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Centre technique de la plasturgie et des composites

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« L’EFFET FLEUR DE LOTUS »DES MICRO NANOSTRUCTURES

ÉCO-PERFORMANCE ET RECYCLAGE : LE PEP RÉPOND PRÉSENT !

PLASTRONIQUE : QUAND LES OBJETS DEVIENNENT INTELLIGENTS ET COMMUNIQUANTS

2014

Plastronique Le procédé plasmacoat 3D ............................................................................................................................................................4 Quand les textiles deviennent communiquants ...................................................................................................................6

Micro nanostructures Les micro nanostructures au service de la lutte anti-contrefaçon ..................................................................................8

Optimal design Tomographie : les plastiques passés aux rayons X ................................................................................................................10 La conception numérique par l’optimisation..........................................................................................................................12

Procédés et outillages Fadiplast : fabrication directe thermoplastique avancée ...................................................................................................14 Mold4prodE : les capteurs rendent les moules intelligents et les transformateurs compétitifs ..........................17 Moulinnov : des moules innovants hautes performances pour l’injection par SLM ................................................20 Fabrication directe : contrôle des déformés par la simulation numérique ..................................................................23 CheckMold : un outil de gestion collaborative de la maintenance d’un parc moules .............................................26

Composites SMCéco : un procédé éco-performant pour le moulage des SMC ..................................................................................28

Recyclage Enolibio : étude de fin de vie optimale des biocomposites ...............................................................................................31 Eden : vers une demarche d’éco-conception ..........................................................................................................................34 Météor-Plast : recycler les plastiques en mélange ? C’est possible ! ...............................................................................37

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Ambition et innovation : des valeurs qui font la marque...

Depuis près de 25 ans, les équipes du PEP s’investissent dans le développement des filières de la plasturgie et des composites avec pour ambition de proposer aux industriels des services de plus en plus innovants à très haute valeur ajoutée en misant sur les futures technologies et en anticipant sur les besoins de la profession.

Ainsi, le PEP est très impliqué dans le développement de plateformes collaboratives et lancera en 2014, la plateforme S2P dédiée au développement de pièces intelligentes tant il est vrai que la plastronique est une activité très porteuse pour nos industries, mais dont le développement suppose bien souvent des investissements conséquents et peu rentables à court terme.

Véritable outil au service des industriels, mais également très en prise avec les grands enjeux de demain, le PEP développe un savoir-faire tout particulier au niveau des problématiques environnementales, notamment du recyclage. L’apport des projets de R&D dans lesquels il s’investit permet à ses clients de bénéficier de transfert technologique sous forme de pres-tations comme le développement de matériaux, le compoundage à façon, les analyses en laboratoire... Ces actions seront prochainement facilitées par la création d’une plateforme technologique sur le recyclage.

L’éventail de nos compétences est large, l’imagination de nos équipes sans limites et les besoins de la profession croissants... Aussi le PEP peut se féliciter de soutenir la compétitivité et le leadership français dans un certain nombre de domaines en s’investissant dans plus d’une vingtaine de projets de R&D, dont nous avons plaisir à vous présenter dans ces pages les plus emblématiques. C’est aussi grâce aux fructueux partenariats noués avec les professionnels du secteur et les institutions que nous pouvons nous prévaloir aujourd’hui de ces belles réussites au service de la plasturgie. Qu’ils en soient ici remerciés.

Luc Uytterhaeghe, Directeur du PEP

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Projets en cours Thème

ENOLIBIO - End of life of biocomposites Recyclage des polymères bio-sourcés

REMIX - Pilot project for the recycling of mixed-plastics waste Recyclage de déchets plastiques en mélange

METEOR-PLAST - Mélangeur à écoulement élongationnel pour le recyclage de déchets plastiques

Recyclage de déchets plastiques par écoulement élongationnel

PICTIC - Plateforme d’impression de composants pour les technologies de l’information, de la communication et les capteurs

Surmoulage de composants en électronique imprimée

3D-HIPMAS - Pilot factory for 3D high precision MID assemblies Technologie de réalisation de pistes d’interconnexion pour moulage bi-matière

PASTA - Integrating platform for advanced smart textile applications Textiles intelligents par intégration d’électronique

4M2020 - Advanced manufacturging of multi-material multi-functional products towards 2020 and Beyond

Participation à la définition des stratégies de recherche pour l’Europe dans le domaine des produits multi-matériaux et multi-fonctionnels

HINMICO - High throughput integrated technologies for multima-terial functional micro components

Réduction de la dimension des pistes d’interconnexion en technologie LDS

TERASEL - Thermoplastically deformable circuits for embedded randomly shaped electronics

Surmoulage de circuits flexibles

PLASTRONICS - Technologie d’interconnexion et de reports de composants sur pièces plastiques

Démontrateurs de produits plastiques «intelligents»

PIMENT - Plastique injection micro et nano technologie Micro et nanostructuration de pièces plastiques

PROPIM - Moulage par injection de poudres hautes performances : optimisation des propriétés des pièces (précision, élasticité) et des rendements procédés (matière et productivité)

Mise au point d’un procédé de réalisation de pièces en PIM haute cadence

POLIREV - Développement et mise au point d’un revêtement / traitement de surface à destination des surfaces poli-miroir et poli-optique

Mise au point d’un revêtement / traitement de surface pour les outillages de plasturgie

CHECK MOLD - Outil d’analyse, d’expertise et d’alerte pour fabrication de pièces plastiques

Validation d’un logiciel de suivi des moules d’injection au cours de leur vie

MOULINNOV - Développement de moules innovants à hautes performances pour l’injection de matières plastiques fabriqués par Selective laser melting (SLM)

Réalisation de pièces en construction additive à base de poudre d’inox

SILICONE LSR - Développement de solutions à haute valeur ajoutée dans le domaine des silicones LSR(Liquid Silicon Rubbers) & émergence d’une filière associée en France

Injection de LSR (Liquid Silicon Rubber)

IS2 - Injection soufflage cycle chaud ultra-productive sur du matériel d’injection standard

Procédé d’injection soufflage haute cadence sur presse multi-empreintes

ICP - Ingénierie collaborative plasturgie Logiciel collaboratif de conception de produits plastiques

SMCECO - Sheet moulding compound économique et écologiqueValidation du procédé de mise en œuvre de composites thermodurs SMC basse température, basse pression

ARIZONA - Architecture innovante de la zone auvent Premiers démonstrateurs de pièces hybrides pour une application automobile

COMPOFAST - Composites structuraux à renforts continus pour automobile grande série

Mise au point d’un procédé de surmoulage de thermoplastique sur base thermo-plastique «fibres longues» en procédé RTM

STIICPA - Pièce de structure injectée sur insert composite PAMise au point d’un procédé de surmoulage de thermoplastique sur base thermo-plastique « fibres longues »

Les projets de R&D collaboratifs en cours

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Voie d’aVenir Le procédé Plasmacoat 3D

Actuellement, plusieurs enjeux des secteurs de l’électronique et de la plasturgie se

croisent. Le segment des équipe-ments électroniques doit faire

face à des défis de miniaturisation et d’allégement, d’intégration de multiples fonctions en 3D, de fiabilisation des pro-duits, le tout en réduisant les coûts. La plasturgie française

doit, quant à elle, renforcer sa compétitivité en agréant une

nouvelle forme de valeur ajoutée. Depuis quelques années, de nou-

veaux types de produits, à la croisée de ces deux industries et basés sur le

développement de nouvelles technologies se sont déve-loppés  : les systèmes plastiques intelligents associant sur des

pièces plastiques (apportant les fonctions mécaniques et packa-ging) des composants électroniques (apportant intelligence et fonctionnalité). Les technologies les plus utilisées pour fabriquer des produits plastiques intelligents sont à ce jour les techno-logies 3D-MID (Molded interconnect devices), qui permettent de métalliser sélectivement un plastique et de rapporter ensuite les composants électroniques pour faire évoluer les fonctions classiques (circuits imprimés, connecteurs, capteurs...) vers de nouvelles fonctions plus performantes et mieux adaptées à l’intégration dans les systèmes. Les dispositifs les plus cou-rants sont l’injection bi-matière avec activation et métallisation chimique et la technologie LPKF-LDS avec activation laser et métallisation chimique. Cependant, ces deux technologies utilisent une étape de croissance métallique par voie humide (bains chimiques) ce qui ne permet pas d’avoir des épaisseurs de cuivre très importantes (10-12 µm) et constitue un frein pour certaines industries qui souhaitent s’affranchir de ce procédé en orientant leur stratégie vers des procédés « voie sèche ».

La matière change d’état Lorsqu’on Lui apporte de L’énergie

La technologie plasma est basée sur un principe physique simple : la matière change d’état lorsqu’on lui apporte de l’énergie. Les solides deviennent liquides et les liquides deviennent gazeux. Selon ce principe, si l’on apporte au gaz suffisamment d’énergie supplé-mentaire pour arracher des électrons aux atomes, le gaz devient alors ionisé et atteint le quatrième état de matière, très riche en énergie : le plasma. Le plasma peut être obtenu par différents apports d’énergie (champ électrique ou électromagnétique important, température élevée, bombardement de particules...). Dans le cas de plasmacoat 3D, le gaz (argon) est alimenté dans une buse à quelques dizaines de litres par minute. C’est un arc électrique entre deux électrodes qui va permettre le changement d’état du gaz en plasma. La température du plasma peut descendre localement sous les 200 °C lorsque celui-ci atteint sa cible, ce qui permet de l’utiliser sur des matières thermosensibles, comme le temps d’exposition reste relativement faible. Le principe du procédé Plasmacoat 3D est de projeter de la poudre d’un matériau dans le plasma d’argon, ce qui va avoir pour effet de le faire fondre, il sera ensuite projeté sur la pièce plastique.

De nombreux matériaux peuvent ainsi être projetés, sachant que le cuivre, puis l’étain servant de couche de protection, sont ici privilégiés. L’adhésion sur le substrat est parfaite.

Le procédé peut naturellement être utilisé pour métalliser complè-tement une pièce (application blindage, conduction thermique, dépôt pleine couche épaisse pour l’industrie du silicium), mais cependant, la largeur de la buse plasma étant de 5 mm, la précision intrinsèque du dépôt n’est pas idéale pour faire du dépôt sélectif.

C’est pour cette raison que le procédé Plasmacoat 3D propose plusieurs solutions de masquage, selon la complexité de la pièce et du circuit.

Les différentes étapes du procédé sont :

1. Injection du support plastique : le procédé fonctionne avec la plupart des matériaux plastiques usuels, sans ajout d’additifs. C’est un avantage important par rapport à d’autres procédés qui peuvent nécessiter des additifs pour initier une phase de métallisation.

2. Masquage de la surface : les zones ne recevant pas le métal

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L’écLairage Led, premier marché Visé par La technoLogie

Cette nouvelle technologie permet d’envisager des solutions novatrices d’intégration pour un marché majeur en très forte croissance, celui de l’éclairage LED. Que ce soit pour le domestique, l’automobile, les milieux hospitaliers, industriels ou encore l’éclairage public, les LED prennent de plus en plus de place dans notre quotidien.

Selon le cabinet Mc Kinsey, si elles ne représentaient que 8 % du marché en 2011, estimé à 75 milliards de dollars, elles devraient atteindre 75 % du marché en 2020, estimé à 100 milliards de dollars, annonçant progressivement la disparition des lampes à incandescence ou fluorescentes. Les LED sont en effet plus performantes, durent plus longtemps tout en consommant moins d’énergie. Il reste cependant une difficulté technique quant à l’utilisation des LED : la thermique. Au-delà de 60 °C, les LED perdent leurs performances, leur durée de vie chute considérablement. Le principal défi est donc de prévoir des « puits de chaleur » adaptés pour capter l’énergie ther-mique générée par la LED et la dissiper le plus rapidement possible pour éviter tout échauffement de l’ampoule.

Le plus souvent, les fabricants utilisent des supports en aluminium, mais ces dernières années, les fournisseurs de matières plastiques proposent des grades, le plus souvent sur des bases polyamides, chargés avec des céramiques conductrices. Ces nouveaux matériaux permettent de réaliser des supports de LED en injection, tout en conservant les propriétés de conduction thermique intéressantes.

doivent être masquées. Plusieurs solutions industrielles sont possibles : • utilisation d’une résine sur laquelle le cuivre n’adhère pas.

La résine peut être sérigraphiée ou appliquée totalement sur la surface du plastique puis gravée au laser pour libérer les zones à métalliser,

• masquage 3D par surmoulage bi-matière.

3. Projection plasma : le plasma est ensuite mis en route et vient déposer le cuivre à la surface de la pièce plastique et du masque. La buse plasma est placée sur un bras du robot, qui vient balayer les zones à métalliser. Il suffit d’augmenter le nombre de passages pour augmenter l’épaisseur de métal à déposer. Pour rendre le procédé plus productif, il est possible de placer les pièces sur un carrousel et/ou d’utiliser plusieurs buses plasma.

4. La dernière étape consiste à nettoyer la surface de la pièce pour évacuer le métal déposé sur la résine de masquage. Plusieurs procédés sont possibles à ce stade. Chimique, bien sûr, mais le but du procédé est d’éviter les bains, l’idéal est donc d’utiliser un procédé de nettoyage par CO2 cryogénique.

Le principal intérêt de ce procédé est que l’ensemble des étapes est intégrable en ligne sur un site de production.

Données clés du procédé• Applicable sur des supports 2D et 3D, plastiques ou autres • Pas de limites sur les matières supports, même transparentes• Dépôt du métal localisé par voie sèche, sans passer par

des bains galvaniques• Compatible ROHS / REACH• Multitude de matériaux déposables : métaux et alliages

(cuivre, bronze, aluminium, argent, étain...), céramiques, polymères

• Taille des poudres de 1 à 40 µm avec des facteurs de formes différents selon les propriétés recherchées

• Possibilité de faire des pistes de 5 à 500 µm d’épaisseur pour des applications de puissance

• Résolution inférieure à 50 µm• Facilement intégrable sur une chaîne de production en

pied de presse• Possibilité de métalliser de grandes pièces en plaçant la

torche sur un bras de robot• Productivité assurée par un système carrousel

Le partenariat technologiqueLa technologie est développée par la société autrichienne Plasma innovation, spécialisée dans la fabrication de systèmes de traitement de surface par plasma atmosphérique, pour les marchés de l’automobile et des objets domestiques. Elle s’est récemment orientée vers la fabrication de systèmes pour le marché de l’éclairage LED avec l’intégration de pistes conductrices directement sur les supports 3D de LED grâce à des technologies plasmacoat 3D. Plasma innovation s’est constitué un réseau de partenaires technologiques de renom pour mettre au point le procédé : • Billion : fabricant de presse à injecter• Eckart : fabricant de pigments et poudres métalliques pour

le plasma• Ensinger : compounder spécialisé dans les matériaux à

hautes performances• Hennecke : fabricant d’outils de métrologie• Lackwerde Peters : spécialiste de la formulation de résines

pour l’électronique• Thieme : fabricant de systèmes d’impression et sérigraphie

pour le masquage à plat• 3M/ESK : fournisseur d’additifs conducteurs pour les appli-

cations LED• le PEP, expert en plastronique

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Initiée par Plastipolis, le PEP et leurs partenaires industriels, la plateforme mutualisée d’innovation S2P - Smart plastic products, a pour objectif de favoriser l’émergence d’une filière industrielle «produits plas-tiques intelligents» en France. Labellisé « Investissement d’Avenir » par l’État à l’été 2014, et soutenu depuis le départ par la Région Rhône-Alpes et les collectivités territoriales, S2P a vu le jour en tant que société indépendante en novembre 2014. Dirigée par Maël Moguedet et Amaury Veille, deux anciens

collaborateurs du PEP spécialistes des technologies Plastronique, S2P intervient très en amont auprès de clients industriels pour l’intégra-tion de fonctions intelligentes sur les plastiques et cela dans le but d’optimiser la compacité, la fiabilité, la masse et les coûts du produit global. De la rédaction du cahier des charges à l’industrialisation, en passant par la conception complète du produit et la réalisation des prototypes fonctionnels, S2P accompagne et met à la disposition de ses partenaires un outil mutualisé de développement et de fabrication de ces produits plastiques intelligents, sur l’ensemble de sa chaîne de valeur : conception plastronique, injection, métallisation, report de composant, et test final. L’un des premiers investissements de S2P sera l’acquisition du nouveau procédé Plasmacoat 3D, qui permet de créer des pistes électroniques de puissance, procédé bien adapté par exemple à l’intégration d’éclairage LED 3D directement sur le support plastique !

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projet pasta Quand les textiles deviennent communiquants !

Compte-tenu de leur potentiel applicatif, les textiles intelligents constituent un mar-

ché voué à un essor important dans un futur proche, mais demeurent

aujourd’hui limités à des appli-cations de niche du fait de leur complexité de réalisation. La fabrication à l’échelle industrielle de textiles intel-ligents implique donc le

développement de nouvelles technologies de packaging

des composants électroniques ainsi que d’interconnexion, et ce

pour assurer leur compatibilité avec les contraintes des industriels du secteur.

Ces deux axes sont adressés dans le cadre du projet PASTA, par le biais de trois technologies inno-vantes : les composants Diabolo, le Stretchable Interposer et la technologie Crimp.Le projet PASTA implique treize partenaires(1), à la fois centres de recherches et industriels. Ces derniers, issus de l’industrie tex-tile, interviennent néanmoins sur des marchés très divers. Les démonstrateurs élaborés dans le cadre du projet sont donc aussi variés que des alèses instrumentées pour le médical, des sièges chauffants pour l’automobile, ou encore des textiles lumineux pour le domaine de l’éclairage de sécurité.

La technoLogie diaboLo La technologie Diabolo a été initialement développée par le CEA LETI pour l’intégration directe de composants électroniques dans les fibres textiles, par exemple des puces RFID ou des LEDs. Néanmoins, en vue de la réalisation d’un tissu lumineux présentant un motif défini, l’intégration préalable des LEDs dans les fibres textiles ne permet pas de contrôler leur position finale dans le tissu. Aussi, une variante de cette technologie a été développée : le Diabolo post-mounting. Cette approche implique le tissage de fibres conductrices dans le textile, puis le report à posteriori des composants électroniques aux positions souhaitées dans le tissu. Dans le cadre du projet PASTA, cette technologie est déve-loppée pour la réalisation d’un tissu de signalement d’issues de secours pour HTH (Holding textile hermès).

La production industrielle des smart

textiles implique d’inventer de nouvelles

technologies d’intégration de fonctions

intelligentes dans les textiles.

LED intégréE Dans un fiL tExtiLE grâcE à La tEchnoLogiE DiaboLo.

concEpt Du DémonstratEur hth

Gros plan

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projet pasta Quand les textiles deviennent communiquants !

La pLasturgie comme soLution à L’intégration de composants électroniques dans les textiles

Grâce à leurs caractéristiques optiques, thermiques, et physico-chimiques, mais aussi à leur possibilité de mise en forme en trois dimensions, les matériaux thermoplastiques apportent une solution adaptée, là où les technologies usuelles de la microélectronique atteignent leurs limites. Ainsi, le PEP a mis au point un procédé de fabrication collective de micro-pointes thermoplas-tiques comme capot des composants électroniques. Par leur géométrie optimisée, ces micro-pointes facilitent l’insertion des LEDs à travers les fibres textiles en les écartant, évitant par là même l’atténuation de la lumière émise par le dispositif. Par leurs propriétés thermiques, la refonte contrôlée des micro-pointes permet d’assurer la fixation mécanique des com-posants dans le textile, et améliore l’interconnexion électrique du composant électronique avec les fibres conductrices tissées. Enfin, la sélection appropriée du matériau thermoplastique assure la com-patibilité chimique de l’intégration des dispositifs électroniques avec les procédés de nettoyage des textiles.

