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En termes généraux, le terme “plastique” peut faire référence à n’importe quel polymère synthétique qui ressemble à des résines naturelles. (Un polymère est une chaîne de molécules extrêmement longue ; les résines sont des composés organiques visqueux uniques qui sont insolubles dans l’eau et capables de durcir en solides.) La fabrication de plastiques fait référence plus spécifiquement à tout processus industriel qui contribue au processus global de transformation de la résine plastique en produits de consommation pratiques. La fabrication de plastiques peut être divisée en sous-catégories de conception, de fabrication et d’assemblage.
Histoire
L’histoire des plastiques peut être confuse en raison de la flexibilité de la définition du “plastique”. Des substances naturelles ressemblant au plastique, comme la corne et le caoutchouc, ont été utilisées par les civilisations depuis des milliers d’années. Cependant, l’avènement véritable du plastique moderne ne remonte pas plus loin que la Révolution Industrielle et le milieu du XIXe siècle. L’inventeur britannique Alexander Parkes est souvent crédité de la première invention du “plastique” avec la création du “Parkesine”, un matériau à base de cellulose qui a été exposé à la Grande Exposition de Londres en 1862. Le “Parkesine” était fabriqué en dissolvant de la nitrate de cellulose dans un solvant puis en le plaçant sur un rouleau chauffé. Peu de temps après, deux frères américains (les Hyatts) ont ajouté du camphre à ce mélange, créant la celluloid (vers 1870). Cependant, le plastique entièrement synthétique n’apparaîtra qu’au XXe siècle. De 1907 à 1909, le Belgo-Américain Dr. Leo Baekeland a créé le Baekelite, un plastique à base de combustibles fossiles qui a ensuite été utilisé pour les boîtiers de radio/téléphone, les isolateurs électriques, les ustensiles de cuisine, les bijoux, etc. L’ingrédient principal de Baekeland était le phénol, un acide goudron de houille. D’autres formes de plastique synthétique (par exemple, le polystyrène, le polyester) se sont développées au cours des décennies suivantes. Ironiquement, les traumatismes des deux guerres mondiales ont contribué à consolider l’importance du plastique pour les applications militaires – et, accessoirement, pour les applications des consommateurs (puisque l’excédent de plastique résultant devait être réemployé après 1945). L’apparition de Tupperware en 1948 a marqué l’une des premières utilisations répandues du plastique commercial. (Pour plus d’informations sur l’histoire du plastique, voir les Matériaux Plastiques et les Contenants en Plastique.)
Avantages
Le plastique est devenu une alternative extrêmement populaire à d’autres matériaux tels que le verre, les métaux et le bois pour diverses raisons. Tout d’abord, le plastique est incroyablement polyvalent. Il peut être façonné dans presque n’importe quelle géométrie ou forme imaginable. Le plastique est plus convivial que d’autres substances. De nombreux consommateurs préfèrent utiliser du plastique plutôt que du métal car il est plus léger et plus sûr – bien qu’aussi efficace sur de nombreux aspects. De plus, il est peu coûteux et permet aux fabricants d’être beaucoup plus rentables avec moins d’efforts. L’une des propriétés les plus appréciées du plastique est sa durabilité. Le plastique est résistant à plusieurs substances et conditions, telles que les produits chimiques abrasifs, les impacts élevés, les températures extrêmes, les vibrations, l’humidité et la pression. De plus, contrairement à de nombreux métaux, le plastique ne s’oxyde pas au contact de l’eau, il est donc plus adapté à une utilisation en extérieur.
Les principaux inconvénients de la production et de l’utilisation du plastique sont environnementaux. Certaines pratiques de production de plastique ont des effets négatifs sur l’environnement et sur la santé. Par exemple, le processus de production de plastique par pulvérisation (procédé de “spray up”) libère des composés organiques volatils (COV), tels que le styrène, dans l’atmosphère.
Étapes de la fabrication de plastiques
Pour répondre aux besoins diversifiés d’un large éventail d’industries, les fabricants de plastiques s’appuient sur une grande variété de processus de fabrication utilisant divers équipements de fabrication. Certains des processus de fabrication les plus familiers comprennent l’extrusion, le moulage par injection, le soudage, l’usinage, l’estampage et l’usinage. La catégorisation des processus industriels de fabrication de plastiques dépend de plusieurs facteurs, notamment la nature des produits finaux spécifiques ainsi que la nature du processus lui-même. À des fins pratiques, les différents processus de fabrication seront regroupés en fonction de deux des trois étapes fondamentales de la fabrication de plastiques : la fabrication et l’assemblage.
