Aide-mémoire - Transformation des matières plastiques

Michel Biron

Aide-mmoire

Transformation des matires plastiques

CHEZ LE MME DITEUR Claude Bathias et coll., Matriaux composites, 2e dition Marc Carrega et coll., Matriaux polymres, 2e dition Marc Carrega, Aide-mmoire des matires plastiques, 2e dition Jean-Franois Pichon, Aide-mmoire dinjection des matires plastiques, 2e dition

,

Dunod, Paris, 2010 ISBN 978-2-10-055301-3

TABLE DES MATIRES

Avant-propos

1

ACrer un contexte favorable la transformation1 Choix stratgiques1.1 1.2 1.3 1.4 Principe gnral de la transformation Quelques principes gnraux de conception pour faciliter la transformation Choisir les grades adquats lments comparatifs sur les principaux procds 5 5 10 15 18 29 30 64

2 Oprations en amont et aval Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

2.1 2.2

Prparer les rsines Optimiser ltat final des polymres : recuits, durcissement et rticulation

BProcds de transformation3 Moulage par injection des thermoplastiques3.1 3.2 Principe Les systmes dinjection 75 75 77

III

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Les moules et systmes de fermeture Les presses injection Aides la conduite des presses Procds spciaux dinjection Presses hydrauliques, lectriques ou hybrides ?

90 100 109 120 130 133 133 136 138 139 141 147 151 155 157 159 176 177 179

4 Extrusion des thermoplastiques4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 Principe Les vis pour extrudeuses monovis Les dispositifs complmentaires des vis Ttes, filires et poinons Les problmes thermiques et rhologiques Exemples dextrudeuses monovis Les extrudeuses bivis Coextrusion Choix de lextrudeuse Les lignes dextrusion Exemples de constructeurs et distributeurs de matriel dextrusion 4.12 Indications sur la conception et le cot des profils 4.13 Systmes daide la conduite des extrudeuses et lignes dextrusion

5 Injection soufflage et extrusion soufflage des thermoplastiques5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8IV

183 184 185 190 191 193 193 196 196

Principe du soufflage Les divers types de souffleuses Les thermoplastiques transformables par soufflage Les lignes de soufflage Le soufflage squentiel 3D pour tubulures convolutes Systmes daide la conduite des lignes de soufflage Les applications du soufflage Exemples de constructeurs et distributeurs de matriel

6 Autres procds de premire transformation des polymres solides6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Moulage par compression Moulage par compression-transfert Les presses Injection des thermodurcissables Rotomoulage, slush moulding Calandrage

199 199 202 205 212 215 218 225 228 230 234 237 238 239 240 241 243 244 247 251 252 253 254 255

7 Transformation des composites7.1 7.2 7.3 Moulage par compression Moulage au contact Mthodes par coulement de rsines liquides : coule, RTM, RIM, infusion 7.4 Drapage 7.5 Stratification continue de plaques ou feuilles ondules ou nervures 7.6 Moulage par centrifugation 7.7 Enroulement filamentaire 7.8 Pultrusion 7.9 Pullwinding, overbraiding 7.10 Construction sandwich, panneaux sandwichs 7.11 Les primprgns thermoplastiques en feuilles ou thermoplastiques renforcs estampables

Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

8 Matriaux alvolaires : mousses, expanss, allgs8.1 8.2 8.3 8.4 Moulage des polystyrnes et polypropylnes expansibles : PSE ou EPS et EPP Moussage des polyurthanes Alvolaires et allgs par voie chimique laide dagents gonflants Moussage par voie physique laide de gaz occlus

V

8.5 8.6

Cration dalvoles par dissolution de sels minraux : ponges cellulosiques Mousses syntactiques

257 257

9 Autres procds : e-manufacturing, transformation des liquides9.1 9.2 9.3 9.4 Prototypage rapide et e-manufacturing, ou fabrication directe Poudrage Injection de poudres mtalliques et cramiques : IMM, MIM, CIM, PIM Transformation en phase liquide

259 259 264 265 266 271 271 276 277 285 286 287

10 Procds de seconde transformation et de finition10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 Thermoformage Usinage Assemblage Chaudronnage, confection Finition, dcoration, impression, rticulation, protection Rparation

Clments prospectifs11 Tendances11.1 volution du contexte gnral 11.2 Grands axes dvolution des procds de transformation 11.3 Dix exemples illustrant quelques-unes des nouvelles tendances 291 292 298 299 303 307 309

Abrviations des polymres Bibliographie Index alphabtiqueVI

AVANT-PROPOS


Lutilisation des matires plastiques se dveloppe rgulirement un rythme soutenu, suprieur celui de lindustrie, en investissant de nombreux domaines jusqualors efs de matriaux traditionnels tels que les mtaux, le verre, le bois, etc. Les acteurs de cette mutation viennent dhorizons trs divers avec une vaste culture de lingnierie des matriaux mtalliques mais, en gnral, peu habitus aux matriaux organiques macromolculaires. Les proprits physiques, mcaniques et chimiques spciques aux matires plastiques conduisent des principes de conception et des mthodes de mise en uvre particulires. De plus, les matires plastiques recouvrent un vaste panel de matriaux, depuis des lms grand public ns et souples mais relativement fragiles, jusquaux composites en bres de carbone soigneusement ordonnes dans des matrices hautes performances pour produire des composites exceptionnellement rsistants mais onreux. Le but de cet aide-mmoire est de contribuer linformation des non-spcialistes, transformateurs, concepteurs et utilisateurs de pices plastiques sur les immenses possibilits de la transformation des matires plastiques, tape primordiale pour la qualit et le cot des pices. Les implications de la transformation sont la fois techniques, conomiques, commerciales et environnementales. La mise en uvre ne peut donc pas tre isole du contexte gnral concernant les proprits nales dsires, la rhologie du grade choisi, la gomtrie de la pice, limportance des sries fabriquer depuis lunit jusquaux cadences leves de llectromnager ou de lautomobile. Le prix de revient et le dlai de mise sur le march dpendent galement du procd choisi et des machines disponibles. Aprs des rappels sur la ncessit de crer un contexte favorable la transformation en appliquant les principes gnraux de conception destins faciliter1

Avant-propos

la transformation sont examins des lments comparatifs, techniques et conomiques sur les principaux procds an daider le lecteur slectionner les pistes potentiellement intressantes pour son cas particulier. Le succs industriel de la transformation passe par une prparation soigneuse de la mise en uvre et, ventuellement, par des oprations subsquentes optimisant les proprits des pices et produits nis. Le cur de louvrage dresse de faon synthtique un panel clair et complet des mthodes envisageables pour apporter avec concision des premiers lments de rponse ltude et au choix des mthodes de production. Pour conclure sont examines les grandes tendances qui rgissent les orientations actuelles et futures des mthodes de transformation pour tenir compte des contraintes conomiques universelles et des contraintes environnementales mergentes. Les principaux points concernent les conomies dnergie, la facilit dutilisation et la abilit des procds, la rduction des cots, lautomatisation, lintgration des tapes de production, la rduction des poids des pices, la stratgie de traitement des dchets. Lvolution des procds est continue avec de nouvelles mthodes totalement innovantes mais aussi avec ladaptation de mthodes connues des secteurs de fabrication qui semblaient rservs des procds bien tablis et indracinables. Cet ouvrage dinformation et daide la dcision est destin aux concepteurs, utilisateurs et designers de pices plastiques. Il sadresse aux ingnieurs et techniciens ainsi qu un public intress par les possibilits des matires plastiques.

2

ACrer un contexte favorable la transformation

1 CHOIX STRATGIQUESACRER UN CONTEXTE FAVORABLE LA TRANSFORMATION5

1.1 Principe gnral de la transformationLe but de la transformation est, dans des conditions techniques, conomiques et cologiques satisfaisantes, de : donner la forme et laspect voulus au polymre pour obtenir la pice ou le demi-produit fabriquer ; conserver formes et aspects jusqu la mise en service (et aprs) ; amener les proprits physiques, mcaniques, sensorielles au stade voulu. Les polymres de dpart peuvent avoir : des formes physiques trs varies, depuis des liquides uides jusqu des solides de grandes dimensions ; des tats chimiques diffrents : monomres, oligomres, polymres thermoplastiques ou thermodurcissables. Dans ce dernier cas le durcissement ou la rticulation constitue une tape supplmentaire intervenant obligatoirement lorsque la mise en forme est effective. Certains polymres utiliss couramment ltat thermoplastique peuvent tre ventuellement rticuls, comme le polythylne, ce qui amliore ses proprits mcaniques et chimiques. Dautres familles de polymres telles que les polyurthanes existent sous des formes thermodurcissables, la plus courante dans ce cas, et sous la forme thermoplastique, TPU. Les procds de transformation et les caractristiques nales sont alors diffrents. La transformation peut galement incorporer des matriaux trangers : autre matire plastique : co-moulage, surmoulage ; inserts, feuilles de contrecollage ; renforts et mousses pour les composites.


1 Choix stratgiques

1.1 Principe gnral de la transformation

Le procd doit alors respecter des matriaux dapport aussi divers que : dautres plastiques et lastomres ; des mtaux ; des papiers et cartons ; des textiles ; du verre ; des matriaux naturels comme le bois ou le cuir

Suivant les cas, on sera amen choisir entre un certain nombre de procds, toutes les mthodes ne pouvant pas sappliquer un cas dtermin. Les gures 1.1 et 1.2 prsentent un certain nombre de solutions sans prtention dexhaustivit.

Figure 1.1 Thermoplastiques : exemples de procds.

6

1 Choix stratgiques


ACRER UN CONTEXTE FAVORABLE LA TRANSFORMATION7

Figure 1.2 Thermodurcissables : exemples de procds.


Le principe gnral de la transformation implique plusieurs phases plus ou moins imbriques intervenant dans un ordre variable avec, dans sa version la plus complte : homognisation des produits : polymre(s), ingrdients, gaz dans le cas du moussage ; transport et uidication des matriaux ; incorporation des renforts ou autres matriaux dapport ; cohsion des particules lmentaires par la combinaison de temprature et de pression, ventuellement par schage, rticulation ; moussage ventuel ; mise la forme dans des conditions homognes de temprature et de pression ; consolidation du matriau par refroidissement ou rticulation ; nition.