La production collective des micro-pointes thermoplastiques est un point essentiel du développement réalisé par le PEP. Elle permet en effet d’assurer la compatibilité de l’injection thermoplastique

avec les procédés usuels de la microélectronique, ceux-ci étant réalisés classiquement à l’échelle des wafers (disques en silicium jusqu’à 300 mm de diamètre). Ainsi les étapes de report des LEDs sur les micro-pointes injectées et la découpe des composants

peuvent être mises en œuvre par le biais de procédés et d’équipements standard de la microélectronique.Afin d’atteindre les spécifications attendues pour les micro-pointes thermoplastiques, notamment en termes de rapport de forme et de rayon de courbure, le PEP

s’est appuyé sur ses connaissances et compétences spécifiques dans les procédés d’optimisation de l’injection de pièces plastiques microstructurées. Ainsi, des technologies de vide dans l’empreinte, d’injection / compression, et de chaud / froid ont été étudiées et optimisées pour répondre aux exigences applicatives des composants Diabolo. Les résultats obtenus ont permis la réalisation des premiers véhicules de tests fonctionnels, étape préliminaire à la réalisation du démonstrateur final du projet.

Le PEP a mis au point un procédé de fabrication collective de micro-prointes

thermoplastiques comme capot des composants électroniques.

composants DiaboLo LED pour post-mounting. VéhicuLE DE tEst pour LE tExtiLE LuminEux.

L’éclairage de...Lionel Tenchine, responsable ligne programme au PEPParmi les différentes technologies développées dans le cadre du projet PASTA pour l’intégration de fonctions intelligentes dans les textiles, la plasturgie apporte une solution adaptée au post-mounting de composants électroniques. Grâce à la mise en œuvre des tech-nologies d’optimisation pour l’injection de pièces plastiques microstructurées que sont le vide dans l’empreinte, l’injection / compression, et le chaud / froid, le PEP a été en mesure de répondre aux besoins spécifiques liés à l’insertion de LEDs dans les tissus. La production collective des micro-pointes thermoplastiques a, par ailleurs, assuré la compatibilité de cette technologie d’élaboration avec les procédés standard de la microélectronique.

(1) Partenaires du projet PASTA : Interuniversitair Microelectronica Centrum vzw, CEA - Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V., Centre Suisse d’Electronique

et de Microtechnique SA, Centre technique de la plasturgie et des composites, ETTLIN Spinnerei und Weberei Produktions GmbH & Co. KG, Peppermint Holding GmbH, Holding Textile Hermes, Asyril, Fundico, FOV Fabrics, NikeTech.

Financements : FP7, labelisé Plastipolis.

micro nanostructures

Au service de la lutte anti-contrefaçon

Mimotec utilisait déjà la combinaison de plusieurs technologies parmi lesquelles le CLR et le LIGA pour créer des nanostructures diffractives à la surface de pièces métalliques. Impossible de distinguer la moindre image à l’œil nu ni même à l’aide d’une loupe. Mais un faisceau laser (comme par exemple les pointeurs utilisés lors de conférences) dirigé vers la zone nano structurée est alors diffracté et un motif prédéfini apparaît. Fort de son expérience dans le domaine des microstructures et de la nano structuration de surface, le PEP a transposé cette application aux pièces plastiques. Cette technologie ouvre de nouvelles perspectives pour se protéger de la contrefaçon. Tout produit contenant une pièce plastique d’au moins quelques millimètres carrés est concerné : pièces auto-mobiles de sécurité (pare-choc, façade d’airbag, rétroviseur…), médical, cosmétique, électroména-ger, téléphonie, high-tech, matériel électrique… Mais on peut aussi imaginer intégrer une languette plastique par exemple à l’intérieur d’un sac à main, et c’est alors tout le domaine de la maroquinerie et de la bagagerie qui est aussi concerné. Les possibilités sont quasi infinies ! Et comme le coût est relativement minime par rapport au prix du moule d’injection, la lutte anti contrefaçon ne concerne pas uniquement les produits haut de gamme.

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La collaboration entre le PEP et Mimotec, entreprise suisse située à Sion, nous a

amené à transposer dans le domaine de la plasturgie un savoir-faire

utilisé dans le monde de l’hor-logerie pour lutter contre la contrefaçon. La réplication de micro ou nanostructures à la surface des pièces plastiques

est une activité en plein essor. Les premières applications

étaient essentiellement liées à la microfluidique, par exemple pour

l’analyse sanguine. Mais bon nombre d’industriels se montrent intéressés par la

technologie pour des applications très variées : optique, biotech-nologie, médical, acoustique, cosmétique… Certains y voient même une fonction décorative en raison des reflets multicolorés liés à la diffraction de la lumière.La micro et nano structuration a fait l’objet d’un projet européen coordonné par le PEP, IMPRESS, visant à mettre en place une plate-

forme collaborative avec tous les équipements nécessaires pour obtenir la meilleure qualité de réplication possible. Ce projet s’est terminé en avril 2013. Trois applications industrielles ont été développées : • un module photovoltaïque avec des nanostructures en surface

qui augmentent le taux de rayons transmis aux cellules PV,

• une boite de Pétri avec des nanostructures qui réduisent l’adhésion des cellules biologiques sur le support,

• un patch médical avec des micro aiguilles.

Concernant cette dernière application, les principaux critères qualité sont la hauteur de la pointe (1,2 mm) et surtout le rayon de la plus petite sphère que l’on peut inscrire à son extrémité. Ce critère permet d’évaluer la qualité de la pointe. Le souhait de l’industriel était d’atteindre 6 microns. Nous avons atteint 8 microns, ce qui est déjà un joli résultat. Plusieurs plans d’expériences ont été réalisés et démontrent que plus l’empreinte est chaude avant injection (170°C pour du polycarbonate) plus la matière pénètre dans les aspérités. On obtient donc une aiguille légèrement plus haute et surtout plus pointue. On retrouve la même tendance en utilisant le vide dans les empreintes ; l’absence de gaz (principalement de l’air) favorise le remplissage des micro aspérités.

La combinaison de technoLogies pLasturgie au serVice de La Lutte contre La contrefaçon

La tEchnoLogiE a été présEntéE au saLon K2013, En partEnariat aVEc biLLion.nombrEux sont LEs inDustriELs qui imaginEnt Déjà DEs appLications.

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Un simple faisceau laser portatif permet de vérifier, en quelques secondes, qu’une image apparaît. La simplicité d’utilisation met l’authentification de l’origine d’un produit à la portée de tous :• le fabricant : la présence de la pastille diffractive constitue un

élément de preuve lors du contrôle d’un lot de pièces trouvé dans un réseau non officiel par exemple ;

• les douaniers : au passage des frontières, le contrôle de produits suspects estampés avec des marques de luxe est grandement facilité. Plus de doute possible sur l’authenticité et il devient inutile de faire appel à un expert mandaté par le fabricant ;

• le consommateur : désormais, celui-ci peut contrôler l’origine d’un produit, y compris chez le commerçant, ce qui est particu-lièrement intéressant sur le marché de l’occasion.

Quels sont les préalables ?

Concrètement, l’industriel doit choisir la zone (2 mm2 minimum) qui sera nano structurée sur la pièce plastique et l’image qu’il souhaite obtenir par diffraction de la lumière (texte, logo…). Il est possible de travailler en transmission si la pièce est transparente ou en réflexion si la pièce est opaque. Il est conseillé de définir une zone dont la forme attire l’œil. En effet, du fait de la matité de la zone, différente du reste de la pièce, il est possible de reproduire n’importe quel motif bicolore. Il faut également déterminer la couleur du faisceau lumineux qui sera utilisé car le calcul de diffraction vaut pour une longueur d’onde donnée. Avec un faisceau lumineux d’une autre couleur, la qualité de l’image diffractée sera de moins bonne qualité.Lorsque les deux motifs sont définis (zone structurée et image diffractée), une chaîne de travail se met alors en action :

• la Haute Ecole Arc de Neuchâtel calcule les motifs à réaliser en surface de la pièce plastique pour obtenir l’image voulue après diffraction. Ce calcul est basé sur des formules d’optique faisant intervenir des données d’entrée telles que la longueur d’onde du faisceau incident (couleur du laser) et le coefficient de transmission optique du polymère.

• Mimotec réalise l’insert métallique qui sera intégré à l’empreinte du moule (Cf. focus sur la technologie Mimotec).

• le PEP participe à l’étude du moule pour intégrer l’insert métallique dans l’empreinte, optimiser la régulation (utilisation de tech-nologies de chaud/froid) et intégrer le vide. Après optimisation du process, le PEP réalise les pré-séries puis organise le transfert de technologie chez l’industriel.

Le choix de la technologie de chaud/froid dépend de la nature du matériau injecté (température de transition vitreuse et température de fusion), de la forme de la pièce, des volumes à produire, du nombre de presses et de moules à équiper…

Les structures à répliquer ont une hauteur de 130 nanomètres quand on travaille en réflexion et un laser vert ( λ = 532 nm). La dimension du pitch (ou pixel) est de l’ordre du micron. La technologie est efficace avec la plupart des matériaux polymères. Seuls les plus visqueux sont à éviter (PEEK, PEI…) mais des travaux sont en cours pour élargir le mode opératoire à l’ensemble des polymères.

La sécurisation du process est garantie par plusieurs principes :

• les sociétés qui maîtrisent le procédé LIGA dans le monde se comptent sur les doigts d’une main,

• Mimotec propose jusqu’à trois niveaux de structuration « en étage  »  : cela exige un grand savoir-faire et surtout une extrême précision sur l’indexation des structures,

• aucun autre consortium ne propose la combinaison de tous les savoir-faire nécessaires (calcul numérique pour définition

des structures diffractives, CLR, LIGA, et nano structuration des surfaces plastiques),

• les entreprises adeptes de la contrefaçon n’ont pas vocation à engager des financements pour des technologies coûteuses alors que leur objectif est de produire à très bas coût.

Les amortissements pour les investissements réalisés par Mimotec et le PEP n’ont pas d’impact direct sur cette technologie de lutte contre la contrefaçon puisque ces investissements sont déjà en grande partie assurés grâce à d’autres projets et cas d’applications.

Une technologie sans limites ?La crainte souvent évoquée par les industriels est la durée de vie de l’insert métallique et celle des structures répliquées sur pièce plastique. L’insert métallique étant en nickel, sa dureté est proche de celle de l’acier utilisé pour la réalisation d’empreintes. Il n’y a donc pas d’inquiétude sur sa dégradation, sauf bien sûr dans le cas d’injection de matières très abrasives telles que des matières fortement chargées en fibres de verre ou de carbone. Quant à la durée de vie des structures, il n’y a pas de raison qu’elles s’abiment si elles ne sont

pas dans une zone soumise à des contraintes mécaniques de type frottement ou déformation. Par précaution, il est toutefois préfé-rable de concevoir la structuration de façon à ce que les structures soient en négatif sur la pièce. Ainsi,

même en cas de frottements ou rayures, la partie active de la struc-turation n’est pas atteinte.

S’agissant du type de surface sur laquelle nous savons réaliser la nano structuration, même si elle est très réduite (quelques milli-mètres carrés), il est impératif, à ce jour encore, qu’elle soit plane. En effet, la technologie de Mimotec est basée sur l’utilisation de wafer en silicium (disques de diamètres 6 pouces). Ces disques rigides et cassants ne permettent pas de structurer des surfaces galbées. Des études sont en cours pour permettre de transférer les structures présentes sur le wafer silicium vers un support plus souple. L’objectif serait alors de travailler en 2,5 D, c’est-à-dire sur des formes légèrement galbées.

Focus sur la technologie MimotecLe procédé utilisé pour la fabrication de microcomposants s’inspire de la technologie UV-Liga (Lithographie, gal-vanoplastie, formage) à la différence près qu’une source lumineuse ultraviolette est utilisée plutôt que des rayons X. Elle a l’avantage d’être peu coûteuse et rapidement mise en œuvre ce qui rend le procédé très compétitif face aux méthodes traditionnelles (électroérosion, étampage). Ce procédé permet d’atteindre un niveau de précision très élevé (micrométrique) ainsi qu’une qualité d’état de surface poli-miroir.

La technologie MIMOTEC™ permet la réalisation de micro-moules dédiés à l’injection plastique en grande série. Fort d’une grande expérience, ils ont réalisé de nombreux outils d’injection dans les domaines de la microfluidique et de la microtechnique. Grâce à la technologie MIMOTEC™, il est possible de réaliser des cavités avec des formes extrêmement complexes.

Les composants injectés bénéficient ainsi d’une qualité de surface et d’une répétitivité exceptionnelle.

Pour tester l’efficacité du dispositif à moindre coût, le PEP propose de répliquer des structures

d’une géométrie choisie par le client sur des languettes plastiques injectées

avec un moule existant.

tomographie

Les plastiques passés aux rayons X

La tomographie agiLe par rayons X

L’usage croissant de la tomographie en plasturgie réside dans son apport

d’informations à la fois pertinentes et incontournables dans le cadre

d’études de santé matière sur des produits finis de plus en plus complexes et où la qualité et le zéro défaut deviennent la norme. Dès les phases prototypes, cette

technologie permet de mettre en exergue des problèmes de

remplissage de l’outillage en visualisant notamment des zones

particulières du produit comportant

des cavités (zone de turbulences, problème d’évents) et donc de travailler sur le produit ou l’outillage avant de rentrer en phase série, ou encore de tester les pièces sensibles détectées et de voir l’impact de ces défauts sur leurs propriétés mécaniques. Cette technologie permet de s’affranchir des méthodologies par coupes microtomiques, usuellement employées jusqu’alors, et qui ne permettaient d’observer qu’une zone limitée des produits tout en conduisant à leur destruction complète, et ce, sans pouvoir travailler sur des produits « mixtes » de type plastiques / inserts métalliques, plastiques / composants électroniques... Cette tech-nologie est donc un moyen astucieux, qui permet d’inspecter l’intérieur d’un produit, et d’accéder ainsi à des informations jusqu’alors insoupçonnées. Un des avantages incontestables de la technologie étant son caractère non destructif.

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PlastX

Démarré en 2010, le projet PLASTX a eu pour objectif de déve-lopper des solutions de contrôle non destructif très performantes basées sur la technologie CRS (Contrôle radio synthétique) et dédiées à la filière plasturgie. Après trois années de développement collaboratif, le projet PLASTX s’est centré en 2013 sur les actions de dissémination de cette technologie en direction des industriels de la filière plasturgie. À ce jour, Le PEP et son partenaire historique sur ce sujet, la société Spectroscan, se sont rapprochés d’un intégrateur spécialisé dans la conception de système robotisé, la société

prototypE tomographiE agiLE par rayons « En LignE »

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Alprobotic (www.alprobotic.fr) pour le développement de solution de tomographie agile par rayons X. Ces trois acteurs visent à court terme le développement d’un prototype industriel de démonstration des capacités de la tomographie agile par rayons X pour le contrôle en ligne et bord de ligne de produits plastiques complexes.

La tomographie Agile par rayons X en quelque mots

La tomographie par rayons X Agile correspond à une optimisation du procédé de tomographie par rayons X standard. En tomographie standard les composants RX sont fixes, l’objet à analyser subit une rotation complète pour permettre son inspection globale. En tomographie agile, les composants RX source et imageur sont mobiles. Ils sont positionnés sur des bras de robot de manière à manipuler ceux-ci avec une grande agilité. Cette mobilité permet de réaliser des prises de vue libres (optimales) autour d’un objet à analyser.

Ainsi, il est possible d’inspecter un objet sous différents points de vue en positionnant et en orientant les composants RX de manière adéquate. Ce principe permet de réaliser une inspection globale d’un objet mais également des inspections très localisées.

L’intelligence du procédé de tomographie agile réside dans la tech-nologie CRS (Contrôle radio synthétique) qui lui est associée. En effet, la technologie CRS permet de déterminer numériquement des trajectoires d’acquisition optimales d’inspection grâce à un algorithme d’optimisation basé sur une approche méta-heuristique. Une trajectoire optimale CRS permet de réduire de manière drastique le temps d’acquisition et de traitement des données et d’améliorer la qualité des images. Les prises de vue identifiées comme « polluantes » par l’algorithme, qui sont à l’origine de la formation d’artefacts, sont écartées du processus d’acquisition. Les expérimentations numériques ont montré qu’il était possible de réduire d’un rapport 10 le nombre de prises de vue. Le caractère innovant de la tomographie agile repose donc sur l’utilisation de moyens RX robotisés et sur le calcul préliminaire d’une trajectoire d’acquisition optimale basée sur un algorithme d’optimisation.

Applications de la tomographie par rayons X

La tomographie par rayons X permet d’inspecter l’intérieur des objets afin de détecter de potentiels défauts de structure : bulles, vacuoles, fissures...

Une série de tests a été réalisée avec le soutien de la société Italienne MOPLA (transformateur/outilleur) sur un de leurs produits défectueux : le corps actionneur.

L’étude a porté sur la détection et la localisation de défauts de type vacuoles et fissures. L’analyse des coupes tomographiques a montré la présence de plusieurs vacuoles de tailles significatives dans les zones massives du produit. La segmentation 3D de ces défauts a permis leur localisation précise dans le produit.

principE fonctionnEL DE La tomographiE agiLE par rayons x

tomographiE stanDarD (imagE DE gauchE : apparition D’artEfacts DuE à La présEncE DE composants métaLLiquEs) VErsus tomographiE agiLE appLiquant LE procEssus crs (imagE DE DroitE : supprEssion DEs artEfacts).

DétEction DE VacuoLEs

sEgmEntation Et VisuaLisation 3D Défauts DE typEs fissurEs Et VacuoLEs.

Projets réalisés et à venir

Porté par le PEP, le projet PLASTX, réalisé sur la période 2010-2013 a été soutenu financièrement par la DGCIS et a été réalisé en collaboration avec la société Spectroscan et dans lequel ont été impliquées les sociétés MIHB, JBtecnics et ARaymond.

À ce jour, le PEP poursuit ses travaux de R&D sur la tomo-graphie agile par rayons X dans la continuité du projet PLASTX. Son objectif est de poursuivre le développement de cette technologie avec ses partenaires proches pour aboutir à la livraison de prototype de qualité industriel.

Le PEP développe également en parallèle une offre de prestations de service centrée sur la tomographie par rayons X pour l’analyse et la qualification de produits plastiques complexes.

