Étude expérimentale du thermoformage assisté par poinçon d’un mélange de polystyrènes

Présentation du thermoformage

Le thermoformage est l’un des grands procédés de mise en forme des polymères permettant de réaliser, à partir de feuilles ou plaques généralement extrudées ou calandrées, des objets concaves d’épaisseurs et de dimensions diverses. Il consiste à chauffer une feuille de polymère jusqu’à une température permettant sa déformation, puis à la mettre en forme dans ou sur un moule. Après refroidissement, on obtient l’objet désiré. En pratique, le terme générique de thermoformage regroupe un large panel de technologies différentes, plus ou moins complexes et automatisées selon l’application. Il peut s’agir du simple drapage manuel d’une feuille sur une forme (fabrication de baignoires par exemple) jusqu’aux lignes de thermoformage continues à hautes cadences intégrant éventuellement l’extrusion des plaques (pots de yaourts par exemple).

Le thermoformage dans le marché de l’emballage

Le principal secteur d’application du thermoformage est l’emballage, qui représente près des trois quart du marché [1]. Ses autres grands débouchés sont l’électroménager, le sanitaire et l’automobile. Dans le secteur de l’emballage, le «plastique » s’impose comme un matériau de choix au détriment des matériaux traditionnels que sont le verre et le papier (30 % du marché en chiffre d’affaire en 2000 [2]). Cela est particulièrement vrai dans les applications alimentaires qui restent le principal débouché des emballages plastiques (63 % en 2000 d’après [2]).

Dans ce secteur, le thermoformage se trouve en concurrence avec deux autres procédés de mise en forme : l’injection et, dans une moindre mesure, l’extrusion soufflage. Les applications où elles sont le plus en concurrence sont les barquettes et les gobelets pour l’injection, et les flacons pour l’extrusion soufflage. La différence majeure entre le thermoformage et ces deux procédés tient à la gamme de température de mise en forme et donc à l’état physique de la matière. Injection et extrusionsoufflage utilisent directement la matière première (résine), qui est transformée à l’état fondu, alors que le thermoformage nécessite un semi-produit (feuille généralement extrudée) à l’état caoutchoutique. L’injection permet un contrôle plus précis des épaisseurs de l’objet fini, mais demande en revanche des outillages beaucoup plus chers du fait des pressions auxquelles le moule doit résister. Le thermoformage permet quant à lui de travailler dans des conditions de température et de pression nettement inférieures aux procédés fondus (de l’ordre de 0,1 MPa contre 10 à 100 MPa en injection [1]), et ainsi de diminuer les coûts d’outillages et de fonctionnement. Les cadences de production sont en outre élevées et les outillages bon marché, ce qui compense le coût de la matière première, nécessairement plus élevée du fait d’une première transformation (semi-produit).

Description du procédé de thermoformage assisté par poinçon

Le procédé de thermoformage négatif assisté par poinçon est largement utilisé dans l’industrie de l’emballage alimentaire de produits laitiers frais. Au niveau industriel, les étapes de remplissage et de scellage des pots produits sont souvent intégrées dans une machine qui suit donc un séquencement en cinq étapes,  qui sont [3] :
– le déroulement et l’acheminement automatisé de la feuille depuis la bobine ou directement en sortie d’extrudeuse,
– son chauffage (poste de chauffe),
– sa mise en forme à proprement parler (poste de formage),
– le remplissage en ligne des produits laitiers dans les emballages formés, le mélange lait, arômes et ferments étant introduit dans chaque pot par un doseur aseptique,
– le scellage du pot avec un film d’operculage (complexe papier/aluminium recouvert d’un vernis acrylique) soudé sur le pot par contact avec un mors en acier à haute température (environ 160 °C).

Les pots de yaourts sont ensuite transportés et conditionnés en palettes avant de séjourner un temps contrôlé en salle d’incubation où se produit la fermentation.

Pour le conditionnement de produits alimentaires, il est indispensable d’assurer la stérilité de l’emballage. Il est par exemple possible d’utiliser un film de protection pour assurer la stérilité de la feuille et de l’opercule, film qui sera ôté juste avant l’utilisation.

