Plasturgie : Fabrication de produits plastiques

La plasturgie est le processus de conception, de fabrication et d’assemblage de produits en plastique ou en composites contenant du plastique. Il existe de nombreuses méthodes de fabrication plastique aujourd’hui, compte tenu de la grande variété de produits en plastique. Chaque méthode est adaptée à la fabrication de certains designs en raison de ses avantages et inconvénients uniques. Aujourd’hui, la plasturgie est très populaire parmi les fabricants en raison de ses deux principales propriétés : la malléabilité et le rapport qualité-prix. Ces deux propriétés le rendent polyvalent et durable pour une large gamme de produits répartis dans diverses industries.

Le plastique est divisé en deux catégories principales : les plastiques thermodurcissables et les thermoplastiques. Ces deux catégories sont définies en fonction de leur capacité à être moulés en formes désirées sous certaines conditions de température et de pression. Les thermoplastiques peuvent être moulés encore et encore. Leur structure moléculaire leur permet d’être ramollis, fondus et remodelés à maintes reprises, ce qui n’est pas possible avec les thermodurcissables qui ne peuvent pas être remoulés.

Les thermoplastiques sont également divisés en structures cristallines et amorphes, dont l’utilisation finale détermine les plastiques qui seront utilisés. Les résines cristallines sont le nylon, l’acétal, le polyester thermoplastique et les polyéthylènes. Les résines amorphes sont le PVC, le styrène, l’ABS et le polycarbonate. Les résines cristallines et amorphes peuvent être fondus, formés et soudés avec différentes techniques utilisées pour le processus de fabrication.

Une fois qu’un thermodurcissable est polymérisé, il ne peut plus être fondu et reformé. Ils peuvent être découpés, usinés et assemblés à l’aide d’adhésifs. Les thermodurcissables courants sont les phénoliques, le bakélite, le G-10 et les polyesters GPO. Ces matériaux solides et durables sont utilisés pour les isolateurs et les composants structurels.

Les thermodurcissables et les thermoplastiques sont divisés en sept catégories en fonction de leur structure moléculaire et sont utilisés comme codes de recyclage. Les symboles triangulaires placés sur les matériaux fabriqués à partir des plastiques permettent d’identifier le type de plastique. Les sept catégories sont les suivantes :

1. Polyéthylène téréphtalate (PETE) – est une condensation de l’éthylène glycol et de l’acide téréphtalique, et est produite par polymérisation par étapes.
2. Polyéthylène haute densité (HDPE) – est l’un des thermoplastiques les plus polyvalents fabriqué à partir de pétrole avec une structure cristalline linéaire.
3. Chlorure de polyvinyle (PVC) – est un thermoplastique à haute résistance disponible sous forme rigide ou souple grâce à l’ajout d’un plastifiant.
4. Polyéthylène basse densité (LDPE) – est également dérivé du pétrole mais présente une structure de liaison ramifiée, ce qui lui confère sa souplesse et sa ductilité en raison de sa faible cristallinité.
5. Polypropylène (PP) – fait partie du groupe des polyoléfines et est non polaire et partiellement cristallin. C’est le deuxième plastique le plus produit au monde.
6. Polystyrène (PS) – est fabriqué à partir de la polymérisation du styrène et peut être transformé en polystyrène expansé (EPS) et en polystyrène extrudé (XPS).
7. Divers types de fabrications – est une catégorie créée pour les plastiques qui ne rentrent pas dans les six autres catégories et comprend les acryliques, le nylon, les polycarbonates, les polylactiques ou les bioplastiques, et les combinaisons multicouches de différents matériaux plastiques.

Le plastique est divisé en deux catégories principales : les plastiques thermodurcissables et les thermoplastiques. Ces deux catégories sont définies en fonction de leur capacité à être moulées en formes désirées sous certaines conditions de température et de pression. Les plastiques qui peuvent être moulés encore et encore sont les thermoplastiques. Leur structure moléculaire leur permet d’être ramollis, fondus et remodelés à maintes reprises. En revanche, les plastiques thermodurcissables, également appelés thermodurcis, ne peuvent pas être remoulés.