1 Choix stratgiques


Les trois paramtres majeurs de la transformation sont la temprature, les contraintes et le temps. videmment, ils agissent les uns sur les autres en provoquant une amplication de leurs actions. La temprature conditionne principalement la viscosit, les dilatations et retraits, les contraintes rsiduelles, la cristallinit, la rticulation. Elle est limite en fonction de la thermodgradation du polymre et de sa rticulation ventuelle qui restreint laptitude la mise en forme. La dgradation des matriaux de renfort ou dapport, par exemple des textiles, du papier, du bois ou des dispositifs lectroniques, peut imposer des contraintes supplmentaires. La temprature de transformation a galement des consquences sur les consommations dnergie, le refroidissement et le cot nal. Le comportement thermique des polymres dpend de leur structure physico-chimique, notamment de leur caractre semi-cristallin ou amorphe, comme lindique schmatiquement la gure 1.3. La gure 1.4 et le tableau 1.1 montrent quelques exemples. Les contraintes conditionnent principalement la rhologie, le compactage de la matire, les contraintes rsiduelles. Dans le cas de surmoulage, des contraintes trop leves peuvent dplacer et/ou dtriorer les dispositifs ou matriaux surmouler. Le temps conditionne le rchauffage et le refroidissement, la cristallisation, la rhologie, les dilatations et retraits, le uage, la dgradation de la plupart des matriaux. La dure de transformation a galement des consquences sur les cadences de production, les consommations dnergie et le cot nal.

Figure 1.3 Exemples dvolution des modules en fonction de la temprature pour des polymres amorphe et semi-cristallin.8

1 Choix stratgiques



Figure 1.4 Courbe diso-viscosit : taux de cisaillement en fonction de la temprature.

Tableau 1.1 Exemples de viscosits dun polymre en fonction de la temprature et du taux de cisaillement.Temprature (C) 220 240 260 240 240 240 Taux de cisaillement (s1) 1 000 1 000 1 000 100 1 000 10 000 Viscosit (Pa.s) 190 170 152 410 170 44


1 Choix stratgiques

1. 2 Quelques principes gnraux de conception pour faciliter la transformation

Ce comportement rhologique offre une certaine latitude de choix des conditions optimales. Par exemple, la gure 1.4 indique les couplages taux de cisaillement/temprature permettant dobtenir la mme viscosit pour des plages de 40 C pour la temprature et de 460 s1 pour les taux de cisaillement.Remarquons que, pour la mesure de laptitude la mise en uvre, il est ncessaire dtudier la rhologie du polymre dans les plages de tempratures et de taux de cisaillement qui seront rellement utilises industriellement. Lindice de uidit, par exemple, nest pas reprsentatif du moulage par injection cause des trop faibles taux de cisaillement. La rhologie capillaire est dans ce cas bien mieux adapte.

Finalement, la transformation dpend, entre autres : des proprits du polymre : homognit, rhologie, proprits thermiques et dimensionnelles ; des caractristiques des ventuels matriaux de renfort et dapport ; des proprits nales dsires ; des cadences de production ; des conditions conomiques.

1.2 Quelques principes gnraux de conception pour faciliter la transformationLe choix du procd de transformation doit rsulter dun consensus entre le concepteur de la pice et le transformateur en fonction de la matire, du matriel, du cot acceptable et des conditions dutilisation de la pice. Les rgles qui suivent sont obligatoirement gnrales et souffrent forcment de notables exceptions. Elles peuvent ou doivent tre modies suivant les conditions particulires du cas concret tudier. Cependant, dans la plupart des situations, il est gnralement souhaitable de : favoriser les coulements ; viter les stagnations de matire ; adapter les paisseurs au procd de transformation ; minimiser les variations dpaisseur ; assurer la progressivit des variations de dimensions ; permettre le dmoulage ou lextrusion en vitant les outillages complexes et onreux ; veiller la stabilit dimensionnelle des produits transforms10

1 Choix stratgiques


1.2.1 Facilit dcoulement et stagnation de matireLquilibrage des ux, la symtrie des pices et toutes mesures assurant lisotropie des coulements sont des facteurs favorables labsence de gauchissements et distorsions. En revanche, les cloisons, parois, nervures perpendiculaires au ux dcoulement sont sources potentielles de perturbations et de stagnation de la matire. La prsence dangles vifs, les piges matire sont galement dconseills pour les mmes raisons. Des rayons de 0,3 0,5 mm la place des angles vifs ont lavantage supplmentaire de rduire les concentrations de contrainte et damliorer notablement la rsistance structurelle. Les inserts incorpors directement au moulage peuvent poser des problmes dcoulement en faisant obstacle au ux de matire et, en plus, surtout avec les plastiques non chargs, posent des problmes de dilatation diffrentielle dus aux diffrences importantes des coefcients de dilatation du mtal et du plastique.


1.2.2 Dimensions des picesLes grandes dimensions sont viter pour le moulage par injection pour des raisons de cotes des presses et outillages, risques de gauchissement, ambage, fragilit, uage, etc. Dans la mesure du possible, il faut essayer de les morceler par des videments, encoches Pour les grandes surfaces, on peut ventuellement tudier des raidisseurs. Les paisseurs doivent faire lobjet de rexions particulires. Elles sont dnies a priori par le concepteur en fonction des proprits mcaniques initiales et long terme corriges dun facteur de scurit. Cependant, les polymres tant mauvais conducteurs de la chaleur et plus ou moins sensibles lanisotropie, le transformateur est soumis des impratifs diffrents qui amneront un choix consensuel. Pour linjection et lextrusion des polymres fondus, procds de transformation majoritaires, les paisseurs les plus courantes sont de lordre de 0,7 3 mm, mais des conditions spciales de mise en uvre permettent dlargir cette plage de 0,3 10 mm. Les fortes paisseurs entranent : un prix de matire lev ; une augmentation des temps de transfert thermique et des dures de cycle ; un retrait important avec risques de retassures, porosits, soufures


1 Choix stratgiques


Un certain nombre de parades existent, par exemple ladoption de grades renforcs ou lutilisation de nervures de renfort si possible parallles au sens dcoulement. Elles doivent tre de plus faible paisseur que la paroi renforcer, par exemple 0,3 0,6 fois lpaisseur de cette paroi, et comporter des dcoupes pour attnuer le gauchissement si elles sont de longueur importante. Pour lextrusion, les nervures de renforcement ne peuvent tre que longitudinales et continues. Les trop faibles paisseurs provoquent : une solidication rapide du polymre qui risque dempcher lcoulement de la matire sur de longs trajets ; des risques de fragilit. Les variations dpaisseurs dans une mme pice sont viter. Toutefois, si elles sont impratives, elles doivent tre progressives : zone incline de pente 3 pour 1 ou cong de rayon important (5 mm par exemple) ou combinaison des deux techniques.

1.2.3 Prcision des cotesLa prcision des pices et demi-produits dpend de la matire utilise, de la prcision de loutillage et de tous les facteurs de mise en uvre de la matire : traitements thermiques aux diverses tapes, pression dinjection ou dextrusion, contraintes de dmoulage et de passage dans les conformateurs, dformations au stockage Il ne faut donc prvoir des tolrances troites que pour les cotes qui le ncessitent absolument, car le prix de revient augmente rapidement. titre dexemple, pour une matire et une pice donnes, le cot peut passer de 100 pour des tolrances normales 170 pour des tolrances serres et 300 pour des tolrances trs serres. Les normes dimensionnelles sont nombreuses et dissmines dans les diffrentes rubriques pour chacun des systmes de normalisation nationaux ou internationaux. Par exemple, elles peuvent se trouver classes dans : types de produits : pices, tubes, tuyaux, canalisations, prols, raccords mouls, rservoirs et rcipients en PRV ; applications cibles : utilisation sous pression, distribution deau chaude et froide, aspiration et refoulement, distribution basse pression des liquides ptroliers, collecteurs dassainissement sans pression enterrs, distribution de combustibles gazeux, transport des uides ;12

1 Choix stratgiques


types de polymres, par exemple : polythylne (PE), polythylne rticul (PE-X), polybutne (PB), polychlorure de vinyle non plasti, polypropylne (PP), acrylonitrile/butadine/styrne (ABS), polyamide (PA). titre purement indicatif, nous rappelons quelques exemples : normes franaises et indices de classement : NF EN 10226, NF EN 12201, NF EN 13121, NF EN 13476, NF EN 1452, NF EN 1555, NF EN ISO 15874, NF EN ISO 15876, NF EN ISO 6224, NF EN ISO 6808, M88-557, P16-353, T47-257, T47-282, T54-016, T54-029, T54063, T54-065, T54-938, T54-943, T54-944, T58000 ; normes internationales : ISO 11237, ISO 11922, ISO 1307, ISO 14531, ISO 15439, ISO 15439, ISO 15874, ISO 22621, ISO 264, ISO 6224, ISO 6808, ISO 8085, ISO 8283. Pour entrer plus avant dans les dtails, pour des pices moules, toutes choses gales par ailleurs, certains thermoplastiques ont t classs arbitrairement en trois groupes avec une indication approximative de la tolrance moyenne sur une dimension choisie a priori : groupe A prcision aise obtenir : PVC, polystyrne (PS) et drivs, polyactates (CA, CAB, CP), polyacrylique (PMMA), polycarbonate (PC). Tolrance moyenne de 0,4 % ; groupe B prcision moyenne : polythylne (PE), polypropylne (PP). Tolrance moyenne de 0,7 % ; groupe C prcision difcile obtenir : polyamide (PA). Tolrance moyenne de 1 %. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.


Pour des prols extruds, plus les tolrances sont serres, plus le prix de revient augmente. Toutes les cotes ne sont pas aussi facilement matrisables et on peut schmatiquement les rpartir en trois classes : classe A facilement matrisables : avec, par exemple, des tolrances de 0,3 0,8 mm pour un prol PVC rigide 3 chambres ; classe B difcilement matrisables : tolrances de 0,45 1,2 mm ; classe C trs difcilement matrisables : tolrances de 0,6 2 mm. Toujours sur le mme type de prols, les tolrances sur lpaisseur e sont de lordre de : 0,1e mm jusqu e = 1 mm ; 0,03e + 0,1 mm pour e >1 mm.