Les cadences de ces lignes sont grandes. On définit un cycle comme le temps nécessaire à l’avancée de la feuille d’un pas machine pour rejoindre successivement les quatre postes de la ligne : mise en chauffe (correspondant généralement à plusieurs pas machines), formage, remplissage et thermo-scellage. Sa durée moyenne est de l’ordre d’une seconde, ce qui conduit à des cadences de l’ordre de 40 000 pots/heure [3].

Le semi-produit
Le thermoformage n’utilise pas directement les granulés de polymère mais un semi produit (feuille, d’épaisseur de 0,2 à 2 mm, ou plaque pour des épaisseurs allant jusqu’à 25 mm) dont la qualité conditionne pour une bonne part la qualité finale de l’objet thermoformé. Les feuilles sont généralement obtenues par extrusion dans une filière plate avec refroidissement en calandre avant d’être enroulées en bobine. Elles peuvent donc présenter des orientations et/ou contraintes résiduelles figées au cours du refroidissement. Les spécifications du cahier des charges demandé au fournisseur de feuille concernent généralement :
– l’épaisseur de la feuille et la tolérance d’épaisseur,
– sa largeur et sa tolérance,
– les taux de retrait longitudinaux et transversaux à la température de formage.
En effet, si la feuille initiale présente une irrégularité d’épaisseur, son chauffage va être inhomogène et pourra conduire à des localisations importantes de la déformation lors du formage. Les tolérances classiques sur les épaisseurs des feuilles sont de l’ordre de 2 % [1]. En outre, un bon calibrage de la largeur de la feuille est important pour le passage sur machines continues puisque la feuille est maintenue et transportée sur sa largeur par un système de chaînes à picots. Les tolérances sur la largeur sont généralement inférieures à 3 % mais le point important est de minimiser les retraits transverses au cours du chauffage. En effet, ceux-ci peuvent conduire à des tensions dans les chaînes de transport, voire à une perte du maintien de la feuille. Ils peuvent également conduire à la formation de plis. Les conditions d’extrusion doivent donc être choisies de manière à minimiser les contraintes résiduelles pour éviter de trop grands retraits de la feuille lors de son chauffage. Les taux de retrait dans le sens de l’extrusion (sens longitudinal) sont généralement de l’ordre de 7 % pour le polystyrène [3]. Pour le thermoformage de pots destinés à l’emballage de produits laitiers, les feuilles les plus couramment employées sont des mélanges de polystyrènes. En effet, le polystyrène atactique, couramment nommé polystyrène cristal car transparent, est trop fragile. De ce fait, il ne peut être travaillé à partir de bobines car la feuille ne résiste pas au transport à froid sur les machines de thermoformage. Utilisé seul, il doit donc être thermoformé directement en sortie d’extrudeuse (thermoformage en ligne) [4]. Pour pallier ce problème technologique et pour améliorer les propriétés mécaniques des produits finis (résistance aux chocs en particulier), on le mélange fréquemment à du polystyrène choc, dont la matrice polystyrène est renforcée par des nodules d’élastomère (polybutadiène). Le polystyrène choc est un matériau opaque, moins fragile que le polystyrène cristal. Les rapports de dilution classique de ces produits sont de 40 à 60 % de polystyrène choc. Un certain nombre d’autres additifs peuvent être ajoutés selon l’application, par exemple des colorants. Pour les feuilles laitières blanches, le colorant est classiquement de l’oxyde de titane (TiO2). Le stockage des feuilles en polystyrène est recommandé dans un endroit sec, à l’abri de la chaleur et de l’exposition directe de la lumière du soleil. En effet, la photooxydation du polystyrène, se traduisant par un jaunissement du matériau, est accentuée en présence d’ultraviolets.

Chauffage de la feuille
La feuille est chauffée à une température permettant sa déformation, c’est à dire à une température telle qu’elle soit flexible et étirable mais encore suffisamment rigide pour résister à son propre poids. On dispose ainsi d’une plage de température, dite plage de formage, combinant un allongement à la rupture maximum à un module minimum.