Ces deux catégories de plastiques sont ensuite divisées en 7 types en fonction de leur structure moléculaire et sont utilisées par différentes industries pour fabriquer des produits avec les spécifications requises. Les sept types de plastiques sont les suivants :

• Polyéthylène téréphtalate (PET)
• Polyéthylène haute densité (HDPE)
• Chlorure de polyvinyle (PVC)
• Polypropylène (PP)
• Polystyrène (PS)
• Autres types de fabrication

Chapitre 2 – Méthodes de fabrication plastique

Il existe une grande variété de méthodes de fabrication plastique en fonction des caractéristiques distinctes et du produit final. Les méthodes de fabrication plastique les plus courantes sont les suivantes :

• Soudage des plastiques
• Compoundage
• Lamination des plastiques
• Moulage
• Extrusion des plastiques
• Thermoformage
• Découpe à l’emporte-pièce
• Pultrusion
• Forgeage
• Moulage sous vide

1. Soudage des plastiques

Le soudage des plastiques, tout comme toute autre méthode de soudage, consiste à faire fondre deux pièces à assembler pour créer une liaison moléculaire entre elles. Il existe trois principales étapes dans le soudage des plastiques : le pressage, le chauffage et le refroidissement. Pour fusionner deux types de plastiques différents, un matériau de remplissage est utilisé, notamment lorsque les deux plastiques présentent une différence significative de points de fusion. Ce matériau de remplissage crée une liaison adhésive entre les deux plastiques qui offre une plus grande résistance. Le soudage des plastiques peut être réalisé par plusieurs méthodes, notamment le soudage par contact, la rotation, les vibrations haute fréquence, l’émission de gaz chaud, etc. Ces méthodes sont largement différenciées en fonction de la possibilité de refroidissement, des considérations mécaniques et de certaines lignes directrices générales du processus.

2. Compoundage des plastiques

La deuxième méthode de fabrication plastique est le compoundage, également connu sous le nom de technique de mélange. Dans cette méthode, deux ou plusieurs types de plastiques sont combinés avec des additifs pour créer une amalgamation. Plus tard, ils sont transformés en différentes parties à l’aide de moules, de matrices et d’autres outils de formage. Le but de cette méthode est de créer un matériau facile à traiter et pouvant fournir les spécifications requises, car ce processus modifie les caractéristiques thermiques, physiques, électriques et esthétiques du plastique. Certains plastiques de compoundage courants comprennent des charges polymères, des concentrés de pigments, des résines de base, des agents de soufflage et des composés de purge.

3. Lamination des plastiques

Dans la méthode de lamination des plastiques, différentes couches de plastique sont maintenues ensemble pour créer une barrière le long de la surface d’un autre matériau. Cette technique améliore non seulement la durabilité et l’esthétique du produit, mais réduit également le besoin éventuel d’entretien en protégeant le matériau sensible et sensible à la détérioration. Il existe deux types courants de lamination des plastiques, le film et la résine. Dans les deux types, la chaleur et la pression sont appliquées pour créer la barrière. La lamination du film est considérée comme plus efficace que la lamination de la résine. Bien que l’application de résine soit fréquemment utilisée pour créer des couches adhésives entre des matériaux courants tels que le papier, les tissus, etc. Le principal inconvénient de ce processus est qu’il nécessite beaucoup de temps, ce qui entraîne un taux de production très faible par rapport à d’autres méthodes de fabrication plastique. Cependant, cette méthode produit du plastique avec des propriétés telles que la résistance, la rigidité et la résistance à la température supérieures à celles des autres méthodes.

4. Moulage des plastiques

Le moulage des plastiques est l’un des processus les plus anciens qui reste populaire parmi les fabricants de plastique. Dans le moulage des plastiques, le plastique est chauffé, fondu et versé dans un moule pour se solidifier autour/à l’intérieur de celui-ci.

Le moulage des plastiques présente différentes variantes, dont certaines sont discutées ci-dessous.