1 Choix stratgiques


1.2.4 Dpouilles et contre-dpouillesSi la souplesse de la matire ne permet pas le dmoulage des pices avec contre-dpouilles, il faut que le moule comporte des parties mobiles convenables pour permettre le dmoulage, ce qui augmente le cot et le risque dapparition de traces aux plans de jonction de ces parties mobiles. Pour des raisons techniques et conomiques, la conception avec dpouille peut tre indispensable pour permettre le dmoulage de la pice. En moyenne, langle de dpouille est de lordre de 1. Il peut tre plus faible pour les petites pices (0,5 ou mme 0,2) mais devra tre augment pour les pices profondes (jusqu 2 ou 3). Des conditions spciales de moulage, par exemple cycles plus longs, permettent dabaisser langle de dpouille.

1.2.5 Localisation des traces de moulagePour les pices caractre esthtique et pour des raisons de rsistance mcanique, il est souhaitable que les traces de lignes de joints, seuils dalimentation, jecteurs, soient localises dans des endroits peu visibles pour ne pas nuire laspect de la pice et dans des endroits peu sollicits mcaniquement pour des raisons de rsistance.

1.2.6 Minimisation de lanisotropieSuccinctement, le coefcient danisotropie est calcul en divisant la moyenne des valeurs dune proprit mesure sur des prouvettes perpendiculaires au ux par la moyenne des rsultats obtenus sur des prouvettes parallles lcoulement. En pratique, les coefcients danisotropie sont souvent calculs sur les rsistances et allongements la rupture ou les contraintes et dformations au seuil viscolastique mais on peut utiliser toute autre proprit intressante pour lutilisation envisage. Lanisotropie des polymres ne peut pas tre nglige dans les calculs de pice, et le coefcient de scurit devra linclure en tenant compte de la localisation des diffrents points et de la gomtrie des pices. Les facteurs dterminants paraissent tre : 14

lorientation molculaire qui se dveloppe lors du remplissage du moule ; la rhologie du mlange ; les conditions de mise en uvre ; le dessin du moule.

1 Choix stratgiques

1.3 Choisir les grades adquats

Dun point de vue thorique, les orientations molculaires dues aux diffrents coulements du polymre fondu sont mises en cause. Pour une pice plate injecte par son centre, trois types dcoulement entrent en jeu : un coulement en cisaillement prs des parois ; un coulement longationnel de type fontaine sur le front dcoulement ; un coulement longationnel au cur de la pice. Chaque type dcoulement provoque une orientation particulire des macromolcules, qui peuvent se relaxer diffremment pendant les diverses phases de traitement thermique, entranant des gradients de temprature dans le volume de la pice. videmment, les peaux, au contact direct des outillages, se rchauffent ou se refroidissent plus vite que le cur, dautant que la conductivit thermique de la matire plastique est faible. Pour les polymres chargs ou renforcs, une plus forte anisotropie peut provenir : dune viscosit plus leve du polymre ltat fondu ; dune diminution de la mmoire lastique ; dvolutions rhologiques diminuant le temps disponible pour la relaxation ; dune orientation des particules et agrgats de charge, dautant que leurs coefcients de forme sont levs. titre dexemple, dans une srie dessais sur des plaques de SBS ou de copolyester injectes par leur centre, les coefcients danisotropie varient entre 0,8 et 1,3 en fonction de la caractristique retenue, rsistance ou allongement la rupture, contrainte ou dformation au seuil viscolastique. Ces valeurs ne sont pas ngligeables.



1.3 Choisir les grades adquatsLes producteurs de matires plastiques commercialisent, pour une mme famille, des grades adapts aux diffrents procds de transformation par leur prsentation physique, leur degr de polymrisation, leur rhologie, leur aptitude la mise en solution, dispersion, pte, etc. Il est donc indispensable de choisir le grade adapt au procd de transformation rellement utilis et de prendre en considration la totalit de ses caractristiques pour la conception de la pice ou du demi-produit, les performances pouvant diffrer dun grade un autre.

1 Choix stratgiques


1.3.1 La rhologieLa gure 1.5 indique, pour un mme producteur, les larges possibilits de variation de lindice de uidit (MFI), dont le spectre stend, dans la mme unit, de moins de 1 plus de 100. cela, il faut galement ajouter la forme physique (granuls ou poudres de diverses granulomtries), la prsence de comonomres, lincorporation dagents glissants, etc. pour satisfaire nalement la fabrication de feuilles, lms, revtements, pices moules par injection, rotomoulage, soufage

Figure 1.5 Exemples de densits et MFI de polythylnes basse et moyenne densits.

Le cas du PVC est tout aussi diant avec : ses diffrents modes de polymrisation en mulsion, en suspension, en masse ; ses applications sous forme de plastisols ; ses copolymres ; les formulations plasties de PVC souple.

16

1 Choix stratgiques


1.3.2 Le retrait et lanisotropieUn autre point important examiner est le retrait aprs transformation. Des grades dune mme famille peuvent avoir des coefcients de dilatation et par suite des taux de retrait diffrents qui font que les outillages ne sont pas universels. Dune manire gnrale, les grades chargs dune matire minrale isotrope ont un coefcient de dilatation et un retrait aprs transformation infrieurs ceux du polymre vierge. Les grades renforcs bres ont un retrait plus limit mais plus sensible lorientation. Lanisotropie est dautant plus forte que le coefcient de forme de la bre est lev. Les gures 1.6 et 1.7 illustrent les diffrences de retraits importantes entre : des polymres vierges de natures diffrentes : polypropylne (PP), polyactal (POM), polyamide (PA), polytherimide (PEI) ; des polymres vierges et renforcs bres de verre courtes ; des polymres vierges et chargs de charges minrales isotropes.



Figure 1.6 Retrait de polymres vierges et renforcs fibres de verre.

1 Choix stratgiques

1.4 lments comparatifs sur les principaux procds

Figure 1.7 Retrait de polymres vierges et renforcs charges minrales.

1.4 lments comparatifs sur les principaux procdsMis part les conditions techniques dj brivement voques en ce qui concerne la forme physique des polymres, les principaux procds de transformation se diffrencient par : la frquence dutilisation ; la nature des polymres mettre en forme ; lampleur des sries fabriquer ; les cots.

1.4.1 Frquence dutilisation des diffrents procdsLes frquences dutilisation des procds sont trs varies, linjection en gnral et lextrusion y compris lms, tubes, tuyaux et feuilles par exemple, couvrant plus de 50 % de la production des pices et demi-produits en matire plastique. Pour les thermoplastiques, le soufage constitue le troisime procd alors que le calandrage, le poudrage, lenduction, le thermoformage, le chaudronnage et18

1 Choix stratgiques


la confection sont moins utiliss. La place du moussage est difcile quantier car les tonnages sont faibles mais les volumes levs. La gure 1.8 illustre la situation densemble.


Figure 1.8 Thermoplastiques : principaux procds.

Pour les thermodurcissables et composites, les SMC et les composites thermoplastiques renforcs bres de verre longue ou continue (TRE, ou GMT) tiennent des places prpondrantes, suivis par plusieurs procds occupant chacun moins de 10 % du march : BMC, contact, projection, moulage, moulage continu de feuilles et plaques, enroulement lamentaire, pultrusion. La place du moussage est, comme prcdemment, difcile quantier. La gure 1.9 illustre la situation densemble.


Figure 1.9 Thermodurcissables et composites : principaux procds.

1 Choix stratgiques


1.4.2 Procds et nature des polymres mettre en formeTous les polymres ne peuvent pas tre mis en forme par tous les procds, ne serait-ce que par leur forme physique, solide ou liquide, et leur structure chimique, thermoplastique ou thermodurcissable. Les exemples suivants ont pour but de donner un clairage sur les cas les plus courants. Linjection, bien que couvrant un large spectre, ne peut pas sappliquer aux PTFE, polybenzimidazole (PBI) et certains polyimides. Lextrusion couvre galement un large spectre mais ne sapplique quaux thermoplastiques, lexception de certains polyimides et du polybenzimidazole (PBI). Le soufage pourrait sappliquer un vaste panel de thermoplastiques mais, dans la ralit, concerne surtout les PVC, polyesters thermoplastiques, polythylnes (PE) et polypropylnes (PP). Le rotomoulage concerne surtout les plastisols (PVC en pte), les poudres de polythylnes (PE) ou de polyamides (PA), polycarbonates (PC). Du fait de la faible pression pendant la mise en uvre, les caractristiques mcaniques sont gnralement plus faibles que celles des pices injectes quivalentes. Le moussage sous sa forme conventionnelle stend la fois aux thermoplastiques et thermodurcissables tels que polyurthanes, polystyrnes, polychlorure de vinyle (PVC), polythylnes (PE), EVA, polypropylnes, polymthacrylimides, mlamines, phnoplastes, polycarbonates, polytherimides, polythersulfones, polyimides. Sous la forme dallgs structuraux, pratiquement tous les plastiques pourraient tre mousss. Le thermoformage ne concerne que des thermoplastiques de grande diffusion tels que polystyrnes (PS), ABS, PVC, polythylnes (PE), polypropylnes (PP), polyesters thermoplastiques (PET) ou des thermoplastiques techniques comme les polyacrylates (PMMA), polyactates (CA), polyoxymthylnes ou polyactals (POM), polycarbonates (PC), polyamides (PA), polyphnylnethers (PPE), polysulfones (PSU). Lusinage est lune des mthodes qui sappliquent toutes les bauches ou pices brutes de toutes matires plastiques. Cependant, il faut noter que lusinage peut demander un traitement de reconstitution de la surface dans le cas des composites par exemple. Le chaudronnage concerne les thermoplastiques dont les plus utiliss sont les PVC, PVC surchlors (PVCC), PE, PP, PVDF, polyacrylates (PMMA). Le soudage nest utilisable que pour les thermoplastiques non rticuls. Ainsi, le PE-X nest pas soudable aprs rticulation. Les caractristiques mcaniques20

1 Choix stratgiques



1.4.3 Procds et volumes de productionLensemble des procds de mise en uvre couvre toutes les capacits de production, de lunit la trs grande srie comme lautomobile. Si, thoriquement, plusieurs procds peuvent tre utiliss pour un mme problme, le choix sera fait en fonction des volumes produire et des cots acceptables. Par exemple, pour un dmarrage de pices, on pourra passer successivement du prototypage (une pice quelques pices) lusinage (quelques pices une centaine de pices), puis au moulage par injection. Le tableau 1.2 suggre des ordres de grandeur, qui peuvent toujours souffrir de nombreuses exceptions pour diverses raisons techniques, pratiques ou21

