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UNIVERSITE DE LIMOGES ENSIL MECATRONIQUE
La plasturgie
ENSIL
MECATRONIQUE LES MATIERES PLASTIQUES _______________________________________________ 4 I-
HISTORIQUE __________________________________________________________ 4
II -
QUELQUES CHIFFRES _________________________________________________ 5
III -
LES SECTEURS D'ACTIVITES ___________________________________________ 6
III -1 III -2 III -3 III -4 III -5 III -6 -
Emballage __________________________________________________________________ 6 Le Bâtiment _________________________________________________________________ 6 L'automobile ________________________________________________________________ 7 l'industrie électrique __________________________________________________________ 8 Le domaine médical __________________________________________________________ 9 Autres secteurs d'activités _____________________________________________________ 10
IV -
DU PETROLE AUX MATIERES PLASTIQUES ____________________________ 11
V-
LES THERMOPLASTIQUES ____________________________________________ 12
V -1 V -2 -
VI -
Les polymères de grande diffusion ______________________________________________ 12 Les techno-polymères : _______________________________________________________ 14
LES THERMODURCISSABLES _________________________________________ 16
VI -1 Grande diffusion: ____________________________________________________________ VI -2 Polymères techniques ________________________________________________________ Tableau de classement des plastiques _____________________________________________________ VI -3 Identification des matières plastiques ____________________________________________
VII -
16 17 18 18
LES PROCEDES DE TRANSFORMATION________________________________ 19
VII -1 VII -2 VII -3 VII -4 VII -5 VII -6 VII -7 VII -8 VII -9 VII -10 VII -11 VII -12 VII -13 VII -14 VII -15 VII -16 -
L'injection _________________________________________________________________ L'Injection Soufflage _________________________________________________________ Principe du soufflage bi-orienté ________________________________________________ L'Extrusion ________________________________________________________________ L'Extrusion Gonflage ________________________________________________________ Le Calandrage ______________________________________________________________ L'Enduction : _______________________________________________________________ Le Rotomoulage ____________________________________________________________ L'Expansion : _______________________________________________________________ La Pultrusion _______________________________________________________________ La Compression : ___________________________________________________________ Le Thermoformage __________________________________________________________ La Stratification _____________________________________________________________ La Chaudronnerie ___________________________________________________________ Principaux moyens de mise en oeuvre avec les matières associées: _____________________ Formes et de volumes - moyens de transformation __________________________________
19 19 19 20 20 21 21 21 22 22 22 22 23 23 23 24
INJECTION DES THERMOPLASTIQUES _____________________________________ 25 I-
PRINCIPE ____________________________________________________________ 25
II II -1 II -2 II -3 II -4 II -5 II -6 -
III III -1 III -2 -
IV IV -1 IV -2 -
V-
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DESCRIPTION DU CYCLE D’INJECTION _______________________________ 25 Accostage - matiere dosee _____________________________________________________ Injection de la matière dans le moule ____________________________________________ Maintien en pression _________________________________________________________ Refroidissement _____________________________________________________________ Dosage ____________________________________________________________________ Ouverture du moule - ejection de la piece _________________________________________
25 26 26 26 26 27
INJECTION MULTIMATIERE __________________________________________ 27 Principe ___________________________________________________________________ 27 Réalisation _________________________________________________________________ 28
INJECTION ASSISTEE PAR GAZ _______________________________________ 29 Principe ___________________________________________________________________ 29 Caractéristiques _____________________________________________________________ 30
CONCEPTION DES MACHINES ________________________________________ 31
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MECATRONIQUE V -1 V -2 -
Plastification et injection ______________________________________________________ 32 Système de fermeture ________________________________________________________ 32
CONCEPTION DES PIECES ________________________________________________ 34 PLASTIQUES _____________________________________________________________ 34 I-
Importance de la géométrie de la pièce _____________________________________ 34
II II -1 -
III III -1 III -2 III -3 III -4 III -5 III -6 III -7 III -8 III -9 III -10 III -11 III -12 III -13 III -14 III -15 III -16 III -17 -
Tolérances de fabrication ________________________________________________ 36 Les classes de tolérances ______________________________________________________ 36
CONCEPTION DES PRODUITS INJECTES _______________________________ 37 Généralités _________________________________________________________________ Réalisation des parois ________________________________________________________ Réalisation des bords _________________________________________________________ Réalisation des surfaces planes _________________________________________________ Déformation des pièces _______________________________________________________ Réalisation des nervures ______________________________________________________ Réalisation des bossages ______________________________________________________ Rayons de raccordement ______________________________________________________ Réalisation des dépouilles _____________________________________________________ Réalisation des trous _________________________________________________________ Le demoulage ______________________________________________________________ Choix du plan de joint ________________________________________________________ Demoulage par elasticite ______________________________________________________ Integration des fonctions ______________________________________________________ Cas des filetages et des taraudages ______________________________________________ Défauts des pièces ___________________________________________________________ Influence de la fabrication des moules sur les formes des pièces _______________________
37 38 43 44 45 45 47 48 49 49 50 50 50 51 56 56 56
LES MOULES _____________________________________________________________ 57 III -1 III -2 III -3 III -4 III -5 III -6 III -7 III -8 III -9 III -10 III -11 III -12 III -13 -
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Alimentation des moules ______________________________________________________ Circulation de la matière ______________________________________________________ Remplissage des empreintes: ___________________________________________________ Les canaux d'alimentation _____________________________________________________ Nombre d’empreintes ________________________________________________________ Les depouilles et contre depouilles ______________________________________________ Architecture ________________________________________________________________ Température du moule________________________________________________________ Ejection des pièces __________________________________________________________ Matériaux _________________________________________________________________ Autres fonctions assurees par le moule ___________________________________________ Temps de refroidissement _____________________________________________________ Choix d’une presse à injecter __________________________________________________
57 58 59 60 63 64 64 67 67 68 68 69 70
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LES MATIERES PLASTIQUES I - HISTORIQUE Née il y a une cinquantaine d'années, la Plasturgie est une industrie jeune comparée aux industries pluriséculaires de la fonte, de l'acier, du verre… Plastique vient du grec plastikos qui signifie apte au moulage En effet, il y a plus d'un siècle, qu'est née, en 1870, à partir du camphre et de la cellulose, la première matière plastique : le nitrate de cellulose ou celluloïd. C'était le fruit de l'invention des frères Hyatt, imprimeurs de l'Etat de New York, qui, à l'occasion d'un concours, cherchaient un substitut à l'ivoire dans la fabrication des boules de billard. De 1880 à 1913 : le celluloïd s'ajoute au buis et à la corne, matériaux utilisés depuis 2 siècles pour la fabrication des boîtes à ouvrages, des boutons et des peignes. En 1884, apparaissait le premier fil artificiel, en acétate de cellulose. Mais c'est de la première moitié du XXème siècle que datent le développement de la chimie de synthèse et la découverte des matières plastiques. De 1930 à 1940, les grands laboratoires de recherche allemands et américains mettent au point les grands thermoplastiques (Polychlorure de vinyle, Polystyrène, Polyéthylène, Polyamide) Depuis la dernière guerre, la recherche s'est élargie à d'autres pays qui, avec d'autres découvertes importantes, développent continuellement de nouvelles matières et applications. Association de plusieurs matériaux autorise également des avancées technologiques. Il est également possible d'associer différentes matières plastiques entre elles ou avec d'autres matériaux tels que le papier, l'aluminium… ce sont des complexes. De 1880 à 1913 : le celluloïd s'ajoute au buis et à la corne, matériaux utilisés depuis 2 siècles pour la fabrication des boîtes à ouvrages, des boutons et des peignes… le nombre de façonniers passe de 120 à 310 De 1914 à 1929 : la galalithe, le rhodoïd permettent l'extension de l'offre produits aux aiguilles à tricoter, aux broches, aux fermoirs, monture de lunettes… en 1929, le chiffre d'affaires de la profession est multiplié par 7. En 1930, les premières presses à injecter démarrent à Oyonnax. En 1936, les premiers jouets et articles ménagers en plastique arrivent sur le marché. En 1960, le premier salon des plastiques se tient à Oyonnax En 1989, le mot Plasturgie apparaît dans le " Petit Larousse ". En 2000, 3 900 entreprises de Plasturgie sont répertoriées en France.