Moulage par Injection

Dans le moulage par injection, le plastique fondu est injecté dans un moule, puis refroidi pour obtenir les pièces moulées. C’est l’une des méthodes de moulage les plus polyvalentes connues aujourd’hui. Elle peut être utilisée pour fabriquer de grandes pièces telles que des pièces automobiles et aussi des petits produits tels que des instruments chirurgicaux. Ce processus a un coût élevé, mais cela peut être surmonté en l’utilisant pour la production de masse. Il est divisé en 6 étapes principales :

• Serrage
• Injection
• Temps de séjour
• Refroidissement
• Ouverture du moule
• Retrait de la pièce.

Moulage par Compression

Dans le moulage par compression, le plastique est chauffé puis comprimé à l’aide d’une presse pour obtenir la forme désirée, suivie d’un durcissement afin de maintenir l’intégrité du produit final et d’éviter toute déformation. Ce processus est largement utilisé pour fabriquer des produits de différentes longueurs, épaisseurs et complexités. Le produit final fabriqué par moulage par compression est plus solide, plus léger, plus rigide et plus résistant à la corrosion que les pièces en métal. Un autre avantage important de cette méthode est la capacité à accueillir des conceptions complexes. Bien que la vitesse de cette technique ne soit pas comparable à celle de l’injection, elle offre plus de possibilités que tout autre processus de moulage.

Ce processus fonctionne avec des plastiques thermodurcissables et comprend quatre étapes principales :

1. Création du moule
2. Pré-formage et chauffage
3. Compression
4. Durcissement

Moulage par Rotation

Le moulage par rotation, également appelé roto-moulage, est une méthode de fabrication plastique utilisée pour fabriquer des pièces creuses. Il utilise des mouvements de rotation pour recouvrir la zone intérieure du moule avec du plastique chauffé pour former une couche par-dessus la couche, créant ainsi la pièce désirée. Le coût total de ce processus est très faible par rapport aux autres méthodes de moulage car il n’y a pas de pression impliquée, donc le moule est bon marché.

Grâce à cette raison, ce processus est économique même pour les petites séries de production. Cette méthode est utilisée pour fabriquer une gamme diversifiée de produits car il n’y a aucune restriction sur la forme ou la taille du moule, ce qui en fait des milliers d’applications. Un autre avantage majeur de cette technique est qu’il n’y a pratiquement aucun déchet, car tout le plastique en excès peut être réutilisé dans la production de la pièce suivante. Quelques applications du moulage par rotation comprennent les canoës, les pièces automobiles, les jouets et les bouées.

Moulage par Soufflage

Le soufflage est un autre processus de fabrication plastique qui implique le chauffage du plastique et son transfert dans un moule. Dans cette méthode, les tubes de plastique appelés paraison sont chauffés et transférés dans le moule, puis à l’ouverture du tube, de l’air est soufflé pour gonfler le tube dans la forme souhaitée.

Le matériau utilisé dans cette méthode est des granulés thermoplastiques qui peuvent être soit du polyéthylène haute densité, soit du polypropylène, soit du polystyrène, soit du chlorure de polyvinyle. Dans le soufflage, il existe trois principaux types : le soufflage par extrusion, le soufflage par injection et le soufflage par étirement. Bien que dans chaque sous-type quelques étapes diffèrent les unes des autres, les principes fondamentaux restent les mêmes : l’air est soufflé dans les tubes de plastique chauffés pour obtenir une forme souhaitée. Cette méthode est populaire pour fabriquer des bouteilles, des réservoirs de carburant, etc.

Le plus grand avantage du soufflage est le faible coût des outils et des matrices et les vitesses de production rapides. Cependant, les produits fabriqués à partir du soufflage ont une résistance limitée.

5. Extrusion des plastiques

L’extrusion des plastiques est un processus continu dans lequel le plastique brut est chauffé et poussé à travers une chambre pour être formé en un profil continu tel que des tuyaux, des tubes, des films, des clôtures, des balustrades de terrasse, des cadres de fenêtres, etc. Le plastique fondu appelé résine est tiré à l’intérieur d’un cylindre chauffé, puis poussé hors du moule pour obtenir la forme désirée. Il s’agit d’un processus de production à grande échelle.

