Domaine de l'invention
[0001] L'invention concerne le domaine des boîtes-boissons en alliage d'aluminium, encore
connues de l'homme du métier sous l'appellation de « cans » ou « beverage cans »,
mais aussi des bouteilles métalliques ou « bottle-cans » et boîtiers d'aérosol, fabriqués
par emboutissage-étirage, c'est à dire selon un procédé incluant notamment ces deux
étapes de base.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'emboutissage optimisé pour
ce type d'application et présentant notamment l'avantage d'éviter le phénomène dit
de « cornes pincées », bien connu de l'homme de métier, avec le risque de casse qu'il
implique lors des étirages ultérieurs.
Etat de la technique
[0002] Les alliages d'aluminium sont de plus en plus utilisés dans la fabrication des boîtes-boissons,
encore connues sous l'appellation de « cans » ou « beverage cans », mais aussi des
bouteilles métalliques ou « bottle-cans » et boîtiers d'aérosol, en raison de leur
très bon aspect esthétique, notamment par rapport aux matières plastiques et aux aciers,
de leur aptitude au recyclage et de leur bonne résistance à la corrosion.
Tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés,
sauf mention contraire, selon les désignations définies par l' « Aluminum Association
» dans les « Registration Record Sériés » qu'elle publie régulièrement.
[0003] Les boîtes-boissons, ou canettes, encore connues de l'homme de métier sous l'appellation
de « cans » ou « beverage cans », sont usuellement fabriquées par emboutissage-étirage
à partir de tôles en alliage du type 3104 à l'état métallurgique H19.
[0004] La tôle subit une première opération de découpage en flans et emboutissage en coupelles
ou « cups » ; plus précisément, au cours de cette étape, la bobine de tôle alimente
une presse, également appelée « cupper », qui découpe des disques appelés flans et
effectue une première opération d'emboutissage pour produire des coupelles aussi connues
sous l'appellation de « cups ». Il s'agit là de l'étape concernée au premier chef
par l'invention.
Les coupelles sont ensuite acheminées vers une deuxième presse ou « bodymaker » où
elles subissent au moins un second emboutissage et plusieurs étirages successifs ;
ceux-ci consistent à faire passer l'ébauche emboutie par des bagues d'étirage afin
d'allonger le métal et l'amincir.
On obtient ainsi progressivement des boîtes dont les parois sont plus minces que le
fond. Ces boîtes sont alors traitées dans une machine qui leur imprime un mouvement
rotatif pendant qu'une cisaille les coupe à la hauteur voulue.
Celles-ci sont ensuite lavées dans plusieurs bains de nettoyage et rinçage puis séchées.
Après revêtement, les boîtes boissons sont ensuite acheminées vers un poste de rétreint
et bordage (ou bordurage) encore connu sous l'appellation de « necker flanger » où
la partie supérieure de la préforme subit plusieurs rétrécissements de diamètre successifs
et un bordurage destiné à la pose ultérieure du couvercle.
[0005] Les bouteilles métalliques et boîtiers d'aérosol ou bombes-aérosol, en alliage d'aluminium,
sont traditionnellement fabriqués par filage par choc, à partir de pions issus de
coulée sur roue.
Les premières bouteilles en alliage d'aluminium, ou « bottle-cans », fabriquées par
emboutissage-étirage puis rétreint ou « necking », sont apparues au Japon en 1993
et en Europe en 1995.
En témoignent les demandes de brevet
JP 7060386 de Toyo Rikagaku Kenkyusho de 1993 et
EP 0740971 de Hoogovens sous priorité de 1995.
Ces bouteilles ne sont toutefois pas de structure monobloc. En effet, les parois verticales
et goulot de la bouteille sont fabriqués à partir du fond de la préforme et un couvercle
est serti sur le haut de la préforme.
[0006] Ainsi en est il également dans le cas de la demande
WO 0115829, de Daiwa Can en 2000 sous priorité de 1999, qui revendique une bouteille en alliage
d'aluminium fabriquée par formage à chaud avec un outillage complexe.