Source RX

Prise de vue 1

Prise de vue 2

Prise de vue 3

Objet

Zone critique

Imageur RX

Aujourd’hui la simulation numé-rique n’est plus l’apanage d’un

nombre restreint de sociétés à la pointe de la technologie. Elle s’est peu à peu démocra-tisée et est désormais bien ancrée dans les processus de conception numérique des entreprises, quels que soient

leur domaine d’activité et leur taille. Concevoir, simuler

et valider numériquement est le travail quotidien de bon nombre de

bureaux d’études. Les entreprises de

la filière plasturgie ne font, bien évidemment, pas exception à la règle. Dans le contexte économique actuel, particulièrement tendu ces dernières années, l’amélioration de la compétitivité demeure l’enjeu majeur pour les entreprises de la filière plasturgie (donneurs d’ordre, équipementiers, transformateurs, outilleurs, etc.). L’optimi-sation permanente du triptyque coût/délai/qualité et le dévelop-pement par l’innovation demandent de concevoir intelligemment vite et bien les produits de demain. Dans ce contexte de compéti-tion exacerbée, la maîtrise des outils de conception numérique est stratégique. Le but de cet article est de faire un focus particulier sur l’optimisation topologique qui permet de définir une structure optimale d’un produit avec souvent comme principal objectif de minimiser sa masse (gain de poids) et maximiser sa résistance mécanique.

optimisation topoLogique

La conception numérique par l’optimisation

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Il est difficile d’évoquer de manière générique le processus de conception numérique d’un produit compte tenu de la diversité et de l’ampleur du sujet. Néanmoins, on observe que chaque secteur industriel fait, plus ou moins, face aux mêmes types de difficultés.Concevoir numériquement un produit consiste, dans un premier temps, à réaliser un premier modèle numérique (prototype virtuel) que l’on va coupler aux différents outils de calcul de simulation numérique pour prédire ses performances dans ses conditions de vie opérationnelle (service). On entend par outils de calcul de simulation numérique, ceux associés aux principaux domaines de la physique : • calcul de structure thermo-mécanique,• calcul de mécanique des fluides,• calcul electro-magnétique, • calcul rhéologique,Dans la mesure où les résultats de simulation montrent des défaillances du produit, la conception est alors modifiée en conséquence puis reva-lidée numériquement. Le processus de conception numérique est ainsi itéré jusqu’à l’obtention d’une solution conforme aux exigences définies initialement.

Le processus de conception numérique est conditionné à minima par deux points critiques.

Le premier concerne la capacité à réaliser des modèles suffisam-ment prédictifs pour rendre compte du comportement du produit dans ses conditions de vie opérationnelle. Un modèle non prédictif ne permet pas de nourrir un processus de conception. Ainsi, il est nécessaire que la modélisation (phénomènes physiques à résoudre, conditions aux limites, conditions initiales et lois matériaux, etc.) soit maîtrisée pour assoir un travail de conception numérique pertinent. Ce point est directement lié au niveau d’expertise du concepteur.

Le second point concerne la capacité des concepteurs à apporter rapidement des solutions appropriées en cas de défaillance de la conception proposée. Le travail d’analyse et d’interprétation est bien souvent long et demande un temps de travail incompressible. Fort de ces constats, on observe qu’un travail de conception numé-rique s’apparente, bien souvent, à une longue démarche d’essais-erreurs qui peinent à converger. Même si les outils de simulation numérique ont énormément gagné en agilité (Ergonomie CAO/

conception numérique et optimisation

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calcul) et en performance (temps de calcul), l’exercice de conception reste fréquemment prisonnier de ce processus d’essais-erreurs.

L’optimisation

C’est sur ce constat que l’optimisation structurale trouve tout son intérêt. En effet, l’optimisation structurale s’inscrit dans une démarche de chaînage et de boucles de calculs afin d’automatiser le processus de conception. Trois techniques existent :

1. L’optimisation paramétrique est basée sur le choix d’une ou plusieurs cotes de la géométrie que l’on souhaite optimiser. Ce paramétrage géomé-trique permet de faire varier la forme de la structure

2. L’optimisation de forme repose sur la déformation des fron-tières d’une géométrie. Cette évolution des frontières s’effectue par le biais de points parti-culiers. La répartition des points est définie le long d’une spline, assurant que la frontière reste continue, sans présenter d’arêtes particulières. Comme avec l’optimisation paramétrique, il n’est néanmoins pas possible d’en changer la topologie, c’est-à-dire la manière dont les éléments sont disposés les uns par rapport aux autres et leurs éventuelles liaisons.

3. L’optimisation topologique permet de modifier la nature même de la structure et d’envisager une adaptation réelle de la géométrie aux contraintes. La géométrie de la pièce est modifiée sans aucun a priori en créant ou en supprimant de la matière là où il y en a besoin.

L’optimisation et la convergence de la forme vers une géométrie optimale s’opère par le biais de boucles itératives. À la fin de chaque

calcul, certains résultats spécifiques sont collectés puis traités afin de modifier les paramètres de conception. La valeur de ces para-mètres évolue au cours du calcul jusqu’à ce que la solution satisfasse certains critères d’optimabilité.

On entend par forme optimale, une forme de masse minimale (critère 1) et de résistance maximale (critère 2).

La démarche d’optimisation est très intéressante dans la mesure où, non seulement, elle peut fournir des solutions optimales non intuitives et originales même dans les cas les plus complexes mais elle permet aussi d’estimer la qualité de la solution retenue (écart

à l’optimum). D’un point de vue de l’ingénierie, le processus de conception idéal devrait s’inspirer de l’enchainement de deux étapes. Une première étape pourrait utiliser l’optimisation topologique afin de générer des formes innovantes en

rupture avec la conception traditionnelle. Puis, dans une seconde étape, l’optimisation paramétrique ou l’optimisation de forme serait utilisée pour affiner les résultats.Par ailleurs dans le cas d’un problème d’optimisation d’une structure soumise à un chargement quelconque, le processus peut conduire à une solution proche de celle retenue par des méthodes de conception classiques. L’intérêt de l’outil d’optimisation n’est alors plus de fournir une conception auquel l’expérience avait déjà permis d’accéder, mais de confirmer que cette solution est la meilleure et d’accroître ainsi la confiance dans le dimensionnement et ce, d’autant plus que l’on fera intervenir dans le processus des considérations de conception robuste.

L’optimisation topologique : l’exemple d’OptiStruct

D’un point de vue pratique, l’optimisation topologique a pour principe de partir d’une forme initiale qui intègre des domaines matériels sur lesquels seront focalisés l’optimisation (zone du produit à optimiser). L’optimisation topologique s’apparente à un processus de « rognage » de la matière qui est assujetti à des contraintes et des objectifs. A l‘issue du processus d’optimisation topologique, des formes structurelles optimales (cf. figure ci-dessous) sont alors mis en exergue (structuration de la matière, nervurage…).

Ce travail est à considérer très en amont dans le processus de conception numérique. En effet, il permet d’orienter très tôt les concepteurs vers des formes optimales en adéquation avec les objectifs fixés. L’optimisation topologique est à ce jour principalement attachée au domaine de la mécanique des structures (analyse mécanique statique et dynamique). Elle vise principalement à optimiser le poids et la résistance des structures. Elle s’applique aussi bien en 2D (optimisation d’épaisseurs) qu’en 3D (structuration 3D d’un objet).

Le PEP a intégré, au sein de sa plateforme numérique, fin 2011, la technologie OptiStruct©, logiciel de la suite HyperWorks éditée par la société ALTAIR pour l’analyse des structures et l’optimisation des conceptions grâce à des techniques topologiques, topo-graphiques, paramétriques et de forme. Fort de plusieurs années d’expériences dans ce domaine, la société ALTAIR accompagne le PEP dans la mise en œuvre de cette technologie pour la conception de produits plastiques.

Un travail de conception numérique s’apparente bien souvent à une longue démarche

d’essais-erreurs qui peinent à converger, d’où l’intérêt de l’optimisation structurale.

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Fabrication directe thermoplastique avancée

La fabrication directe thermoplastique est une nouvelle filière de fabrication de

pièces plastiques mise à la disposition des concepteurs dont ceux issus

de l’industrie aéronautique. Cette technologie de fabri-cation, par ajout de matière sous forme de poudre fondue par laser, permet de s’affranchir d’outillages coûteux, de réduire

les délais de fabrication et d’ouvrir le champ des possi-

bilités en termes de géométrie. Par exemple, il est envisageable

d’intégrer des structures Treillis 3D dans une pièce pour optimiser son poids

par rapport à ses sollicitations mécaniques. Ce procédé est donc souvent associé au logiciel d’optimisation par topologie. Les apports en conception de ces technologies ne se limitent pas uniquement à l’optimisation de forme, mais permettent aussi d’apporter de nouvelles fonctionnalités et des innovations dans la conception. Cependant, le domaine d’utilisation des produits de cette filière est jusqu’alors réservé à un niveau de température modéré (<70°C) associé à des contraintes mécaniques faibles. Généralement une seule famille de poudre thermoplastique est utilisée. Il s’agit des polyamides dont l’élaboration et la vente sont fortement dépendantes des fournisseurs de machines SLS. Ces restrictions d’applications et le coût matière élevé induit par cette situation industrielle, pénalisent l’extension et limitent la fabrication directe thermoplastique à un marché de niche très restreint.

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Les procédés SLS

Les procédés de frittage sélectif par laser SLS - Selective Laser Sintering, font partie de la famille des procédés dite d’« Additive Manufacturing ». Cette famille est mise en opposition aux procédés de mise en forme par ablation, comme l’usinage. Elle consiste à partir simplement d’un fichier CAO d’agglomérer des particules les unes avec les autres jusqu’à obtention de la géométrie souhaitée. Dans une grande majorité des procédés additifs (stéréolithogra-phie, frittage sélectif par laser SLS, fusion sélective par laser SLM ou DMLS…), cette croissance de la pièce se fait couche après couche. Dans le cas du SLS, le matériau de base est généralement une poudre polyamide (PA11 ou PA12 avec ou sans charge). Les particules sont fusionnées localement sous l’action du laser. La matière agglomérée

est alors recouverte d’une nouvelle couche poudre qui sera fusionnée et « connectée » ainsi à la couche précédente. Dans ce procédé SLS, il est important que la chambre de fabrication soit chauffée, à une température proche du point de fusion de la poudre, le faisceau laser ne faisant qu’ajouter un petit différentiel de température pour le frittage ou la fusion. Les deux fournisseurs principaux de cette technologie sont EOS Gmbh (Allemagne) et 3D Systems (USA).Ces procédés sont en cours de normalisation dans le cadre des travaux de l’Union de normalisation de la mécanique pour la fabrication additive(UNM920), ISO/TC 261 et ASTM F42.

Développer la fabrication thermoplastique dans la filière aéronautique.

Objectifs : limiter le coût des outillages, les délais de fabrication et ouvrir le champ

des possibles en termes de géométrie.

Le projet FADIPLAST(1) d’une durée de quatre ans et d’un budget de 2,85 M€ a proposé de faire sauter les verrous technologiques et commer-ciaux et de développer la fabrication directe thermo-plastique par l’intégration

de fonctions mécaniques et thermiques. Ainsi, ces développe-ments ont permis d’étendre le domaine d’application de la fabrication directe thermoplastique vers des pièces nécessitant une résistance à des températures (< 150°C) et des propriétés mécaniques élevées.

L’intégration de fonctions a permis de développer des nouveaux concepts de structures fonctionnelles intégrées. Trois axes majeurs pilotent ce projet :1. un axe matériau par l’utilisation de poudres de type PPS,

PEEK… déjà utilisées dans les procédés conventionnels de plasturgie,

2. un axe « concept innovant », orienté vers des fonctions intégrées à la pièce qu’elles soient statiques ou mobiles, tout en préservant le gain de masse,

3. un axe assemblage pour son intégration avec les autres produits de l’environnement industriel, par le biais de méthodes de collage, de soudage, d’assemblage par fixation.

Le consortium réuni pour lever ces verrous est constitué :• d’industriels de l’aéronautique (Dassault Aviation, Thales Alenia

Space, MBDA) qui désirent pouvoir étendre le domaine d’application des pièces obtenues par fabrication directe,

• de PME qui fabriquent des pièces à l’aide de ce procédé (Poly-Shape et SolutionF E2R) et qui souhaitent trouver des alternatives au monopole des fournisseurs des machines de fabrication directe et augmenter les performances des pièces réalisées,

• d’institutions académiques spécialisées dans le domaine des structures (Mines Paristech), de la chimie et de la transformation des matériaux thermoplastiques (Arts et Métiers Paristech) et dans les technologies de fabrication directe (PEP).

L’axe matériauxLe projet s’est intéressé à la compréhension des mécanismes de densification des poudres et des échanges thermiques lors du procédé de mise en forme du matériau sous l’impact du laser. Cette analyse a été effectuée par la mise en place d’une modélisation numérique et le développement d’un banc d’essai spécifique. L’objectif est alors d’identifier les paramètres déterminant le bon comportement des poudres à la fusion laser. En parallèle, d’importants travaux ont été menés par SolutionF E2R et Poly-Shape pour tester expérimentalement différentes poudres. Ces tests sont rendus possibles en modifiant leur système SLS : en partant de machines standard, ces deux PME ont amélioré software et hardware pour qu’ils acceptent des températures de transformation plus élevées. Une fois ces modifications effectuées, le travail de recherche para-métrique des nouvelles poudres peut commencer : il consiste en une recherche complexe de fenêtre procédé avec de nombreux paramètres interagissant entre eux : vitesse et puissance du laser,

vitesse de dépose et épaisseur de la couche de poudre, stratégie de balayage du laser, température de la chambre de fabrication….). Ces paramètres sont fortement liés à la nature de la poudre : composition, morphologie, granulométrie…Plusieurs poudres thermoplastiques ont été testées. Les matériaux avec les meilleurs résultats en comportement à la fusion laser et ayant des propriétés mécaniques intéressantes sont de type PEAK (PEEK et PEKK). Plusieurs nuances ont été testées, celles retenues dans leur configuration optimale ont montré des résultats de tenue mécanique comparables au PEEK injecté (50 % à 90 % des propriétés mécaniques en fonction de l’orientation de l’éprouvette).

L’axe concept innovant

De part la liberté de conception procurée par les procédés AM (Additive manufacturing), il est possible de fonctionnaliser la pièce voire même de réaliser des assemblages mobiles. La conception de pièce plastique a donc été repensée pour se focaliser davantage sur la fonctionnalisation que sur les contraintes de fabrication.

Le frittage laser implique néanmoins des contraintes, même si elles sont moins restrictives que pour l’injection. Elles se traduisent essentiellement par une épaisseur pièce minimale de 0.8  mm et d’une distance minimale entre deux éléments mobiles de la même valeur (0,8 mm).

Le projet Fadiplast

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piècEs poLy-shapE paEK.

(1) Le projet FADIPLAST est soutenu par la DGCIS. Il entre dans les thématiques « matériaux et procédés » des pôles de compétitivités Astech et Pégase, qui cherchent à améliorer les outils de production des aéronefs et à introduire de nouvelles technologies plus respectueuses de l’environnement. Le pôle de compétitivité Plastipolis, troisième labellisateur de ce

projet, vise quant à lui à promouvoir les nouvelles technologies de transformation de la filière plastique.

fabrication D’éprouVEttEs DE caractérisation sur machinE soLutionf E2r

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Le projet a étudié les fonctions thermiques. L’étude de fonctions mécaniques mobiles a permis de dimensionner, fabriquer et valider ces concepts innovants. Par exemple, des voies de circulation du liquide de refroidissement peuvent être intégrées dans la CAO des pièces pour récupérer et orienter les flux sur des zones à contrôler en température.

L’axe assemblage

Les pièces ou assemblages, issus du procédé de frittage laser doivent s’intégrer dans des systèmes composés d’autres éléments. Cela nécessite une analyse du comportement des pièces en post-traitement et face aux techniques d’assemblage standard utilisées en aéronautique.Les post-traitements étudiés sont mécaniques (grenaillage, tribofi-nition, usinage), ou de dépôt (peinture, métallisation, galvanoplastie). Les états de surface obtenus sont de l’ordre de 30 µm en rugosité Ra, des améliorations sont envisageables par grenaillage (jusqu’à 10  µm) ou par tribofinition ou usinage (2 µm pour les deux technologies). Ces états de surface sont importants dans le cas de pièces esthé-tiques. En effet, les procédés de métallisation ou galvanoplastie ne posent pas de réel problème d’application sur les matériaux frittés en revanche leurs rendus sont fortement dépendants de l’état de surface initiale.

Conclusion

Les résultats de ce projet ont alimenté les bases de données matériau-procédé pour une certification des pièces de classe 2 qui est la catégorie de pièces à criticité fonctionnelle moyenne pour un aéronef, mais qui nécessite un niveau de propriétés physiques et mécaniques bien identifiées. La technologie de frittage de poudres polymères est de plus en plus mature et permet une gestion de production simplifiée : pièce fabriquée à la demande, et au plus proche de la demande (pour production ou réparation).Pour utiliser de manière optimale les procédés additifs et que ceux-ci deviennent compétitifs, il faut appliquer une conception adaptée permettant l’intégration de fonctionnalités. Les pièces obtenues par fabrication directe pourront alors être largement utilisées dans les programmes à petite série.

La veille technique : un outil de comparaison des solutions Fadiplast par rapport aux procédés alternatifsLes technologies Additives sont récentes et ont un fort potentiel d’évolution. Il est donc nécessaire de mettre en place une veille pour identifier et comparer les solutions FADIPLAST aux solutions proposées par des procédés alternatifs.Le service Veille technologique du PEP a donc eu en charge la collecte et la diffusion sous forme de délivrables de veille (pro-duction, notes de synthèse…) des tendances technologiques observées, dont :• matériaux : apparition de matériaux spécifiques pour l’aéro-

nautique ULTEM 9085 et PPSU de Stratasys (FDM, dépôt de fil) et le PEEK HP3 chez EOS Gmbh (SLS),

• procédés : reprise des pièces par infiltration, polissage, appli-cation de film PPSF/PPSU en surface,

• évolution des procédures de normalisation dans le cadre des travaux de l’UNM.

Cette analyse réalisée à la fois sur des publications scientifiques, technologiques, ainsi que sur l’ensemble des ressources web a permis d’assurer la non obsolescence des travaux de FADIPLAST, de les positionner par rapport à des travaux similaires et de conforter les choix stratégiques aux vues des choix techniques similaires par les autres acteurs du domaine.

Fadiplast : Fabrication directe thermoplastique avancée

FocusL’optimisation topologique : la conception numérique par l’optimisation Le PEP en coopération avec THALES Alenia Space a appliqué le principe de l’optimisation topologique au cas d’une pièce de structure d’un satellite. L’objectif était de diminuer la masse en remplaçant le métal par un polymère à iso-comportement mécanique. En outre, l’utilisation du procédé de frittage a permis la simplification de la conception en réduisant le nombre de pièce de l’assemblage. En substance, les contraintes de ce problème étaient de :• résister à un chargement de plusieurs g lors du lancement du satellite,• borner le dépointage angulaire des antennes dû au changement de température,• restreindre les fréquences propres à des valeurs supérieures à une fréquence

seuil.Ces conditions ont été implantées dans le logiciel avec comme objectif de minimiser le volume. La topologie tend vers une forme organique. Il a donc été vérifié que le logiciel d’optimisation pouvait prendre en compte, au cours d’une même optimi-sation, des problématiques mécaniques, thermomécaniques et vibratoires. Pour THALES, la combinaison de ce type de logiciels avec les procédés d’Additive Manufacturing rend envisageable le passage des pièces à structures métalliques aux pièces à structures plastiques, ceci conduisant à deux avantages : la réduction de poids et la facilité d’élimination des résidus pour les satellites en fin de vie.

concEpt pEp D’un couVErcLE pErmEttant unE Distribution D’un fLuiDE DE rEfroiDissEmEnt

résuLtats D’optimisation (DEnsité DEs éLémEnts)

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moLd4prodeLes capteurs rendent les moules intelligents et les transformateurs compétitifs

Actuellement l’instrumentation des outillages d’injection est utilisée pour :• la surveillance du procédé : à titre d’exemple, un capteur

positionné en fin de remplissage permet la détection d’un incomplet ou d’une bavure ; dans le cas d’un outillage multi-empreinte, un capteur dans chaque empreinte permet de suivre des dérives d’équilibrage ;

• le pilotage : l’information fournie par les capteurs permet d’inte-ragir directement avec la machine sur le procédé comme le dé-clenchement de la commutation ou le pilotage de busettes d’in-jection séquentielle par une mesure de pression dans l’empreinte.