Ce processus commence par l’alimentation de granulés de plastique dans la chambre de l’extrudeuse à partir d’une trémie. Ensuite, ces granulés sont fondus par le chauffage généré par la rotation de la vis à l’intérieur de la chambre et le chauffage présent à l’intérieur. Plus tard, le plastique fondu est poussé dans une filière qui lui donne la forme géométrique souhaitée et permet au plastique fondu de refroidir.

L’extrusion des plastiques est préférée par les fabricants en raison de sa vitesse, de sa reproductibilité et de sa robustesse. De plus, les produits formés par cette méthode supportent mieux le stress que toute autre méthode de fabrication plastique car les plastiques extrudés n’ont pas de coutures dans leur profil continu.

6. Thermoformage des plastiques

Le thermoformage est un autre processus de fabrication plastique dans lequel les thermoplastiques sont chauffés et remodelés sous pression. C’est un processus unique qui implique l’utilisation de plastique très fin et est réalisé par diverses techniques, notamment le pliage de feuilles de plastique et le formage sous vide. Dans ce processus, le coût du moule est considérablement réduit par rapport aux autres processus de fabrication plastique car la pièce thermoformée n’a pas besoin de conditions élevées de température et de pression pour être fabriquée.

En raison de cela, le moule utilisé dans le thermoformage est souvent fabriqué à partir de bois, de plâtre de Paris, de plastique ou d’aluminium. Il s’agit d’un processus polyvalent et efficace. Il est généralement utilisé dans l’emballage des aliments, la fabrication de gobelets jetables, de jouets, de pare-brise d’avions et de plateaux de cafétéria.

7. Découpe à l’emporte-pièce

La découpe à l’emporte-pièce est un autre processus de fabrication plastique qui utilise des machines et des outils spécialisés pour convertir une matière première en coupe, en forme et en découpe personnalisées. Il s’agit d’une technique flexible qui prend en charge la personnalisation. Le processus de découpe à l’emporte-pièce convient à une large gamme de géométries. Il a également des applications dans divers domaines, notamment la découpe de néoprène, de joints, de papier, d’emballage, de tissu et la production de mousse découpée à l’emporte-pièce.

La découpe à l’emporte-pièce est l’une des techniques les plus efficaces pour découper des films et des feuilles de plastique minces en pièces finies. Certains des plastiques couramment fabriqués grâce au processus de découpe à l’emporte-pièce sont le film de polycarbonate, le film de polyester et la feuille de polyéthylène haute densité. Les avantages de ce processus comprennent une vitesse de production élevée, la possibilité d’utiliser une main-d’œuvre non qualifiée, des coûts d’outillage réduits, etc.

8. Pultrusion

La pultrusion est un processus dans lequel des forces continues sont exercées sur des fibres pendant un mouvement mécanique continu. Les tresses de fibres sont d’abord tirées à travers un bain de résine avant de commencer à être tirées par deux filières métalliques chauffées. La pultrusion convient à la fabrication de pièces creuses et solides telles que des barres plates et des tubes.

Bien que ce soit un processus coûteux en raison des exigences en matière d’outillage, la pultrusion est remarquable pour la grande régularité et la résistance des pièces qu’elle produit. Selon la composition du bain de résine, les produits peuvent également être rendus résistants au feu, à la chaleur, à l’électricité, aux produits chimiques ou aux facteurs environnementaux. Par conséquent, il est souvent utilisé dans la fabrication de meubles et de machines pour les usines chimiques ou les installations agricoles. Cette méthode convient aux pièces dans lesquelles la tolérance dimensionnelle est un aspect critique et nécessite des fractions de volume de fibres élevées.

Quelques avantages de cette méthode comprennent un faible taux de refus, un contrôle précis de la fraction de volume de fibre et un excellent alignement. Une restriction minimale de ce processus est le besoin d’investissement initial et de main-d’œuvre qualifiée, etc.