CRER UN CONTEXTE FAVORABLE LA TRANSFORMATION

des soudures sont gnralement plus faibles que celles des pices injectes quivalentes. Le collage concerne pratiquement tous les plastiques mais est plus ou moins difcile suivant leur nature et conduit des performances mcaniques qui peuvent tre infrieures ou suprieures celles des matriaux assembler. En cas de sollicitation allant jusqu la rupture, celle-ci peut se produire dans le joint de colle ou dans la masse des matriaux coller. Les procds SMC, BMC, moulage au contact et par projection concernent uniquement les thermodurcissables, principalement les polyesters insaturs (UP), phnoplastes, polyurthanes, poxydes. Le moulage de plaques en continu est utilis pour les plaques ondules de couverture en polyesters insaturs (UP). Lenroulement lamentaire ne sapplique quaux composites renforcs de laments continus. La pultrusion concerne des composites renforcs uniquement de laments unidirectionnels. Le drapage concerne la fois des composites matrices thermoplastiques ou thermodurcissables. Les composites thermoplastiques, TRE ou GMT, sont videmment limits aux matrices thermoplastiques. Ils ont pris une place importante ct des composites thermodurcissables ou en comptition avec ceux-ci et continuent se dvelopper. Le prototypage rapide et le-manufacturing utilisent des rsines spcialement conues cet effet de faon contretyper les proprits des diffrentes familles de plastiques conventionnels. Linjection des mtaux en poudre utilise des matires plastiques comme liant, mais la pice nale est constitue uniquement du mtal fritt.

A

1 Choix stratgiques


conomiques dcoulant dun contexte particulier. Ces renseignements sont gnraux et donns seulement titre indicatif pour se faire une premire ide des possibilits, impossibilits et cots. Les valeurs ne peuvent tre directement utilises pour un choix dnitif de solution ou tablissement des prix. Les cots relatifs des pices sont calculs par rapport linjection en grande srie prise pour base 1.Tableau 1.2 Procds de transformation des thermoplastiques : importance des sries et cots relatifs des pices, linjection tant prise pour base 1.Procd Injection Importance des sries 1 000 000 1 000 Soufflage 1 000 000 1 000 Rotomoulage, matriel labor 1 000 000 100 Thermoformage 10 000 10 Rotomoulage, matriel de base 1 000 10 Confection, usinage, dcoupe, soudage, collage 1 000 1 Cots de production comparatifs 1 14 1,5 12 2,5 16 5 16 6 15 12 14

Le tableau 1.3 schmatise quelques caractristiques techniques de divers procds concernant les thermodurcissables et composites. Ces renseignements sont gnraux et donns seulement titre indicatif pour se faire une premire ide des possibilits et impossibilits. Les valeurs ne peuvent tre directement utilises pour un choix dnitif de solutions ou pour ltablissement des prix.22

1 Choix stratgiques


Tableau 1.3 Thermodurcissables et composites : exemples de choix de procds en fonction des dimensions des pices.Aire maximale (m2) Quasi illimite (couramment < 300) Quasi illimite paisseur (mm) Quasi illimite (couramment 2-10) Quasi illimite (couramment 2-10 1-10 3-10 1-6 Mthode Moulage au contact Projection Qualit de la surface** 1 Exemples Bateaux


1

Bateaux

15 15 5

Injection de rsine Compression froid Compression chaud avec mats et prformes Compression chaud des prepregs RRIM Injection haute pression Autoclave

2 2 2

lments de carrosserie lments de carrosserie lments de carrosserie lments de carrosserie Capotages Pices pour lectricit, lectronique lments pour aronautique Pices pour automobile Rservoirs sous pression Tubes, tuyaux Prols Plaques ondules de couverture

5

2-10

2

10 Limite Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Limite Limite

1 1 ou 2

20 4 Diamtre de 5 cm 25 m* 30 Section limite Section limite Limite 1-10 et plus 3-15 3-20 1-4

1 ou 2 2 1 ou 2 1 1 ou 2 2

Estampage Enroulement lamentaire Centrifugation Pultrusion Moulage continu de plaques

* Fabrication sur matriel spcialement construit. ** 1 : meilleur aspect.

1 Choix stratgiques


1.4.4 Cots de transformationLe cot de la transformation ne peut pas tre isol du prix des matires premires, constitu principalement du cot des rsines. Celui-ci, surtout pour des matriaux tels que les polyolnes principalement constitus de drivs du ptrole et dnergie, subit directement les variations de prix du ptrole. Les fortes uctuations observes en 2008 font que la ralit conomique peut largement diffrer des indications suivantes. Pour les polymres matires premires, les prix au kilogramme schelonnent trs approximativement de lordre de 1 pour les commodits plusieurs dizaines deuros pour les spcialits. Daprs les tudes du ministre de lIndustrie, Industrie franaise de la plasturgie et Industrie franaise des matriaux composites, parues en 2002 : pour les compounds de commodits, le prix au kilogramme de la matire premire est multipli, en moyenne, par environ 1,3 pour un prix de vente moyen de 1,15 /kg ; pour les thermoplastiques extruds, le prix au kilogramme de la matire mise en uvre est multipli, en moyenne, par environ 1,35 pour un prix de vente moyen de 2,4 /kg ; pour les thermoplastiques mouls, le prix au kilogramme de la matire mise en uvre est multipli, en moyenne, par environ 1,5 (mais un facteur 2 est courant). Les prix de vente moyens schelonnent de 4 /kg pour lemballage 11 /kg pour des pices techniques ; les composites, mme de grande diffusion, ont toujours une valeur ajoute leve, et les prix de vente au kilogramme schelonnent denviron 3 plus de 30 pour une gamme de composites allant de la grande diffusion courante aux hautes performances pour laronautique. Si les pourcentages indiqus ci-dessus restent valables, ce qui nest pas prouv cause des cots nergtiques par exemple, les prix de vente en euros devraient tre corrigs des uctuations du cot des rsines, valorises de faibles niveaux dans cette tude. Le tableau 1.4 prsente schmatiquement quelques caractristiques conomiques relatives divers procds concernant les thermodurcissables et composites. Ces renseignements sont gnraux et donns seulement titre indicatif pour se faire une premire ide des possibilits, impossibilits et cots. Les valeurs ne peuvent tre directement utilises pour un choix dnitif de solutions ou pour ltablissement des prix.

24


Tableau 1.4 - Exemples de caractristiques conomiques de quelques procds.Srie 1-1 000 1-1 000 200-10 000 500-20 000 Production de masse Production de masse 1 000-250 000 > 10 000 < 5 000 Moyenne srie < 10 000 Suivant les pices 30 min quelques jours Continu Continu Continu Continu Rapide Lent Rapide Rapide lev Moyen Moyen lev lev lev lev 2-5 min lev 1-10 min lev 5-30 min Moyen lev 30 min quelques jours Moyen Moyen Moyen Moyen Faible moyen Moyen Faible Moyen Faible lev Faible Faible Faible 30 min quelques jours Faible lev 30 min quelques jours Faible lev Temps de cycle Investissement Cot de main-d'uvre

Procd

Moulage au contact

Projection

Injection de rsine

1 Choix stratgiques

Compression froid

Compression chaud avec mats et prformes

Compression chaud des prepregs

RRIM

Injection haute pression

Autoclave

Estampage

Enroulement filamentaire

Centrifugation

Pultrusion


Moulage continu de plaques

25

ACRER UN CONTEXTE FAVORABLE LA TRANSFORMATION

1 Choix stratgiques


Si les cots de certaines pices plastiques peuvent surprendre, il faut les relativiser en considrant le contexte dans son ensemble. Pour des pices techniques, par rapport au mtal : le cot dune pice en plastique renforc bres de verre (PRV) pour plateforme offshore est gnralement suprieur celui de lacier au carbone (1,5 2,5 fois) mais identique ou infrieur celui des matriaux rsistants la corrosion. Cependant, les frais dinstallation sont rduits (temps de montage pouvant tre divis par 4, moyens de transport et de levage moins lourds) et les cots installs ne sont plus que de : 60 90 % par rapport lacier au carbone, 40 80 % par rapport lacier inox ; le cot dune plaque de strati poxy/bres de carbone (5 kg) est environ 10 fois celui dune plaque dacier (94 kg) destine au renforcement douvrages existants. Le surcot se justie cependant pour des interventions en conditions difciles : ouvrages trs isols, difciles daccs, inaccessibles aux moyens de manutention lourds ; pour une voiture de TGV deux niveaux, le cot du composite est 4 fois plus lev que celui de laluminium mais il suft de coller deux demicoques moules au lieu deffectuer de nombreuses soudures sur le modle mtallique. Lconomie substantielle en temps dassemblage compense le cot matire. Pour un certain nombre de procds de transformation, la BFP (British Plastics Federation) propose des courbes dun indice de prix unitaire en fonction du nombre de pices produites. Ces courbes, qui peuvent tre modlises par des quations de puissances exposants ngatifs, conduisent aux ordres de grandeur du tableau 1.5.

26


Tableau 1.5 Indice de prix en fonction des quantits produites.

1 Choix stratgiques

Nombre de pices

Usinage Contact

Roto-moulage simple Thermo-formage

Roto-moulage volu

Soufage Injection

1 100 30 20 40 5 4 15 50 45 20 10

> 100

10

> 100

100

> 100

1 000

10 000

15 3 2

30 4 325 520 470 320 320 360 310 420 420 410 360 580 530 180-410 710 450 540 600 830

Tableau 3.6 Exemples de caractristiques dunits de fermeture.