Fabrication
Dans les premières étapes de la fabrication de plastiques, la grande majorité des plastiques sont livrés au fabricant sous forme de résine brute (sous forme de flocons, de poudre ou de petites granules). Cette matière première peut être dérivée de matériaux organiques qui seront finalement convertis (par exemple, la cellulose à partir du bois), ou de composés issus de combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon, etc.). De manière générale, les plastiques sont à base de carbone. (Les silicones, qui sont à base de silicium, constituent l’exception principale). De plus, le matériau plastique est divisé en deux grandes catégories : les thermoplastiques (qui peuvent être fondus et remoulés après production) et les thermodurcissables (qui ne peuvent pas être fondus et remoulés après production). La matière première est purifiée, puis réorganisée (par le biais de réactions d’addition ou de condensation) en polymères qui subiront le processus de formation proprement dit. Souvent, les résines plastiques sont combinées les unes avec les autres dans divers processus de mélange ou améliorées par l’introduction d’additifs (dont nous parlerons plus loin).
Pour transformer la résine plastique en pièces ou produits utilisables, les fabricants de plastiques disposent de diverses méthodes de fabrication. Le moulage est de loin la forme de fabrication de plastique la plus courante. Comme son nom l’indique, cette famille de processus similaires tourne autour de l’utilisation d’un moule pour contenir et refroidir la résine plastique chauffée. Les billes de matière plastique brute (à la fois des résines et des additifs) sont fondues et mélangées dans un type approprié de liquide avant d’être introduites dans un moule à des températures et/ou pressions élevées. Certains des types de moulage les plus pertinents comprennent :
Le moulage par injection est la forme la plus courante de fabrication de plastique. Dans cette méthode, le matériau plastique est comprimé ou injecté de force dans un moule fermé et est ensuite autorisé à refroidir. Les époxydes, les polyesters et les polyuréthanes sont quelques-unes des résines plastiques qui sont couramment fabriquées avec cette méthode. Cette méthode est particulièrement utile pour les produits nécessitant un point de fusion élevé (par exemple, la vaisselle). Certaines variations du moulage par injection comprennent le moulage par réaction (utilisé pour les thermodurcissables), le moulage par réaction renforcée et le moulage par réaction structurelle (qui renforcent les polymères avec des fibres de verre hachées ou des fibres matées).
La rotation (ou coulée centrifuge) injecte de la résine plastique dans un moule rotatif recouvert de nattes tissées. Le mouvement centrifuge du moule force la résine à saturer les nattes pendant le processus de durcissement. Les produits de rotation sont généralement des objets creux comme des tuyaux, des réservoirs, diverses pièces automobiles, des canoës, etc.
Le soufflage tire son nom de l’utilisation de l’air comprimé pour gonfler un tube thermoplastique préformé afin qu’il prenne la forme d’un moule. Les sous-catégories du soufflage sont le soufflage par extrusion et le soufflage par injection. Ces sous-catégories sont déterminées par la méthode de formation du composant thermoplastique préformé (appelé paraison). Les conteneurs tels que les bouteilles ou les réservoirs sont quelques-uns des produits les plus courants du soufflage.
Le moulage par compression est une forme plus traditionnelle de fabrication de plastique qui utilise un composé de moulage en feuille (SMC) ou un bain de résine plastique contenant des fibres de verre incorporées. Une presse hydraulique est utilisée pour durcir ce matériau grâce à une chaleur extrême et à une pression. Bien que moins courante que d’autres méthodes de moulage en raison de ses coûts élevés, cette méthode est toujours utilisée pour des productions importantes afin de fabriquer des éléments tels que les ailes de voiture et les fixations de vêtements.