9. Forgeage

Le processus de forgeage est un autre processus de fabrication plastique. Des coups sont donnés aux pièces à usiner à l’aide d’un marteau ou d’un autre outil pour les façonner dans la forme souhaitée. Les matériaux deviennent plus forts lorsqu’ils sont coulés ou traités avec de la métallurgie, ce qui leur confère la caractéristique d’être résistants aux chocs. Le forgeage est classé en deux types en fonction de la température utilisée pendant le processus : le forgeage à chaud et le forgeage à froid. Le forgeage à chaud est une technique dans laquelle la pièce est chauffée puis frappée dans la forme souhaitée. En frappant la pièce à des températures supérieures à la température de recristallisation, le gaz à l’intérieur du matériau est chassé, ce qui affine la structure du grain lors de la recristallisation, la rendant ainsi plus forte. En revanche, le forgeage à froid consiste à façonner le plastique en le frappant à température ambiante. Le forgeage à froid offre une grande précision et une résistance accrue. Cette méthode est utilisée pour fabriquer des produits tels que des outils, des couverts et des pièces pour l’industrie automobile et ferroviaire. Une utilisation particulière du forgeage est la fabrication de clubs de golf afin qu’ils supportent l’impact des coups.

10. Moulage sous vide

Le moulage sous vide, parfois appelé moulage par polyuréthane, utilise des moules en silicone pour fabriquer des pièces en plastique et en caoutchouc sous vide. C’est un processus de fabrication extrêmement adaptable, capable de reproduire le moulage par injection pour produire des pièces complexes en résines de polyuréthane et en nylon moulé. Comme le processus est sous vide, il produit un moulage de haute qualité sans bulles, avec une texture de surface lisse et sans défauts. Le moulage sous vide est l’un des moyens les plus rentables de produire des pièces en plastique de haute qualité et faible volume, qui peuvent être similaires aux pièces moulées par injection. Les pièces sont particulièrement adaptées pour des tests de forme, d’ajustement et de performance lors des étapes de conception, où elles peuvent être utilisées à des fins de marketing, de tests utilisateur sur le terrain et de vérification de la conception des produits. De nombreux types de résines de moulage sous vide sont commercialement disponibles et peuvent être utilisés pour créer des pièces répondant à une large gamme d’exigences de conception, telles que les exigences de température, les différentes textures de surface, la dureté, etc. Des matériaux sont également disponibles pour créer des pièces entièrement opaques, translucides ou totalement transparentes en utilisant cette méthode. Parfois, de la cire de haute qualité peut être utilisée avec le moulage sous vide pour la fabrication de moules d’investissement afin d’augmenter les détails plus fins des caractéristiques complexes.

Chapitre 3 – Techniques de finition des produits en plastique

Après la fabrication de la pièce, vient la phase de finition. Selon les exigences de la pièce, un processus d’usinage ou de soudage supplémentaire peut être nécessaire. Certains des derniers détails de finition sont purement esthétiques, mais d’autres peuvent également servir à des fins spécifiques. Quelle que soit la raison, cette dernière étape doit être effectuée après la fabrication de la pièce.

Processus d’usinage

Dans les processus d’usinage, les deux principales machines utilisées sont le fraisage CNC et le tour CNC. Les thermoplastiques rigides et les thermodurcissables peuvent être usinés par des procédés classiques tels que le perçage, la scie, le tournage sur un tour, le ponçage et autres opérations. Les thermosets renforcés de verre sont usinés pour fabriquer des engrenages, des poulies et d’autres formes, en particulier lorsque de nombreuses pièces ne justifient pas la construction d’un moule en métal. Diverses formes peuvent être découpées (découpées à l’emporte-pièce) à partir de feuilles de thermoplastiques et de thermodurcissables. Les gobelets fabriqués par thermoformage, par exemple, sont découpés à partir de la feuille mère à l’aide d’une matrice tranchante. Dans le cas d’un plastique thermoplastique comme le polystyrène, la chute de feuille restante peut être régrouper et remodelée.

Processus de soudage

En cas de besoin d’un processus de soudage, le processus de soudage est préféré. Le soudage est effectué de la même manière que pour les métaux. Les réservoirs en chlorure de polyvinyle, par exemple. Plus couramment, les surfaces sont assemblées en les mettant en contact les unes avec les autres et en les chauffant par conduction ou par transport d’électricité.