La fabrication de boîtes-boissons, de bouteilles du type « bottle can » ou de boîtiers
d'aérosol en alliage d'aluminium par essentiellement emboutissage-étirage et rétreint
nécessite en effet un matériau capable notamment de:
- subir des emboutissages profonds, c'est-à-dire de formation de coupelles à parois
verticales et fond horizontal, avec des rapports d'emboutissage, c'est à dire le rapport
du diamètre du flan au diamètre du poinçon, jusqu'à 1.9 voire plus, avec des déformations
en rétreint élevées, afin d'obtenir une réduction de diamètre importante en deux passes
d'emboutissage (emboutissage et emboutissage de reprise) seulement,
- et surtout, objet de cet invention, fournir des coupelles ou « cups » de bonne qualité,
c'est-à-dire ne présentant pas de défauts connus de l'homme de métier sous l'appellation
de « cornes pincées » ni de plis, afin d'éviter toute casse lors de l'étirage ultérieur.
[0007] Les premières bouteilles en alliage d'aluminium, ou « bottle-cans », de structure
monobloc, et fabriquées essentiellement par emboutissage-étirage puis rétreint ou
« necking », ont vu le jour au Japon dans les années 2000. En témoigne la demande
JP 2003082429 de Kobe Steel sous priorité de 2001.
Il en va de même pour la demande
EP 1870481 sous priorité de 2005 du même Kobe Steel.
Ce type de solution est également utilisé en série notamment aux Etats-Unis. Cependant
il présente l'inconvénient d'une formabilité non optimale vis-à-vis de l'emboutissage,
et aussi d'ailleurs du rétreint ou « necking ».
En particulier, après emboutissage des coupelles ou « cups », à partir de flans circulaires,
la forme du périmètre développé, connue de l'homme de métier sous l'appellation de
« profil de cornes », n'est pas favorable.
Il s'agit en effet d'un profil à six cornes, dont deux positionnées respectivement
à 0 et 180° de la direction de laminage et quatre à 45° de part et d'autre de ladite
direction, conformément à la figure 1.
[0008] Il se trouve qu'une telle configuration, du fait des cornes à 0 et 180°, présente
un sérieux risque de donner lieu au phénomène dit de « cornes pincées » bien connu
de l'homme de métier, avec le risque de casse lors des étirages ultérieurs.
Pour pallier ce problème, la conception et l'utilisation en production de flans non
circulaires pour la fabrication de boîtes boisson font partie de l'état de la technique.
Dans ce contexte, l'objectif est de compenser l'anisotropie du métal en faisant varier
le diamètre du flan en fonction de son orientation par rapport à la direction de laminage.
Cette technologie est avantageuse car elle augmente le ratio entre la quantité de
métal réellement utilisée dans la boîte boisson et la quantité de métal engagé sur
le métal à plat, ou bande.
Une telle conception typique est parfaitement décrite notamment dans l'article
« Convolute Cut-Edge Design for an Earless Cup in Cup Drawing » de R. E. Dick, J.
W. Yoon et F. Barlat, CP778 Volume A, Numishet 2005.
Problème posé
[0009] L'utilisation de ce type de flan non circulaire a hélas pour inconvénient majeur
de rendre le procédé d'emboutissage bien plus sensible à la moindre variabilité d'anisotropie
de métal. En effet, la coupelle ou « cup » emboutie, réalisée à partir d'un flan non
circulaire, présente théoriquement un profil « plat » car les creux et bosses ont
été compensés par les variations de diamètre du flan de départ. Dans ce cas, toute
variation de l'anisotropie du métal va fatalement générer un profil présentant des
cornes de taille et orientation non maîtrisées. Ainsi, une modification de l'anisotropie
du métal suivant l'axe de laminage ou orthogonalement à cet axe, favorisera l'apparition
de 2 cornes diamétralement opposées, ce qui est propice au phénomène de « cornes pincées
» que l'homme du métier cherche absolument à éviter.
Ainsi, le profil de la coupelle présente toujours des creux et des cornes au détriment
du ratio entre la quantité de métal réellement utilisée dans la boîte boisson et la
quantité de métal initiale sur le métal à plat.
[0010] L'invention vise à résoudre ces difficultés en proposant un flan non circulaire éliminant
tout risque de corne(s) pincée(s) lors de l'emboutissage des coupelles ou « cups ».