Force de fermeture (kN)

Distance entre colonnes (mm)

3 Moulage par injection des thermoplastiques

Dimension des plateaux

Hauteur du moule (mm)

Course douverture (mm)

Force douverture (kN)

Passage entre plateaux (mm)

Force djection (kN)

Course djection (mm)

Cycle vide (s)

Poids maximal du moule mobile (kg) 18 ; 22 ; 25 ; 30

3.3 Les moules et systmes de fermeture

Diamtre de vis des units dinjection adaptables (mm)

14 ; 18 ; 22 ; 25 ; 30

16 ; 18 ; 20 ; 14 ; 18 ; 22 ; 20 ; 22 ; 25 ; 22 ; 25 ; 28 ; 32 25 ; 30 ; 35 ; 40 28 ; 32 ; 35 ; 40


Tableau 3.6 Exemples de caractristiques dunits de fermeture. (suite)1 100 470 420 450 530 510 450 570 520 570 610 1 300-1 370 1 600 1 800 2 100


Distance entre colonnes (mm) 660 780 275 400 55 775 41 150 2,2 1 000 1,1 100-175 200 1,3 40 45 650-950 84 975 41 200 2,6 45 225 1,5 400-850 650 200-550 170-550 325 780 730


Dimension des plateaux


200-630



Passage entre plateaux (mm)

Force djection (kN)


Cycle vide (s)

Poids maximal du moule mobile (kg)



18 ; 22 ; 25 ; 30 ; 25 ; 28 ; 32 ; 35 ; 35 ; 40 ; 45 ; 52 ; 20 ; 22 ; 25 ; 28 ; 40 ; 45 ; 52 ; 60 ; 35 ; 40 ; 50 40 ; 45 60 32 ; 36 ; 40 70

97

BPROCDS DE TRANSFORMATION

982 400 630 630 710 710 900 710 1 000 800 800 960 1 260 1 320 350 725 104 1 075 59 200 2,7 1 000 200 2,8 1 500 66 ; 76 ; 84 ; 92 ; 100 59 1 175 1 375 81 250 3,2 141 175 800 975 1 150 247 1 600 81 250 3,6 114 180-300 2,4 375 400 450 400-850 1 700 3 000 4 000 5 000 5 400-5 600

Tableau 3.6 Exemples de caractristiques dunits de fermeture. (suite)


Distance entre colonnes (mm)


Dimension des plateaux (mm)




Passage entre plateaux

Force djection (kN)


Cycle vide (s)

Poids maximal du moule mobile (kg)



35 ; 40 ; 45 ; 45 ; 50 ; 55 ; 55 ; 65 ; 75 ; 55 ; 65 ; 75 ; 50 ; 55 ; 65 65 ; 75 85 85 ; 95


Tableau 3.6 Exemples de caractristiques dunits de fermeture. (suite)6 500 1 100 800 1 325 1 280 1 800 1 500 1 800 1 600 1 900 1 800 12 700 15 700 24 500 29 400 34 300 1 900 1 800


Distance entre colonnes (mm) 500 1 250 247 1 750 81 250 4,5 115 ; 125 125 ; 140 140 ; 160 160 ; 180 2 000-2 500 2 500-3 200 2 700-3 500 2 800-3 700 1 300-1 800 1 700-2 400 1 800-2 600 1 800-2 700




1 300-1 800


Passage entre plateaux

2 800-3 700

Force djection (kN)


Cycle vide (s)


Diamtre de vis des units 65 ; 75 ; 85 ; 95 dinjection adaptables (mm)

160 ; 180

99



3.4 Les presses injection

3.4 Les presses injection3.4.1 Presses standardsLa presse complte (gures 3.7 et 3.8 : exemples de presses KraussMaffei) comporte les systmes dinjection et de fermeture adapts aux pices produire et aux polymres utiliss de faon satisfaire les contraintes techniques dans des conditions conomiques acceptables.

Figure 3.7 Presse KraussMaffei de forte puissance (avec laimable autorisation de KraussMaffei).

100



BPROCDS DE TRANSFORMATION101

Figure 3.8 Petite presse KraussMaffei (avec laimable autorisation de KraussMaffei).


Les dimensions des presses varient videmment avec leur puissance, pouvant atteindre, par exemple, des dimensions au sol de 16 5 m pour une hauteur de 4 m dans le cas dune presse de 34 000 kN. Le tableau 3.7 prsente quelques exemples de forces de fermeture, diamtres de vis et puissances installes, qui ne constituent pas une rgle gnrale et souffrent de multiples exceptions.

102Diamtre de vis (mm) 32 34 40 45 52 60 70 75 80 90 100 110 115 120 140 180

Tableau 3.7 Exemples de forces de fermeture (kN), diamtres de vis (mm) et puissances installes (kW).

Force (kN)

18

22

25

30

350


450

540

600

830

1 100

1 300

1 600

1 800

2 100

2 400


3 000


Tableau 3.7 Exemples de forces de fermeture (kN), diamtres de vis (mm) et puissances installes (kW). (suite)Diamtre de vis (mm) 32 34 40 45 52 60 70 75 80 90 100 110 115 120 140 180

Force (kN)

18

22

25

30

4 000


5 000

5 500

6 500

12 700

15 700

24 500

29 400

34 300 Puissance installe 22 30 25 25 30 25 25 25 39 56 56 65 58 65 65 65 65 87 77 112 90 112 118 210 210 210 220 220


Puissance (kW)

16

16

16

16

30

30

30

30

103




Les presses sont souvent quipes avec des systmes de conduite automatise et dacquisition de donnes. Le tableau 3.8 indique quelques constructeurs ou distributeurs de matriel.Tableau 3.8 Exemples de constructeurs ou distributeurs de matriel.Socit Arburg Battenfeld Battenfeld-Gloucester Billion Boy Coperion Demag Engel Fanuc Farpi-France Ferromatik Milacron HW.Tech Husky JSW KraussMaffei Berstorff Mitsubishi Negri Bossi Netstal Nissei Sandretto SDT Sodick PlusTech Site Internet www.arburg.com www.battenfeld-imt.com. www.cms.battenfeld.com www.billion.fr www.drboy.de www.coperion.com www.sumitomo-demag.com www.engelglobal.com www.fanuc.de www.farpi.fr www.ferromatik.com www.hwtech.de www.husky.ca www.farpi.fr www.kraussmaffei.com www.mhiinj.com www.negribossi.com www.netstal.com www.nisseijushi.co.jp et www.nisseiamerica.com www.sandretto.fr en.plustech.co.jp

104



Tableau 3.8 Exemples de constructeurs ou distributeurs de matriel. (suite)Socit Stork Stork Reed Sumitomo Sumitomo Demag Toshiba Windsor Site Internet www.storkspm.com www.storkspm.com www.sumitomopm.com et www.shi.co.jp/plastics www.sumitomo-demag.com www.toshiba-machine.co.jp www.farpi.fr


3.4.2 Presses injection spcialesIl existe de nombreuses variantes des presses injection par la disposition des composants, la forme des btis, les conceptions des units de plastication, les principes de plastication/dosage, la nature des matriaux injectables, limportance des pices produire (de la micro-pice la pice gante), du nombre de matires composant la pice nale, etc. Nous nexaminerons que quelques-unes des possibilits. Outre la rduction de lencombrement au sol, les presses verticales facilitent le moulage de pices avec inserts mais la hauteur peut tre gnante pour lalimentation et lautomatisation de ljection. Les presses sans colonne facilitent les accs aux moules ainsi que lutilisation de dispositifs annexes pour le changement de moules et lautomatisation en raison des dgagements dus la suppression des colonnes. Sur les presses vis et piston, la sparation des fonctions de plastication et de dosage peut amliorer la prcision des dosages. Les conceptions de vis, longueurs totales, diamtres, rapports L/D, profondeurs des lets, longueurs respectives des sections dalimentation, compression et dosage, mtaux et traitements des vis et fourreaux doivent tre adapts aux polymres, charges, renforts et procds utiliss. Par exemple, pour des vis longues, les longueurs des sections dalimentation, compression et dosage peuvent tre respectivement de 6D, 6D et 5D pour une vis dusage gnral ou 12D, 2D et 6D pour un polymre particulier. Les mtaux et traitements




peuvent galement varier suivant la corrosivit du polymre, la nature de la charge ou du renfort, la tendance coller. Par exemple, il peut tre propos : une vis standard pour les polythylnes, polypropylnes, polystyrnes et les lastomres thermoplastiques polyolniques ; un autre type de vis avec un mtal diffrent pour les compounds de PVC ; un troisime type pour les thermoplastiques dingnierie peu chargs ou peu renforcs, par exemple polyamides et polyesters chargs 10 % au maximum ; un quatrime type pour les thermoplastiques hautes performances tels que polymres cristaux liquides, polytherimides, PPS, polyactals, ABS, thermoplastiques adhrents, polycarbonates ; un cinquime type pour les uoropolymres tels que PFA, PVDF, etc.m La micro-injection

Avec un taux de croissance deux chiffres, les microtechnologies pntrent de nombreux secteurs industriels tels que la mcanique de prcision, le mdical, lhorlogerie, les tlcommunications, les biotechnologies et lautomobile. Dans tous les cas, lobjectif est de concentrer le maximum de fonctions dans un minimum despace pour satisfaire les impratifs techniques, conomiques et environnementaux moteurs de dveloppement. Les avantages principaux rsident dans les diminutions de poids, de quantit de matire utilise, de consommation nergtique de fabrication et dexploitation, entranant des rductions de cots et de pollution. Certaines applications ncessitent la fabrication en grande srie, ce qui a amen plusieurs constructeurs de presses dvelopper des modles spciques. Les matriels utiliss doivent conduire aux volumes dinjection infrieurs au centimtre cube tout en assurant un temps de rsidence convenable, une excellente homognit de la masse fondue, une grande prcision du dosage, la matrise des mouvements dinjection et une bonne rptabilit. Ces impratifs diffrent sensiblement de ceux des machines standards, avec notamment des forces de fermeture plus faibles, des moteurs dentranement de vis moins sollicits, un dosage prcis des faibles quantits du domaine ou infrieures au centimtre cube. Les techniques peuvent driver des conceptions conventionnelles ou tre plus spciques. Les fonctions de plastication et dinjection sont souvent dissocies. La plastication peut tre assure par une vis ou par un piston de faibles diamtres alors que linjection et le dosage sont raliss par un autre piston ou mme une aiguille de faible diamtre. Le tout lectrique est particulirement adapt aux exigences de puret et la fabrication en salle blanche souvent associes ce type de pice.106



Nous nexaminerons que quelques exemples : la technologie MicroSystem de Battenfeld utilise une vis et un piston de diamtres de 14 mm et 5 mm respectivement, autorisant une capacit dinjection infrieure 1,1 cm3. Battenfeld a prsent un clamp vasculaire bioabsorbable de 0,4 mm de diamtre et de 0,4 mm dpaisseur ; Boy a prsent des engrenages de 0,9 mg injects dans un moule 2 empreintes sur une Boy 12A, quipe dune vis de 12 mm ; Demag commercialise sa presse Microshot avec une vis spciale de 14 mm de diamtre sur des machines standards modies permettant dinjecter des pices de 0,1 0,5 g ; Engel a mis au point la technique de moulage grande vitesse X-Melt pour injecter des pices de 0,1 20 g avec des paisseurs de parois de 0,1 1 mm ; Ferromatik Milacron a inject des pices de microphones en ABS pesant 0,7 g ; Sumitomo, avec la machine SE7M de 7 t servomoteur, injecte des connecteurs en LCP. Le tableau 3.9 indique quelques exemples de caractristiques de micro-presses.Tableau 3.9 Exemples de caractristiques de micro-presses.Capacit (cm3) Diamtre dorgane de plastication (mm) Diamtre dorgane dinjection (mm) Dunod La photocopie non autorise est un dlit.