Pour surveiller le procédé, il est nécessaire de déterminer préala-blement la « signature de l’outillage » en condition de production. Elle s’élabore lors des différentes phases de mise au point. La signa-ture établie à la fin d’une boucle de mise au point sert de départ à la boucle de mise au point suivante. On peut ainsi s’affranchir des caractéristiques machines et ne se concentrer que sur les évè-nements et phénomènes intervenant dans l’outillage, au plus près de la pièce. La maitrise et l’expertise en acquisition et traitement de données a été apporté par la société SISE, partenaire du projet. Le système PSP, développé par SISE et utilisé dans le projet, a pour vocation de collecter les signaux issus du procédé (capteurs

(1) Partenaires du projet Mold4prodE : DPH International, DMM, Compose, Polymeroptix, Klaucke&Meigis formenbau, Wolframm, Mecanoplastica, Modelan, Matrix, Mopla, Fond-Stamp, Microplast, Plastic Omnium, Poschmann Holding, Goizper, Nuova, Itea, PEP, KIMW, ASCAMM,

Proplast, Tekniker, i-Smither, SISE, Université Claude Bernard Lyon (UCBL), Lyon ingénierie projets.

Le projet européen dans le domaine des outillages : Mold4ProdE (Mould for

Productivity Enhancement)1, géré par le PEP s’est achevé le 31 dé-

cembre 2013.L’instrumentation des moules d’injection, au niveau européen, peine à se diffuser largement dans la plasturgie. C’est pour cette raison que l’organi-

sation principale du projet Mold4ProdE est matricielle : les

quatre centres techniques des quatre pays européens du consor-

tium, à savoir Proplast (Italie), KIMW (Alle-magne), ASCAMM (Espagne) et PEP (France)

interagissent chacun à leur niveau national avec trois PME mou-listes et un de leur client donneur d’ordres ou transformateur. L’objectif principal de Mold4ProdE, au large consortium européen est de démontrer à la profession, moulistes et transformateurs, que

l’utilisation de capteurs dans les outillages peut permettre de réaliser des gains de productivité durant tout le cycle de vie du moule. Cet objectif se décline en quatre points majeurs : • Valider par une approche chiffrée et mesurée que l’utilisation de

capteurs dans les outillages permet de diminuer le temps de mise au point, et de gagner du temps au redémarrage de chaque production. Pour ce faire, douze outillages ont été instrumentés et testés pendant la durée du projet, en Italie, en Espagne, en Allemagne et en France.

• Explorer une méthode numérique en complément des connaissances empiriques actuelles pour optimiser le nombre et le placement des capteurs dans les outillages afin de recueillir des informations pertinentes sur la qualité des pièces produites.

• Faire le point sur les capteurs et les systèmes d’acquisition existants sur le marché et évaluer le système PSP de la société SISE partenaire du projet.

• Diffuser la « bonne parole » à un maximum d’acteurs de la profession par le biais de journées de sensibilisation / formation réalisées dans les quatre pays du consortium.

instrumentation et système d’acquisition et de contrôLe : La notion de signature de L’outiLLage

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outillage, presse à injecter et périphériques), de les conditionner et de les rendre intelligibles pour l’utilisateur.

Ce système intègre différentes fonctionnalités permettant le pilotage, l’aide à la mise au point et sous surveillance du procédé.Les informations apportées par les capteurs dans l‘empreinte donnent une latitude de réglage supplémentaire lors de la mise au point. On pourra non seulement piloter le procédé par la machine, mais aussi par l’outillage. Dès lors, il est possible de détecter la pro-gression du front matière lors de la phase de remplissage et ainsi de piloter la commutation ou les séquences d’injection directement à partir de ce qui se passe dans l’outillage. À l’issue de la phase de mise au point, lorsque la signature du pro-cédé est établie, elle est sauvegardée sous forme de courbe de réfé-rence. Cette référence permettra de recaler les paramètres machine pour retrouver un point fonctionnel propre à l’outillage.Enfin, sur la base de cette signature, différents indicateurs métiers (matelas, pression de commutation…) pourront être déterminés en vue de surveiller statistiquement le procédé pendant toute la phase de production. La surveillance ainsi mise en place, le système pourra trier les pièces dont les indicateurs de production présenteront des écarts statistiques significatifs.

Évaluation des gains en phase de mise au point et à chaque redémarrage de productionPour évaluer les gains de productivité dans les phases de mise au point des outillages et des redémarrages de production, le consortium a établi une méthodologie. Cette approche commune est basée sur l’évaluation des coûts de l’ensemble des essais nécessaires pour la phase de mise au point : nombre d’essais, temps immobili-sation presse et coûts associés, temps opérateurs et coûts associés, volume matière et coûts associés… Il s’agit ensuite de calculer des indices de coûts et de temps relatifs, c’est-à-dire rapportés à la mise au point du même outillage sans capteurs. La même approche est proposée pour le calcul des gains au redémarrage. Or, la principale difficulté de cette démarche est qu’il est peu réaliste de travailler sur deux outillages identiques simultanément, l’un instrumenté et l’autre pas. Nous avons donc, dans certains cas, utilisé la connaissance des partenaires industriels sur une typologie de pièces identiques pour estimer les temps et coûts de mise au point d’un moule non instrumenté. Dans d’autres cas, nous avons réalisé des essais successifs avec deux opérateurs à aptitude et compétences professionnelles égales, l’un utilisant les capteurs, l’autre non.

Les surcoûts liés à l’implantation des capteurs sont pris en compte et permettent de calculer un ratio adimensionnel Coût / Bénéfice (CB).

• Une valeur de CB>1 indique un impact positif de l’utilisation de capteurs pour l’outillage.

• Une valeur de CB<1 indique un impact financier négatif de l’utilisation de capteurs même si les coûts opérationnels sont

réduits par l’usage de capteurs, les surcoûts liés à l’implantation de ceux-ci ne sont pas compensés. Il est alors possible d’évaluer le nombre de redémarrages nécessaires pour un retour sur investissement positif.

• Une valeur de CB<0 indique que non seulement l’instrumentation augmente le coût par l’achat des capteurs et leur implantation, mais aussi que l’utilisation de capteurs augmente les coûts opérationnels de mise au point et de redémarrage.

Sur la dizaine de moules instrumentés et évalués jusqu’alors, l’utilisa-tion de capteurs dans les outillages a permis de systématiquement diminuer les temps de mise au point de 10 à 30 %, et les temps de redémarrage de production de 30 à 40 % selon les outillages. Un autre résultat majeur du projet indique que les surcoûts liés à l’installation de capteurs dans les outillages sont amortis après 10 à 40 redémarrages de production, selon les cas. De plus, dans chacun des cas, même si les retombées économiques sont moindres, l’exploi-tation de ces nouveaux outils permet aux hommes d’accroître leur compréhension et leur maîtrise du procédé d’injection.

Approche numérique pour optimiser le nombre et le positionnement des capteursLa connaissance sur le placement des capteurs dans les outillages est à l’heure actuelle empirique, et se limite généralement à un positionne-ment dans le premier tiers du remplissage et / ou en fin de remplissage.

La société SISE lance son nouveau système

multilingue d’acquisition Easy-PSP.

Ce nouveau système compact équipé d’une interface simplifiée est le fruit de toute l’expérience de SISE dans le domaine de l’acquisition des données et de leur traçabilité pour la plasturgie. Il apporte des avantages certains, par exemple l’apprentissage de la collecte des données, la mise au point d’un process, le pilotage du point de commuta-tion pour les signaux machine et /ou outillage, la détection d’incomplet par mesure directe ou indirecte de pression empreinte, le contrôle et l’analyse de machine spécifique en production, la collecte des données pour leur traçabilité et enfin le suivi des indicateurs procédé. C’est un système simple à paramétrer (calibration des capteurs, commuta-tion, choix des indicateurs, etc.) qui enregistre, visualise, sauvegarde les données mais aussi analyse l’ensemble des indicateurs sur plusieurs cycles. SISE propose également une assistance à la mise en route de l’application en France.

Formule de calcul du ratio Coût / Bénéfice (CB)

Avec :

OC_conv = Coûts opérationnels moule conventionnel = C_map(conv. mould) + C démar(conv. mould) map mise au point démar redémarrage de production

OC_intel = Coûts opérationnels moule intelligent = C_map(intell. mould) + C_demar(intell. mould) map mise au point démar redémarrage de production

CB = Surcoûts pour implantation capteurs

(OC_conv - OC_intel)

cELLuLE D’injEction moLD4proDE - mouLE Dphrun1.

mold4prodE : les capteurs rendent les moules intelligents et les transFormateurs compétitiFs

19

Le tableau ci-dessous résume la principale connaissance partagée par tous sur le positionnement des capteurs de pression et de température.

Recommandations pour l’implantation des capteurs de pression dans le moule

Capteur positionné dans le premier tiers de l’écoulement

• Pour les pièces dont la longueur d’écou-lement et l’épaisseur ne sont pas critiques

• Utile pour l’optimisation de la phase de maintien

• Informations pour la compréhension des variations de pression dans l’empreinte

• Bonne qualification du process

Capteur positionné en fin de remplissage

• Détection des incomplets• Recommandé pour les pièces injectées

à grande vitesse et avec une phase de maintien courte (paroi fine)

• Qualification de lignes de soudure en fin de remplissage

Capteur positionné dans le premier tiers de l’écoulement et en fin de remplissage

• Recommandé pour les pièces avec un ratio longueur d’écoulement/épaisseur important

• Vérification de la déformation liée aux contraintes internes

• Surveillance du surcompactage dans la zone du seuil

Recommandations pour l’implantation des capteurs de température dans le moule

Capteur positionné en début de remplissage

• Recommandé pour les outillages multi-empreintes (équilibrage)

• Détection de l’arrivée du front matière en temps réel

Capteur positionné en fin de remplissage

• Réglage optimal du remplissage des empreintes

• Réglage optimal du point de commutation

Capteur positionné dans une zone particulière

• Détection d’un changement de viscosité de la matière

Le PEP, dans le cadre de ce projet, a exploré une méthode numérique sans à priori pour déterminer les configurations et positions opti-males des capteurs dans un outillage. L’objectif sous jacent est de déterminer les zones de l’outillage portant le plus d’information sur la qualité finale des pièces. Cette méthodologie est basée sur la production massive de données issues de simulations d’injection (cycles virtuels) chacune étant associée à une qualité théorique en lien avec les spécifications pièces requises pour l’utilisateur.

Le résultat obtenu est la position du meilleur ensemble de capteurs (pression et / ou température) permettant de prédire la qualité des pièces produites.

L’ensemble des données issues de 100 à 200 cycles virtuels est ensuite traité numériquement à partir de modèles issus des théories d’analyse de données du type « Machine Learning ». Cette méthodologie développée est le fruit du travail collaboratif entre le PEP et le partenaire académique du projet, à savoir, l’équipe de Data Mining and Machine Learning du laboratoire LIRIS de l’Université Claude Bernard de Lyon. Cette méthodologie est encore à l’état de prototype, elle a été appliquée avec succès sur plusieurs cas industriels du projet, cependant plusieurs aspects restent à travailler avant d’envi-sager un déploiement industriel.

Le volume de données à générer et à traiter demande du temps et une architecture informatique adaptée et optimisable. Pour l’instant seuls les aspects géométriques de la qualité pièce sont traités pour chacun des cycles virtuels, les critères caractérisant l’aspect des pièces sont encore peu répandus dans les outils de simulation du procédé d’injection.

Les modèles d’analyse de données sont en constante évolution et pourraient permettre une amélioration substantielle de l’algo-rithme associé. La maitrise du procédé est un axe fort du PEP et beaucoup reste à faire pour développer l’utilisation des capteurs dans l’industrie. Cette méthodologie devrait contribuer dans le futur à concevoir des outillages performants et intelligents pour l’amélioration de la compétitivité des plasturgistes.

La formation au cœur de l’informationMalgré la présence sur le marché de fournisseurs de solutions techniques différentes, il n’est pas évident pour un outilleur ou un transformateur de franchir le pas et de systématiser l’utilisation de capteurs dans les outillages, même si tout le monde s’accorde à en reconnaitre les bénéfices. En effet cette démarche requière des compétences nouvelles et additionnelles aux compétences métiers et il est vrai que l’accès à un grand volume de données nouvelles peut effrayer.

La conduite du changement est difficile à mener dans la mesure où certains des standards de conception des outillages, de mise en production, de surveillances doivent être reconsidérés.

C’est pourquoi, le consortium de Mold4ProdE a travaillé sur l’éla-boration de journées de sensibilisation et de formation. A cette occasion, le consortium a pu, sur le terrain, rencontrer les acteurs et évaluer les freins à l’utilisation systématique des capteurs dans les outillages.

Si pour les uns, les capteurs deviendront rapidement incontour-nables pour réduire les phases de mise au point, pour les autres, leur utilisation permettra à termes de fiabiliser et tracer les productions.

Pour d’autres, le niveau de formation technique des opérateurs en place ne permet pas actuellement d’avoir une utilisation optimale des systèmes d’acquisition de données, mais la perspective d’accroitre la compétence des équipes est perçue de manière très positive.

Le travail du consortium sur la sensibilisation et la formation prend alors tout son sens afin de lever les verrous tant psychologiques que technologiques à l’utilisation de l’instrumentation.

Cette démarche est d’ores et déjà engagée, en témoigne les de-mandes de formations complémentaires en marge de celles dis-pensées dans le cadre du projet. A ce jour, trois transformateurs, de la PME au groupe international, ont sollicité le PEP pour sensibiliser / former leurs équipes techniques.

ExEmpLE DEs résuLtats obtEnus sur un bouchon DEux EmprEintEs : L’EnsEmbLE DEs DEux captEurs, captEur DE prEssion pLacé au-DEssus Et captEur DE tEmpératurE pLacé prêt Du sEuiL D’injEction, DonnE LEs mEiLLEurEs informations sur La géométriE.

Le procédé de fusion laser de poudres métalliques a fait ses

preuves dans le domaine de l’outillage d’injection. Ce pro-cédé additif est utilisé de plus en plus couramment dans la fabrication d’éléments de moules de production. Cette évolution est possible depuis

la mise à disposition en 2007 du matériau acier maraging

1.2709 sous forme de poudre. Ce matériau, ayant un très bon com-

portement à la fusion laser, fournit des pièces avec des caractéristiques mécaniques similaires au Z38CDV5 en termes de module d’Young : 180GPa, de contrainte à la rupture : 1950 MPa et de dureté 50-54 HRC (principal critère d’évaluation dans le domaine de l’outillage).

La prochaine étape pour les outillages obtenus par SLM est le passage aux outillages de hautes productions : multi-empreintes, matériaux agressifs, fortes cadences. Les conditions sévères d’utili-sation nécessitent l’apport de matériaux encore plus performants. En effet, la durée de vie d’un moule peut atteindre 5 à 10 millions de cycles et ce, jusqu’à dix ans d’utilisation. En fonctionnement et à chaque cycle, l’outillage est soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques et un environnement agressif (frottements et corrosion).

Dans ce cas, le projet Moulinnov propose de travailler sur deux axes :• un matériau conducteur type base cuivre en utilisant son

comportement conducteur et cherchant à améliorer ses caractéristiques mécaniques,

• un matériau résistant type base fer en cherchant à améliorer ses caractéristiques de tenue aux agressions chimiques.

Ces nouveaux matériaux permettront de rassurer les moulistes et transformateurs sur la tenue dans le temps des moules obtenus par fusion laser grâce à l’utilisation de moules démonstrateurs dans le cadre du projet.

Un projet partenarial Le projet Moulinnov, soutenu par OSEO/BPI France et les pôles de compétitivité EMC2, Plastipolis et ViaMeca, rassemble :• des industriels : moulistes et transformateurs conscients de

l’intérêt de la fusion laser et du principe du « Conformal Cooling » T2C, CEMA et CERO,

• des fournisseurs de solutions d’amélioration du procédé en pré-traitement sur les poudres (LIFCO) ou en post-traitement sur les outillages (SAPPI),

• des laboratoires mettant à disposition leurs compétences dans le domaine : ARMINES-CDM, GEM et ENISE-DIPI,

• deux centres techniques, le PEP et le CETIM, ayant travaillé depuis quelques années sur cette thématique.

L’objectif est de proposer des matériaux parfaitement adéquats aux contraintes des outillages d’injection. Jusqu’à présent, le nombre de matériaux disponibles et proposés par les vendeurs de machines de fusion laser métallique reste très limité. Cette liste se résume généralement à l’acier maraging, le cobalt chrome (utilisé essentiellement pour les prothèses dentaires), le titane (domaine médical et aéronautique), l’inconel et un acier inoxydable le 316L ou le 17-4PH. Il est donc question dans le projet Moulinnov de pro-poser une méthode d’identification des matériaux transformables par procédé SLM, de rechercher les paramètres de transformation et non plus de s’adapter uniquement aux matériaux existants.

Analyse thermiqueL’intérêt du procédé de fusion laser est particulièrement important dans le cas du « Conformal Cooling », c’est-à-dire le rapprochement maximal entre la surface moulante et les canaux de refroidissement. Réduire cette distance accélère les échanges de chaleur et donc améliore l’efficacité de l’outillage. Pour quantifier ces gains, une es-timation du temps de cycle a été effectuée sur un logiciel dévelop-pé par le PEP : MoldTherm™. Sur ce principe, différentes distances entre le canal de refroidissement et la surface moulante ont été comparées, à savoir : 5, 10, 20 et 40 mm. Les distances 5 et 10 mm s’apparentent aux distances utilisées dans le cas du « Conformal

mouLinnoV

Des moules innovants hautes performancespour l’injection par SLM

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Cooling », les distances 20 et 40 mm sont des distances plus standard pour des outillages dits conventionnels obtenus par usinage. Plusieurs matières pour moules ont été testées :

Matériaux pour outillages d’injection

Conductivité thermique en W/m.K

Cuivre pur 388

CuBe à 0.5% 250

CuBe à 2% 100

Navinic 10 50

Z38CDV5 32

M340 15

Acier maraging 1.2709 15

Les calculs ont été effectués pour un matériau injecté ABS d’épaisseur 2 mm avec les paramètres suivants :• Température d’injection : 230°C• Température d’éjection : 90°C• Liquide de refroidissement : 15°C• Temps d’ouverture pour éjection de la pièce : 5 s (cette période

sera prise en compte pour le refroidissement de la température de l’outillage entre deux injections)

Les résultats montrent que, pour l’obtention d’une gaine 100  % solide, des temps de refroidissement de 7 à 12 s sont nécessaires. Dans le cas du « Conformal Cooling » et des conductivités supérieures à 30W/m.K, le changement de la matière du moule n’apporte qu’un gain de 5 % sur la phase de refroidissement et donc il semble peu pertinent de rechercher un matériau très conducteur. Sans « Conformal Cooling », il est plus justifié d’utiliser des matériaux conducteurs. Ces

gains vont jusqu’à plus de 50% entre les aciers 1.2709 et M340 par rapport au cuivre pur ou un alliage de CuBe à 0.5%.