Objet de l'invention
[0011] L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une boîte-boisson, une bouteille
ou un boîtier d'aérosol en alliage d'aluminium, par emboutissage-étirage suivi de
rétreint et/ou pliage, à partir d'un flan non circulaire, selon lequel :
- La bande de métal dans laquelle est prélevé chaque flan est virtuellement divisée
en hexagones réguliers identiques dont deux côtés opposés sont sensiblement perpendiculaires
à la direction de laminage de la dite bande et constituant un système hexagonal compact
plan,
- Le périmètre dudit flan est calculé par ajustement à partir d'un cercle concentrique
et de rayon inférieur à celui du cercle inscrit de l'hexagone correspondant, pour
compenser, lors de l'emboutissage, l'anisotropie de comportement du métal, selon une
méthode connue de l'homme du métier, typiquement telle que décrite dans l'article
« Convolute Cut-Edge Design for an Earless Cup in Cup Drawing » de R. E. Dick, J.
W. Yoon et F. Barlat , CP778 Volume A, Numishet 2005
et caractérisé en ce que
- Au moins quatre cornes sont ajoutées au-delà et à partir dudit périmètre, dans les
zones de l'hexagone laissées libres, soit dont l'axe principal forme un angle respectivement
de sensiblement 35°, 145°, 215° et 325° avec la direction de laminage, chacune d'une
hauteur relative de 0.3 à 0.8% par rapport audit cercle concentrique de départ, et
d'une largeur maximum compte-tenu de l'espace disponible, soit typiquement correspondant,
à mi-hauteur de ladite corne, à un secteur angulaire minimum de sensiblement 25° ayant
pour sommet le centre du flan. L'invention porte également sur un flan d'emboutissage
de boîte boisson, bouteille métallique ou boîtier d'aérosol, fabriqué par un procédé
tel que décrit ci-dessus.
Elle a également pour objet une boîte-boisson ou bouteille métallique, encore connue
de l'homme de métier sous les appellations repectives de « can » ou « beverage can
» et « bottle can » ou « bottle type beverage can », fabriquée à partir d'un flan
présentant les caractéristiques précitées, y compris une bouteille métallique dite
de forme, c'est-à-dire dont les parois principales ne sont pas strictement cylindriques.
Elle a également pour objet un boîtier d'aérosol, encore connu de l'homme de métier
sous l'appellation de « bombe-aérosol » ou encore « distributeur d'aérosol », fabriqué
à partir dudit flan présentant les caractéristiques précitées, y compris un boîtier
d'aérosol dit de forme, c'est-à-dire dont les parois principales ne sont pas strictement
cylindriques.
Description des figures
[0012] La figure 1 représente le « profil de cornes », c'est-à-dire la forme du périmètre
développé du sommet des « coupelles » à l'issue du premier emboutissage, avec, en
ordonnée, le rapport de la hauteur de corne à la hauteur moyenne de la coupelle et,
en abscisse, l'angle α par rapport à la direction de laminage.
Ce profil, avec des cornes notamment pour α = 0 et 180°, correspond à une coupelle
de l'art antérieur sans optimisation. Il s'agit en effet d'un profil à six cornes,
dont deux positionnées respectivement à 0 et 180° de la direction de laminage et quatre
à 45° de part et d'autre de ladite direction.
[0013] La figure 2 représente la bande de métal de départ A ainsi que son découpage virtuel
en hexagones réguliers B dans lesquels sont prélevés les flans C.
La direction de laminage porte le repère D alors que la largeur de bande porte le
repère E.
[0014] La figure 3 fournit les mêmes indications, avec, de plus, les zones de l'hexagone
laissées libres en F, G, H et I.
[0015] La figure 4 représente une courbe du profil extérieur à plat du flan circulaire uniforme
d'un rayon de 69.3 mm (trait plein) et optimisé non circulaire pour tenir compte du
comportement anisotropique du métal selon l'art antérieur (courbe en traits pointillés).
En ordonnées, le rayon R en mm et, en abscisse, l'angle α formé avec la direction
de laminage.
[0016] La figure 5 représente une courbe (continue additionnée de motifs en croix) du profil
extérieur à plat du flan non circulaire selon l'invention, conçu en ajoutant à la
variante précédente quatre cornes d'une hauteur relative égale à 0.35% du rayon de
ladite variante.