0,08-0,6 10 1-3,5 2 000-3 500

1,1 14 5 2 500 300 1,5 14-18 7-11

Pression dinjection (bar) Vitesse de vis (tr/min) Temps de cycle vide (s) Force de fermeture (kN) Dimension plateaux (mm mm) Hauteur de moule (mm)

4-17 95 90 82

50 196 156 100



Le tableau 3.10 indique quelques constructeurs ou distributeurs de matriel.Tableau 3.10 Exemples de constructeurs ou distributeurs de matriel.Socit Arburg Battenfeld Boy Demag Engel Fanuc Ferromatik Milacron HW.Tech Nissei SPT Sodick Plustech Sumitomo Sumitomo Demag Site Internet www.arburg.com www.battenfeld-imt.com. www.drboy.de www.sumitomo-demag.com www.engelglobal.com www.fanuc.de www.ferromatik.com www.hwtech.de www.nisseijushi.co.jp et www.nisseiamerica.com en.plustech.co.jp www.sumitomopm.com www.sumitomo-demag.com

m Les mga-presses

Il semble que les plus grosses presses livres en 2009 aient t une Negri Bossi de type hybride de 70 000 kN de force de fermeture quipe de deux units dinjection et une Engel 5500 Duo de 55 000 kN de force de fermeture quipe de trois units dinjection pour la production de rservoirs de 6 500 l enterrs et de conteneurs. Les trois units dinjection, montes en parallle, sont dotes de vis de 260 mm permettant linjection dun poids maximal de 140 kg. La presse mesure 25 m de long, pse 585 t et prend assise 2 m sous le niveau du sol. Dans cette mme gamme de grosses presses, les forces de fermeture schelonnent, pour les modles plus standards, de 6 500 55 000 kN, les forces douverture de 400 1 500 kN, les temps de cycle vide de 2,9 12,3 s, les ouvertures de 700 1 750 mm et les puissances installes de 45 550 kW.108


3.5 Aides la conduite des presses

3.5 Aides la conduite des pressesLe moulage nchappe pas aux impratifs communs tous les processus industriels tendant rduire les temps morts de rglage, les taux de pices hors spcication, les dchets, etc. Linjection est tributaire de nombreux paramtres de mise en uvre de la matire inuenant plus ou moins la qualit des pices obtenues. Linteraction de plusieurs paramtres peut amplier les variations de proprits ou, au contraire, si elle est intelligemment conduite, peut minimiser ces variations et conduire une plus grande rgularit de la qualit : programme doptimisation PVT, par exemple. Chaque constructeur sattache donc prsenter des presses permettant de maintenir les divers paramtres dans des limites aussi troites que possible, pour conserver un niveau de qualit maximal avec une dpense matire minimale et un rendement des presses maximal. Un soin particulier est apport la rgularit des tempratures. Linformatisation des presses fait partie des moyens pour amliorer et gnraliser le contrle, la rgulation et le suivi de ces diffrents paramtres avec, en plus, la possibilit dlargissement beaucoup dautres facteurs concernant la fabrication et la gestion des ateliers. Chaque constructeur propose des gammes de systmes daide la conduite de sophistication croissante, allant jusqu la gestion complte dateliers entirement automatiss. Outre les divers systmes de rgulation, leur type, les organes de scurit divers, le cur du systme est constitu dun microordinateur plus ou moins puissant avec des logiciels plus ou moins volus. Des socits informatiques dveloppent galement des logiciels particuliers. Avant dexaminer quelques points gnraux, il faut rappeler limportance des principaux paramtres.



3.5.1 Influence de la temprature matireDune faon gnrale, laugmentation de la temprature matire dans la zone normale de travail du polymre mis en uvre : augmente la uidit ; diminue lorientation, donc amliore lisotropie ; rduit la tendance au gauchissement ; diminue les diffrences des retraits longitudinaux et transversaux ; peut amliorer la rsistance au choc dans certains cas, et diminuer la diffrence entre les rsistances au choc dans les sens dcoulement longitudinal et transversal ;



agit sur le brillant de surface dans certains cas ; joue sur le temps de relaxation des contraintes ; diminue le temps total acceptable dexposition la temprature avant dgradation. Si lon dpasse la zone normale de travail du polymre mis en uvre, il y a dgradation dautant plus rapide que la temprature est leve.m Influence de la temprature de la matire sur sa viscosit

Le graphique de la gure 3.9 montre la diversit des volutions de la viscosit une vitesse de cisaillement donne de six thermoplastiques courants en fonction de la temprature.

Figure 3.9 Viscosit en fonction de la temprature.

Le tableau 3.11 indique le trajet parcouru par injection dans un moule spirale en fonction de la temprature du polymre. Les neuf spirales utilises tant de dimensions et formes diffrentes, les rsultats ne sont pas comparables entre eux. titre dexemple, pour un mme grade, toutes conditions dinjection identiques, la distance parcourue passe de 400 1 000 mm lorsque lpaisseur de la spirale passe de 1 2 mm.

110



Tableau 3.11 Exemples dvolutions des trajets dinjection.Polymre PP Rfrence Temprature de spirale (C) A 230 260 B 230 260 C 230 260 D 225 250 PP 40 % talc E 225 250 F 230 260 Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Trajet (mm) 2 000 2 400 850 1 000 950 1 175 650 790 380 510 240 400 170 230 175 210 205 235

% daugmentation du trajet (mm/C) 0,7

0,6


0,8

0,9

1,4

2,2

POM

G

280 300

1,8

H

250 270

1

I

210 230

0,7



m Influence de la temprature de la matire sur lanisotropie des pices

Le tableau 3.12 indique les rapports danisotropie (valeur dans le sens de lcoulement/valeur dans le sens transversal) pour diffrentes proprits en fonction de la temprature dinjection. Lanisotropie est dautant plus marque que ce rapport est lev. On peut constater des variations trs diffrentes avec des diminutions de plus de 20 % pour le PMMA et une constance des rsultats dans les autres cas.Tableau 3.12 Exemples dvolutions des coefficients danisotropie.Temprature dinjection (C) Polymre PMMA Proprit tudie 240 Choc non entaill Choc entaill PP Retrait sur plaque 1,8 1 1,27 1,05 250 1,6 1 260 1,4 1 1,2 1,02

m Influence de la temprature de la matire sur la rsistance

au choc des pices

Le tableau 3.13 prsente des exemples dvolutions des rsistances au choc, qui dpendent la fois du type dessai et du polymre.Tableau 3.13 Exemples dvolutions des rsistances au choc.Temprature dinjection (C) Polymre ABS SB Type dessai au choc Basse Poinon tombant sur une bote Poinon tombant sur une bote 260 260 260 PP PMMA Non prcis Choc non entaill 240 240 240 Haute 280 280 280 260 260 260 Variation de la rsistance (%) 6 58 > 1 000 25 13 6

112



m Influence de la temprature de la matire sur le brillant de surface

des pices

Pour un grade donn dABS, le tableau 3.14 indique des exemples dvolutions des brillants de surface pour diffrentes valeurs de temprature du moule, dure dinjection, temprature matire. Tous essais confondus, les carts sont importants, pouvant reprsenter jusqu 35 %.Tableau 3.14 Exemples dvolutions des brillants de surface.Temprature dinjection (C) Temprature de moule (C) Dure dinjection (s) 230 60 60 30 30 0,4 2 0,4 2 67 67 60 55 255 67 67 62 56 280 67 62 60 43


m Influence de la temprature de la matire sur la dgradation thermique

des pices


Dans cet exemple dun polyester thermoplastique charg bres de verre, un dpassement de 12 C de la temprature maximale recommande pendant un temps total de sjour de 13 min dans la presse entrane des taux de dgradation qui dpendent de la proprit prise en considration, par exemple : la rsistance en traction diminue de 16 % ; la rsistance en exion diminue de 16 % ; le choc Izod reste inchang ; le choc traction diminue de 32 %.