Ces conclusions sont applicables dans le cas d’un procédé de refroi-dissement standard. En revanche, l’utilisation de procédés chaud-froid change la donne. La quantité de chaleur à transférer lors de chaque phase de chauffe et de refroidissement est plus consé-quente et nécessite des matériaux plus performants.Le logiciel MoldTherm™ permet aussi d’estimer les temps de cycle dans le cadre d’un système chaud-froid. Pour ce type de calcul, en plus du temps de refroidissement du moule et de la matière plas-tique, on prend en compte le temps de chauffe de l’outillage, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que la sonde de l’outillage placée à 1 mm de la surface moulante passe au dessus de la température de commutation haute 180° avec un liquide de chauffe à 210°C.Les temps de cycle ont été de nouveau estimés pour différents matériaux utilisés pour les outillages d’injection. En comparant les deux matériaux extrêmes, le cuivre pur et l’acier 1.2709, on constate que le temps de cycle est multiplié par 2 pour une distance surface moulante - canal de régulation de 5 mm :

Matériaux Temps de cycle en s

Cuivre pur 12,5

Acier 1.2709 21,2

Cet écart est de plus en plus important lorsque le canal de refroidis-sement s’éloigne des surfaces moulantes. En effet pour les mêmes conditions d’injection et une distance de 40 mm, les valeurs passent à 1 minute de temps de cycle pour le cuivre pur à 6 minutes pour l’acier 1.2709 !Ces résultats montrent l’intérêt des deux matériaux développés dans le cadre du projet Moulinnov : les matériaux base fer pour améliorer le comportement mécanique et la tenue en corrosion des inserts fusionnés dans le cas de refroidissement dits « standard », les matériaux base cuivre dans le cas de systèmes chaud-froid pour obtenir des temps de cycle plus compétitifs.

Variation Du tEmps DE rEfroiDissEmEnt En fonction DE La DistancE EntrE LE canaL DE réguLation Et La surfacE mouLantE Et En fonction DE La naturE métaLLiquE DE L’outiLLagE

ÉVoLution DE La tEmpératurE Du poLymèrE pEnDant LE rEfroiDissEmEnt résuLtats fournis par LE LogiciEL moLDthErmtm

ÉVoLution DE La tEmpératurE En surfacE Du mouLE au cours DEs cycLEs.résuLtats fournis par LE LogiciEL moLDthErmtm

Fusion laser et outillage d’injection

L’arrivée des procédés d’Additif Manufacturing avec notamment la fusion laser métallique dans l’injection pour la fabrication des outillages a modifié la méthode de conception des canaux de refroidissement : ces canaux ne sont plus forcément une succession de cylindres obtenus par perçage, mais peuvent prendre diverses formes : nappes, oblongs... Ils peuvent alors plus facilement se rapprocher des zones critiques, les points chauds de l’outillage. Ceci a deux conséquences sur la pièce injectée : • un temps de cycles réduit de 10 à 40 %,• une meilleure homogénéité thermique (d’où des aspects de surfaces de meilleure qualité et moins de déformations de pièces).

Le principe de la fusion laser consiste à créer une pièce directement à partir de son fichier CAO sans utiliser d’outils : le fichier CAO de la pièce est au préalablement découpé en tranche, ces « tranches » serviront de modèle pour la fabrication de la pièce couche après couche par apport de matière. Pour cela, la machine étale suc-cessivement de fines couches de poudres d’acier les unes sur les autres (épaisseur de l’ordre de 40µm). Entre chaque étalement de poudre, le laser balaye la surface de la couche correspondant à la tranche de la pièce. La poudre impactée fond et fusionne avec les tranches situées en dessous pour créer un ensemble cohésif.

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Les enjeux de la thermique outillageLe projet va se dérouler sur trois ans. A partir des problématiques thermiques, mécaniques et tenue à la corrosion rencontrées par les industriels, la première étape sera le développement et l’élabo-ration de matériaux sous forme de poudre. Ces matériaux devront répondre aux attentes des moulistes et réagir correctement au procédé de fusion laser. En effet, les matériaux transformés su-bissent d’importantes variations cycliques de leur température : lors de l’impact laser la température monte au-delà de la température de fusion, puis redescend rapidement à la température ambiante, ce changement a lieu au niveau de l’impact, mais crée aussi par conduction une élévation de la température dans les couches infé-rieures. Ces changements de température induisent, par dilatation, d’importants efforts mécaniques et des contraintes résiduelles. Ces contraintes vont impacter le comportement mécanique des pièces comme la tenue en fatigue. Les matériaux choisis devront être suf-fisamment résistants pour supporter thermiquement le procédé de fusion laser.

Le procédé de fusion laser fait intervenir de nombreux paramètres au niveau du laser, de la stratégie de balayage ainsi que de l’étale-ment de la poudre. La recherche d’un nouveau jeu de paramètres pour une poudre est un travail long et difficile. En effet, un apport insuffisant d’énergie au niveau du laser ne permettra pas l’obtention d’une pièce dense. À l’inverse, un excès d’énergie conduit au phé-nomène de « sphéréodisation » des poudres, c’est à dire à la for-mation d’amas disjoints. Cependant des pré-tests avec une poudre d’inconel 718 ont montré qu’il était envisageable d’effectuer avec un effort raisonnable la recherche paramétrique pour des poudres métalliques qui différent de celles proposées par les fabricants de machines. Des densités de l’ordre de 8.18g/cm3 ont été obtenues pour une densité théorique de 8.19g/cm3. Ce critère de densité est important : plus cette valeur sera proche de la valeur théorique, plus le comportement thermique ou mécanique sera similaire aux observations faites sur un matériau usiné. Ce point sera validé sur les matériaux développés au cours du projet, puisqu’ils seront donc

qualifiés et comparés aux valeurs de leurs homologues obtenus en usinage. Ensuite, la fabrication de démonstrateurs validera leurs adé-quations avec les attentes industrielles.

Le projet Moulinnov vise donc à développer des moules pour la plasturgie dans des nouveaux matériaux au moyen d’un procédé de fabrication additive. Les nouveaux matériaux envisagés dans ce projet permettront une amélioration notable des performances du moule, en particulier son pouvoir de refroidissement et d’échan-geur thermique, sa tenue à la compression et ses fonctionnalités de surface (usure et corrosion). La combinaison d’un procédé innovant de fabrication de moules avec de nouveaux matériaux permettra de prolonger la durée de vie des moules et de faciliter la transfor-mation de matériaux polymères, thermodurcissables et thermo-plastiques fortement chargés d’abrasifs, et difficilement injectables. Elle permet aussi d’envisager des outillages d’injection chaud-froid performants, efficaces et fonctionnant avec des temps de cycle standard pour l’injection plastique.

piècE inconEL 718 fabriquéE par sLm à partir DE La paramétriE Du pEp

Des solutions logicielles concrètes

Afin d’apporter des solutions concrètes aux industriels du secteur et les aider à renforcer leur compétitivité, le PEP s’est engagé dans un ambitieux travail sur la conception optimale des systèmes de régu-lation thermique des outillages d’injection dans le cadre du projet OSOTO (outils de simulation et d’optimisation de la thermique). Ce projet a livré, entre autres, deux technologies logicielles d’intérêt : Moldtherm™ et MCOOL®. Ces procédés numériques permettent de concevoir de manière optimale le système de régulation thermique d’un outillage en répondant à deux objectifs : • un temps de refroidissement minimal (pré-déterminé par

Moldtherm),• un refroidissement le plus uniforme possible pour réduire les

défauts dimensionnels dus à une mauvaise régulation.

En sa qualité d’expert en simulation numérique des procédés d’injection thermoplastique, le PEP propose depuis le 1er janvier 2014 un nouveau service d’études en ligne accessible sur son site internet www.poleplasturgie.com.

L’objectif est de simplifier les démarches et de permettre aux industriels d’accéder en moins de 48 heures aux résultats de leurs études Moldtherm, pour :• estimer le temps de refroidissement potentiellement atteignable

d’une pièce plastique et en déduire le temps de cycle de la pièce,• connaître l’évolution de la température du moule pendant ce

temps,• déterminer le nombre de cycles minimum que l’outillage doit

satisfaire avant d’atteindre un régime établi.

Basé sur une modélisation simplifiée d’un outillage d’injection, Moldtherm™ permet en effet de résoudre les équations régissant les transferts de chaleur dans un outillage et fait sens lors des phases de dimensionnement des outillages (et/ou plus en amont lors de la phase de cotation).

Pour chaque demande d’études, le client est invité à se connecter sur son espace privé et sécurisé. Il accède ainsi à un formulaire permettant de définir ses besoins et de lancer l’étude.Contact : Eric Pauze – 04 74 81 92 60 – bucs-dev@poleplasturgie.com

moulinnov : des moules innovants hautes perFormances pour l’injection des slm

fabrication directeContrôle des déformées par la simulation numérique

Les travaux de recherche, initiés par le PEP dans le cadre d’une thèse CIFRE, en col-

laboration avec l’INSA de Lyon, ont permis de développer un modèle

numérique capable de simuler l’apparition des contraintes internes dans les pièces fabri-quées par le procédé de fu-sion laser.

Le procédé de fusion laser SLM (Selective Laser Melting)

de poudres métalliques, appar-tenant à la famille des procédés

additifs, possède la capacité de fabri-quer des pièces de formes complexes. Le

PEP utilise et étudie cette technologie

innovante depuis plus de huit ans, en grande partie avec la machine EOS M270. Ce pro-cédé présente la possibilité de réduire le nombre d’opérations de mise en forme, et donc de diminuer le temps de fabrication d’une pièce. Au PEP, cette techno-logie permet de produire des ou-tillages d’injection, possédant des canaux de refroidissement aux plus proches des surfaces moulantes, principe appelé «  Conformal Cooling  ». Ces canaux assurent un refroidissement rapide des pièces injectées, rédui-sant les temps de cycles ainsi que les déformations. Ce procédé présente un intérêt dans d’autres secteurs d’activités tels que le médical ou l’aéronautique.

Les travaux conduits dans le cadre d’une

thèse CIFRE ont aboutis à une simulation

numérique d’apparition des contraintes internes dans les pièces fabriquées

par fusion laser.

Principe du procédé de fusion laserLa fusion laser est un procédé additif, dont le principe est similaire au frittage laser. Pour créer une pièce, le modèle CAO de celle-ci est dans un premier temps tranché numériquement en fines couches pour obtenir une représentation numérique des couches à fabriquer. Ensuite, ce fichier est transféré à la machine. Pour chaque couche de poudre déposée, la poudre est fusionnée sélectivement en un matériau solide par le faisceau laser sur la précédente couche solidifiée. Le balayage laser est en accord avec la section du modèle multicouche générée précédemment. Ce processus est répété couche par couche jusqu’à l’obtention de la géométrie souhaitée.

Origine des contraintes résiduellesAu cours de la fabrication, l’énergie apportée par le faisceau laser est absorbée par la poudre et convertie en chaleur. Ainsi, de nombreux cycles thermiques et d’importants gradients ther-miques apparaissent dans la pièce. Ces phénomènes induisent

des cycles d’expansion et de compression de la matière, générant ainsi des déformations irréversibles et des contraintes résiduelles. Ces contraintes influencent le comportement mécanique de la pièce et peuvent en diminuer la résistance, par exemple la tenue en fatigue. De plus si leurs niveaux sont assez élevés, les contraintes peuvent favoriser l’apparition de fissures.

obsErVation D’unE fissurE à L’intErfacE DE La pLaquE support.

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ObjectifsL’un des principaux objectifs de cette thèse est de proposer un modèle numérique permettant de prédire les contraintes résiduelles et les déformations générées dans les pièces créées par le procédé SLM. Les résultats ainsi obtenus permettront d’analyser et comprendre leurs apparitions ainsi que les phénomènes les favorisant. L’autre objectif concerne la mise en place d’un moyen de mesures expérimentales afin de comparer les résultats numériques aux résultats expérimentaux.

Modélisation du procédé de fusion laserLa modélisation est la pierre angulaire du dispositif de prédictions comportementales. Il est indispensable de mettre en place un modèle pour ce type de procédé, même complexe, afin d’optimiser le procédé de fabrication. La complexité de la tâche est due aux nombreux phénomènes thermiques et mécaniques entrant en jeu et interagissant les uns sur les autres. Il s’agit donc bien de prendre en compte dans le modèle thermique la modélisation de l’interaction du faisceau laser avec la poudre et les phénomènes physiques nombreux et complexes qui en résultent. Le modèle développé a pour objectif de prédire les transferts thermiques et leurs conséquences sur l’apparition des contraintes résiduelles.

Ces études nécessitent de nombreuses données sur les propriétés physiques de l’acier utilisé (acier maraging). Ainsi des essais de dila-tométrie et de traction à chaud ont été réalisés à l’INSA de Lyon sur la machine Gleeble. L’analyse de ces essais montre par exemple que le module d’élasticité de l’acier maraging dépend de la température, ainsi que sa résistance mécanique ou encore le coefficient de dilatation thermique. Ces résultats ont permis d’alimenter le modèle numé-rique en données thermomécaniques, nécessaire pour réaliser ce type de calcul. Pour simuler le procédé SLM, le code de calculs ABAQUS a été choisi. Ce logiciel dit « généraliste » est utilisé pour de nom-breuses études. L’un des avantages du code de calcul ABAQUS réside dans le fait qu’il soit « multi-physique ». Il permet de résoudre, de façon efficace et robuste, une large gamme de problème.

Au cours du procédé SLM, le balayage de la poudre par le faisceau laser, avec une trajectoire d’aller / retour, peut être comparé à du soudage multipasse. L’ajout de couches de poudre et leur balayage par le faisceau laser influence le transfert de chaleur et l’apparition des contraintes thermiques dans le matériau lors de sa solidification. L’historique thermique est donc une donnée essentielle pour déter-miner les contraintes transitoires et finales à la fin de la fabrication. Dans un premier temps, le calcul thermique est réalisé afin d’obtenir les champs de température et leur évolution au cours du procédé. Puis dans un second temps, le calcul mécanique est effectué à partir des données thermiques obtenues précédemment pour finalement obtenir les champs de contraintes et de déformations. La technique d’activation / désactivation des éléments est utilisée afin de représenter la solidification de la poudre fondue. Cette technique, répandue pour la simulation du soudage, permet de matérialiser phy-siquement la création de la matière solide ou de la poudre solidifiée.

La mise en place d’un tel modèle a permis de prédire les champs de températures, les cycles thermiques, les champs de contraintes et de déformations dans la pièce au cours et à la fin du procédé. Les résultats prédits par le modèle numérique concordent avec les observations faites par d’autres chercheurs pour des procédés similaires. L’analyse des résultats permet de comprendre le déve-loppement des gradients thermiques et des contraintes résiduelles au cours de la fusion laser de poudres métalliques. Les principales conclusions de l’analyse sont les suivantes :• les cordons balayés par le laser possèdent des cycles de tem-

pérature similaires, de même pour les contraintes résiduelles hormis sur les bords de la pièce,

• les contraintes résiduelles sont très élevées en surface,• l’ajout d’une couche modifie la répartition des contraintes

dans les couches sous-jacentes,• la poudre isole thermiquement la zone de balayage laser.

Le support ainsi que les couches solides agissent comme un conducteur de chaleur et contribuent à la création de contraintes résiduelles

Mesure expérimentale des contraintes (voir focus : Principe de mesure des contraintes résiduelles)

Dans le cadre de ces travaux, une méthode originale a permit de mesurer expérimentalement les contraintes résiduelles. Elle s’inspire d’une technique bien connue de l’industrie, qui consiste à déter-miner les contraintes par enlèvement de couches successives (voir Principe de mesure des contraintes résiduelles). Les essais ont été réalisés sur la machine EOS M270, composée d’un laser Nd :YAG (acronyme du nom anglais : Neodymium-Doped Yttrium Alumi-nium Garnet) délivrant une puissance de 200 W, dont le diamètre du faisceau laser est de 100 μm. Ces essais ont permit d’estimer qualitativement et quantitativement les contraintes présentes dans l’ensemble support / pièce-créée. Les tendances déterminées expérimentalement sont comparables aux résultats numériques, bien que ces derniers surestiment le niveau des contraintes. De plus, une étude paramétrique expérimentale a permis de mettre en évidence que :

• les contraintes sont plus importantes pour une pièce produite par strate de 20 μm que par strate de 40 μm,

• un temps d’étalement court de la poudre diminue l’amplitude de ces contraintes.

Étude paramétriqueLes paramètres du procédé tels que la puissance du laser, sa vitesse de balayage peuvent être ajustés afin de modifier les propriétés de densité, résistance mécanique...du matériau des pièces fabriquées par procédés additifs (voir tableau n°1 : Paramètres du procédé). Ces propriétés sont également connues pour influencer le niveau et la répartition des contraintes résiduelles dans les pièces construites. Des travaux ont étudié l’effet de certains de ces paramètres sur la répartition des contraintes résiduelles. Afin d’optimiser les para-mètres du procédé minimisant les contraintes résiduelles générées lors de la fusion laser de poudres métalliques, il est important de comprendre leur influence vis-à-vis de leur répartition. Une étude paramétrique combinant l’ensemble de ces paramètres pourrait s’avérer nécessaire, mais serait très coûteuse en nombre d’essais expérimentaux. Par conséquent, un certain nombre de ces para-mètres seront étudiés en utilisant le modèle numérique précédem-ment mis en place. Dans chaque cas, seul le paramètre étudié varie indépendamment des autres afin d’effectuer l’analyse comparative.

cartographiE DE La tEmpératurE (gauchE) Et DEs contraintEs DE Von misEs (DroitE)

24

Ces paramètres étudiés sont :• l’épaisseur de la couche de poudre,• la température du support,• la trajectoire du laser,• la forme géométrique du support.

Paramètres du procédé utilisés dans le modèle

Puissance du laser 200 W

Vitesse du laser 1 000 mm.s-1

Diamètre du faisceau laser 100 μm

Balayage du laser Aller / retour

Hauteur de couche 40 μm

Rendement du laser 10%

Température de l’enceinte 40°C

Temps ajout de couche 8 s

Temps de refroidissement final 1 800 s

L’impact de certains paramètres de fabrication sur les contraintes résiduelles et les déformations plastiques ont donc été étudiés à l’aide de notre modèle numérique. Les principaux enseignements de ces études sont :

• La température de préchauffage du support est le paramètre qui possède le plus d’influence sur le niveau des contraintes résiduelles. L’augmentation de la température du support, dans notre cas à une valeur de 800°C, permet de réduire de manière assez significative les gradients de température dans la pièce et par conséquent les contraintes résiduelles. Cepen-dant une telle valeur n’est pour l’heure pas envisageable sur les systèmes SLM, cette solution n’est donc pas industrielle-ment viable.

• De même, la trajectoire du laser influence le niveau des défor-mations, du fait des gradients thermiques hétérogènes entre les différentes stratégies de balayage (aller-retour, spirale intérieure ou extérieure, point par point…).

• L’utilisation et la forme du support, sur lequel la pièce est fabriquée, influence la répartition des contraintes résiduelles dans la pièce créée. Un support présentant des colonnes par exemple, permet d’obtenir une pièce équilibrée mécanique-ment. C’est-à-dire qu’après élimination du support, il y aura peu de déformations dues à l’auto-équilibrage des contraintes internes.

• Le niveau des contraintes résiduelles augmente légèrement lorsque les couches de poudres sont plus fines.

• Enfin, d’autres paramètres peuvent avoir un impact sur les contraintes résiduelles, comme le recouvrement du faisceau laser, le matériau composant le support, la vitesse de balayage du laser…

Perspectives à venirLe procédé de fusion laser sélective présente de nombreux avantages, mais aussi quelques inconvénients, comme par exemple la présence de contraintes résiduelles, dont les effets doivent être réduits. Une bonne maîtrise du procédé est importante afin d’augmenter la qualité des pièces construites, d’assurer la connaissance du comportement mécanique de ce type de pièce. Au final, le comportement de pièces à haute valeur ajoutée utilisées dans des environnements critiques pourra être certifié.