La variante à rayon constant y est toujours représentée en un trait plein et le flan
de l'art antérieur dit optimal en traits pointillés comme à la figure 4.
[0017] La figure 6 représente une courbe (continue additionnée de motifs en croix) du profil
extérieur à plat du flan non circulaire selon l'invention, conçu en ajoutant à la
variante « optimisée » de la figure 4, quatre cornes d'une hauteur relative égale
à 0.57% du rayon de ladite variante.
La variante à rayon constant y est toujours représentée en un trait plein et le flan
de l'art antérieur dit optimal en traits pointillés comme à la figure 5.
[0018] La figure 7 représente les courbes de profil des coupelles obtenues à partir des
4 variantes de flan, avec, en ordonnées la hauteur H de coupelle au point correspondant
avec un pas de 0.1 mm et en abscisse l'angle α formé avec la direction de laminage:
En courbe pleine, le profil des coupelles obtenues avec un flan circulaire uniforme
de rayon égal à 69.3 mm,
En courbe pointillée, le profil des coupelles avec un flan non circulaire de l'art
antérieur dit « optimal »,
En courbe avec croix, le profil des coupelles avec un flan non circulaire optimisé
selon l'invention avec 4 cornes à 0.35%,
En courbe avec ronds, le profil des coupelles avec un flan non circulaire optimisé
selon l'invention avec 4 cornes à 0.57%.
Description de l'invention
[0019] L'invention consiste dans un choix judicieux de la conception du flan non circulaire,
optimisée en deux étapes :
Une première étape de compensation de l'anisotropie selon l'art antérieur : Elle consiste
à compenser l'effet de l'anisotropie du métal en faisant varier le diamètre du flan
en fonction de son orientation par rapport à la direction de laminage, typiquement,
et schématiquement, en augmentant le rayon du flan suivant les directions correspondant
à des creux sur le profil de la coupelle, dus à l'anisotropie de comportement du métal
lors de la première étape d'emboutissage, et en le réduisant suivant les directions
correspondant à des cornes ou bosses sur ledit profil. Une telle conception typique
est parfaitement décrite notamment dans l'article
« Convolute Cut-Edge Design for an Earless Cup in Cup Drawing » de R. E. Dick, J.
W. Yoon et F. Barlat, CP778 Volume A, Numishet 2005.
Une deuxième étape au cours de laquelle on ajoute au moins quatre cornes au-delà et
à partir dudit périmètre, en augmentant le rayon du flan dans les zones au-delà des
flans sans cornes additionnelles et à l'intérieur de l'hexagone correspondant, suivant
quatre directions symétriques par rapport à la direction de laminage, comme indiqué
en figure 3 (zones F, G, H et I).
Plus précisément, si on décompose virtuellement la bande de métal dans laquelle est
prélevé chaque flan en hexagones réguliers identiques dont deux côtés opposés sont
sensiblement perpendiculaires à la direction de laminage, constituant ainsi un système
hexagonal compact plan, comme le montre la figure 2, les quatre cornes sont ajoutées
au-delà et à partir dudit périmètre, dans les zones de l'hexagone laissées libres,
soit dont l'axe principal forme un angle respectivement de sensiblement 35°, 145°,
215° et 325° avec la direction de laminage, comme le montre la figure 3, chacune d'une
hauteur relative de 0.3 à 0.8% par rapport audit cercle concentrique de départ, et
d'une largeur maximum compte-tenu de l'espace disponible, soit typiquement correspondant
à mi-hauteur de ladite corne à un secteur angulaire minimum de sensiblement 25° ayant
pour sommet le centre du flan.
Plus précisément, la largeur typique à mi-hauteur est égale à la longueur du segment
perpendiculaire au rayon joignant le centre du flan et le sommet de la corne, et délimité
par l'intersection de la corne avec un secteur d'angle de sensiblement 30° issu du
centre du flan.
[0020] La demanderesse a constaté que cette optimisation avait pour effet tout à fait répétitif
de limiter au maximum le risque de défauts connus de l'homme de métier sous l'appellation
de « cornes pincées » ainsi que de plis, afin d'éviter toute casse lors de l'étirage
ultérieur.