3.5.2 Influence de la pression dinjectionGnralement, laugmentation de la pression dinjection augmente le cisaillement donc la temprature matire et la vitesse dinjection. La viscosit diminue et linjectabilit augmente mais lorientation galement. Le retrait diminue.



m Influence de la pression dinjection sur le retrait

Le tableau 3.15 indique des exemples de retraits de diffrents thermoplastiques en fonction de la pression dinjection : ces mesures tant faites suivant des mthodes diffrentes, elles ne sont pas comparables entre elles pour des produits diffrents.Tableau 3.15 Exemples de retraits (%) en fonction de la pression dinjection.Pression dinjection (bar) Polymre 400 PP PP 10 % de talc PP 40 % de talc POM 2 1,5 1 700 1,8 1,2 0,8 2,1 1 100 1,6 1 0,7 1,8

m Influence de la pression dinjection sur linjectabilit

Le tableau 3.16 indique des exemples de longueurs injectes dans des spirales types. Celles-ci et les conditions dinjection tant diffrentes pour chaque polymre, les rsultats ne sont comparables que pour un mme polymre.Tableau 3.16 Exemples de longueurs (mm) injectes dans des spirales types en fonction de la pression dinjection.Pression dinjection (bar) Polymre 400 PE-HD 20 % bres de verre ABS PET PET 30 % bres de verre PC faible viscosit 300 700 420 200 350 300 460 400 1 000 550 450 650 550 190 800 700 220 1 500 2 000

114



Tableau 3.16 Exemples de longueurs (mm) injectes dans des spirales types en fonction de la pression dinjection. (suite)Pression dinjection (bar) Polymre 400 PC forte viscosit PPO PPO ignifug 310 270 400 340 700 1 000 1 500 120 500 450 2 000 140 750 550


3.5.3 Influence de la pression de maintienLaugmentation de la pression de maintien est surtout sensible prs du seuil. En gnral, elle provoque une lgre diminution du retrait et des retassures, une augmentation de lorientation par uage et une diminution de la relaxation. Dans certaines conditions, elle peut induire des contraintes rsiduelles. titre dexemple, le retrait aprs deux semaines dun polyactal moul sous forme de botes dpaisseur de paroi 1,5 mm est de : 2,02 % pour une pression de maintien de 300 bar ; 2,05 % pour une pression de maintien de 600 bar. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

3.5.4 Influence de la vitesse dinjectionUne vitesse dinjection leve peut augmenter la temprature de la masse fondue par cisaillement, diminuer la viscosit, viter la solidication prmature de la masse fondue, permet une meilleure transmission de la pression de maintien lintrieur de la masse fondue, en dbut de la phase de maintien. Elle agit favorablement sur les lignes de soudure mais augmente lanisotropie surtout en surface et peut galement inuer sur le brillant dans certaines conditions. Le tableau 3.17 montre que, gnralement, le brillant diminue lorsque la vitesse dinjection diminue mais que le phnomne peut tre ampli ou attnu par des rglages de tempratures de masse fondue et de moule.



Tableau 3.17 Exemples de variation du brillant en fonction de la vitesse dinjection.Temprature de masse fondue (C) 255 Temprature de moule (C) 30

Vitesse dinjection

Variation du brillant (%)

leve Lente

Valeur de base 10 Valeur de base 0 Valeur de base 28 Valeur de base 7

60

leve Lente

280

30

leve Lente

60

leve Lente

3.5.5 Influence de la temprature du mouleEn gnral, llvation de la temprature du moule : augmente les phnomnes de dilatation thermique donc le retrait ; favorise la soudure des fronts des ux de matire et augmente la rsistance des lignes de soudure ; augmente le brillant ; favorise la relaxation et une diminution des tensions internes ; augmente la cristallinit pour les matires cristallines ou semi-cristallines ; peut faire diminuer la rsistance au choc ; diminue la tendance au gauchissement ; augmente le temps de refroidissement et, par suite, ralentit la production et augmente les cots de transformation. Certains producteurs de polymres signalent galement que la temprature peut inuer dans certains cas sur les proprits lectriques. Pour certains grades, il est parfois recommand dutiliser une temprature de moule au moins gale la temprature ultrieure de service.

116



m Influence de la temprature du moule sur le retrait

Le tableau 3.18 conrme, pour un polyamide et un polyactal, laugmentation gnrale du retrait lorsque la temprature du moule crot mais lpaisseur de paroi joue un rle important.Tableau 3.18 Exemples de variations du retrait (%) en fonction de la temprature du moule.Temprature de moule (C) Polymre paisseur de paroi (mm) 30 PA 1,5 3 12 POM 1,5 1,2 60 0,7 1,2 3 1,25 90 1 1,7 3 1,45 1,85 120


m Influence de la temprature du moule sur le brillant de surface des pices

Sur un mme grade dABS, pour une temprature matire xe, le brillant diminue lorsque la temprature du moule dcrot, par exemple de 7 10 % suivant la vitesse dinjection.m Influence de la temprature du moule sur la rsistance au choc des pices Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Le tableau 3.19 indique quelques exemples de variations de la rsistance au choc en fonction de la temprature du moule. Les variations dpendent du type dessai au choc comme le montrent les rsultats sur un polyamide semi-aromatique.Tableau 3.19 Exemples de variations de la rsistance au choc en fonction de la temprature du moule.Temprature du moule (C) 60 90 120 Choc entaill Valeur 7,6 7,5 7,2 Variation (%) 1 5 Choc non entaill Valeur 38,5 32,7 23,8 Variation (%) 15 38



3.5.6 Exemples de systmes daide proposs par les constructeurs de pressesLa puissance des systmes informatiques donne accs dimmenses possibilits ncessitant un soin particulier de la slection des tches ralisables pour aboutir un systme adapt aux problmes rsoudre sans alourdir le fonctionnement et sans perturber le personnel utilisateur. De nombreuses sorties et entres autorisent limpression, la gestion dappareils externes, le raccordement des systmes centraliss, etc. La documentation complte de la machine peut tre appele lcran sous une forme facilitant et acclrant les recherches de renseignements. Les vitesses de traitement du systme de commande ne doivent pas limiter la cadence de la presse. La prsentation symbolise et organise doit permettre une interprtation intuitive aise pour guider efcacement le rgleur. Le rejet expliqu en clair de toute valeur incohrente augmente la abilit du systme. Les diffrentes fonctions telles que fermeture, injection, chauffage, tat du moule, refroidissement, etc. sont suivies indpendamment, ventuellement sous forme graphique. Les fonctions de mise en route et rglage des presses doivent faciliter et acclrer les dmarrages de production alors que les fonctions de matrise de la qualit doivent conduire aux meilleurs taux de dchets et hors spcications conduisant aux meilleures performances conomiques.m Gestion de linjection

Larchitecture modulable autorise des extensions pour le traitement de nombreux quipements priphriques additionnels. Prcision et rptitivit sont obtenues grce une matrise de la phase dinjection dynamique, un passage en maintien prcis par traitement spcique ultra-rapide de linformation, un choix du mode de passage en maintien par la slection du paramtre de rfrence, par exemple la pression dans le vrin dinjection, la pression dans le moule. Les mouvements internes ou externes des outillages sont commands et contrls. Lintroduction des squences prprogrammes dans les mmoires, par simple appel dun numro, limine tout risque derreur. La conguration du systme de rgulation thermique offre un choix total et direct de chaque zone, des diffrentes sections de chauffage du fourreau, de la buse, du moule, des extensions.118



m Gestion de la fermeture, ouverture, jection

Les mouvements douverture et de fermeture sont entirement rglables en course, vitesse et position, incluant les phases dacclration et de dclration. La course et la pression de scurit de fermeture protgent les outillages. Tous ces paramtres sont rglables lcran.m Gestion et analyse de linformation


chaque mise en route de la machine, un autotest du systme seffectue. Lafchage lcran, chaque cycle, des valeurs signicatives du moulage effectu permet la dtection immdiate des anomalies. Des sorties et un signal de synchronisation pour table traante fournissent, lors de rglages dlicats, des relevs dune trs grande prcision. La gestion de fabrication est assure avec identication de celle-ci, comparaison des temps rels et standards, suivie du nombre dinjections ralises, acquisition des paramtres importants. Les systmes individuels de chaque presse peuvent tre associs au systme de gestion de production de lensemble atelier ou usine, permettant une gestion centralise de la production des ateliers.m Aide au diagnostic de panne

Des signaux lumineux et des alarmes sonores permettent de dterminer la plupart des origines dincidents ventuels. Sur un tableau synoptique de la presse, des tmoins retent le fonctionnement sur arrt machine, permettant

119

PROCDS DE TRANSFORMATION

Lintroduction de valeurs de consigne et la surveillance automatique de lcart maximal avec la valeur relle du paramtre assurent la rgulation du paramtre et peut commander une alarme systmatique ou plus slective, seulement en cas dchec de la correction automatique. Ladaptation de rgulations externes est aussi possible. La surveillance de certains carts des paramtres importants permet, automatiquement ou par slection lcran, linterdiction de toute opration susceptible dendommager le matriel ou de conduire invitablement une production en dchets. Par exemple, pour viter toute dgradation de la matire, la mise en chauffe est programme par paliers, avec contrle, pour que les diffrences de temprature entre les zones restent toujours infrieures une consigne. La mise en veille est aussi programmable par consignes de temprature affectables chacune des zones. Les extensions de chauffe sont pratiquement illimites.

B


3.6 Procds spciaux dinjection

de localiser ltape au cours de laquelle est survenu lala ventuel. La structure du systme autorise des investigations localises. La fonction de dpannage rpond aux besoins du dpanneur en lui apportant des moyens rapides dinvestigation tous les niveaux.

3.5.7 Exemples damliorations de la qualit par utilisation des systmes daideLa gure 3.10 illustre le resserrement des poids de pices produites pendant un test avec rglage manuel de la presse puis en utilisant le systme daide la conduite intgr la mme presse. La plage et lcart-type sont approximativement diviss par deux.

Figure 3.10 Poids des pices avec et sans systme daide.

3.6 Procds spciaux dinjection3.6.1 Production de pices multi-matires, co-moulage, surmoulagePlusieurs procds permettent de raliser des pices multi-matires en une seule passe ou en deux passes : sans reprise, en une seule passe sur des presses plusieurs groupes dinjection, on parle alors de co-moulage ou de co-injection ; en reprise sur dautres presses, on parle alors de surmoulage.120



Le but de la co-injection ou du surmoulage est dobtenir des fonctions diversies pour une mme pice, par exemple des couleurs diffrentes pour les cabochons de feux arrire pour lautomobile, un toucher souple pour une pice structurelle trs rigide, une surface extrieure amortissante pour des objets fragiles tels que des tlcommandes utilises dans des conditions difciles.m Injection simultane directement dans le moule

Figure 3.11 Injection simultane, directement dans le moule, dune plaque bicolore.

m Injections successives de deux matires ou plus, surmoulage Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

La fabrication en position verticale de la mme plaque bicolore prsente prcdemment est reprsente dans la gure 3.12. Cette fabrication utilise un moule dont la moiti de lempreinte est rserve par un dispositif mcanique mobile (1er schma gauche) qui ne permet dinjecter dabord que la matire noire. Lorsque linjection de celle-ci est nie, la partie mobile est dgage librant le reste du moule (3e schma) pour recevoir le polymre gris inject laide dune autre unit dinjection. La pice termine (dernier schma droite) est la mme que dans lexemple prcdent. Un rsultat similaire peut tre obtenu en sparant les deux parties du moule par un cache que lon escamote aprs la premire injection. Le principe est le mme pour les moulages tri-matires : on obture dabord la partie centrale de lempreinte, ce qui permet dinjecter les matires des deux parties extrmes. Ensuite, llment mobile libre la partie centrale de lempreinte pour linjection de la troisime matire. Les cabochons de feux

121


Linjection simultane, directement dans le moule, de deux matires diffrentes laide de deux units dinjection est reprsente schmatiquement sur la gure 3.11. Les matriaux noir et gris sont injects chacun par une unit dinjection (schma de gauche) jusqu remplissage du moule avec les fronts dinjection faisant leur jonction au milieu (schma du milieu). La plaque bicolore, aprs dcarottage est reprsente droite.