L’un des principaux verrous de ces simulations est le temps de calculs. Au cours de la thèse, ces temps de calculs pouvait atteindre

quelques jours, voir plusieurs semaines en fonction du volume de la pièce à créer. Des simplifications au niveau de la modélisation seront nécessaires dans le futur afin d’obtenir des temps de calculs raisonnables.

Enfin, des projets futurs permettront de continuer le développement de cet outil numérique permettant de prédire la tenue mécanique des pièces et déterminer des règles de conception afin de réduire ces contraintes (forme du support, utilisation de renforts, stratégie de balayage du laser,…). De plus, la CAO contre-déformée de la pièce pourra être déterminée afin que celle-ci, une fois construite, respecte les critères dimensionnels.

Focus sur le principe de mesure des contraintes résiduelles

Les méthodes de mesure des contraintes résiduelles peuvent être classées en deux catégories, les méthodes destructives et non-destructives.

Pour rappel, les contraintes résiduelles sont définies en tant que contraintes restantes dans une pièce en l’absence d’efforts appliqués à celle-ci. • Les techniques destructives reposent sur la mesure des

déformations, dues à la libération des contraintes rési-duelles lors de l’enlèvement de matière de la pièce.

• Les techniques non-destructives quant à elles utilisent les rayons X, les neutrons pour mesurer directement les contraintes.

L’enlèvement de couches successives permet de mesurer la relaxation des contraintes lorsque la matière est enlevée. En pratique, une jauge de déformation est fixée sur une face de la pièce. Celle-ci permet de mesurer la déformation engen-drée par le rééquilibrage des contraintes internes, lorsqu’une couche de matière est usinée. Les contraintes présentes dans la couche enlevée peuvent être déterminées à partir de la déformation obtenue.

Cette technique a retenue notre attention. Au lieu de mesurer les déformations lors de l’usinage des couches, celles-ci pour-raient être mesurées lors de la fusion des couches en direct pendant la fabrication.

Dispositif ExpérimEntaL

Fabrication directe : contrôle des déFormés par la simulation numérique

25

checkmoLd

Un outil de gestion collaborative de la maintenance d’un parc moules

Checkmold est une application web, fruit d’un travail partenarial entre le

PEP et Plasticonseil, dont le Direc-teur, Philippe HEROUIN, bénéfi-

cie de près de 30 années d’ex-périence dans le domaine.

L’objectif de la V1 de cette application était de faire de l’outillage la charnière entre tous les acteurs, des donneurs

d’ordres aux sous-traitants en passant par les moulistes.

Le développement abouti dans le cadre de l’appel à projet TIC & PME

2015 a permis de faire émerger un nouveau module de gestion de la maintenance.

Effectivement, lorsque nous parlons de la vie de l’outillage - au-delà de sa création et de sa mise au point, ou même de la gestion d’un inventaire ou d’une fin de vie - le principal chaînon auquel nous pensons est sa période de production. L’articulation des relations entre les différents partenaires concernés se fait alors par le biais des différentes interventions, à savoir :

• La gestion et le suivi d’un plan de maintenance interne, ou comment s’assurer du bon usage quotidien de l’outillage, et du respect des procédures ;

• La gestion d’un plan de maintenance externe, ou comment s’assurer que, dans le cadre de la garantie mouliste, les étapes indispensables de maintenance d’un outillage sont réalisées et pilotées afin de rassurer le client propriétaire de l’outillage (mais non utilisateur) que son matériel est correc-tement entretenu.

• Les interventions ponctuelles ou comment suivre, archiver et consigner les demandes d’interventions suite à une casse ou une difficulté rencontrée ;

et tout cela de manière collaborative.

S’il existe sur le marché des outils permettant aux industriels qu’ils soient moulistes, transformateurs ou donneurs d’ordres, de piloter ces outils ou interventions, aucune, à ce jour, ne permet de le faire de manière partagée et interactive. C’est résolument

sur cet axe que se positionne la nouvelle version de CHECKMOLD, dite V2.

Le principe de base de CHECKMOLD est de disposer d’une application web, affranchissant l’utilisateur de l’installation, de la gestion d’un soft et ses mises à jour. Cette application est par conséquent totalement neutre en termes de support infor-matique pour l’utilisateur. De même, aucune compétence spé-cifique n’est nécessaire à son usage. Le « créateur » de l’outillage, propriétaire du compte principal, défini simplement les droits d’accès aux différents modules et en distribue les codes à chacun de ses partenaires.

Module Maintenance

Un soft et des

modulesdédiés

Module ProcessModule

Pièces plastiques

Module Moule

Gestion et suivi de l’historique

des réglagesSuivi et comparatif

des dimensions des pièces plastiques

Gestion et suivi du dimensionnel

outillageet des pièces de rechange Définition et gestion

des plans de maintenance de l’outillage, saisie de leur réalisation en corrélation avec le compteur cycle, enregistrement de photos...

Checkmold est une application en mode «  cloud  » permettant aux acteurs du monde de la transformation des matières plastiques de partager les données relatives à l’outillage, sa production, son utilisation.

Don

neurs d’ordres Moulistes Transformateurs

Don

neur

s d’ordres Moulistes Transformateurs

PRO

CÉD

ÉS E

T O

UTI

LLA

GES

26

Le module de maintenancePour chaque outillage, ce n’est pas moins de quatre niveaux de maintenance qui sont paramétrables pour permettre de gérer tous les cas de figure.

La maintenance Niveau 1 qui pourra, par exemple, être dédiée à la maintenance journalière ou par équipe du moule en cours de pro-duction. Pourront par exemple figurer dans ce niveau, le nettoyage au plan de joint ou tout autre nettoyage d’évent. La validation est alors faite par le régleur.

La maintenance Niveau 2 qui pourra être dédiée aux plans de maintenance intermédiaires ou à la durée de vie de l’outillage. Une maintenance approfondie est toujours recommandée (mais pas systématique-ment effectuée) suivant le compteur cycle du moule (par exemple, un net-toyage complet de l’outillage toutes les 150 000 injections). Cette maintenance sur presse est plus pointue que celle de niveau 1 et sera suivie par un technicien de la mécanique

La Maintenance Niveau 3 qui, dans la continuité, pourrait corres-pondre à la maintenance de fin de garantie. Checkmold constitue dans ce cas un garde fou en favorisant une expertise approfondie permettant de définir si une prolongation est envisageable, les conditions de réfections, etc. Il s’agit là d’une maintenance curative ou préventive faite à l’atelier mécanique, moule démonté.

La maintenance Niveau 4 sera alors logiquement dédiée aux répa-rations ou autres demandes d’interventions. Elle englobe l’ensemble des opérations lourdes faites dans les ateliers du mouliste.

Pour bien identifier le gain de CHECKMOLD, il convient ensuite de rentrer dans le détail de ces quatre premiers niveaux. Pour chacun, un nombre illimité de fiches de maintenance peut être créé.

Chaque fiche peut être détaillée, rattachée à une procédure qualité, quantifiée en termes de temps. Il est également possible de définir les profils des intervenants autorisés à réaliser la tâche.

Il suffit ensuite de définir et de planifier les étapes de l’opération de maintenance, d’inclure des photos voire des vidéos.

Ce module a été développé avec le souci permanent de réduire et de simplifier le temps de saisie et de création des données. Dans cet esprit, les menus déroulants, proposant des opérations pré-référencées (pouvant néanmoins être enrichis par l’utilisateur) ont été privilégiés.

Il est donc possible de créer des fiches en quelques clics.

Une fois la fiche de maintenance créée, il s’agit de passer en mode exploitation puisque Checkmold permet au quotidien de garantir le bon respect des exigences et de simplifier le travail des opérateurs et techniciens de maintenance.

Le journal tout d’abord propose une vue globale des opérations de maintenance planifiées sur une journée, une semaine ou un mois donnés. Il est alors possible d’un simple coup d’œil de visualiser les retards et d’identifier les éventuels pics de charge.

Un onglet « détail » permet d’accéder à la fiche de maintenance détaillée et de télécharger les fichiers techniques, photos et vidéos associés.

Tout est fait pour favoriser une gestion au plus près des impératifs organisationnels, en tenant compte de la réalité du terrain, avec notamment la possibilité de reporter une opération.

Une fois l’opération de maintenance achevée, on peut inclure dans la fiche les commentaires, photos et autres documents jugés perti-nents. Cela offre enfin, de manière partagée, la possibilité de faire remonter les informations ou anomalies rencontrées, de formaliser

simplement, notamment par le biais d’illustrations, le retour d’expé-rience sur les opérations de maintenance de l’outillage.

L’ensemble est automatiquement sauvegardé et sera accessible aux personnes autorisées.

Toute la puissance de CHECKMOLD est basée sur le postulat que le demandeur et l’acteur sont potentiellement 2 sociétés différentes. Ainsi, le plan de maintenance est piloté par l’injecteur, mais une opération donnée pourra être réalisée par le mouliste. Les acteurs partageront alors une base de données unique leur permettant d’avoir le même niveau d’information en évitant les éventuelles versions multiples d’un même document, source d’erreur.

Le principe s’applique également aux demandes d’intervention non planifiées (réparations par exemple). CHECKMOLD offre alors une interface permettant de générer des demandes de travaux, de suivre leurs acceptations, et leurs réalisations. Ainsi, une demande d’intervention interne pourra être

redirigée automatiquement vers le mouliste, qui fera alors un retour d’intervention via l’interface (rapport, photos, et autres supports nécessaires).

Ce nouveau module de maintenance, d’ores et déjà opérationnel, constitue une avancée majeure dans la gestion d’un parc outillage. Mais au-delà, c’est un moyen de créer plus de lien entre les acteurs de l’outillage, notamment les moulistes et les transformateurs. Gage de clarté et de partage, c’est également un moyen d’amener plus de lisibilité sur la vie d’un outillage à un donneur d’ordre et par conséquent de renforcer sa confiance quant à la bonne gestion de son outillage.

Les bénéficesDonneurs d’ordres : pilotage et rentabilité accrue• Suivi simplifié et centralisé du parc outillages• Gestion et optimisation des investissements et capacités

de production• Pilotage des coûts de maintenance et de remise en état• Suivi d’exploitation• Traçabilité des opérations de production sous-traitées• Mise sur le marché plus rapide

Transformateurs : gestion simplifiée• Suivi facilité et centralisé du parc outillages• Meilleure gestion qualité grâce à la corrélation

dimensionnel des outillages / pièces produites• Alertes en cas de paramètres hors spécifications• Gestion des défauts d’aspects• Accélération des phases de mise au point et de validation

des outillages• Historique et suivi des paramètres de réglage des outillages

Moulistes : plus de valeur ajoutée dans la relation client• Retours d’informations formalisés sur l’utilisation des outillages• Pilotage de la garantie contractuelle et de la maintenance des

outillages• Gestion des stocks de pièces de rechange • Amélioration de la conception et de la production

de nouveaux outillages• Meilleur taux de satisfaction client grâce à des capacités

d’expertise et de suivi accrues• Accélération des phases de mise au point et de validation des

outillages

CheckMold : une réponse adaptée et de qualité

sur un marché de plus en plus concurrentiel où le partage et la confiance participent

largement à la réussite.

27

COM

POSI

TES

SMCÉCOUn procédé éco-performant pour le moulage des SMC

Les « Sheet moulding compounds » (SMC) sont des semi-produits composites à

matrice thermodurcissable consti-tués le plus souvent d’une résine

polyester chargée et de fibres de verre coupées et transformés par compression haute pres-sion à chaud. Leurs propriétés (légèreté, tenue en tempéra-ture, isolation électrique) ainsi

que la possibilité de réaliser des pièces à forme complexe leurs

permettent d’être utilisés dans de très nombreux secteurs d’activité

: automobile, électricité, bâtiment, ferroviaire…

Le SMC permet des temps de cycle réduits (de l’ordre de 2 à 3 minutes) et fait donc par-tie des procédés composites grandes séries (> 100 000 pièces par an). Pour les plus petites séries, ce mode de transformation est écarté en raison du niveau élevé d’investissements. En effet, les conditions de mise en œuvre (température de 140 à 160°C – pression de 60 à 100 bars) imposent l’utilisation de presses à fort tonnage (de 100 tonnes à plusieurs milliers de tonnes selon les dimensions des pièces) ainsi que de moules en acier à haute résistance mécanique et thermique dont le coût est de l’ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de milliers d’euros. Dans sa version actuelle, la compression de SMC est donc essentiellement tournée vers la fabrication de pièces grandes séries pour le marché des composites (auto, camions, bus, électrotechnique…) et/ou pour lesquelles des durabilités longues (30 ans) sous contraintes sont exigées (électrotechnique, ferroviaire…). Si depuis quelques années des efforts importants ont été réalisés dans le domaine des composites hautes performances (à desti-

nation en particulier du marché aéronautique), les procédés petites et moyennes séries pour la grande diffusion n’ont pas connu de changements et d’évolutions notables pour assurer la pérennité et le développement des entreprises ainsi que des emplois associés. Alors que d’un point de vue technique, il est établi que le SMC peut couvrir une partie des exigences remplies par des procédés moins industrialisés, contact et RTM par exemple. Ces applications potentielles ne sont pas acces-sibles à ce jour d’un point de vue économique. Le projet SMCéCO vise donc à développer une technologie de transformation des SMC compatible avec les critères écono-miques de production de petites et moyennes séries, tout ceci dans un souci de performances techniques, économiques et environnementales. Pour atteindre ces objectifs, le procédé développé dans le projet se démarque du mode de transforma-

tion classique par une température et une pression de moulage nettement inférieures à celles des standards industriels actuels. Ce procédé offrira donc une alternative au moulage au contact et/ou injection RTM présentant un taux de main d’œuvre réduit (limitation des opérations de préparation matière et de finition), des conditions de travail améliorées (réduction de l’exposition aux COV) et des niveaux de qualité et de tech-nicité accrus (meilleure répétabilité et procédé moule fermé par rapport au moulage au contact, réalisation de pièces complexes avec moulage direct de nervures, bossages…).

L’enjeu est de mettre à la disposition des industriels un procédé innovant leur permettant de prendre des parts sur les marchés de plus petites séries (à ce jour inaccessibles à cause du « ticket d’entrée » trop élevé pour les cadences de fabrication visées), de réinternaliser des fabrications aujourd’hui réalisées dans les pays low cost et de satisfaire aux critères socio-environnementaux tout en réduisant le coût énergétique.

L’ambition du projet est de développer une technologie de transformation des SMC compatible avec les critères économiques de production

de petites et moyennes séries dans un souci de performances

technico-économiques et environnementales.

28

smcéco : un procédé eco-perFormant pour le moulage des smc

Le projet SMCéCo se distingue des développements antérieurs par ses objectifs techniques, mais aussi par une approche globale et transversale autour de deux axes technologiques principaux. Axe 1 : Développement des formulations et des compounds, permettant d’atteindre :• une température de moulage inférieure à 100° C, • une pression inférieure à 5 bars et un temps de polymérisation

inférieur à 10 minutes.Axe 2 : Développement de technologies d’outillages à coûts d’investissement et d’utilisation réduits, en adéquation avec les exigences du procédé.Un bilan technico-économique et énergétique du procédé permettra d’évaluer précisément les bénéfices économiques et environnementaux.

innoVer dans Les formuLationsUn SMC comprend typiquement plus d’une dizaine de composés différents jouant chacun un rôle précis pour le moulage et l’obtention des pièces. Mouler à basse température et basse pression des com-pounds SMC nécessite de développer des formulations d’une part susceptibles de réticuler rapidement à ces températures et, d’autre part, présentant une viscosité permettant un bon remplissage du moule, ceci en conservant bien entendu les caractéristiques finales du matériau composite (propriétés mécaniques, aspect de surface, absence de porosités, homogénéité, régularité…). La modification des températures et pressions de moulage a également un impact sur d’autres phénomènes, ce qui nécessite donc une étude exhaus-tive du comportement lors de la transformation et des propriétés finales du produit.Un premier point critique est la réactivité du produit. En effet, il est évident que la diminution de la température de moulage sans modification de la formulation aurait pour conséquence un allon-gement du temps de cycle et potentiellement une diminution des taux de conversion entraînant notamment une baisse des proprié-tés mécaniques. Néanmoins, dans l’autre sens, le système doit pré-senter une bonne stabilité au stockage. Ceci nécessite de choisir judicieusement la composition du système catalytique (catalyseur – accélérateur – inhibiteur). Ce point a fait l’objet d’une étude approfondie au Laboratoire de Photochimie et d’Ingénierie Macromoléculaires de l’Université de Haute-Alsace en lien avec CCP Composites, Mäder Research et l’ICPEES de l’Université de Strasbourg.Concernant les catalyseurs, par exemple, dix peroxydes ont été testés (Détermination de la réactivité de différents peroxydes dans

une résine polyester insaturée – E. Dreyer et al – JEPO 40 – 2012) puis le système cataly-tique a été ajusté par l’ajout d’accélérateurs et d’inhibi-teurs. Les essais en labora-toire (DSC, réaction en tube) ayant été concluants en termes de temps de réac-tion, les nouveaux composés ont été intégrés à une pâte mère SMC complète. Pour ce contrôle, le PEP a mis en place un moule instrumenté appelé « cellule de réactivité » permettant un suivi in-situ du moulage par la mesure des flux thermiques dans l’outillage ; les dimensions des échantillons ont été choisies pour favoriser l’homogénéité de la mesure tout en étant représentatif du moulage réel. On constate sur ces formu-lations, un temps de cycle d’environ sept minutes répondant aux objectifs initiaux. Un autre verrou technologique concerne le contrôle de la rhéologie du SMC, depuis l’étape de préparation de la pâte‐mère, en passant par la phase de mûrissement jusqu’à la fluidification dans le moule à une température et sous pression faibles (T°<100°C, P = 5 bars) et celle du durcissement final. Chaque étape impose en effet une évolution de la viscosité donnée, qui doit être ajustée grâce à la for-mulation.Il faut assurer le mûrissement de la matière qui permet la manipu-lation des flans avant le moulage mais qui doit être réversible pour permettre une baisse importante de la viscosité et le fluage de la pâte, et ceci malgré une température et des forces de cisaillement beaucoup plus faibles.

L’évoLution de La rhéoLogie du méLangeLes travaux menés par l’ICPEES visent à déterminer la loi de comportement des SMC dans ces conditions de transformation particulières.L’évolution de la rhéologie du mélange est étudiée par rhéométrie sur différents dispositifs expérimentaux standard ou spécifiquement mis au point pour le projet. C’est le cas pour les travaux menés sur un rhéomètre cône-plan adapté afin de limiter au maximum l’éva-poration du styrène permettant d’étudier la matière à des taux de cisaillement compris entre 0,001 et 100 s-1. Un rhéomètre capillaire adapté à la mesure de produits de faibles viscosités pour investiguer des taux de cisaillement supérieurs, compris entre 50 et 10 000 s-1 est également utilisé. Ces travaux sont effectués en collaboration avec MINES ParisTech qui développe un logiciel visant à simuler

cELLuLE DE réactiVité.

courbE typE DE mEsurE Du fLux DE chaLEur En mouLE instrumEnté.

Les formulations déjà développées ont

montré des performances conformes aux objectifs industriels, notamment

par l’atteinte de l’objectif de temps de cycle et

le maintien des propriétés mécaniques.