Processus de revêtement

Après le processus d’usinage ou de soudage (ou dans le cas où ils ne sont pas nécessaires), chaque pièce passe par trois étapes de finition : l’ébavurage, le nettoyage et le revêtement/décoration. Le processus d’ébavurage est responsable de l’élimination de tous les matériaux en excès autour des pièces. Il peut s’agir des composés en excès des processus précédents. Par conséquent, il est nécessaire de les éliminer. Après l’ébavurage, vient ensuite l’étape de nettoyage. Certains matériaux restants ou en excès peuvent adhérer à la surface du plastique, ce qui pourrait avoir une incidence sur le résultat des étapes ultérieures du processus de finition. Pour cette raison, un nettoyage approfondi est effectué pour s’assurer que la surface est impeccable. Après le nettoyage, vient ensuite la dernière étape du processus de finition. Selon où et comment la pièce sera utilisée, certaines peuvent nécessiter une touche de décoration. Comme mentionné précédemment, cela peut être à des fins purement esthétiques, mais cela ne signifie pas que cette étape n’est pas importante. Surtout dans les cas où la pièce sera utilisée dans un endroit visible, il est important de la rendre présentable également.

Chapitre 4 – Choix de la bonne technique

Maintenant, la question se pose : quelle méthode doit être utilisée pour fabriquer le design souhaité ? Cela peut être répondu en tenant compte des spécifications suivantes :

• Type de plastique
• Géométrie de la pièce
• Précision requise
• Qualité des pièces
• Flexibilité de conception
• Coût
• Délai de livraison

Différentes pièces nécessitent différentes spécifications et mesures de tolérance. Il est bon de prendre en compte ces facteurs avant de choisir la méthode de fabrication. La géométrie de la pièce joue également un rôle important dans la sélection de la méthode de fabrication car il peut être nécessaire d’optimiser la conception pour la fabrication (DFM) afin d’assurer une production plus économique. De plus, vous devez connaître les contraintes ou les conditions extrêmes auxquelles votre produit devra résister avant de finaliser le processus de fabrication. En plus de ces facteurs, vous devez également tenir compte des exigences esthétiques et fonctionnelles, puis équilibrer tous ces facteurs avec le coût.

En plus de ces spécifications, un autre aspect important est le coût par pièce. Le volume total des pièces que vous souhaitez fabriquer est très important. Certaines méthodes ont des coûts supplémentaires pour l’installation et l’outillage. Cependant, elles produisent des pièces peu coûteuses par pièce. En revanche, certaines méthodes à faible volume ont des coûts de configuration inférieurs avec un coût par pièce constant. Cela est dû à des temps de cycle plus lents, à une main-d’œuvre manuelle et à moins d’automatisation. De plus, un autre facteur majeur à prendre en compte est le délai de livraison des produits finis. Certains processus de fabrication créent les premières pièces en une journée seulement. D’autres processus à volume élevé comprennent l’outillage et la configuration qui peuvent prendre plusieurs mois.

Chapitre 5 – Machines de fabrication plastique de premier plan

Il existe de nombreuses machines disponibles pour la fabrication plastique aux États-Unis et au Canada. Ces machines sont essentielles dans la société actuelle car elles permettent une production efficace d’une large gamme de produits en plastique utilisés dans diverses industries, telles que la construction, l’automobile, l’aérospatiale et bien d’autres, contribuant ainsi à la croissance économique et au progrès technologique. Examinons quelques-unes de ces machines de premier plan ci-dessous.

Machines de moulage par injection Arburg Allrounder

Les machines Arburg Allrounder sont connues pour leur haute précision, leur fiabilité et leur polyvalence dans le moulage par injection. Elles offrent une large gamme de forces de serrage, de tailles de tir et de configurations, ce qui les rend adaptées à diverses applications de production de plastique. Ces machines sont souvent équipées de systèmes de contrôle avancés, de capacités de moulage précises et d’une consommation d’énergie efficace, ce qui en fait des