminium préchauffées par passage dans un four à une température de 200"C sans interposition d'adhésif. Le complexe MPM obtenu était alors passé entre des rouleaux pour le thermocoller. A partir de ce complexe, on a découpé des flans circulaires de 75,4 mm de diamètre. Avant de procéder au roulage des bords, ces bords ont été traités selon le schéma de la figure 2 en les chauffant par induction à une température de 200 "C de façon à fondre le plastique dans une zone proche du bord, mais à une petite distance. Une pression de 1500 kPa a été appliquée sur le pourtour du couvercle de façon à expulser une partie du plastique de l'âme de la zone chauffée vers le centre du couvercle. Les bords des couvercles ont été ensuite roulés dans la zone vidée de son aine plastique en vue du sertissage. Au cours de cette opération, aucune fissure du métal ni du plastique n'a été mise en évidence
Exemple 3
Une couche de polyester de 150 micromètres d'épaisseur a été extrudée entre deux feuilles de 80 micromètres d'épaisseur d'aluminium préchauffées par passage dans un four à une température de 280"C sans interposition d'adhésif. Le complexe
MPM obtenu était alors passé entre des rouleaux pour le thermocoller. A partir de ce complexe, on a découpé des flans circulaires de 75,4 mm de diamètre. Avant de procéder au roulage des bords, ces bords ont été traités selon le schéma de la figure 2 en les chauffant par induction à une température de 280 "C de façon à fondre le plastique dans une zone proche du bord, mais à une petite distance. Une pression de 1500 kPa a été appliquée sur le pourtour du couvercle de façon à expulser une partie du plastique de l'aine de la zone chauffée vers le centre du couvercle. Les bords des couvercles
ont été ensuite roulés dans la zone vidée de son gme plastique
en vue du sertissage. Au cours de cette opération, aucune
fissure du métal ni du plastique n'a été mise en évidence

Claims (7)

1. REVENDICATIONS 1. Couvercles à ouverture facile ou couvercles standard en complexe métalloplastique du type métal-polymère-métal caractérisés en ce que, à l'endroit où, en vue du sertissage, ils doivent être roulés sur un petit diamètre, la matière plastique formant l'aine a été refoulée de façon à réduire son épaisseur d'au moins 50 % au niveau de cette zone de pliage avec un faible rayon de courbure.
2. 2. Boîtes en complexe métalloplastique du type métal-polymèremétal caractérisées en ce que, à l'endroit où, en vue du sertissage, les dites boîtes doivent être roulés sur un petit diamètre, la matière plastique formant l'âme a été refoulée de façon à réduire son épaisseur d'au moins 50 % au niveau de cette zone de pliage avec un faible rayon de courbure.
3. 3. Procédé permettant de rouler les bords de couvercles ou de boîtes en complexe métalloplastique du type métal-polymèremétal sans fissurer le métal consistant à chauffer le complexe, dans la zone du couvercle ou de la boîte qui doit être roulée, au-dessus du point de ramollissement ou, de préférence de fusion du plastique et à refouler, en exerçant une pression, le plastique central de façon à ce que, à l'endroit où cette pression s'exerce, l'épaisseur soit réduite d'au moins 50 %.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le plastique est refoulé vers l'extérieur du couvercle.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le plastique refoulé vers l'extérieur du couvercle forme un bourrelet entre la zone de pliage et le bord du couvercle.
6. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le plastique refoulé vers l'extérieur du couvercle est expulsé en dehors du couvercle.
7. 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le plastique est expulsé vers le centre du couvercle et forme un bourrelet entre la zone de pliage et le centre du couvercle.