29

l’écoulement de la pâte dans un moule. Ce logiciel s’appuiera sur les lois de comportement établies à l’ICPEES. Parallèlement à cette étude, un réacteur tubulaire est en cours de réalisation. Ce dispositif permettra une acquisition de la pression et de la température. Ces données seront utilisées pour remonter aux coefficients de transferts thermiques des différentes formulations.Les formulations déjà développées ont montré des performances conformes aux contraintes industrielles, notamment par l’atteinte de l’objectif de temps de cycle et le maintien des propriétés mécaniques. Les travaux se poursuivent pour optimiser les pro-priétés sur pièces, notamment l’aspect. Une première petite série va être produite prochainement pour valider les nouveaux SMC à échelle semi-industrielle.

revoir La conception des outiLLagesAu niveau des outillages, les températures et pressions de moulage im-posent des moules en acier très robustes ainsi que des contraintes particulières sur différentes fonctions comme l’isolation, qui ont une incidence forte sur les coûts.

Le projet SMCéCO ouvre la possibilité d’étendre le panel à d’autres solutions que l’acier, par l’emploi de différents alliages métalliques mais aussi par l’utilisation de moules composites. Au-delà du simple changement de matériau, il s’agit de développer des concepts nou-veaux qui prennent en compte les spécificités de chaque type de matériau constitutif et qui correspondent à l’application visée. Ainsi, les solutions proposées seront différentes si le moule doit produire des petites séries (quelques centaines de pièces) ou des moyennes

séries (quelques milliers de pièces). Toute cette démarche se fera dans un souci de réduction du coût de l’outillage et d’augmentation de l’efficacité énergétique pour remplir les critères suivants par rapport aux technologies actuelles :• réduction du coût d’investissement outillage de 15 à 30%• réduction de la consommation énergétique de 30 à 40%• réduction du tonnage de presse nécessaire de 50 à 60%

Le groupe outillage dont les acteurs principaux sont Compose Tools, Mäder Research et Compin Composites travaille à l’élaboration des nouveaux concepts sur la base de solutions métalliques, composites ou « hybrides » multi-matériaux pour remplir ces objectifs.

Les moules fabriqués seront testés via des productions de petites séries au PEP.

une soLution gLobaLeL’objet du projet SMCéCO est bien de proposer une solution globale matériaux-outillages. Une analyse technico-économique et éner-gétique menée par le PEP accompagne le développement tech-nique et permettra, sur la base d’un démonstrateur, de valider les gains apportés et de déterminer le meilleur compromis pour chaque application : typologie de pièce, propriétés attendues et séries à produire.

À l’issue du projet, une gamme de solutions éco-performantes à double titre sera disponible. • D’un point de vue économique, le niveau d’investissement

offrira une alternative aux procédés de moulage au contact et « Resin Transfer Moulding » de nature à générer des gains de parts de marché et une ré-internalisation de certaines produc-tions, avec des retombées économiques directes en termes de chiffre d’affaires et de création d’emplois.

• En outre, la réduction des émissions de COV ainsi que de la consommation énergétique apportent un bénéfice environ-nemental marqué.

prEssE Et mouLE utiLisés actuELLEmEnt pour La transformation DEs smc. SMCécPour une diminution de laconsommation énergétique

Partenaires du projet SMCéco : Compin Composites, Mäder Research, Nief Plastic, CCP Composites, Compose, PEP, Université de Strasbourg (ICPEES),

Université de Haute-Alsace (LPIM)

Financeurs : État (FUI fonds unique interministériel, géré par OSEO), Conseils régionaux d’Alsace, de Franche-Comté et de Rhône-Alpes ,

Conseil général de la Savoie.

30

enoLibioÉtude de la fin de vie optimale des biocomposites

De récentes études européennes montrent qu’il est crucial de limiter les impacts des

déchets plastiques et composites sur l’environnement. En effet, durant

les trente dernières années la consommation et la croissance de polymères d’origine fossile (issus de la pétrochimie) n’a ces-sé d’augmenter fortement. Ces matériaux sont maintenant

incontournables dans notre vie quotidienne, mais constituent

cependant un problème majeur pour l’environnement, sachant

que leur durée de biodégradabilité est entre 250 et 400 ans. Par ailleurs, la

conjoncture de raréfaction des ressources pétrolières et les diffi-cultés inhérentes au recyclage de déchets plastiques et compo-sites donnent un intérêt fort au marché de nouveaux matériaux principalement issus de ressources renouvelables. C’est pourquoi les « éco-matériaux » sont en plein essor, et en particulier les biocomposites. Ces produits se fabriquent de la même manière qu’un thermoplastique ou composite classique mais la matrice et/ou les renforts utilisés sont biosourcés, c’est-à-dire qu’ils proviennent de la biomasse. Après plusieurs années de développement, les biocomposites à fibres naturelles et matrice organique sont maintenant utilisés dans l’industrie automobile, la plasturgie et dans le secteur de la construction, marché en pleine expansion. D’autres applications

nécessitant des performances mécaniques élevées sont envisagées afin de valoriser pleinement cette ressource végétale. D’une manière générale, l’introduction de fibres naturelles dans des matrices polymères apporte des avantages notoires par rapport aux fibres traditionnellement utilisées dans les composites. Les avantages sont de bonnes qualités techniques (meilleure souplesse, faible abrasivité, faible densité par rapport au verre), un bon rapport prix/performance, une innocuité sur le plan sanitaire (moins ou pas de problèmes d’allergies), une abondance des ressources dis-ponibles, variées et renouvelables. En 2010, le marché mondial des biocomposites a atteint 2220 kT, dont 720 kT pour les composites à base de fibres végétales et 1500 kT pour les composites à base de fibres de bois. Quant au marché européen, il représentait 315 kT soit environ 13 % du mar-ché global des composites en 2009. Les prédictions indiquent une quantité produite de biocomposites qui devrait plus que doubler pour atteindre 830 kT pour l’horizon 2020 soit 28 % des composites. Les deux principales applications sont la construction avec environ 75 % de part de marché et l’automobile avec à peu près 20 %.Il est donc essentiel d’anticiper le marché à venir, ce qui nécessite également de prévoir la façon dont seront valorisés ces produits en fin de vie. Toutefois, le traitement en fin de vie des biocom-posites n’est aujourd’hui pas clair et de nombreuses questions restent sans réponses. Quelle orientation « fin de vie » est la plus avantageuse pour ces matériaux en terme environnemental  ? Quelles sont les solutions applicables ? Il est ainsi important de pouvoir positionner ces matériaux en termes de fin de vie et de renseigner les filières aujourd’hui disponibles.

ENOLIBIO est un projet collaboratif d’une durée de trois ans (clôture en octobre 2014) financé par l’ADEME. Il a pour but d’étudier trois scenarios de fin de vie des biocomposites afin d’apporter des recommandations aux producteurs de bio-composites. Cette démarche permet d’intégrer la fin de vie optimale dès la conception des pièces et donc de réduire leurs impacts environnementaux.

Le projet est porté par la société AG Plast spécialisée dans la transformation des matières plastiques, en collaboration avec deux instituts de recherche, à savoir ARMINES/C2MA, et le PEP ainsi qu’avec la société Pellenc ST qui développe des machines de tri et de séparation des plastiques essentiellement dans les secteurs de l’emballage, des déchets électroniques (DEEE), et automobiles (VHU).

enoLibio : end of Life of biocomposites

REC

YCLA

GE

31

Présentation des travaux réalisésLe programme de travail s’articule autour de cinq tâches principales. La tâche 1 consiste à produire les biocomposites qui seront étudiés pendant tout le projet. La tâche 2 concerne l’étude du scénario de tri et de régénération. Un tri est donc mis en place par détection infrarouge par Pellenc ST sur les biocomposites produits auparavant. Une partie vise à évaluer l’effet du vieillissement en service sur la qualité du tri. Une autre partie traite des conséquences de plusieurs cycles de mise en oeuvre par injection sur les propriétés générales des biocomposites. La tâche 3 est l’étude de la fin de vie des biocomposites par compostage. Ce scénario ne peut concerner que les biocom-posites à matrices biodégradables tels que les formulations à base de PLA. La tâche 4 est l’étude du scénario d’incinération. Celle-ci consistera entre autres à évaluer les capacités calorifiques des biocomposites. La tâche 5 a pour but de récolter des données d’impact environ-nemental et d’en faire une Analyse de Cycle de Vie comparative des trois scénarios de fin de vie.

De la formulation et la production de biocomposites...L’élaboration et le développement industriel de biocomposites s’articulent autour de deux points clés, à savoir le procédé de compoundage et la formulation des mélanges. Le procédé de compoundage a pour objectif de mélanger 2 phases, la ma-trice thermoplastique et les fibres naturelles afin d’obtenir une matière homogène sous forme de granulés d’environ de 3 à 6 mm de diamètre. Les matériaux sélectionnés pour cette étude sont représentatifs de la composition du flux de déchets de biocomposites des secteurs d’activité identifiés : la construction et l’automobile.

Automobile Construction

PPBioplastiques

PP PE PVCPLA PA11

Fibres

Lin x x x

Chanvre x x x

Verre x x

Bois x x x x

Farines Bois x x x

Les biocomposites cibles ont été élaborés en utilisant une extru-deuse bi-vis corotative de Clextral modèle EVOLUM HT 32 avec un L/D = 44 et un diamètre de vis de 32 mm. Un profil de vis optimisé au PEP a été utilisé pour assurer une bonne dispersion des renforts dans les matrices polymères et garantir de bonnes performances mécaniques des biocomposites.

Dans le cadre de ce projet, le PEP s’est équipé d’un doseur bivis volumétrique performant de type Coperion K-Tron K-MV-KT20 dédié aux fibres naturelles. Ce doseur est basé sur un nouveau concept pour assurer le remplissage le plus uniforme des matières dans les vis de déchargement, ce qui améliore la précision du dosage sur une plus large gamme de marge de réglage effective. Les matières en vrac sont retenues dans une trémie et ali-mentent régulièrement l’extrudeuse, par unité de temps.

Dans le cas de la matrice PP, du polypropylène greffé d’anhydride maléique (PP-g-MAH) a été ajouté à la formulation à hauteur de 3  % en masse. Il s’agit d’un polymère fonctionnalisé ayant pour

AG Plast, spécialiste de la transformation des matières plastiquesAu coeur de la Plastics Vallée, AG Plast redonne une nouvelle vie aux déchets du plastique, en les utilisant et en les trans-formant en de nouveaux produits : 1500 tonnes de matières recyclées sont ainsi transformées chaque année. Fort de 20 ans d’expérience, AGPlast dispose de compé-tences allant du sourcing de matières (neuves ou recyclées) à la livraison, en passant par la conception, la réalisation de moules, l’injection, le conditionnement et l’assemblage. Les domaines d’activités sont la manutention, le mobilier, le bâtiment, l’environnement ou l’équipement sportif. Depuis 2006, AGPlast assume, développe et commercialise une production propre dans le domaine de l’environnement. La société développe et commercialise des produits réalisés à partir de biocomposites fibres de bois ou maïs/polymère. Elle possède le savoir-faire permettant la transformation par injection d’une large gamme de biocomposites. Doté d’un parc de 7 presses de 500T à 2500T, AGPlast est spé-cialisé dans la transformation de grandes pièces (de 1 à 15kg).

Positionnement fort du PEP sur la thématique du recyclage des déchets plastiques et compositesLe PEP propose depuis 10 ans ses compétences et moyens technologiques pour répondre à l’ensemble des problématiques liées à la conception et au dévelop-pement de biocomposites à matrices thermoplastiques (formulation, compoundage, injection, caractérisa-tion…). Récemment, le PEP se positionne fortement sur la thématique du recyclage dans sa globalité au travers de projets de recherche très variés en particulier le projet européen REMIX (recyclage des déchets plastiques en mélange), le projet METEOR-PLAST (conception d’un réacteur-mélangeur à écoulements élongationnels) et le projet EDEN (créer des ressources et des services en matière d’éco-conception au niveau des régions Rhône-Alpes, PACA et Piémont (Italie). Le projet ENOLIBIO est donc à l’intersection de ces deux axes stratégiques de recherche au PEP. Il permettra de valoriser les acquis de projets collaboratifs précédents et en cours. Grâce à l’apport de ces projets, le PEP met en place des actions de transfert technologique sous forme de prestation comme le développement de matériaux, du compoundage à façon, des analyses de laboratoire, actions qui seront facilitées par la création prochainement d’une plateforme technologique sur le recyclage des déchets plastiques et composites.

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rôle d’augmenter l’adhérence entre la matrice PP apolaire et les fibres naturelles riches en groupements hydroxyles donc ayant une surface polaire.

... à leur traitement en « fin de vie » En conditions réelles d’utilisation (environnement d’usage, solli-citations mécaniques…), il est bien connu que les biocomposites subissent différents types de vieillissement, selon leur domaine d’application : vieillissement oxydatif (sous l’effet de la température), photochimique (par exposition aux UV), hydrolytique (au contact de l’humidité), biodégradation (en présence de micro-organismes)...

Effet du vieillissement artificiel sous UV relatif au marché de la construction pour les biocomposites à matrice PP, PE et PVC

Les matériaux étudiés correspondant à 2 secteurs d’application distincts sont soumis à des vieillissements spécifiques à leur utilisation. Ainsi, les biocomposites dans la construction étant très majoritairement présents dans les lames de terrasse, ces matières ont été soumises à un vieillissement artificiel accéléré sous UV à l’aide d’un Weather-Ometer® (WOM) à arc Xénon modèle Ci 35A dans le laboratoire du PEP. Des éprouvettes hal-tères de type ISO 1A ont été exposées aux rayonnements UV (lampe Xénon + filtres adaptés) avec une vaporisation d’eau de 18 min toutes les 102 min. Ce cycle de 2h a été répété 168 fois, ce qui correspond à un essai de 14 jours.

L’influence de ce vieillissement artificiel sous UV sur les propriétés mécaniques, thermiques et rhéologiques des biocomposites chargés de farine et de fibres de bois a été évaluée. Différentes tech-niques de caractérisation ont été utilisées : traction, flexion, choc Charpy, DMA, DSC et ATG, à cela s’ajoute la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) utilisée pour analyser les mécanismes responsables de vieillissement de ces biocom-posites.

Caractérisation des biocomposites après vieillissement artificiel accéléré au WOM

Une décoloration de la surface exposée aux UV a été observée pour les formulations à base de PP, PE et PVC renforcées de farine et de fibres de bois.

Les fibres et la farine de bois ont tendance à blanchir. Ces modi-fications irréversibles pourraient éventuellement refléter une dégradation des charges naturelles à la surface exposée. Géné-ralement, la photodégradation de la lignine est principalement responsable du changement de couleur d’un bois exposé aux agents climatiques. Au contact des rayons UV, la lignine se modifie et génère des quinones chromophores. De plus, les résultats de vieillissement montrent que le PVC vierge gauchit assez forte-ment après l’essai. L’ajout de la farine de bois permet d’atténuer ce gauchissement et d’apporter une stabilité dimensionnelle à

la matrice. Le phénomène de gauchissement du PVC peut être la conséquence soit d’une extraction de plastifiants du matériau (par l’eau, dans ce cas), soit de réactions chimiques (formation de polyènes + réticulation).

Pour simuler plusieurs cycles de retransformation des biocom-posites en fin de vie, les éprouvettes vieillies au WOM ont été broyées, séchées puis injectées à nouveau. La retransformation a été effectuée jusqu’à 5 cycles et des caractérisations ont été faites à 1 et 5 cycles. On observe que les contraintes maximales en traction diminuent légèrement après régénération, exception faite pour le PVC 30 % farine de bois (vieilli et non vieilli). Seul le PP 20 % verre montre une évolution plus importante, environ 30 % plus faible après 5 cycles d’injection. Ce phénomène est sans doute dû à la rupture des fibres de verre occasionnée par l’opé-ration de broyage. On remarque aussi de faibles écarts entre les échantillons vieillis et non vieillis au WOM.

PerspectivesL’une des perspectives de ce travail est de fournir les éléments nécessaires à la constitution d’une analyse de cycle de vie com-parative de différents biocomposites suivant leur traitement en fin de vie. Il est attendu que ce projet, grâce à l’évaluation de trois scenarii majeurs de valorisation des biocomposites en fin de vie, contribue à la mise en place d’une nouvelle filière française du biocomposite organisée et structurée.

WEathEr-omEtEr® (Wom) à arc xénon moDèLE ci 35a Du pEp.

Des essais de vieillissement artificiel au PEP

Le PEP accompagne ses clients avec des solutions innovantes permettant de tester la durabilité de leurs produits. Le laboratoire du PEP est équipé d’un Weather-Ometer® à arc Xénon modèle Ci 35A pour des essais de vieillissement ac-céléré. Cette méthode a pour objet de mesurer les modifi-cations physico-chimiques, mécaniques et optiques résultant de facteurs climatiques simulés avec précision.

Le WOM à arc xénon du PEP offre une intensité de rayonne-ment constante ainsi qu’un réglage précis de la tempéra-ture et de l’hygrométrie. Il garantit ainsi une très haute fia-bilité en termes de corrélation, précision, reproductibilité et répétabilité de l’essai. Par rapport à l’essai en conditions na-turelles, ce procédé permet d’évaluer la stabilité à la lumière et au vieillissement de certains matériaux avec un investis-sement en temps infiniment moindre. Cet appareil est en mesure de simuler les principaux facteurs climatiques tels que rayonnement solaire, chaleur, humidité et pluie. L’essai peut être pratiqué sur toutes les géométries d’échantillons courantes.

enolibio : end oF liFe oF biocomposites

obsErVations VisuELLEs Du ViEiLLissEmEnt artificiEL accéLéré sur LEs éprouVEttEs DEs biocompositEs pp, pE Et pVc Et LEs photographiEs corrEsponDantEs. régénération DEs biocompositEs non ViEiLLis Et ViEiLLis artificiELLEmEnt au Wom.

PP+30% farine de bois

PE+30% farine de bois PE+30% fibres de bois PVC+30% farine de bois

PP+30% fibres de bois PVC vierge

33

eden Vers une démarche d’éco-conception

La France est le troisième pays européen le plus demandeur en matières plastiques

avec 4600 kT en 2011, le podium est complété par l’Allemagne

(11800  kT) et l’Italie (7100 kT). Paradoxalement, en termes de valorisation et de traitement des déchets plastiques, la France se positionne au dixième rang européen avec un taux global

de valorisation de 61  % (valori-sation énergétique incluse), loin

derrière un classement dominé par la Suisse et l’Allemagne avec un taux

de valorisation dépassant les 95 % . En France, comparativement à d’autres maté-

riaux, le taux de recyclage des plastiques (excluant la valorisation énergétique) est très faible, de l’ordre de 19 %, alors que ces taux atteignent respectivement jusqu’à 100  %, 80  % et 54  % pour l’acier, le verre et le secteur du papier et carton.

À l’heure actuelle, le recyclage fait l’objet d’une volonté politique forte, au niveau européen, par la mise en œuvre de directives (directive-cadre déchets 2008/98/CE, directive 2012\19\UE rela-tive aux DEEE et directive 2000\53\CE relative aux VHU) visant par exemple à atteindre en 2015 un taux de valorisation global de 95 % des VHU (Véhicules Hors d’Usage), et une valorisation de 75 à 85 % des DEEE (Déchets d’équipements électriques et électroniques).Cette volonté politique contribue à la forte progression de la collecte des plastiques usagés, environ 10 % par an entre 2000 et 2007.En outre, le recyclage des déchets plastiques représente désormais une ressource économique et stratégique du fait de la raréfaction des matières premières pétrolières. La conjoncture actuelle associée à la hausse du prix des matières vierges va obliger les entreprises, bureaux d’études et transformateurs, à adapter leur façon d’appréhender l’utilisation des plastiques.Pour ce faire, l’utilisation de matériaux recyclés dans la conception d’un produit est un des moyens qui permet de contribuer effica-cement à la diminution des impacts environnementaux tels que la réduction des déchets, les économies d’énergie et la pollution au niveau européen.

