Optimisation et modélisation du procédé de rotomoulage

Optimisation et modélisation du procédé de rotomoulage
Résumé
Le rotomoulage est un procédé de transformation des matières plastiques qui permet principalement la
réalisation de pièces creuses de grandes dimensions, sans reprise, ni lignes de soudure. Ce procédé est connu
depuis une cinquantaine d’années, mais son utilisation est restreinte à des pièces peu ou pas techniques : silos,
balises, jouets. Les entreprises de rotomoulage sont généralement de petites sociétés, utilisant un savoir-faire
empirique, et qui sont peu génératrices d’innovations. Les inconvénients majeurs du rotomoulage sont
aujourd’hui le temps de cycle et la non maîtrise du procédé. Or de nouveaux marchés, notamment l’automobile,
ayant des exigences de productivité, de rendement et de qualité se profilent. Afin de saisir l’opportunité offerte
par ces nouveaux marchés, il est nécessaire d’améliorer l’adéquation entre le procédé de rotomoulage et le
matériau.
Les objectifs de ce projet sont d’une part de mieux comprendre les relations qui existent entre le matériau, le
procédé et les propriétés des pièces finales et d’autre part, d’avoir un meilleur contrôle du procédé en analysant
les échanges thermiques. C’est dans ce cadre que ce projet de thèse a été monté, en tant que thèse CIFRE au
Laboratoire de Recherche Pluridisciplinaire en Plasturgie (Site de Plasturgie de l’INSA de Lyon à Oyonnax) avec
le Pôle Européen de Plasturgie, en partenariat avec MECAPLAST GROUP et la Région Rhône-Alpes.
Une étude bibliographique nous a permis d’identifier les verrous technologiques et scientifiques du procédé de
rotomoulage. Les principaux points que nous avons cernés concernent les critères de choix du matériau et la
modélisation du procédé. Cette thèse se décompose donc en deux parties : la première traite des relations entre la
structure du matériau, le procédé et les propriétés finales des pièces rotomoulées ; la seconde partie présente la
modélisation des échanges thermiques au cours du rotomoulage.
Durant le processus de mise en œuvre, le matériau polymère subit différentes transformations physiques : la
fusion, la coalescence des particules, la densification du volume à l’état fondu et la solidification. La
compréhension des mécanismes qui régissent les évolutions morphologiques et structurales du matériau a permis
d’expliquer les défauts qui apparaissent dans les pièces finales. Pour cela, une caractérisation approfondie du
matériau a été menée et le phénomène de coalescence-densification a été modélisé. Les défauts et propriétés des
pièces rotomoulées avec la machine de laboratoire ont été analysés (bulles, vagues, propriétés mécaniques) et mis
en relation avec les propriétés du matériau et les cinétiques de coalescence et de densification.
Afin d’étudier les phénomènes d’échanges thermiques et d’optimiser le cycle de production, un dispositif
expérimental instrumenté simulant de manière locale la paroi du moule a été mis en place au Centre de
thermique de l’INSA de Lyon. Une modélisation des échanges thermiques intervenant lors du cycle de fabrication
a été validée en comparant les résultats numériques aux résultats expérimentaux obtenus sur la plaque
instrumentée. D’autre part, une étude a été réalisée en collaboration avec le Laboratoire de Thermocinétique de
Nantes sur l’analyse expérimentale des transferts thermiques au cours du rotomoulage. Pour cela, une métrologie
thermique fine, notamment par fluxmètrie, a été utilisée in situ, directement sur la machine de rotomoulage en
fonctionnement. En s’appuyant sur un modèle de cinétique de cristallisation déterminé expérimentalement, le
couplage entre les échanges thermiques et les changements de phase de polymères semi-cristallins a pu être
décrit pendant la phase de refroidissement.
Mots-clés : rotomoulage – propriétés rhéologiques – coalescence – densification – propriétés finales –
instrumentation – modélisation thermique.