[0021] Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après,
qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif.
Exemples
[0022] On a coulé par coulée continue verticale une plaque d'alliage du type 3104. Elle
a été scalpée puis homogénéisée à une température d'environ 580°C pendant environ
3 heures avant de subir le laminage à chaud puis le laminage à froid jusqu'à l'épaisseur
finale de 0.264 mm soit à l'état métallurgique H19.
Des « coupelles » ont été réalisées à partir de cette tôle avec un diamètre du poinçon
d'emboutissage des coupelles de 88.9 mm à partir de flans de profil à plat selon les
variantes ci-dessous, tous découpés par laser:
Variantes 1 et 2 hors invention :
[0023] La variante 1 correspond à un rayon de flan constant de 69.3 mm comme représenté
en trait plein à la figure 4 soit un flan circulaire sans aucune optimisation.
Variante 3 selon l'invention :
[0025] La variante 3 correspond à un flan selon l'invention, conçu en ajoutant à la variante
2 précédente quatre cornes à 35°, 145°, 215° et 325°, d'une hauteur relative égale
à 0.35 % du rayon de ladite variante 2 et d'une largeur à mi-hauteur correspondant
à un secteur de 30°.
Elle est représentée sur la figure 5 par une courbe en un trait continu additionné
de motifs en croix.
[0026] La variante 1 y est toujours représentée en un trait plein et le flan de l'art antérieur
dit optimal en traits pointillés comme à la figure 4.
Variante 4 selon l'invention :
[0027] La variante 4 correspond à un flan selon l'invention, conçu en ajoutant à la variante
2 précédente quatre cornes à 35°, 145°, 215° et 325°, d'une hauteur relative égale
à 0.57% du rayon de ladite variante 2 et d'une largeur à mi-hauteur correspondant
à un secteur de 30°.
Elle est représentée sur la figure 6 par une courbe en un trait continu additionné
de motifs en croix.
La variante 1 y est toujours représentée en un trait plein et le flan de l'art antérieur
dit optimal en traits pointillés comme à la figure 4.
Résultats :
[0028] A partir de ces quatre variantes de flans, nous avons réalisé des coupelles par emboutissage
avec un diamètre du poinçon d'emboutissage de 88.9 mm pour une hauteur moyenne des
coupelles de 32 mm.
La figure 7 présente les courbes de profil des coupelles obtenues à partir des 4 variantes
de flan :
En courbe pleine, le profil des coupelles obtenues avec un flan circulaire uniforme
de rayon égal à 69.3 mm.
En courbe pointillée, le profil des coupelles avec un flan non circulaire de l'art
antérieur dit « optimal ».
En courbe avec croix, le profil des coupelles avec un flan non circulaire optimisé
selon l'invention avec 4 cornes à 0.35% selon la variante 3.
En courbe avec ronds, le profil des coupelles avec un flan non circulaire optimisé
selon l'invention avec 4 cornes à 0.57% selon la variante 4.
[0029] On y observe sans ambiguïté que le flan de l'art antérieur dit « optimal » (courbe
en pointillés) compense l'anisotropie du métal car l'amplitude de la courbe de profil
passe de 0.9 mm environ à moins de 0.2 mm.
Sur la base des profils optimisés selon l'invention, les 4 cornes additionnelles sont
bien visibles sur les courbes de profil avec croix et avec ronds. La différence de
hauteur des cornes additionnelles est correctement liée à la différence des hauteurs
de cornes initiales.
On observe également que la hauteur des cornes artificielles, dans le cas du profil
de cornes à 0.57% (courbe avec ronds), dépasse largement la hauteur des cornes liées
à l'anisotropie (courbe pleine) et la rejoint aussi dans le cas des cornes à 0.35%
(courbe avec croix). Ainsi, le risque de voir apparaître un système à 2 cornes, système
plus sensible au phénomène des « cornes pincées », est clairement réduit, y compris
par rapport au cas correspondant à la courbe pointillée de l'optimisation selon l'art
antérieur, mais aussi, des valeurs négatives (creux du profil supérieur de coupelle)
ne sont pas relevées.