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II - QUELQUES CHIFFRES
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III -LES SECTEURS D'ACTIVITES III -1 -
EMBALLAGE Le plastique est le deuxième matériau utilisé par l'industrie française de l'emballage, en chiffres d'affaires avec 4.724 milliards d'€, et le 3ème matériau d'emballage en tonnage avec 1 800 KT (données 2001). Le Plastique est présent dans tous les secteurs : agroalimentaire, hygiène, santé, beauté, parfumerie, produits d'entretien, industrie (chimie, phytosanitaire, peinture…), commerce et distribution, transport.
Ainsi, dans l'agro-alimentaire et la cosmétique, l'emballage plastique protège et respecte l'hygiène. Il s'adapte aux différents modes de distribution des produits ainsi qu'aux conditionnements à haute cadence nécessaires aux produits de grande consommation. Il sait être résistant, étanche, économique et supporte de grands écarts de température. Dans le domaine de la santé, les emballages plastiques répondent aux contraintes réglementaires très exigeantes notamment dans le secteur pharmaceutique et médical (inertie, stérilisation, imperméabilité…). Mais c'est bien dans le secteur de la beauté que l'emballage plastique a acquis ses lettres de noblesse puisqu'on le retrouve en cosmétique et en parfumerie où il a su allier des critères techniques (résistance aux chocs, résistance chimique) aux critères esthétiques (couleur, transparence, forme…) et plus récemment aux critères sensoriels (aspect et toucher).
III -2 -LE BATIMENT Le secteur du Bâtiment représente 1,3 millions de tonnes soit 23% de la totalité des matières plastiques produites en France. Le PVC est la matière la plus utilisée avec 39% du total. Le chiffre d'affaires de la Profession se monte à 7 milliards d'€ soit environ 10% du chiffre d'affaires total du Bâtiment. Le secteur emploie plus de 4000 personnes (données 2002).
Si les plastiques sont de plus en plus intégrés aux projets de construction, c'est pour leur excellence fonctionnelle : résistance, durabilité, isolation… On les retrouve ainsi de plus en plus en couverture (exemples : verrières, voûtes translucides) où ils sont très appréciés pour leur transparence, leur souplesse et leur facilité de manutention. Egalement dans les façades avec les " peaux composites " qui constituent une nouvelle génération d'enveloppe architecturale avec des capacités visuelles variant à la lumière, des aspects de surfaces de couleur permettant une parfaite intégration dans le paysage. Les principales applications sont : - le transfert des fluides - - la couverture et le bardage Université Limoges
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- l'étanchéité - dans les ouvertures : une fenêtre sur deux en France est en plastique - dans les réseaux de distribution et d'évacuation des eaux, de transport de gaz à l'intérieur comme à l'extérieur du bâtiment, dans les circuits de chauffage et de rafraîchissement grâce à leurs grande résistance aux chocs et à leur durée de vie - dans l'isolation thermique et acoustique, - dans les revêtements de sols et murs. - la construction textile
Un créneau plus récent se développe : celui des sanitaires. Absent du marché au début des années 80, les appareils sanitaires en plastique et composites sont de plus en plus importants. En France, la baignoire en acrylique représente 46 % du marché et les éviers en matériau de synthèse constituent le quart des pièces installées.
L'installateur trouve son compte dans le choix qu'il peut proposer (forme, design) et dans la légèreté et la facilité d'installation. A l'inverse des matériaux traditionnels qui sont " passifs ", les polymères peuvent être actifs, c'est-à-dire réagir à leur environnement. En architecture, on imagine donc des applications qui pourraient évoluer en fonction de la luminosité, de la transparence, de l'humidité ou même du bruit. Ainsi commencent à voir le jour des vitrages à transparence variable. Certains imaginent des applications avec des plastiques à mémoire de forme.
III -3 -L'AUTOMOBILE La plasturgie automobile française compte 200 entreprises (plus de 20 salariés) qui réalisent près de 5,8 milliards d'€ de chiffre d'affaire.33 000 salariés la composent (données 2002). Les plastiques occupent une part de plus en plus importante dans l'automobile : - l'extérieur véhicule représente un seuil d'un peu plus de 25% des plastiques utilisés dans un véhicule. - - l'intérieur véhicule représente plus de la moitié du poids des plastiques utilisés dans un véhicule. - - la part des plastiques atteint un seuil d'environ 20% sous capot moteur. - - les pièces plastiques sous châssis représentent environ 10% En partenariat étroit avec les équipementiers et les constructeurs, les Plasturgistes proposent à l'ensemble de la filière automobile (de la conception des pièces à leur recyclage en fin de vie) des solutions technologiques innovantes à des coûts compétitifs. Le premier critère important de ce secteur a été au cours des 20 dernières années la réduction du poids pour des économies de consommation. Université Limoges
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Après s'être substitués dans les 20 dernières années aux matériaux traditionnels, les plastiques se généralisent et investissent aujourd'hui l'ensemble du véhicule. Carrosserie En 72, la R5 inaugure le premier pare-chocs en plastique produit en grande série. Dans les années 50 et 60 se sont développées les ailes en plastique habillées de thermodurcissables. Les années 90 consacrent l'avènement des ailes en thermoplastique injecté. Elles permettent une très forte personnalisation des styles, une grande audace de forme et constituent donc une véritable signature des designers et un atout de différenciation concurrentielle. En plus de sa fonction esthétique, le plastique est un facteur important de sécurité. Elasticité, absorption des chocs, reprise de la forme initiale sans dommages apparents… Pour toutes ces raisons, les plastiques sont plébiscités pour la fabrication des pare-chocs et des éléments de protection latérale.
Habitacle L'habitacle a également bénéficié des progrès d'allégement de poids et de sécurité et les plastiques répondent aux contraintes techniques spécifiques des matériaux présents à l'intérieur de l'habitacle : pérennité des couleurs, stabilité dimensionnelle, résistance aux variations potentielles de température. Pour renouveler l'esthétique, les designers travaillent de plus en plus sur l'ergonomie des équipements et l'harmonie des formes et des couleurs auxquelles vient s'ajouter la prise en compte des diversités d'aspect de surface et de toucher. Les équipements sous capot La part des plastiques sous capot représente environ 20 %. En effet, ils répondent de mieux en mieux aux contraintes spécifiques de l'environnement moteur : résistance aux températures élevées, atténuation des bruits mais leur atout principal est une adaptation aux formes complexes des pièces dans un espace étroit.
III -4 -L'INDUSTRIE ELECTRIQUE Le plastique participe au formidable développement de l'industrie électrique et électronique. Dans la câblerie il répond aux critères essentiels de l'isolation, de la résistance à des températures élevées, à la stabilité dimensionnelle et également à une grande durée de vie Université Limoges
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Dans l'électroménager, les plastiques représentent aujourd'hui 35% de la totalité des matériaux utilisés pour le petit électroménager et 22% pour le gros. On assiste là à une véritable révolution des couleurs, des formes, de plus en plus inspirée par le bio-design. Là encore, les fabricants cherchent à différencier leurs produits grâce à l'ergonomie, à l'esthétique, et aussi dorénavant de la douceur du toucher. Bien entendu, les matières plastiques rendent possible le développement des nouvelles technologies de l'information (ère du numérique, internet, téléphone mobile…). Toujours plus petit et plus léger, capable d'intégrer de multiples fonctions mais aussi ergonomique et esthétique, le téléphone mobile a imposé de telles contraintes techniques que seules les matières plastiques ont su apporter des solutions (aussi bien pour les boîtiers, les antennes, les touches que pour les fenêtres d'affichage). On développe déjà les produits de demain avec : Des mini supports plastiques permettant des méga stockages - Des polymères intelligents et conducteurs avec la naissance du transistor 100 % plastique - Et des chercheurs travaillent déjà sur des écrans de télévision en plastique souple. III -5 -LE DOMAINE MEDICAL Dans ce domaine, le plastique est devenu indispensable car il permet d'optimiser les règles d'asepsie et de développer de nouveaux traitements des maladies. On le retrouve partout : dans les matériels, les vêtements et jusqu'aux revêtements de sols et de murs. Leur première contribution à la médecine est d'avoir permis une meilleure prévention des risques d'infection. La grande révolution qu'ont apportés les plastiques au matériel médical est la conception du " jetable " (seringues, thermomètres, cathéters…).