EcoDEsign Network est un projet collaboratif franco-italien d’une durée de 26 mois (clôturé en mars 2014). Financé par le pro-gramme européen ALCOTRA (Alpes latines coopération trans-frontalière), son but est de créer des ressources et des services en matière d’éco-conception au niveau des ré-gions Rhône-Alpes, PACA et Piémont (Italie). Les partenaires travaillant conjointement sur ce projet sont : le Centre d’animation régional en matériaux avancés (CARMA), le Centre de formation de la plasturgie (CFP), la Chambre de commerce de Turin, la Chambre de com-merce et d’industrie de Nice, l’Ecole polytech-nique de Turin, le Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (LTDS), Plastipolis – Pôle de compétitivité plasturgie,

Proplast, l’Union des chambres de commerce italiennes et le PEP.Ce projet vise à inciter les entreprises du secteur industriel à favoriser les échanges autour du développement de nouveaux produits, nouveaux processus et également à encourager les entreprises

à produire de manière durable en adoptant une démarche d’éco-conception.Il est articulé autour de quatre axes, le premier est la sensibilisation des entreprises et bureaux d’études à l’EcoDEsign, ceci grâce à des for-mations dispensées permettant de diffuser une éco-approche dès la première étape du projet de l’entreprise. Le deuxième axe se fo-

calise sur l’identification du besoin des entreprises dont l’objectif est de réaliser une étude sur les capacités en matière d’éco-conception

une réponse à cette probLématique stratégique pour La pLasturgie de demain : Le projet eden

Favoriser les échanges autour du développement

de nouveaux produits et processus en sensibilisant

les entreprises à l’éco-conception

REC

YCLA

GE

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(logiciels, bases de données…). Le troisième axe consiste à accroitre la sensibilisation des entreprises à l’aide d’activités de recherche et développement sur les éco-matériaux (bioplastiques et matières plastiques recyclées). Enfin le quatrième et dernier axe dont la fina-lité est la création d’un plan de communication et de dissémination de l’activité du réseau EcoDEsign.Le PEP intervient plus spécifiquement sur les activités de recherche et développement relatives aux matières plastiques recyclées.

Question au cœur de la problématique : la qualité des matières recyclées

La problématique de la variabilité du flux est récurrente dans le recyclage des plastiques. En effet, une matière plastique recyclée est communément régénérée à partir de différentes sources de déchets, ceci afin de garantir une disponibilité des matières recyclées dans le temps et de lisser les variations en termes de qualité. Généralement, plusieurs sources de déchets sont utilisées, tout d’abord une source d’origine assez onéreuse pour garantir la qualité du produit, puis d’autres sources permettant d’une part de baisser le prix du matériau final, et d’autre part, des charges ou additifs aidant à modifier une fluidité à chaud, obtenir une couleur, renforcer une propriété mécanique, modifier donc une ou plusieurs caractéristiques afin de respecter les demandes du client.

Méthodologie adoptée par le PEP

Le fil conducteur de la démarche choisie par le PEP est la substitution d’une matière vierge par une matière recyclée. Pour cela il faut dans un premier temps offrir un panorama des polymères recyclés standard présents sur le marché européen grâce à la création d’une base de données matières/fournisseurs, dont le but est de rendre accessible aux PMEs des informations claires et exhaustives.Ensuite, dans cette base de données, plusieurs matériaux sont sélectionnés et caractérisés afin d’élaborer des fiches tech-niques. Un des matériaux précédemment sélectionné est choisi pour effectuer une étude de simulation numérique puis un plan d’expériences qui permettront d’établir les paramètres nécessaires à l’injection d’une pièce industrielle. Le plan d’expériences porte sur la matière recyclée, son homologue vierge et des mélanges de ces deux matières. Ceci doit permettre d’identifier les différences fon-damentales de processabilité et de propriétés mécaniques entre ces matériaux, et de les corriger. L’exploitation de ces données permettra de créer un guide de bonnes pratiques d’utilisation des matières recyclées.

Une base de données des matières plastiquesrecyclées présentes sur le marché européenUne base de données de ce type se réalise en deux étapes. Tout d’abord, la collecte des données, réalisée grâce à diverses sources bibliographiques comme des bases de données matériaux, des articles scientifiques et techniques, des journaux spécialisés. Cette étude bibliographique permet d’identifier directement des ma-tières recyclées standard ou bien de cibler des acteurs majeurs du secteur (recycleurs, compoundeurs). La seconde étape consiste à classifier les informations récoltées. La base de données comporte deux sections : la première classe les matières selon plus de 40 critères, et la seconde section liste les fournisseurs qui sont pour la majorité européens à l’exception de quelques grands groupes internatio-naux dont les matières sont disponibles en Europe. La base de données hiérarchise plus de 700 matières recyclées dont 35 % de polypropylène, 23 % de polyamide, 13 % de polyéthylène. La pro-portion des matériaux constituant les quelques 30  % restants ne

dépasse pas 5  % par famille. Le modèle de consultation de cette base de données reste à définir en concertation avec l’ensemble des partenaires du projet EDEN.

Sélection et caractérisation de matériaux

L’aspect expérimental du projet démarre par la sélection de plusieurs matières recyclées dans la base de données. Afin d’être représentatif du marché actuel, quatre matières ont été sélec-tionnées parmi les plus courantes : un polypropylène copolymère (Atmos), un polyéthylène haute-densité (Regeplastic), un poly-amide 6-6 et un polyéthylène téréphtalate. Dans la continuité de cette démarche, les matières choisies sont plus ou moins complexes et conçues à partir de déchets provenant de différentes sources. Les produits ont été mis en œuvre par injection sur la plateforme du PEP, puis caractérisés de la manière la plus exhaustive possible selon les protocoles utilisés par le laboratoire du PEP. Le tableau ci-dessous propose un aperçu de ces protocoles de caractérisation.

Essais Normes utilisées

Propriétés physico-chimiques

Densité NF EN ISO 1183

Taux de cendres NF EN ISO 3451

Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)

Protocole interne

Propriétés rhéologiques

Fluidité à chaud (MFI) NF EN ISO 1133

Viscosité en solution NF EN ISO 307/NF EN ISO 1628

Rhéométrie capillaire NF EN ISO 11443

Propriétés mécaniques

Propriétés en traction NF EN ISO 527

Propriétés en flexion NF EN ISO 178

Résistance au choc Charpy NF EN ISO 179

Résistance au choc Izod NF EN ISO 180

Dureté Shore NF EN ISO 868

Analyse mécanique dynamique (DMA)

Protocole interne

Propriétés thermiques

Analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC)

NF EN ISO 11357

Analyse thermogravimétrique (TGA)

NF EN ISO 11358

Température de fléchissement sous charge (HDT)

NF EN ISO 75

Température de ramollissement Vicat

NF EN ISO 306

Ces opérations permettent l’élaboration d’une fiche technique complète pour chaque matériau sélectionné, et également la pos-sibilité de réaliser une analyse comparative entre ces données et celles déjà disponibles auprès des fournisseurs et de compléter ces dernières le cas échéant.

35

Corrélation entre simulation numérique et essais expérimentaux

L’étape suivante dans le projet consiste à choisir une de ces matières pour exécuter une étude de simulation numérique sous Moldflow appliquée à l’injection d’une pièce industrielle.L’objectif de la partie expérimentale étant de substituer une matière vierge par une matière recyclée, le plan d’expériences est réalisé sur une matière recyclée, son homologue vierge et des mélanges de celles-ci. Pour élaborer ces mélanges une opération de compoundage avec filtration de la matière à l’état fondu est indispensable.

Des caractérisations préliminaires à la simulation sont essentielles pour modéliser le comportement rhéologique du matériau : le diagramme PVT est un exemple de données indispensables, au même titre que la viscosité, la conductivité thermique, et certaines constantes mécaniques.

Les résultats de cette simulation permettent de déterminer les paramètres d’injection les plus judicieux à étudier associés à une gamme de valeurs optimisées. Ceci est effectué pour chaque ma-tière et mélange de matières afin de déterminer les paramètres généraux (tableau ci-contre) qui seront employés pour les plans d’expériences.

Facteurs Niveau 1 Niveau 2

Température d’injection (°C) 220 240

Débit d’injection (cm3/s) 70 80

Temps de maintien (s) 11 16

Pression de maintien (bar) 350 400

Temps de refroidissement (s) 18 23

Température moule partie fixe (°C) 60 70

Température moule partie mobile (°C) 27 37

Après sélection des paramètres et de leurs niveaux respectifs, la matrice expérimentale du plan d’expériences est créée afin d’opti-miser le nombre d’essais à effectuer, ici la matrice orthogonale per-met de réaliser seulement 12 essais au lieu des 128 combinaisons possibles pour chaque matériau.Le gauchissement ou « effet boîte » contrôlé par métrologie est le principal critère qualité examiné lors de ces expérimentations. Par ailleurs, plusieurs capteurs de pression et de température disposés à des endroits déterminants dans l’empreinte du moule d’injection permettront de suivre l’évolution de ces données comparativement aux données capitalisées lors de la simulation. Ces expérimenta-tions sont actuellement en cours et seront conclues par l’élabora-tion d’un guide de bonnes pratiques des matières recyclées associé à une analyse SWOT (FFOM) qui permettra d’identifier les forces/faiblesses et opportunités/menaces des matières recyclées d’un point de vue technique et économique.

ÉquipEmEnt compounDagE au pEp - ExtruDEusE biVis cLExtraL EV32-ht - systèmE DE fiLtration maag

DiagrammE prEssion-VoLumE-tEmpératurE pour comparaison DE propriétés pp ViErgE Et pp rEcycLés

DétErmination DEs paramètrEs D’injEction associés à unE gammE DE VaLEurs optimiséEs

Récompenses pour un projet d’éco-conception

Des journées de formation en éco-conception ont été réalisées en France et en Italie. Une entreprise sélec-tionnée par région (Rhône-Alpes, PACA, Piémont) se verra offrir des prestations dans le but de mener à bien un projet d’éco-conception de la phase de développe-ment jusqu’à la phase de pré-industrialisation.

eden : vers une démarche d’éco-conception

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meteor-pLast Recycler les plastiques en mélange ? C’est possible !

Le projet METEORPLAST a pour but de dé-velopper une technologie innovante

de recyclage de déchets plastiques en mélange. Cette technologie

permettra, grâce à un système original basé sur l’écoulement élongationnel, de finement disperser, compatibiliser et stabiliser la morphologie des constituants du mélange à

l’état fondu. Elle permettra ainsi d’apporter à des matières

premières secondaires des pro-priétés capables de répondre à des

cahiers des charges exigeants. Dans le cadre de ce projet seront princi-

palement traités les cas des déchets issus des DIB (déchets industriels banals) composés de mélanges complexes de polymères incompatibles et des refus de tri de la collecte

sélective des emballages mé-nagers intégrant les extensions potentielles des consignes de tri.Le projet METEORPLAST est porté par la société SERRAND SAS, recycleur de matières plastiques. Le PEP et le laboratoire ICPEES de l’université de Strasbourg apporteront leurs compétences dans la formulation et la rhéologie des mélanges. La société DMM, spécialisée dans la fabrication d’outils destinés à la transformation des matières plastiques, travaillera sur la conception globale et la fabrication du nouveau mélangeur. Enfin, le contrôle procédé et l’automa-tisme général de cette nouvelle technologie seront réalisés par la société SISE SA.La mise en place d’un Comité d’utilisateur potentiels regroupant des acteurs comme Plastic Omnium, Mecacorp, Grosfillex ou encore AG Plast crédibilise l’intérêt des transformateurs pour le projet.

Il s’agit de développer un nouveau type

de mélangeur-réacteur à écoulements

élongationnels.

De par ses enjeux économiques et environnementaux, le recyclage des déchets plastiques fait aujourd’hui l’objet d’une volonté politique forte (Grenelle de l’environnement, directives EU VHU et DEEE). Les matières plastiques contribuent largement à notre quotidien puisqu’elles représentent 13 % des déchets ménagers et 25 % des déchets industriels. Ce sont ainsi 3,56 Mt de déchets plastiques qui sont générés chaque année en France, dont 1,36 Mt partent en enfouissement. Seuls 0,9 Mt subissent une valorisation matière. Le restant est incinéré et valorisé éner-gétiquement, cette voie de valorisation restant toutefois non satisfaisante puisqu’elle conduit à l’élimination de matières valorisables.

répondre à des enjeuX forts

situation Du marché Du pLastiquE, DEs DéchEts Et DE LEur VaLorisation En 2010 au niVEau nationaL

1.3 Mt40.2 %

Demandedes

plasturgistesFrance

4.7 Mt

Déchetspost

consommation

3.2 Mt

0.6 Mt17.6 %

0.06 Mt15 %

Déchets post production0.36 Mt

0.30 Mt85 %

Valorisation1.9 Mt

Importation

Exportation Exportation Enfouissement1.3 Mt

Importation

Recyclage

Recyclage Enfouissement 0.06 Mt

Valorisation énergétique

Demandedes

consomma-teurs

42.2 %

57.8 %

Emballage43 %

BTP20 %

Autres24 %

E/E5 %

Auto.8 %

Sourc

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REC

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LE nouVEau procéDé METEORPLAST Dont LE DémonstratEur sEmi-inDustriEL sEra opérationnEL Dès janViEr 2015.

L’insuffisance criante de la valorisation des déchets plastiques est mise en évidence par la demande non satisfaite des marchés en matières plastiques recyclées. Poussés par la pression du marché de plus en plus réceptif aux produits « durables » et par la hausse du prix des matériaux vierges, beaucoup d’industriels ont créé des produits à base de matières recyclées. Or, d’une manière générale, les recycleurs vivent l’inverse de l’industrie traditionnelle : les carnets de commande sont pleins, mais c’est la matière qui manque. En effet, à ce jour, les filières existantes sont incapables de traiter effi-cacement les déchets plastiques en mélange. Si les procédures de tri ont démontré leurs per-formances sur le cas relativement simple (PET), l’usage du tri maximum aux filières PP, PE et ABS reste encore très largement insuffisant.55  % des déchets plastiques soumis à une procédure de tri sont aujourd’hui considérés comme des refus de tri et sont réorientés soit vers l’enfouissement, soit vers l’incinération.

La stratégie actuelle des filières de recyclages à produire des matières recyclées les plus proches des matières vierges explique en partie l’incapacité des filières à répondre à la demande des marchés. Cette stratégie du « tri maximum » se heurte notamment à l’incapacité des technologies à trier efficacement, et à un coût acceptable, pour un certain nombre de gisements : • les mélanges de complexité trop élevée (mélanges de diffé-

rents grades d’un même polymère, polymères incompatibles, polymères chargés, problème d’impuretés…) et dont le coût de tri est prohibitif,

• des pièces plastiques de plus en plus « multi-matières » exploitant au maximum toutes les possibilités de l’injection multi-matière. Arrivent au recyclage des ensembles com-plexes (matériaux multicouches, décors, surmoulages, collages…) dont le démontage et la séparation seraient impossibles ou extrêmement coûteux.

En conséquence, de par leur complexité, les filières continuent à envoyer en décharge ou en incinération une majeure partie des déchets collectés.La valorisation des déchets plastiques en mélange pourrait combler en grande partie ce manque à la condition que des technologies effi-caces de recyclage soient développées. En revanche, jusqu’à présent, les filières de régénération des plas-tiques en mélange développées en Europe ont des applications à faible valeur ajoutée. Le verrou majeur auquel se heurtent les technologies de recyclage des déchets plastiques en mélange est leur incapacité à finement disperser les mélanges de matières à une échelle microscopique, et donc à leur apporter des propriétés.

Les déchets plastiques en mélange recyclés industriellement aujourd’hui le sont par des techniques essentiellement basées sur des écoulements de cisaillement : • limitant fortement la dispersion efficace des différents consti-

tuants d’un système multiphasique,• générant un auto-échauffement des matières et dégradant

par voie de conséquence leurs propriétés.

Les propriétés mécaniques et physico-chimiques des matières recyclées sont donc faibles pour des applications peu nombreuses

et à faible valeur ajoutée.L’écoulement élongationnel présente un potentiel exceptionnel pour le mélange fin de systèmes multiphasiques de plastiques non miscibles. Toutefois, il n’existe à ce jour aucune application industrielle, les équipements labo-ratoires existants étant encore trop complexes,

trop peu de modulables ou ne fonctionnant pas en régime continu.Afin de répondre à ce besoin, METEORPLAST a pour ambition de concevoir et de fabriquer le démonstrateur d’un mélangeur à écou-lements élongationnels pour le recyclage de mélanges multipha-siques et hétérogènes issus de déchets plastiques. La technologie de METEORPLAST permettra de mélanger finement et stabiliser la morphologie des mélanges de déchets plastiques. Elle s’appliquera aux déchets ne pouvant être valorisés aujourd’hui par le tri, repré-sentant un gisement potentiel de 1,36 Mt de déchets plastiques.

Objectifs techniques du projet

Les objectifs techniques afin d’aboutir à un démonstrateur semi-industriel résident dans :• La conception globale d’un démonstrateur clé en main fonc-

tionnant en régime continu à un débit de 100 kg/h, et sa fabrication. La conception prendra notamment en compte la modularité de l’équipement par la superposition de blocs élémentaires fonctionnalisés indépendants et l’utilisation de vis modulaires unitaires permettant d’adapter l’équipement à tout type de mélange.

• La motorisation et l’automatisation générale de la machine (gestion des entrées/sorties amont de l’extrudeuse de tête et de l’extrudeuse aval si besoin).

• La régulation thermique des fourreaux et vis d’extrusion adaptée aux besoins de transformation des matières.

• La supervision du procédé par le développement d’un logi-ciel de pilotage de l’ensemble de la machine avec un synop-tique de fonctionnement permettant d’avoir accès à un maxi-

mum de réglages pour une exploration complète du procédé. • Création d’une interface homme/machine simple et conviviale.• Le contrôle du procédé via l’implantation de capteurs par le développement d’un logiciel de traitement de signaux électriques et d’acquisition, en temps réel, de données physiques caracté-ristiques du mélangeur réacteur (température, pression, flux thermique, vitesse, débit ….).• La validation par des mélanges tests simulant les DIB et déchets ménagers (en anticipant la potentielle extension des consignes de tri).

D’une manière générale, les carnets de commandes des recycleurs sont plein,

mais la matière manque...

meteor-plast : recycler les plastiques en mélange ? c’est possible !

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Les journées de l’innovation de la plasturgie et des compositeswww.innovdays.com

innovation et recherche

Cinq axes majeurs pour accroître votre compétitivité

� Plastronique et microstructure

� Plasturgie numérique

� Éco-polymères et recyclage

� Procédés et outillages avancés

� Composites et matériaux hybrides

Formation proFessionnelle

Développez les compétences de vos équipesFormez vos futurs collaborateurs

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La plateforme d’innovation outillagesdédiée aux moulisteswww.platinno.com

prestations techniques

Apporter de la valeur ajoutée à vos développements

� Compoundage

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Le portail de veille technologiquewww.plasturgienet.com

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2 rue Pierre et Marie Curie - BP 1204 - Bellignat - 01117 Oyonnax CedexTél. : +33 (0)4 74 81 92 60 - Fax : +33 (0)4 74 81 92 61www.poleplasturgie.com - info@poleplasturgie.com