B



Figure 3.12 tapes successives de la bi-injection dans un moule partie mobile.

arrire automobiles avec stops (rouges), recul (incolores), clignotants (jaunes) sont des exemples bien connus. Cette technique nest applicable que lorsque la conguration de la pice permet lutilisation dlments mobiles. Une autre application concerne le surmoulage dune peau plus ou moins paisse comme illustr par la gure 3.13. La peau noire est injecte en premier par une premire unit dinjection puis on injecte le noyau gris avec une deuxime unit dinjection.

Figure 3.13 Surmoulage dune peau sur un noyau dans le mme moule.

Le mme principe permet la fabrication de multicouches squentiels. La machine dinjection comprend le nombre ncessaire dunits dinjection (au moins une par matire), une unit de fermeture classique, un moule avec un systme de distribution asservi permettant dalimenter le moule avec chacune des units dinjection selon une squence programme.122



m Injections successives de deux matires ou plus avec transfert

de la prforme, surmoulage

Figure 3.14 Moulage bi-matire avec transfert de la prforme dans le mme moule.

Le surmoulage procde de la mme technique, le noyau pouvant tre fabriqu bien avant le surmoulage, ventuellement dans un autre atelier ou dans une autre usine. Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

m Compatibilit entre les polymres

En gnral, on recherche une bonne cohsion entre les diffrents matriaux pour obtenir un assemblage prenne. En cas dincompatibilit, lajout dune couche intermdiaire compatible avec chacun des matriaux incompatibles peut rsoudre le problme. Des grades compatibiliss de matriaux originalement incompatibles sont galement commercialiss, notamment pour les lastomres thermoplastiques utiliss pour le soft touch, lamortissement ou ltanchit. Le tableau 3.20 propose quelques indications gnrales sur les compatibilits, qui peuvent tre contredites par lutilisation de grades spciaux et qui doivent tre imprativement vries sur les cas concrets rellement poss.

123


Toujours dans lexemple prcdent dune plaque bicolore, la partie noire est dabord injecte dans une empreinte sa mesure. Cette prforme est ensuite dmoule et transfre dans une autre empreinte la dimension nale de la pice nie, dans le mme moule ou dans un autre, sur la mme machine ou sur une autre. La gure 3.14 schmatise le cas du transfert dans une deuxime empreinte du mme moule sur la mme machine. Dans ce cas, pour gagner de la productivit, les deux injections peuvent tre opres en mme temps. Le transfert de la prforme peut tre manuel ou robotis.

B

Tableau 3.20 Exemples de compatibilit entre polymres.PET TPU ABS PSU PMMA PVC PPO S S S S S S S S S n n n S S n n n l n S n n n n S l l S l l l l l S n S S S n S S n l S n S S n n n S S S S S n n n n S n l n S n S l l l l l l l n S n l S S S S S n n S S n n S S S n n n n S S n n l S n n l S S S S n S n n l n POM PS EVA PBT PE PP

124

Polymre

PC

PA

CA

PC

S

l

PA

l

S

CA

S


PET

S

TPU

S

S

S

ABS

S

S

Compatibilit

PSU

S

PMMA

U-PVC

S

S

PPO

n

POM

PS

n

n

n

EVA

l

PBT

S

S

PE

n

l

n


PP

n

l

n

S : satisfaisant ; l : limit ; n : non satisfaisant



3.6.2 Injection des thermoplastiques renforcs fibres longues (LFRT)Les LFRT thermoplastiques renforcs bres longues (longueur dordre centimtrique) apportent, taux dincorporation identique, un renforcement plus lev que les bres courtes dun ordre de longueur millimtrique couramment employes dans les thermoplastiques. Le tableau 3.21 montre les progrs accomplis pour les performances mcaniques. Ceci nest bien sr vrai que si les longueurs des bres centimtriques restent bien dans cet ordre de grandeur dans les pices nies. Sinon, les performances retombent des niveaux voisins du renforcement obtenu avec les bres courtes. La bre de verre tant fragile et les bres de grande longueur ayant tendance sorienter et stagner dans les endroits o le ux change de direction ou est ralenti, il est ncessaire de prendre des mesures de conception spciques des machines de transformation et des moules et dadopter des rglages particuliers des paramtres dinjection.Tableau 3.21 Exemples de renforcements par 30% de fibres millimtriques et centimtriques.Longueur des bres Caractristique Millimtrique Centimtrique Variation (%)


Polypropylne renforc 30 % bres de verre Dunod La photocopie non autorise est un dlit.

Rsistance traction (MPa) Rsistance exion (MPa) Module traction (GPa) Module exion (GPa) Allongement (%) Choc Izod entaill (J/m)

42 65 4 4 2 45

80 120 5 5 3 213

+ 90 + 85 + 25 + 25 + 370

Polyamide 66 renforc 30 % bres de verre Rsistance traction (MPa) Rsistance exion (MPa) 135 175 197 295 + 46 + 69



Tableau 3.21 Exemples de renforcements par 30% de fibres millimtriques et centimtriques. (suite)Longueur des bres Caractristique Millimtrique Centimtrique Variation (%)

Polyamide 66 renforc 30% bres de verre Module traction (GPa) Module exion (GPa) Allongement (%) Choc Izod entaill (J/m) 7,5 5,9 4 135 10,4 9,2 2,4 270 + 39 + 56 + 100

Les grades renforcs de bres de longueur de lordre de 10 mm peuvent tre transforms sur du matriel conventionnel en adaptant simplement les procds pour ne pas casser les bres. Les grades renforcs de bres de 20 mm et plus ne peuvent plus tre transforms sur du matriel conventionnel. Il faut utiliser, par exemple, des vis ou des techniques particulires dinjection. Certains constructeurs ont rsolu le problme en incorporant ltape de mlangeage de la bre longue et le moulage sur la mme machine ou tout au moins sur la mme ligne, vitant ainsi une tape de production et minimisant les problmes de dgradation dus aux reprises entranant un supplment de contraintes mcaniques et thermiques. Comme toujours lorsquon supprime une tape supplmentaire effectue en reprise, le cot nal sen trouve amlior. Ainsi, KraussMaffei, par exemple, propose sa technologie IMC (Injection Moulding Compounder) combinant une unit de mlangeage et dinjection spcique avec un systme de fermeture standard comme schmatis sur la gure 3.15. Le problme du mlangeage par un procd continu lextrusion et de linjection par un procd discontinu piston doseur a t rsolu en intercalant un rservoir tampon en sortie dextrudeuse : la bivis corotative assure la plastication et le mlangeage, remplit le dispositif dinjection puis le rservoir tampon pendant la phase dinjection ; le piston doseur alimente le moule ;

126



le rservoir tampon permet le stockage du polymre fondu pendant la phase dinjection de faon laisser travailler la bivis en continu ; un systme de vannes commande la circulation du polymre et empche les reux de matire.


Figure 3.15 Schma de principe du procd IMC.

Cette technologie, daprs le constructeur, apporte un avantage conomique de presque 1 sur le cot matire et peut sadapter dautres types de charges y compris non breuses.


3.6.3 Moulage pression rduite sur support fragile : back mouldingPour des applications comme les pices dintrieur pour lautomobile, il est intressant de mouler des thermoplastiques sur des tissus ou autres supports fragiles. Le procd par injection sous pression rduite permet lobtention de pices daspect en une seule tape, ce qui conduit des gains de temps et de cot, notamment en cas dautomatisation, facilement ralisable. Daprs Engel, les rductions de cot seraient de lordre de 15 30 % par rapport aux techniques classiques de laminage. Le procd Tecomelt (Engel) dinjection pression rduite utilise des presses dinjection horizontales conventionnelles lgrement modies pour adapter la pression. Pour xer les ides, celle-ci peut tre de lordre de 50 bar contre plusieurs centaines pour linjection conventionnelle. Signalons quune autre variante du procd utilise une presse verticale compression.



3.6.4 Injection compressionLes lments sont identiques ceux de linjection mais le procd est diffrent en ce qui concerne la mise en pression de la matire dans le moule. Lunit dinjection plastie la matire et remplit le moule froid lgrement ouvert, contrairement linjection conventionnelle qui se fait dans le moule ferm. La mise en pression est obtenue par fermeture du moule dans une phase nale de compression. Lorientation du polymre moul est plus faible quen injection, les tolrances dimensionnelles et les poids sont bien respects mais les moules sont plus onreux et les machines doivent tre adaptes. titre dexemple, le procd est optimis par Engel sous le nom dOptimelt pour la production dlments optiques pour lautomobile.

3.6.5 Moulage par ExjectionIB Steiner et Hybrid Composite Products GmbH ont dvelopp le procd dExjection combinant lextrusion et linjection pour la fabrication de pices de grande longueur, parois de faible paisseur, avec des machines conues pour des masses injectes et des forces de fermeture plus faibles. Plusieurs constructeurs de presses se sont associs ce programme, par exemple Arburg et Engel. Le principe consiste utiliser lextrusion pour remplir le moule qui dle perpendiculairement laxe de la machine. Lempreinte se remplit du thermoplastique et une pression stablit assurant le compactage et la reproduction dle de la cavit du moule. La longueur de moule rellement en cours de remplissage un instant donn tant limite, la pression dinjection peut tre rduite ainsi que la force de fermeture, qui peut ne reprsenter dans les meilleurs des cas que 10 % de celle utilise pour linjection conventionnelle. Le procd continu dextrusion ne provoque pas de lignes de soudure et lorientation molculaire ainsi que les contraintes internes sont limites. IB Steiner et Hybrid Composite Products GmbH estiment que les investissements sont rduits de 30 50 % par rapport aux presses dinjection de capacit adapte aux grandes pices et que la rduction des cots de fabrication est de lordre de 10 7

Aide-mémoire - Transformation des matières plastiques

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