L'autre grande application des plastiques est celle de la médecine substitutive qui permet de remplacer des organes malades par des organes artificiels. Elle englobe, par exemple, toute l'orthopédie (prothèses de main, hanche, jambe…). De nouveaux plastiques " biomatériaux " sont développés pour le secteur médical. Ils doivent présenter d'exceptionnelles qualités mécaniques et chimiques, car ils sont en contact avec le sang et doivent rester stables dans le temps. La recherche sur les biomatériaux continue et laisse prévoir pour les années à venir des matériaux encore plus sophistiqués, mieux acceptés par l'organisme
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III -6 -AUTRES SECTEURS D'ACTIVITES Sports et loisirs -
Raquettes et terrains de tennis Skis, surfs Planches à voile Rollers CD ROM...
Aéronautique - Equipements intérieurs d'avion - Ailes - etc... Mode, accessoires, Jeux, Jouets -
Cockpit de l’A380
Lunettes Sacs Chaussures...
Agriculture -
Serres Drainage et irrigation Films de paillage...
Ameublement et Décoration -
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Revêtements sols et murs Equipements de la maison et du jardinArticles décoratifs - Mobilier de salle de bain...
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IV -DU PETROLE AUX MATIERES PLASTIQUES Les matières premières nécessaires à la fabrication des matières plastiques sont des produits naturels comme la cellulose, le charbon, le pétrole, le gaz naturel. Ils contiennent tous des composés de carbone (C ) et d’hydrogène (H), et parfois aussi de l’oxygène (O), de l’azote (N), du soufre (S) et de la silice (Si). Toutefois le pétrole est avec le gaz naturel, la matière première des plastiques. A la raffinerie, le pétrole est séparé en plusieurs fractions par distillation. Les constituants du pétrole ont des points d’ébullition différents. Par chauffage, on recueille successivement dans la tour de fractionnement des gaz, des essences, des fiouls légers et des fiouls lourds. Le résidu est le bitume (ou asphalte) utilisé comme revêtement routier. Toutes les fractions se composent d’hydrocarbures qui ne se distinguent que par la taille et la forme des molécules. La fraction du pétrole la plus importante pour la production des matières plastiques est celle des essences (naphta). Le naphta est transformé par un procédé thermique appelé craquage, en mélange d’éthylène, de propylène, de butylène et d’autres hydrocarbures légers. Le rendement en éthylène dépend de la température de craquage et il atteint 30% à 850°C. A partir d’éthylène, on obtient par réaction avec d’autres composés des substances comme le styrène ou le chlorure de vinyle, qui sont aussi des produits de départ pour différentes matières plastiques. Pétrole 100%
Gazole routier et fioul domestique 52%
Essences 28%
Carburants auto 18%
Produits de départ pétrochimiques 10%
Matières plastiques 6%
Polyéthylène Chlorure de polyvinyle
Mousses de polyuréthane
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Autres 20%
Polypropylène
Autres produits 4%
Polyamides polyesters
Le matériau (polymère) se présente à la sortie du réacteur sous forme de poudre solide ou de résine liquide. Pour faciliter les transformations et la manutention, on préfère souvent l’avoir sous forme de particules de dimensions géométriques bien définies. Dans ce cas le polymère subit une opération complémentaire de plastification par extrusion sous forme de jonc suivie d’une découpe donnant les classiques granulés (diamètre et longueur de 1 à 2 mm).
polystyrène
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V - LES THERMOPLASTIQUES Pour les THERMOPLASTIQUES, la fabrication part de poudres, de granulés, ou de semi-finis (plaques, films). Un apport de calories par chauffage ou frottement fait passer la matière de l'état solide à l'état plastique, la mise en forme est alors possible dans un moule ou une filière… L'objet est ensuite figé dans la forme voulue par un système de refroidissement. Mais il est possible de changer ultérieurement la forme ou l'état de la pièce. Le processus est réversible. . Ils sont plus économiques à produire que les thermodurcissables car l’énergie nécessaire pour les transformer est plus faible, les cadences de production sont plus rapides et les rebuts et déchets sont recyclables après broyage.
V -1 -LES POLYMERES DE GRANDE DIFFUSION Ce sont des polymères dont les coûts sont faibles. a-
polyoléfines: polyéthylène basse densité PEbd Caractéristiques produit naturellement souple, sans adjonction d’additifs avec une bonne tenue chimique -
Utilisation Sacherie (cabas, poubelle), films (rétrécissable, agricole, BTP), complexes, bouchage, jouets souples, câblerie, profils
polyéthylène haute densité: PEhd Caractéristiques Réalisation de formes semi-rigides avec une bonne tenue chimique et au froid -
Utilisation bacs de manutention, casiers à bouteilles, flaconnages pour détergents, sacherie mince, tubes de gros et petits diamètres, réservoirs d’essence automobile, poubelles urbaines, fosses septiques
polypropylène: PP Caractéristiques formes semi-rigides offrant une tenue à chaud (110 à 130°C) et la propriété de constituer des charnières minces (0,2 mm) supportant des millions de cycles Université Limoges
Utilisation et bacs
climatiseurs d’accumulateur (automobile), pièces chaudes (machines à laver, aspirateur), mobilier de jardin, La plasturgie 12
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boitage à charnière intégrée, seringues jetables, films d’aspect, ficellerie, cordage...
b - Polychlorure de vinyle PVC Caractéristiques Utilisation possibilité de matériaux rigides ou souples, rigide: - tubes et raccords d’eau, auto-extinguible et de bonne tenue chimique. - profilés utilisés dans le bâtiment (fenêtre), - emballages à alvéoles, cartes bancaires souple: - revêtement de sols, tissus enduits, - chaussures, - profils divers, fils, câbles. c-
Polystyrène PS
Caractéristiques formes précises mais fragiles (objet jetable) aucune tenue chimique
-
Utilisation emballage laitier (pot, barquette), gobelets, électroménager (réfrigérateur), radio-TV (carter), cassettes, magasin de film-photo, talons de chaussure pour femmes, jouets, stylos à bille....
d - Acrylonitrile-butadiène-styrène ABS Caractéristiques même caractéristiques que le PS mais avec une bonne tenue mécanique. e-
(automobile,
Polyméthacrylate de méthyle PMM
Caractéristiques excellente tenue au vieillissement (U.V.), transparence voisine de celle du verre (conduction de lumière) et aspect agréable f-
Utilisation Capotage et boîtiers Bureautique), téléphones, bagagerie rigide, boîtiers de montres, articles de sport...
Utilisation catadioptres, feux de position, cadrans (automobile, TV), électroménager, verre de montre et de contact, lentilles optique, signalisation routière, enseignes lumineuses, baignoires ....
Cellulosique: acétate CA acétobutyrate CAB
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Caractéristiques Transparence équivalente à celle verre Excellente résistance aux rayures pour CA qualité d’aspect
-
Utilisation enseignes, peignes, manchages d’outils à main, volants de voitures Emballage transparent Décors vernis
V -2 -LES TECHNO-POLYMERES : Ils sont d’un coût plus élevé mais offrent en contre partie des propriétés capables de concurrencer celles des métaux a-
Polycarbonate PC Caractéristiques Excellente transparence Quasi auto-extinguible Excellentes prop. Méca. Entre –80 et 135°C Qualités alimentaires -
Utilisation vitrage de sécurité, capotages pour électromécanique et électroménager, Eclairage : luminaires, feux automobiles… casques de sport, carcasses pour ordinateurs et photocopieurs, disques compacts Matériel stérilisable (biberons, seringues…)
b - Polytérephtalate d’éthylène PET ou de butylène PBT -
c-
-
Caractéristiques Utilisation Qualité alimentaire PET Excellentes prop. Méca. après orientation - corps creux pour boissons gazeuse, ou bi-orientation - barquettes pour fours micro-ondes, Transparent - corps de pompe à eau PBT - connectique, - isolation électrique - engrenages, carters, pièces de carrosseries Polyamide PA Caractéristiques Translucides à opaques Bonnes propriétés mécaniques (traction, fatigue, faible frottement, bonne résistance à l’abrasion Auto-extinguibles Bonne résistance chimique -
Utilisation pièces techniques (engrenages etc...), roue de cycle récipients de fortes épaisseurs équipements automobiles : tuyaux réservoirs de frein capotages divers
et
d - Poloysulfones Aromatiques PSU -
Caractéristiques bonnes propriétés mécaniques : rigide et résistant
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Utilisation Electricité : lorsque isolation et tenue thermique sont nécessaires La plasturgie 14
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Caractéristiques Excellente tenue thermique Ininflammables Excellentes résistance chimique Faible résistance aux chocs Prix élevés
-
Utilisation Supports de lampes Connecteurs Embases en électronique Corps de vanne Pièces de carburateurs
-
Utilisation tuyauterie et robinetterie chimique, étanchéité, lubrification, glissement (poêle de cuisine), paliers, coussinets gainage de câbles
Polymères fluorés PTFE, PVDF Caractéristiques inertie chimique remarquable tenue thermique excellente anti-adhérent qualité alimentaire et médicale Prix élevé Densité élevé
PC PET PBT PPO PSU PPS POM PA 66 PA 11
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transparence
Stabilité dimensionnelle
Fatigue
Choc
Matières
U.V.