Pour les thermoplastiques amorphes, la plage de formage est assez large et correspond grossièrement à l’état caoutchoutique du polymère. Pour le polystyrène, elle s’étend entre 120 et 180 °C [3, 4]. Notons que pour un même polymère amorphe, la longueur du plateau caoutchoutique est fonction de sa masse moléculaire, ce qui peut être mis à profit pour augmenter la plage de formage. En revanche, elle est beaucoup plus réduite pour les thermoplastiques semi-cristallins qui doivent n’être que partiellement fondus pour voir leur propriétés mécaniques chuter sans s’écouler. Le thermoformage de ces produits nécessite donc plus de précautions notamment au cours du chauffage de la feuille.

Les systèmes de chauffage à infrarouge, utilisant la faculté des polymères à absorber le rayonnement infrarouge, sont les plus fréquents en thermoformage. Deux types de lampes infrarouge sont principalement utilisées : les céramiques et les lampes à quartz. Elles diffèrent par la gamme spectrale émise (la céramique émet des longueurs d’onde plus hautes que le quartz) mais aussi par leur durée de vie, leur coût et leur temps de réponse. Les céramiques sont moins onéreuses et de plus grande durée de vie que le quartz qui est cependant préféré lorsque des temps de réponses courts sont nécessaires [3]. L’homogénéité de la température dans l’épaisseur est améliorée en utilisant un chauffage simultané des deux faces. Ce type de chauffage permet une mise en chauffe plus rapide de la feuille, mais peut poser des problèmes de surchauffe en surface. Le chauffage par boîte à contact (i.e. par conduction à partir de blocs métalliques chauds) est fréquemment employé pour les films et feuilles peu épais thermoformés à « basse » température. Il est donc classiquement utilisé en thermoformage de pots de yaourts en polystyrène. Par contre, il est peu utilisé pour les polymères semi-cristallins qui sont mis en forme au voisinage de leur zone de fusion, ce qui peut poser des problèmes d’adhérence avec les boites de chauffes. Il permet un bon contrôle de la température et limite les problèmes de surchauffe. Le gradient thermique dans l’épaisseur de la feuille est minimisé si les temps de chauffage sont suffisamment longs. On utilise fréquemment des boîtes de chauffe à empreintes permettant de chauffer uniquement les zones de la feuille qui seront déformées.

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Table des matières

Chapitre I : Contexte de l’étude
I.1. Présentation du thermoformage
I.2. Problématique de l’étude et démarche
Chapitre II : Propriétés viscoélastiques linéaires du polystyrène dans la gamme de thermoformage
II.1. Présentation du matériau de l’étude
II.2. Caractérisation des propriétés viscoélastiques linéaires
II.3. Etude bibliographique sur l’origine moléculaire du comportement mécanique macroscopique du polystyrène
Chapitre III : Etude expérimentale du procédé de thermoformage assisté par poinçon
III.1. Introduction
III.2. Présentation du prototype instrumenté
III.3. Caractérisation du thermoformage « standard »
III.4. Influence du contact poinçon: frottement et thermique
III.5. Influence des paramètres cinématiques (poinçon feutre)
III.6. Conclusions
Chapitre IV : Comportement mécanique du polystyrène dans la gamme de thermoformage
IV.1. Caractérisation expérimentale
IV.2. Discussion : interprétation en terme d’écart à la transition a
IV.3. Modélisation du comportement dans la gamme du thermoformage
Chapitre V : Caractérisation du contact poinçon feutre/matière
V.1. Frottement
V.2. Thermique
V.3. Conclusions
Chapitre VI : Validation numérique des résultats
VI.1. Présentation du problème numérique
VI.2. Etude de sensibilité dans le cas d’un poinçon isotherme
VI.3. Introduction d’une thermique dans le poinçon
VI.4. Conclusions
Chapitre VII : Conclusions et perspectives
VII.1. Conclusions
VII.2. Perspectives
Annexes
Annexe I. Principe de mesure par thermographie infra-rouge et propriétés radiatives du mélange de polystyrène étudié
Annexe II. Propriétés thermiques des matériaux
Annexe III. Thermoformage assisté par poinçon feutre d’une feuille de température initiale 116 °C avec soufflage « libre » (sans moule)
Annexe IV. Détermination expérimentale de résistance thermique de contact feuille/outil en régime permanent

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