L’extrusion forme une autre famille de processus de fabrication. Au lieu de simplement comprimer la résine plastique dans un moule, l’extrusion force la résine à travers un barillet chauffé et pressurisé, puis dans une filière pour former des formes de base telles que des feuilles et des tubes en plastique. L’extrusion peut être utilisée pour créer des formes qui seront ensuite moulées, ou elle peut être utilisée pour fabriquer des objets “indépendants”. La pultrusion est considérée comme l’opposé de l’extrusion, car elle repose sur des forces de traction plutôt que de poussée pour atteindre des objectifs similaires. Comme le moulage par injection, l’extrusion est un processus de thermoformage, ce qui signifie qu’il implique la fusion de la résine pour la forcer à travers une filière ou une cavité de moule et à prendre la forme de la filière ou du moule lorsqu’elle refroidit et durcit.
Les méthodes de superposition de la production de plastique consistent à empiler des feuilles sèches (appelées plis) dans des moules ouverts et à les recouvrir de résine plastique afin qu’elles durcissent sous pression. La pression est souvent appliquée (manuellement) par des outils appelés rouleaux manuels. Les superpositions sèches saturent les plis à la fin du processus d’empilement, tandis que les superpositions humides saturent les plis un par un lorsqu’ils sont empilés (pour une distribution plus équitable de la résine). La méthode de pulvérisation (mentionnée précédemment) est une version “automatique” des méthodes manuelles de superposition qui utilise un pistolet pneumatique. Il n’est pas rare que les méthodes manuelles et automatiques de “superposition” soient utilisées conjointement dans la fabrication de plastiques pour augmenter la résistance d’un produit fini.
Le moulage par transfert de résine ressemble aux méthodes de “superposition” car il forme également du plastique en saturant des toiles avec de la résine renforcée de fibres. La principale différence entre les deux catégories de fabrication de plastiques réside dans le fait que le moulage par transfert utilise des moules fermés plutôt que des moules ouverts. Les méthodes d’injection standard sont souvent utilisées pour injecter la résine dans le moule fermé. La résine peut être injectée à l’aide d’un vide dans une variation appelée moulage par transfert de résine assisté par vide ou simplement moulage sous vide.
Assemblage
Toute opération de fabrication de plastique qui intervient après la formation initiale du plastique de base peut être regroupée dans la catégorie des opérations post-processus. Des processus mécaniques tels que l’assemblage, le pliage, la découpe, le perçage, la gravure, la découpe au poinçon, le marquage et le taraudage sont tous des processus de fabrication post-formation. Bien qu’ils ne soient nécessaires que pour certaines applications du plastique, de tels processus ne sont pas rares et permettent aux fabricants de plastiques d’apporter les modifications nécessaires. Des opérations telles que le soudage, la découpe et le collage peuvent toutes être catégorisées comme des opérations d’assemblage, qui aident spécifiquement à former des produits finis en réunissant différentes pièces en plastique.
Les processus de découpe façonnent davantage le plastique pour des applications spécifiques une fois qu’il a été formé et moulé. Presque toujours, la fabrication de plastique est assistée par un logiciel informatique automatisé appelé logiciel de commande numérique par ordinateur (CNC). Cela est particulièrement vrai dans les phases de découpe de la fabrication de plastiques. Les machines CNC accélèrent et rationalisent les opérations bien plus que les techniciens réels et rendent l’erreur humaine pratiquement inexistante, ce qui permet de produire des volumes élevés de pièces et de produits complexes identiques. Les fraisages CNC, les tours CNC et les tours CNC sont quelques exemples de machines complexes utilisées pour la découpe, tandis que le perçage au canon et le meulage sans centre sont représentatifs de processus de découpe spécialisés qui produisent des formes spéciales. La découpe plus traditionnelle et mécanique, par estampage, est encore utilisée par les fabricants de plastique aux côtés de formes plus avancées de découpe CNC et/ou laser.
En termes stricts, les opérations d’assemblage se réfèrent à tout processus qui combine différentes pièces en plastique pour créer un produit en plastique ou une partie d’un produit en plastique. Le collage à l’adhésif et l’assemblage par assemblage mécanique (à l’aide de fixations mécaniques) sont deux méthodes courantes d’assemblage. Un autre processus de fabrication, le soudage du plastique, consiste à chauffer deux pièces de thermoplastique jusqu’à ce qu’elles deviennent visqueuses, puis à les presser ensemble, permettant à leurs molécules de se mélanger en une seule pièce. Le soudage est particulièrement utile pour le plastique qui ne réagit pas bien au collage à l’adhésif. Certaines sous-catégories comprennent l’émission de gaz chauds, les vibrations de haute fréquence et le soudage par contact.