Tableau des caractéristiques des techno-polyméres: Eau chaude
g-
Fissuration sous contraintes
-
et polyphénylèneE sulfone PPS
Chimique
f-
-
Pièces sous capot auto, pièces d’intérieurs d’avion Bac de décongélation, peigne de sèche cheveux, pièces pour cuisinières
Auto extinguibilité Electrique
-
-
Fluage
e-
transparent exceptionnelle tenue thermique auto-extinguibles Prix élevé
Coefficient de friction Chaleur
-
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VI -LES THERMODURCISSABLES
Pour les THERMODURCISSABLES, les produits de base sont livrés à la transformation à l'état de polymérisation partielle. Celle-ci s'achève dans le moule - alors que la matière est déjà mise en forme - sous l'action de catalyseurs, mais aussi d'accélérateurs, voire même de chaleur. Le démoulage n'intervient que lorsque la polymérisation est assez avancée pour que le produit présente les propriétés requises. La mise en forme définitive est irréversible
VI -1 -GRANDE DIFFUSION: a-
Phénoliques et Formophénoliques PF
-
Parmi les premières matières plastiques : Baeckeland 1909 Caractéristiques Utilisation Excellente tenue en température - stratifiés, Bonnes propriétés mécaniques (fluage) - pièces mécaniques rigides Prix intéressant - bonnes propriétés électriques Auto extinguibles - pièces en haute tenue en température Bonne tenue chimique sauf bases fortes - pièces d’isolation Non alimentaires - mousses
b - Aminoplastes UF,MF c-
Caractéristiques grande dureté de surface et bonne résistance à l’abrasion transparents bonne tenue aux UV Auto-extinguibles Peu cher
Utilisation Colles insensibles à l’humidité Colles pour contreplaqués Pièces moulés, capots, socles
Polyesters insaturés UP Caractéristiques bonne tenue chimique transparence grande rigidité, facilité de mise en œuvre inflammabilité
-
Utilisation moulage au contact : bateau plaques ondulées, capotages, coques, carrosseries pièces stratifiées pièces de structure pour automobile (pare chocs), pièces de carrosserie
d - Polyuréthanes Caractéristiques Université Limoges
Utilisation La plasturgie 16
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souple, semi-rigide, rigide, bonne résistance chimique, très bonne tenue à froid, résistance limitée aux U.V. -
isolation, automobile (planche de bord, accoudoirs, etc..), emballage: remplissage structurel, jouets, articles de sport... mousses.
VI -2 -POLYMERES TECHNIQUES a-
Epoxy (EP) : résine de coulée Caractéristiques excellentes propriétés mécaniques bonne tenue chimique excellente tenue en température bonne tenue chimique adhérence remarquables sur tous supports
-
Utilisation moules d’emboutissage, de thermoformage moules de stratification boîte à noyaux et plaque modèle fonderie pale d’hélicoptère, voilure d’avions loisirs, bateaux de haute compétition, mâts de planches à voile
b - polyimides PI -
Caractéristiques résistance mécanique élevée jusqu’à 250°C grande stabilité dimensionnelle bonne tenue au feu bonne propriétés frottante et résistance à l’usure accepte les charges et renforts
-
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Utilisation pelle d’inverseur de flux de réacteur, circuit imprimé, isolation, paliers, rotules, coussinets, butées, glissières autolubrifiante, palette de pompes, pièces de frottement (grande vitesse) pour ordinateur, cages de gyroscope
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Thermoplastiques TP
1-2
PS - PSE PVC PEbd
Qualité courante
Pehd PP - PPE ABS
Qualité intermédiaire
PMM cellulosiques
Qualité d’aspect
Caractéristiques essentielles Forme recherchée Contrainte et tol. Faibles, coût intéréssant pour grosses pièces Bon compromis prix/performances pour grosses pièces
2-3
4-8
12
PC PBT - PET PPO POM PA Sulfurés Fluorés
Qualité technique
Qualité thermique
Esthétique décor
Conditions de travail sous contraintes et températures, petites pièces tolérancées surtout Tenue chimique et thermique
TechnoPolymères
prix E/kg
Polymères de grande diffusion
TABLEAU DE CLASSEMENT DES PLASTIQUES Caractéristiques essentielles
Thermoprix durcissable TD E/kg
Forme stable en température Tenue mécanique faible
Phénoplastes PF Aminoplastes UF MF
Souple ou rigide à la demande
Polyuréthane PU
Structures composites, grandes surfaces autoportantes
Polyester UP Epoxyde EP
Souplesse en température Tenue thermique et chimique
Silicone SI
Polyimide PI
VI -3 -IDENTIFICATION DES MATIERES PLASTIQUES
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VII -LES PROCEDES DE TRANSFORMATION VII -1 -L'INJECTION L'Injection : permet d'obtenir en une seule opération des pièces finies, de formes complexes, dans une gamme de poids de quelques grammes à plusieurs kilogrammes. La matière ramollie est d'abord malaxée par une vis tournant dans un cylindre chauffé puis introduite sous pression dans un moule fermé. Les principaux domaines d'application sont : les pièces industrielles pour l'automobile, l'électronique, la robotique, l'aérospatial, le médical… >> Téléphones, seringues, poubelles, capots, carters, boîtes…
VII -2 -L'INJECTION SOUFFLAGE L'Injection Soufflage est utilisée pour la fabrication de corps creux (flacons, bouteilles). Une préforme injectée est ensuite plaquée par jet d'air comprimé contre les parois d'un moule puis refroidie. >> Bouteilles, flacons, pots, réservoirs de carburant, citernes agricoles et industrielles
VII -3 -PRINCIPE DU SOUFFLAGE BI-ORIENTE
Cette technique se différencie de l’injection soufflage par l’étirage bi-axial de la matière. Dans ce cas on bénéficie des avantages de l’orientation des macromolécules dans les directions d’utilisation de la matière. - L’étirage dans l’axe de l’objet se fait par un piston et un soufflage léger, les molécules s’orientent dans l’axe de l’objet - L’étirage radial se fait par soufflage
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VII -4 -L'EXTRUSION L'Extrusion est un procédé de transformation en continu. Cela consiste à introduire le plastique sous forme de poudre ou de granulés dans un cylindre chauffant à l'intérieur duquel il est poussé par une vis sans fin. En avançant, la matière ramollit, se comprime, puis passe à travers une filière qui lui donne la forme souhaitée. On obtient de cette façon des produits de grande longueur : profilés pour portes et fenêtres, canalisations, câbles, tubes, joints, grillages…
La co-extrusion améliore ce procédé en additionnant plusieurs couches de matière pour réaliser un produit qui bénéficie ainsi de propriétés combinées.
VII -5 -L'EXTRUSION GONFLAGE L'Extrusion Gonflage : une gaine formée par extrusion est dilatée à l'air comprimé. Elle donne des films pour sacs et emballages. >> Gaines minces, films pour serres, sacs poubelles, cabas, sacs de congélation.
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VII -6 -LE CALANDRAGE Le Calandrage : des produits plats de plus grande largeur (feuilles ou plaques) sont obtenus par laminage d'une résine thermoplastique entre les cylindres chauffants. >> Revêtements de sols et de murs, nappes, ameublement, maroquinerie, articles gonflables
VII -7 -L'ENDUCTION : L'Enduction : une résine thermoplastique à l'état pâteux est déposée sur un support continu (tissu, papier), puis passée au four. Le film, qui peut être décoré, sert de protection ou de revêtement.
>> Sols, murs, vêtements, mobilier…
VII -8 -LE ROTOMOULAGE Le Rotomoulage : la centrifugation d'une poudre fine thermoplastique en moule clos, permet d'obtenir des corps creux en petites séries. >> Réservoirs, kayaks, planches à voiles, ballons, cuves, containers…
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VII -9 -L'EXPANSION : L'Expansion : le moussage des polystyrènes ou des polyuréthannes sert à fabriquer des produits alvéolaires. >> Isolants, blocs à découper pour l'ameublement, l'automobile…
VII -10 -LA PULTRUSION La Pultrusion consiste à faire passer des fibres imprégnées de résine dans une filière chauffée où se forme ainsi un profilé rigide produit en continu, dont la longueur n'est donc pas limitée. VII -11 -LA COMPRESSION : La Compression : sert à faire de petits et moyens objets en thermodurcissables (isolants thermiques et électriques). La matière à l'état de pré polymère est déposée dans un moule, chauffée puis comprimée. Sous l'action de la chaleur, la polymérisation s'effectue dans le moule. >> Isolants thermiques et électriques, électronique, automobile.
VII -12 -LE THERMOFORMAGE Le Thermoformage : est un procédé de seconde transformation. La matière, sous forme de feuilles, de plaques, de tubes ou de profilés est ramollie par chauffage et mise en forme par application sur un moule géométrique simple. >>Pots pour produits laitiers, coques de petits bateaux…
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VII -13 -LA STRATIFICATION La Stratification : des couches superposées de supports tels que bois, papier, textiles sont imprégnées de résine thermodurcissable puis pressées et chauffées sous haute pression pour provoquer la polymérisation. Ce procédé réservé aux thermodurcissables n'est applicable qu'à l'obtention de produits plats.
>> Hôtellerie (plateaux), ameublement, panneaux
VII -14 -LA CHAUDRONNERIE La Chaudronnerie : la matière, sous forme de semi-produits manufacturés, est transformée par procédé mécanique, pour répondre aux besoins de l'industrie en général, dans les problèmes de stockage ou transport de substances corrosives ou non. Cette technique comporte des opérations de découpe, de formage à chaud, d'usinage et d'assemblage par soudure avec ou sans apport de matière.
>> Chimie, ingénierie, agroalimentaire, BTP
VII -15 -PRINCIPAUX MOYENS DE MISE EN OEUVRE AVEC LES MATIERES ASSOCIEES: Procédés Injection Extrusion Soufflage Rotomoulage Calandrage Thermoformage Expansion PSE Moussage PU Compression Université Limoges
Base granulés granulés granulés poudres fines pâtes feuilles, plaques perles liquides Poudres
Polymères les plus utilisés PE, PP, PS, technoplastiques PVC, PE PVC, Pehd PE, PVC (plastisol) PVC PS, ABS PSE Polyols+polyisocyanates PF, UF, MF
Type TP TP TP TP TP TP TP TP TP La plasturgie 23
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VII -16 -FORMES ET DE VOLUMES - MOYENS DE TRANSFORMATION Procédés Injection Extrusion Soufflage Rotomoulage Calandrage Thermoformage Expansion PSE Moussage PU Compression.
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Types de formes moulée 3D Profilée 2D corps creux corps creux produit plat 2D emboutie alvéolaire alvéolaire moulée 3D
Polymères les plus utilisés poids : qq g - 1 Kg Largeur film/feuille 2,5 m Vol : 200 l Vol : 5000 l laize 2,5 m poids 20 Kg et ép 6 mm volume ¼ m3 volume ¼ m3 poids 1 Kg
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INJECTION DES THERMOPLASTIQUES I - PRINCIPE Réalisation de pièces finies (formes, dimensions, états de surface) par compression ou injection sous pression de matière plastique à l'état pâteux dans un moule ayant la forme du produit fini. Le moule est en fait constitué d'au moins deux parties afin d'évacuer la pièce refroidie. C'est un moule permanent en acier traité avec de multiples fonctions.
La vis prépare la matière, elle est injectée sous pression avec l’aide de la vis transformée en piston. Cette matière sous pression remplit l’empreinte ayant la forme de la pièce, elle est ensuite démoulée en ouvrant le moule. La pièce est éjectée à l’aide d’une batterie d’éjecteurs, le moule se referme et le cycle recommence.
II - DESCRIPTION DU CYCLE D’INJECTION II -1 - ACCOSTAGE - MATIERE DOSEE La matière est dosée le fourreau se met en position d’injection.
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II -2 - INJECTION DE LA MATIERE DANS LE MOULE A ce stade, la vis ne tourne plus, elle fait office de piston. Un clapet anti retour interdit à la matière de remonter le long de la vis.
II -3 -MAINTIEN EN PRESSION L’injection de la matière est terminée, la vis maintien la pression sur la matière.
II -4 - REFROIDISSEMENT La pièce est refroidie grâce à une circulation d’eau dans le moule.
Canaux de circulation de fluide de réfrigérant. II -5 - DOSAGE Pendant le refroidissement, la machine dose la matière pour la phase d’injection suivante : la vis tourne, les colliers chauffant situés autour du fourreau chauffent la matière qui avance. Le malaxage et l’élévation de température rendent la matière pâteuse. La matière n’est pas directement injectée dans le moule, elle est stockée en avant de la vis qui recule au fur et à mesure. Lorsque le volume de matière préparée est égal au volume de la pièce à fabriquer, la vis s’arrête de tourner.
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II -6 - OUVERTURE DU MOULE - EJECTION DE LA PIECE Le moule s’ouvre en deux parties : la partie mobile opposée à la vis et la partie fixe. La partie mobile en reculant, provoque un déplacement relatif avec le porte éjecteur dont les « pointes » vont obliger la pièce à tomber sur un tapis de ramassage.
III -INJECTION MULTIMATIERE III -1 - PRINCIPE Ce procédé est utilisé pour fabriquer une pièce comportant plusieurs couleurs ou matières différentes, et depuis peu, des pièces creuses moulées avec l’assistance d’un gaz L'un des paramètres important pour réussir un moulage multimatière est la bonne compatibilité entre matières. Exemples de bonne et mauvaise compatibilité: bonne compatibilité: PC - PA PC - ABS PVC plastifié - ABS mauvaise compatibilité: PS – ABS
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III -2 -REALISATION a-
Multimatière Par surmoulage: chaque matière est injectée par une machine, la pièce est démoulée puis subit ensuite sur une autre machine l'injection d'une autre matière etc...
Exemple de bi-injection différée b - Injection multicouche La pièce est fabriquée sur une seule et même machine équipée d'autant unités d'injection qu'il y a de matières. Pour gérer ces multiples arrivées de matières, la machine est équipée d'un système de distributeur. Au travers des exemples suivants, il faut bien comprendre que ce procédé n'est pas simple, certains paramètres sont très difficiles à cerner. Paramètres importants: - dosage de la première matière afin d'éviter que la seconde ne passe au travers - vitesses d'injection: si elles sont trop lentes, le remplissage du moule sera difficile - viscosité des matières: ce paramètre est déterminé par la température. La température de la première matière injectée est élevée. Plus la température du moule ou de la matière est élevée, plus l'épaisseur de la couche de la première matière est faible. Exemple d'injection bimatières 3 couches: Les deux matières sont disposées alternativement par rapport aux surface du moules. La première matière est injectée, puis la seconde qui va pousser la première, on termine par une seconde injection de la première matière pour noyer parfaitement la seconde. Exemple d'injection trimatière:
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IV -INJECTION ASSISTEE PAR GAZ
Ce principe s’appuie sur celui de la biinjection, dans lequel on remplace le second polymère par un gaz, de l’azote en général. Cela permet de réaliser des pièces creuses. On retrouve l’injection séquentielle par un même seuil ou par plusieurs.
IV -1 - PRINCIPE Il existe deux principes :
injection incomplète : on injecte une quantité de polymère dans un moule, puis on injecte le gaz. Sous l’effet de celui-ci, le polymère se comporte comme un ballon car il a commencé à refroidir, avec formation d’une peau qui va se plaquer contre les parois du moule
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injection complète : l’empreinte du moule est remplie par le polymère, puis on injecte le gaz qui va forcer la matière plastique à s’évacuer vers une masselotte de purge qui sera séparée après démoulage.