Lorsqu’un plastique est laminé, il est utilisé pour créer une barrière de surface pour un autre type de matériau. Il est généralement utilisé pour augmenter la résistance ou la catégorie de résistance chimique d’un autre matériau (par exemple, électrique, chimique, etc.). Le laminage de film place du plastique à l’extérieur d’un produit, tandis que le laminage de résine place le matériau de laminage entre une paire de substrats.
Le plastique peut également subir divers processus de finition finale à des fins esthétiques ou autres. Le polissage, le lustrage, le revêtement en poudre, la sérigraphie, etc. sont des exemples de divers processus de finition finale qui peuvent être appliqués aux produits en plastique.
Même un bref survol des méthodes de fabrication de plastique met en évidence l’absence de chronologie stricte qui caractérise l’ensemble du processus de fabrication de plastique. Par exemple, bien que l’extrusion se produise généralement relativement tôt dans le processus de fabrication, elle peut également se produire directement avant des procédures ultérieures telles que l’adhésion ou le laminage. De même, les procédés de thermoformage peuvent être strictement limités aux méthodes de moulage, ou ils peuvent se produire plus ou moins en conjonction avec des méthodes post-processus ultérieures (comme le pliage d’une feuille de plastique sur un chauffe-bande). L’utilisation d’additifs dans la fabrication de plastiques illustre clairement la flexibilité de l’ordre dans la fabrication de plastiques. De nombreux types d’additifs chimiques sont utilisés dans la fabrication de plastiques, tels que des plastifiants (pour améliorer la flexibilité), des modificateurs d’impact (pour augmenter l’absorption des chocs), des lubrifiants externes (pour réduire le frottement), des charges/étendeurs (pour augmenter le volume d’un plastique), des retardateurs de flamme (pour réduire l’inflammabilité), des épaississants (pour augmenter la viscosité), etc. Alors que de nombreux additifs sont inclus avec des lots maîtres de pigments/résines pendant les premières étapes de mélange et de préparation des matières premières, ils peuvent également être ajoutés aux produits en plastique lors de l’assemblage et d’autres étapes “post-processus”.
Applications
Toutes les industries modernes dépendent largement du plastique. Des exemples spécifiques de ces industries comprennent l’agriculture, l’architecture, l’automobile, la chimie, les cosmétiques, la construction, l’électronique, l’ingénierie, la transformation des aliments et des boissons, l’hôtellerie, le médical, l’éclairage, l’emballage et l’expédition, les produits pharmaceutiques, la restauration, la fabrication d’enseignes et de jouets. (Certaines industries utilisent des processus de fabrication spécialisés. Un exemple serait l’importance de l’infusion de films de résine pour l’industrie aérospatiale.) Les fabricants de plastiques maintiennent le monde moderne en fonctionnement en permettant silencieusement les opérations quotidiennes, que ce soit en mettant les restes de nourriture dans des contenants de stockage en plastique ou en faisant fonctionner un système de pompe. Pour ce faire, les fabricants de plastiques produisent un certain nombre de plastiques différents tels que les acryliques, le nylon, le polyéthylène, le polyester, le polystyrène, le PVC et le polypropylène. (Pour plus d’informations sur les différents types de plastiques, voir les matériaux plastiques.)
Des exemples de produits en plastique fabriqués par des processus de fabrication et d’assemblage comprennent des chariots, des présentoirs, des enceintes, des réservoirs en plastique, des enseignes, des isolateurs électriques laminés, des toits/panneaux de camion, des portes d’accès, des panneaux de commande et des jouets. Les réservoirs en plastique, en particulier, fournissent un bon exemple de la façon dont la nature d’un produit final façonne l’importance et la nature de la fabrication de plastique. Les réservoirs en plastique sont un produit en plastique populaire car ils dépendent fortement de la résistance à la corrosion chimique. De plus, la nature cylindrique des réservoirs nécessite des processus de fabrication très spécifiques, tels que le moulage par rotation mentionné précédemment ou l’enroulement filamentaire (un processus hautement automatisé qui tire les fibres à travers un bain de résine et autour d’un mandrin rotatif). Les processus de fabrication de plastique créent non seulement des produits indépendants, mais aussi des pièces qui servent de composants importants d’autres produits et systèmes. Des pièces en plastique comme celles-ci comprennent des boulons, des écrous, des vis, des bagues de guidage, des joints toriques, des bagues d’usure, des isolateurs, des adaptateurs, des roulements, des douilles, des entretoises et des rondelles.