L’injection de gaz s’effectue au travers d’une buse d’injection de gaz qui est soit placée coaxialement à la buse d’injection de polymère, soit dans le moule. Injection coaxiale Injection gaz séparée
Cette technique s’applique à tous les thermoplastiques. IV -2 - CARACTERISTIQUES a-
Avantages La pièce est partiellement creuse, d’ou un gain de poids et de matière plastique. Grâce à l’injection de gaz, la pression de maintien est plus homogène, les pressions de maintien sont plus basses, donc les forces de fermeture des moules.
Les retassures sont plus faibles, voire disparaissent. Université Limoges
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Il est donc plus facile de nervurer la pièce, ce qui à rigidité égale permet de travailler avec une matière plus économique. Les temps de refroidissement sont raccourcis car les volumes de matières à refroidir sont plus faibles. Les moules sont plus simples, il souvent possible de faire l’économie d’un ou plusieurs tiroirs
V - CONCEPTION DES MACHINES
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V -1 -PLASTIFICATION ET INJECTION
Cette partie est constituée par : - la vis qui malaxe et transporte la matière thermoplastique - le fourreau dans lequel la vis travaille, équipé de colliers chauffant, il participe à la plastification de la matière - la buse qui provoque une élévation de la pression de la matière - la clapet au bout de la vis empêche la matière de revenir en arrière pendant la phase de l’injection
Plastification
Injection
- le vérin d’injection qui contrôle la translation de la vis dans le fourreau, c’est l’organe moteur de la phase d’injection - le moteur : provoque la rotation de la vis.
V -2 -SYSTEME DE FERMETURE Le démoulage de la pièce est assuré grâce à l'ouverture du moule. L'effort de fermeture est très important afin de résister à la pression d'injection. Cette fermeture doit posséder plusieurs caractéristiques: - effort de fermeture important - résistance aux efforts répétés - ouverture et fermeture rapides Plusieurs systèmes ont étés développés par les constructeurs de machines pour répondre à ces impératifs:
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Remarque : les systèmes de verrouillage hydrauliques permettent un réglage simple et fiable de la force de fermeture.
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CONCEPTION DES PIECES PLASTIQUES
I - IMPORTANCE DE LA GEOMETRIE DE LA PIECE La géométrie influence le mode de transformation des pièces au travers de trois paramètres fondamentaux : forme, précision, dimension. Les formes de pièces se classent en 4 catégories : - Formes à une seule face : une seule face de l’objet est fonctionnelle (emballage, récipient, couvercle, capots de protection…) - Formes à 2 faces avec structure continue : les 2 cotés de l’objet assurent des fonctions et possèdent des détails de formes ou de présentation nécessaires. Pièces techniques, éléments de mécanismes, capots ou couvercles avec des clips ou des charnières, pièces de blocage et de protection dans les emballage - Formes à deux faces avec structure discontinue. Corps creux. Ce sont des pièces volumineuses, dont le remplissage n’est pas utile comme certain emballage d’aspect boîte à l’extérieur, et compartiments de rangement dedans, ou des récipients, bouteilles et flacons. - Formes à structure composite, Dans ce cas les performances exigées de l’objet imposent une structure continue entre les surfaces externes pour assurer la tenue mécanique. Eléments de tableaux de bords automobiles, pièces composites pour bateaux et véhicules.
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MECATRONIQUE Comparaison des moyens de production des pièces à une face.
Comparaison des moyens de production des pièces à 2 faces.
Comparaison des moyens de production des corps creux.
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II - TOLERANCES DE FABRICATION II -1 -LES CLASSES DE TOLERANCES La norme NF T 58-000 définit trois classes de tolérance - Tolérances normale N : Ecart obtenu au prix d’une surveillance réduite et d’un contrôle minimum de la fabrication et des moyens (machines et outils). - Tolérances réduite R : Ecart obtenu au prix d’une surveillance rigoureuse de la fabrication et des moyens. Tout doit être contrôlé ce qui génère un surcoût des pièces. - Tolérances de précision P : Le faible écart de certaines côtes est obtenu au prix : o o o o
-
De l’utilisation de machine précises (Réalisation, fonctionnement, asservissement). D’une réalisation très onéreuse des outillages (faible jeux) De l’emploi d’un personnel qualifié En intégrant des risques importants de rebuts, ou de la sélection des pièces
Tolérances de très grande précision avec des thermoplastiques (limitation de la masse des pièces à quelques décigrammes)
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III -CONCEPTION DES PRODUITS INJECTES III -1 -GENERALITES a-
But
Réduire le nombre des pièces Réduire le coût des pièces Réduire le travail d'assemblage Réduire les rebuts et les coûts de contrôle Augmenter la durée de service Assurer un meilleur fonctionnement Ajouter de nouvelles caractéristiques Accroître l'attrait commercial
b - Définition des formes Les formes de la pièce à réaliser vont dépendre de : - la fonction à remplir (supporter les efforts, étanchéité, isolation électrique …) - des conditions de fabrications (séries importantes ou non) - du choix du matériau - du procédé de fabrication La conception consiste à réaliser la pièce qui sera à la fois : - la plus légère possible - la plus facile à mouler (complexité du moule) - la plus facile à assembler - la mieux adaptée pour résister aux sollicitations Le concepteur des produits injectés doit tenir compte de plusieurs problèmes: - écoulement de la matière - choix du plan de joint - présence filetage ou de taraudage - déformations des pièces - défauts des pièces - fabrication du moule Tous ces problèmes vont influencer la forme des pièces.
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III -2 -REALISATION DES PAROIS a-
Epaisseur des parois
les épaisseurs des parois doivent être uniformes Le choix de l'epaisseur de paroi est conditionné par : - l'influence directe du sens de moulage - le retrait inhérant à la matière lors du passage de l'eat pateux à l'etat solide. Ceci est particulièrement valable pour les thermoplastiques semi-critallins (POM, PE, PP…) avec des retraits élevés et anisotropes. - La longueur d'ecoulement - Les formes et dimentions de la pièce
Lecture sur nomogramme de l'épaisseur de paroi nécessaire à l'obtention d'une même ridité avec l'emploi de thermoplastiques différents
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b - Influence du retrait Les différentes matières plastiques ont un comportement qui varie au moment de la mise en œuvre;
- Matière plastiques amorphes Le retrait est de 0.2 à 0.7% du PVC est indépandant des conditions de transformation du système d'injection et de la conception de la pièce
- Matière plastique cristalline Le retrait de 0.8 à 4% dépend : Du degre de polymérisation de la matière Des conditions de transformation (temperature, pression, temps de cycle) De la carotte (réalisation, emplacement) De la conception de la pièce.
Une pièce plastique évolue durant toute sa vie. Si le délai entre la fabrication et le montage dans un mécanisme est trop long, les côtes peuvent avoir évolué et interdire l’assemblage
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c-
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Déformations
Pièces d'épaisseurs différentes
1 : la paroi intermediaire moins épaisse que le reste la pièce 2 : la partie mince est gauchée par suite de la variation trop rapide des épaisseurs
Déformation due à la différence d'épaisseur des deux parois se raccordant à un angle droit
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Gauchissement dû à de trop grandes différences d'épaisseur entre paroi et nervures
d - Variation des épaisseurs
Le passage d'une épaisseur à une autre doit etre réalisé de manière aussi régulière que possible en supprimant les changements brusques de section dans le contour de la pièce Les surepaisseurs sont génératrices de bulles retassures Les epaisseurs des pièces doivent être limitée, il faut avoir recours le plus souvent possible aux renforts (nervures bossage) pour augmenter la rigidité
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e-
Temps de refroidissement
f-
Conception d’un pignon
La conception d’un pignon ou d’une roue dentée symétriquement ou déportée demande un certain nombre de précautions Une étude mal menée au niveau des épaisseurs peut donner un produit très déformé a) b) c) d)
Produit à obtenir Déformation de la denture due à l’épaisseur Tracé pour résultat correct Solution médiocre, les épaisseurs inégales entraînent une déformation de la denture e) Solution satisfaisante, avec épaisseurs et angles réguliers
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III -3 -REALISATION DES BORDS a-
Bordures
Pour obtenir une bonne rigidité de la pièce, il faut choisir un profil adéquat pour la bordure supérieure de la pièce L’épaisseur du profil qui réalise le bord doit être égale à celle de la pièce a, b, c, d, e, f : faciles à démouler d réalisation d’un tiroir dans le moule Les problèmes de démoulage limitent les formes de bordures
b - Poignées de récipient les récipients qui comportent des poignées doivent faire l’objet d’une étude approfondie. Les zones de raccordement sont souvent fragiles, elles doivent résister aux chocs et sollicitations répétées La masse de la matière pour ce type de pièce étant importante, pour éviter un refroidissement trop rapide, le moule doit être chauffé. L’injection avec plusieurs seuils est recommandée pour réduire le temps de remplissage de l’empreinte
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III -4 -REALISATION DES SURFACES PLANES a-
Fonds plats
Les fonds des récipients ou boîtiers se déformes souvent après démoulage, s’ils ne sont pas renforcés par des rainures ou des nervures La déformation du fond entraîne généralement la déformation des parois Ces déformations peuvent être évitées en respectant quelques règles de conception en fonction de la matière utilisée Pièces en polyéthylène Augmentation de l’épaisseur du fond de 25% par rapport à la périphérie Pièces en polypropylène Diminution progressive de la paroi vers le centre de 25% par rapport à l’épaisseur générale du produit
b - Parois Les parois des boîtiers qui ne sont pas renforcés par des rainures peuvent présenter des déformations après montage Pour pallier cet inconvénient, les parois latérales sont augmentées de 25% progressivement de telle sorte que la partie médiane présente une surépaisseur. Celle ci peut être intérieure ou extérieure
c-
Disques
Les disques caractérisés par une épaisseur de paroi constante et une injection centrale se déforment. Le gauchissement est du à la différence de retrait en long suivant le diamètre « D » plus prononcé que le retrait périphérique En augmentant progressivement l’épaisseur jusqu'à 25% dans la zone périphérique, on élimine cette déformation. Prévoir une injection capillaire avec lentille au seuil pour éviter une fissuration de la pièce
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d - Réalisation de gobelets III -5 -DEFORMATION DES PIECES
Cette déformation se produit souvent au refroidissement, il faut donc dessiner des formes permettant d'éviter ce phénomène: La conception du produit doit tenir compte du retrait de la matière après démoulage. Les figures montrent la modification du fond qui est réalisée après le retrait du au refroidissement a et b pièces dans le moule c et d pièces après démoulage et refroidissement
III -6 -REALISATION DES NERVURES a-
Nervures
Le but des nervures est de renforcer une pièce donnée et d’améliorer sa rigidité. Le choix de l’épaisseur de des nervures est fonctions des dimensions des autres éléments.
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b - Sections des nervures et épaisseurs Ces règles de tracé sont à respecter : Bonne résistance en flexion E’=1.3E Déformation nulle : E=E’
L’épaisseur de la rainure peut être plus faible, si le rayon de raccordement est suffisant E’3N.m D2/D1>1.6 D216mm Nous fixerons D2=17mm* Pour un arbre de 10mm la surcote est de 3% S/D1=0.03= (déformation) Er(10 ans)=800N/mm2 D2/D1=0.7 1/(A+)=0.4 Ainsi p=0.03x800x0.4=9.6N/mm2
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III -15 -CAS DES FILETAGES ET DES TARAUDAGES On peut obtenir en injection des formes filetées, mais cela doit être étudié très sérieusement tant qu'à la réalisation. Il est préférable de poser des inserts
III -16 -DEFAUTS DES PIECES Ils sont souvent provoqués par des formes qui gênent le passage de la matière ou qui la refroidissent trop vite. Dans tous les cas cela se traduit par des manques de matières ou des épaisseurs plus faibles que souhaitées. Les retassures qui sont des bulles ou des criques dans la pièce à cause d'une mauvaise alimentation de matière. III -17 - INFLUENCE DE LA FABRICATION DES MOULES SUR LES FORMES DES PIECES Il va de soi que toutes les formes ne sont pas réalisables en injection. On doit en premier lieu tenir compte des dépouilles nécessaires au démoulage. Certains outils permettent de réaliser des formes très complexes mais augmente sensiblement le prix de l'unité. Il faut donc les utiliser lorsque toutes méthodes traditionnelles ou des formes retravaillées ont été épuisées. Les charnières de type classiques présentent aussi quelques particularités qui peuvent simplifier les outils de fabrication. On peut aussi éviter le montage de broches: En fait il faut tenir compte simultanément de tous les paramètres précédemment cités. La conception de pièces injectés est très complexe, on doit tenir compte du parc machine existant, limiter au maximum l'emploi de moules complexes qui peuvent dans certains cas faire perdre plus d'argent qu'ils ne sont censés en faire gagner. Il faut tenir compte aussi de l'utilisation de la pièce, prévoir au maximum toutes les utilisations différentes de celles prévues au départ, dimensionner la pièce pour obtenir la durée de vie souhaitée, etc...
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LES MOULES Ce sont les pièces maîtresses du processus d'injection. Ils assurent plusieurs fonctions:
III -1 -ALIMENTATION DES MOULES Définition du point d’injection L’injection de la matière plastique vers l’empreinte est assurée à partir de la buse moule par le réseau de canaux. L’alimentation du moule en matière à l’état visqueux est assurée de deux façons Injection dans le plan de Injection perpendiculaire au joint plan de joint Mode d’injection peu Inconvénients : développé. La pression Canaux d’alimentations d’injection entraîne des assez longs déformations sur les Prévoir une extraction de la colonnes de la presse carotte Fermeture du moule parfois incomplète La bonne réalisation d’une pièce est conditionnée par un bon écoulement de la matière, ainsi qu’une bonne fermeture de l’outillage L’équilibre des forces dans un outil doit être réalisé avec soin et l’injection de la matière doit être placée au point d’équilibre Le point idéal est le centre de gravité de l’empreinte a-
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MECATRONIQUE a -1. Cas particulier
Dans le cas d’un moule dont le point d’injection ne peut être placé au centre de gravité, un équilibrage des efforts doit être réalisé. L’équilibre est réalisé à l’aide de cales ou tasseaux. La résultante des efforts passe par l’axe du plateau du moule.
III -2 -CIRCULATION DE LA MATIERE a-
Refroidissement
Le refroidissement de la matière au contact du moule conditionne le choix du point d'injection Le contact de la veine de matière sur le moule froid crée une gaine de matière solidifiée
b - Lignes de soudures
Les lignes de soudures se forment aux jonctions des flux de matière L'excès de point d'injection augmente les lignes de soudure mais diminue les zones de fragilisation
Pièce réalisée sans ligne de soudure seuil capillaire
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MECATRONIQUE Ecoulement de la matière
Le point d’injection doit être situé de manière à atténuer la ligne de soudure et éviter le jet libre Une broche ou un noyau placé à proximité du seuil d'injection réalise une bonne dérivation du flux
III -3 -REMPLISSAGE DES EMPREINTES: Modélisation graphique du remplissage La méthode graphique de modélisation du remplissage repose sur la loi d’écoulement laminaire des fluides visqueux. En posant que les rapports des échauffements par friction lors de l’écoulement à la chaleur dissipée au contact des parois refroidies de l’outillage est indépendant de l’épaisseur de la pièce. On peut définir une constante de valeur de progression du front de l’écoulement par unité de temps à l’épaisseur de la paroi.
t1 t2 S1 S2 S1,S2 : Epaisseur de la pièce t1 t2 : Progression du front de matière par unité de temps (vitesse) Pour une épaisseur de pièce constante, la matière progresse sur un front constant (déploiement par vague). Dés lors chaque point peut être considéré comme un front de progression déclenché par ce que l’on appelle une « onde élémentaire » qui s’agrandit formant un arc de cercle dont le rayon correspond à la valeur de l’avance du front d’écoulement ( t1 ). Le flux de matière suit chaque onde de façon perpendiculaire
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MECATRONIQUE Trois étapes: - injection - bourrage - refroidissement Exemple de simulation du remplissage d’une empreinte : L'injection remplit l'empreinte de matière. Selon la vitesse d'injection, la matière aura une orientation différente dans la matière ce qui influe sur les propriétés mécaniques. Ensuite pour assurer à la pièce une répartition parfaite de la matière, on "bourre" c'est à dire que l'on injecte encore de la matière qui ne va que très peu pénétrer dans le moule sauf pour remplir les zones vides. Cette opération vise à éliminer certains défauts tels que: - retassures - mauvaise densité de la matière. Par contre un bourrage excessif de la matière peu introduire dans la pièce des contraintes internes qui vont diminuer ses propriétés mécaniques.