Considérations
Étant donné que les fabricants de plastiques sont la source de tous les produits en plastique, chaque consommateur de composants en plastique compte sur eux pour la création des produits dont ils ont besoin. Tout, des produits standards comme les rondelles en plastique aux produits sur mesure pour l’électronique spécialisée, doit être créé par un fabricant. Pour les fabricants de plastiques, le choix du processus de fabrication de plastique approprié est évidemment important. Dans l’ensemble, la nature du produit final et la flexibilité du processus de fabrication devraient être des facteurs déterminants dans le choix du processus. La nature d’un produit final, y compris ses dimensions, sa composition chimique idéale (composition plastique simple/composée, composition plastique/non-plastique) et son application pratique, façonnent l’ensemble du processus de fabrication de l’origine à la fin. Les matériaux sont associés aux produits en fonction de la manière dont les propriétés du matériau soutiendront ou amélioreront les exigences d’application du produit. Par exemple, les produits plastiques fabriqués pour les applications dans les industries alimentaires et médicales doivent être à la fois non toxiques et résistants aux contaminants. Pour éviter les dommages, la contamination ou la corruption dus à l’exposition à des substances telles que les graisses, les huiles et les fluides corporels, ils doivent également être étanches à l’eau. De plus, les pièces en plastique utilisées dans l’industrie automobile doivent résister aux vibrations et aux chocs. La flexibilité d’un produit particulier – et par extension, la flexibilité des processus de fabrication correspondants – est très importante car elle implique des conséquences financières. L’outillage pour certains aspects de la fabrication (par exemple, le moulage par injection) peut être extrêmement coûteux. Il est donc important de limiter les changements de conception et d’application du produit au minimum.
Choix d’un fournisseur de fabrication de plastiques
Il est important de trouver un fabricant de plastiques de qualité, car un fabricant réalisera non seulement les étapes de fabrication et d’assemblage de la création du produit, mais souvent également la phase de conception initiale. Comme un bref aperçu de la fabrication de plastiques l’a démontré, l’ingénierie des plastiques est un processus trompeusement complexe. Lorsqu’il participe au processus de conception, un fabricant de plastiques doit prendre en compte de nombreux facteurs, tels que les gammes de température de travail, les paramètres de taille, le degré de dureté ou de souplesse, la couleur et les exigences de résistance à la traction. De manière générale, les fabricants de plastiques proposent des produits dans des conceptions pré-ingénierées et des tailles standard, en présentant aux clients des exemples et des dimensions parmi lesquels choisir. Cependant, tout fabricant de plastiques digne de ce nom concevra également des pièces spécialisées et sur mesure pour ceux qui les demandent, en s’appuyant sur des outils tels que la CAO (conception assistée par ordinateur) et la prototypage virtuel en 3D.
La fabrication de plastiques est si complexe qu’il est courant que des fabricants indépendants se concentrent uniquement sur un aspect du processus (par exemple, l’extrusion et le moulage par injection). Cela peut souvent être avantageux pour le client, car cette concentration correspond souvent à une expertise et à des capacités approfondies. Un domaine à examiner lors de la recherche d’un fabricant de plastiques est celui du contrôle de la qualité. Des outils de garantie qualité tels que le codage à barres strict ou le système Kanban sont des signes bienvenus de l’intégrité et de l’expertise d’un fabricant. En ce qui concerne la collaboration avec des fournisseurs de plastique plus proches du consommateur dans la chaîne d’approvisionnement, il est important de travailler avec des fournisseurs qui entretiennent des relations étroites avec des fabricants de plastiques afin d’augmenter les options de fabrication sur mesure. De nombreuses normes qui régissent l’industrie du plastique sont dérivées de l’ISO. Par exemple, les normes régissant les thermoplastiques sont associées à la norme ISO 306. L’ISO 9001:2008 est une norme plus générique axée sur la qualité du service client. Assurez-vous toujours que le fabricant de plastiques avec lequel vous travaillez possède un niveau élevé d’accréditation et respecte les normes de l’industrie.