III -4 -LES CANAUX D'ALIMENTATION Ce sont les passages de la matière venant de la vis et allant dans le moule. Leur forme et leurs dimensions sont calibrées pour obtenir un écoulement le plus régulier en pression et en débit de la matière. Les petites sections sont intéressantes pour des économies de matière mais augmente la pression d'alimentation Les grandes sections de passage facilitent l'écoulement de la matière et le remplissage mais le temps de refroidissement est augmenté. La consommation de matière est plus importante. Système d'alimentation du moule:
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a couper
Ligne de soudure diminuée
Alimentation avec rebut – mono empreinte Sans dégrappage automatique
Trop de lignes de soudure
Alimentation avec rebut multi empreinte Sans égrappage automatique
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Alimentation avec rebut AVEC dégrappage automatique Seuil en tunnel "sous marin"
Alimentation avec rebut AVEC dégrappage automatique Seuil capillaire et Moule 3 plaques "sous marin"
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III -5 -NOMBRE D’EMPREINTES Un moule se caractérise par le nombre d'empreinte qu'il possède. Généralement ce chiffre est pair pour des problèmes d'écoulement de la matière fondue. Il dépend aussi du volume des pièces, des cadences souhaitées, de la précision désirée Exemple de disposition d'empreinte dans un moule:
Le cheminement de la matière est un des paramètres les plus important dans l'injection. Il faut que la matière remplisse en même temps toutes les empreintes, cette condition est respectée grâce à la disposition des empreintes autour du canal d'arrivée et à la forme des canaux de distribution. L’alimentation est effectuée en général par paires d’empreintes, sauf dans le cas de pièces volumineuses.
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III -6 -LES DEPOUILLES ET CONTRE DEPOUILLES
Il est possible de réaliser des contre dépouilles à l’aide de tiroirs mobiles lors de l’éjection. Bien entendu ces systèmes compliquent les moules et augmentent sensiblement leur prix.
III -7 -
ARCHITECTURE La conception de la pièce et le choix de son type d’alimentation déterminent le choix de l’architecture du moule et des difficultés d’usinage et de moulage. a-
Moule deux plaques C'est le moule le plus simple. Il possède un canal d'alimentation de la matière dont la forme est dépouillée. Le démoulage s'effectue en deux temps: - ouverture du moule mobile - éjection de la pièce grâce aux éjecteurs.
La pièce est démoulée avec le canal d'alimentation appelé carotte, il faut ensuite l'enlever par ébarbage.
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b - Moule trois plaques
Dans ce cas la carotte est enlevée automatiquement par la deuxième plaque. Les canaux sont dépouillés de telle manière que le recul des moules provoque la rupture de la carotte.
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Moules à tiroir:
Ils sont utilisés pour démouler des pièces avec des contre dépouilles. Un tiroir plaque une butée dans le moule autour de laquelle la matière est injectée. Lors du démoulage le moule mobile recule entraînant avec lui la pièce maintenue par le tiroir, une fois démoulée du moule fixe le tiroir se retire, et la plaque porte éjecteurs avance, la pièce est complètement démoulée.
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d - Moules à coquille:
On les utilise pour des pièces présentant des dépouilles extérieures. Le moule possède plusieurs plaques qui sont fermées par un système de plans inclinés. Selon les formes des pièces le nombre de coquilles est plus ou moins important. Pour démouler, le moule mobile recule, les coquilles s'ouvrent et les éjecteurs dégrappent la pièce. Le processus est le suivant: voir ci contre
e-
Moules à canaux chauffants.
Les canaux d'alimentation sont chauffés en permanence, lors du démoulage il n'y a pas de carotte, ce qui évite une éventuelle opération de décarottage avec en plus une économie de matière
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MECATRONIQUE Moules à canaux froids
III -8 -TEMPERATURE DU MOULE Elle est régulée par un système de circulation de fluide froid ou chaud selon la phase de fabrication. Le fluide chaud sert à contrôler la température des canaux d'alimentation afin d'avoir un écoulement de la matière à peu prés constant. Après l'injection, on refroidit le moule par circulation d'eau froide ou de fluide divers qui vont évacuer les calories et donc refroidir le moule. Certaines parties du moule sont difficiles à refroidir tels que les noyaux pour fabriquer des pièces creuses. Pour améliorer le refroidissement, on fait circuler du fluide dans ces pièces selon un trajet plus ou moins complexe.
III -9 -EJECTION DES PIECES
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MECATRONIQUE C'est la dernière phase de travail de la pièce sur la machine. L'éjection se fait à l'aide d'éjecteurs montés sur une plaque porte éjecteur qui se déplace en retard par rapport au moule mobile lors de l'ouverture. Ces éjecteurs sortent et font évacuer la pièce. On peut voir sur des pièces finies des traces. Le réseau d'éjecteurs doit être bien réparti pour éviter de déformer des pièces encore chaudes.
III -10 -MATERIAUX
III -11 - AUTRES FONCTIONS ASSUREES PAR LE MOULE Tous ces systèmes concourent à rendre le moule complexe. Il possède encore d'autres dispositifs tels que: - Guidage des pièces constituant moule ; - dans les moules à trois plaques, déplacement de la plaque centrale par un système de butée ; - contrôle des tiroirs ; - contrôle des coquilles ; - contrôle des contre dépouilles intérieures ; - éjection de la pièce et rappel des éjecteurs ; - décarottage automatique ; - positionnement des inserts ; - réseau de capteurs d'information ; - sécurité. Actuellement avec le développement des ateliers flexibles, il faut ajouter encore tous les systèmes de changements rapides de moules tels que les raccords hydrauliques (pression, chauffage refroidissement, pilotage), électrique, les fixations sur la machines. Université Limoges
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Le problème de l'injection est d'obtenir un bon remplissage des empreintes avant que la matière ne soit refroidie et donc figée. Plus les empreintes sont nombreuses et plus le remplissage est difficile. Il faut déterminer les seuils d'injection qui sont les entrées des empreintes avec précision. Il existe plusieurs modèles. C'est la forme du bout du canal à l'entrée dans l'empreinte. La section est celle qui est sectionnée donc elle doit être réduite. Dans le cas où il y a plusieurs seuils pour une même pièce, la section du seuil doit être étudiée pour équilibrer le remplissage de l'empreinte. L'autre paramètre important pour le remplissage des pièces est la matière utilisée. Chaque matière se caractérise par une viscosité particulière qui va déterminer les sections de passage, les pressions d'injection, la température etc...
III -12 -TEMPS DE REFROIDISSEMENT Avec un temps de refroidissement suffisamment efficace, le temps au bout duquel la pièce peut être éjectée ne dépend que de son épaisseur et de ses caractéristiques thermiques
tR=(e2/2a)ln[(8/2)(Ti-Tm)/(Td-Tm)] tR : temps de refroidissement (s) e : épaisseur de la pièce (mm) a : coefficient de diffusion thermique (diffusivité) du polymère (10-8m2.s-1) Tm : température de la surface de l’empreinte Ti : température d’injection Td : température moyenne de la moulée au moment du démoulage
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Utilisation simplifiée par abaque : Cette méthode donne des résultats satisfaisants avec des pièces plates, mais conduit çà des valeurs par excès pour des objets plus épais.
III -13 -CHOIX D’UNE PRESSE A INJECTER
a-
Détermination du nombre d’empreintes
Définir le nombre d’empreinte pour un moule dépend directement du prix de revient, de la qualité, du taux de rebut, de la productivité, du rendement, de l’orientation des investissements Une presse à injecter possède des caractéristiques qui contribuent au calcul du nombre d’empreintes possibles : - la force de fermeture - le volume injectable
x= A/a Université Limoges
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A : variable de la presse (force de fermeture volume injectable, plastification horaire) a : variable correspondante de la pièce x : nombre d’empreintes possible. En pratique cette démarche commence par le calcul du nombre d'empreinte possibles en fonction de la force de fermeture.
b - Détermination de la force de fermeture d'une presse
Exemple : Injection d’un support de boîtier électrique en PP
Photo de la moulée
Pression d’injection : 800 bars (P2) Diamètre vis 30 mm Diamètre vérin injection :100 mm Diamètre vérin fermeture:150 mm calculer la pression d’alimentation du vérin d’injection calculer la force et la pression de verrouillage nécessaire
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