(thermoformage de pièces technologiques AP.ORG) - Allize-Plasturgie
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Action :<br />
PERFORMANCE TECHNOLOGIQUE PLASTURGIE<br />
Document Technique N°2 – Novembre 2010<br />
LE THERMOFORMAGE DE PIECES TECHNIQUES
LE THERMOFORMAGE DE PIECES TECHNIQUES<br />
SERAIT-IL UN PROCEDE ALTERNATIF A L’INJECTION <br />
Le <strong>thermoformage</strong> : un procédé qui mérite d’être mieux connu<br />
Les thermoformeurs <strong>de</strong> <strong>pièces</strong> techniques sont axés sur <strong>de</strong>s réalisations <strong>de</strong> <strong>pièces</strong> en plutôt<br />
gran<strong>de</strong>s dimensions et plutôt petites séries. Ils se trouvent fréquemment en compétition avec<br />
les professionnels du polyuréthane, <strong>de</strong>s résines ou du rotomoulage, et sont amenés sans cesse<br />
à comparer leurs résultats à ceux <strong>de</strong>s techniques alternatives. Concernant la compétition avec<br />
l’injection, le <strong>thermoformage</strong> pourrait se montrer parfois plus adapté et moins onéreux dans<br />
<strong>de</strong> nombreuses applications s’il n’était pas délaissé <strong>de</strong>s industriels. Mais pour changer cela, il<br />
y a sans doute à mieux faire connaître le <strong>thermoformage</strong> et ses potentialités.<br />
Une technique adaptée à la petite série<br />
FM Développement est une PME spécialisée dans les techniques <strong>de</strong> formage, <strong>de</strong><br />
<strong>thermoformage</strong>, d’usinage et d’assemblage pour <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> plastiques ou métalliques. Depuis<br />
quelques années, cette entreprise prospecte les marchés classiquement réservés à la technique<br />
d’injection pour proposer ses services. L’expérience <strong>de</strong> la PME montre que le <strong>thermoformage</strong><br />
peut occuper une place importante dans la fabrication <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> techniques <strong>de</strong> petites séries,<br />
ainsi que dans les phases d’avant projet pour réaliser les <strong>pièces</strong> prototypes ou les premières<br />
séries avant la décision par le donneur d’ordre <strong>de</strong> faire réaliser un moule d’injection. Cet état<br />
<strong>de</strong> fait s’explique par les atouts indéniables que représente le <strong>thermoformage</strong> comparé à la<br />
technique d’injection : rapidité dans le lancement d’une production, simplicité <strong>de</strong> conception<br />
et <strong>de</strong> réalisation <strong>de</strong>s outillages et donc <strong>de</strong>s outillages beaucoup moins coûteux. Toutefois,<br />
compte-tenu <strong>de</strong> la nécessité d’associer au procédé <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong> <strong>de</strong>s opérations d’usinage<br />
et <strong>de</strong> finition, le coût <strong>de</strong> fabrication <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> thermoformées est supérieur à celui <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong><br />
injectées : la technique <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong> ne peut donc pas être retenue pour la fabrication<br />
<strong>de</strong>s gran<strong>de</strong>s séries.<br />
La fabrication <strong>de</strong> boîtiers en ABS thermoformés<br />
FM Développement a mis au point les solutions <strong>de</strong> fabrication <strong>de</strong> boîtiers d’appareillage<br />
électrique et électronique par la technique <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong>. L’enjeu était <strong>de</strong> taille quand on<br />
sait le niveau <strong>de</strong> qualité attendu par le client, niveau qui <strong>de</strong>vait être comparable à celui que<br />
l’on obtient par le procédé d’injection : bonne précision géométrique, bel aspect <strong>de</strong> pièce,<br />
intégration <strong>de</strong> fonctions.<br />
Le boîtier est réalisé par emboîtement et vissage <strong>de</strong> 2 coques en ABS. Dans la solution FM<br />
Développement, les 2 coques sont fabriquées par <strong>thermoformage</strong> dans un moule négatif en<br />
alliage d’aluminium usiné, comportant 2 empreintes correspondant aux 2 coques. Les 2<br />
coques formant le boîtier sont réalisées dans le même cycle et la même plaque. Des usinages<br />
complètent ensuite le <strong>thermoformage</strong> <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> pour obtenir les évi<strong>de</strong>ments et réaliser la<br />
zone d’emboîtement <strong>de</strong>s 2 coques. La précision <strong>de</strong>s usinages est obtenue grâce au bon<br />
positionnement et au bon maintien <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> sur un support adapté. Pour terminer, <strong>de</strong>s<br />
colonnettes sont fabriquées et collées sur les coques. Elles sont <strong>de</strong>stinées à recevoir les vis <strong>de</strong><br />
fixation <strong>de</strong>s 2 coques servant à fermer le boîtier.<br />
Les investissements en outillages pour la fabrication du boîtier se sont élevés à 5.000 euros, et<br />
le coût <strong>de</strong> production d’un boîtier est <strong>de</strong> 90 euros. Le moule a été réalisé en 2 semaines et les
premières <strong>pièces</strong> sont sorties environ 1 mois après la comman<strong>de</strong> du client pour sa plus gran<strong>de</strong><br />
satisfaction, tant sur le plan réactivité que sur le plan qualité <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> obtenues.<br />
La solution en injection aurait nécessité un investissement <strong>de</strong> 40.000 euros avec un coût <strong>de</strong><br />
production <strong>de</strong>s boîtiers s’élevant à 10 euros l’unité.<br />
Le succès <strong>de</strong> cette aventure est fortement lié aussi au savoir-faire du thermoformeur :<br />
- gran<strong>de</strong> maîtrise <strong>de</strong> la technologie <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong> <strong>de</strong> l’ABS en 6 mm, en moule<br />
négatif, avec la difficulté d’avoir les faces d’aspect du boîtier côté moule,<br />
- gran<strong>de</strong> précision <strong>de</strong>s opérations d’usinage nécessitant un positionnement parfait <strong>de</strong>s<br />
<strong>pièces</strong>,<br />
- grand soin apporté par l’opérateur lors du collage.<br />
Quelques temps après le démarrage <strong>de</strong> la production <strong>de</strong>s boîtiers, le client a eu besoin<br />
d’ajouter à la pièce <strong>de</strong>s nouvelles fonctionnalités. Cette <strong>de</strong>man<strong>de</strong> a été aisément satisfaite<br />
compte-tenu <strong>de</strong> la facilité <strong>de</strong> modification <strong>de</strong>s outillages <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong> et les relativement<br />
faibles coûts engendrés, comparé au procédé d’injection.<br />
4 ans après le début du développement <strong>de</strong>s boitiers, ceux-ci sont toujours produits à raison <strong>de</strong><br />
150 à 200 <strong>pièces</strong>/an. Le client n’envisage pas <strong>de</strong> passer à la solution d’injection.<br />
Depuis, d’autres types <strong>de</strong> boîtiers pour <strong>de</strong>s applications <strong>de</strong> la santé sont réalisés en<br />
<strong>thermoformage</strong> par FM Développement.<br />
Etu<strong>de</strong> comparative <strong>de</strong> choix <strong>de</strong> procédés<br />
Pour mieux comprendre le domaine d’application du <strong>thermoformage</strong>, une étu<strong>de</strong> comparative<br />
<strong>de</strong> choix <strong>de</strong> procédé a été réalisée pour une pièce <strong>de</strong> siège du secteur du transport public.<br />
Cette étu<strong>de</strong> a été menée en partenariat par plusieurs sociétés, Cadflow, Crystalid, Forminov,<br />
Form-tech, Utz, Velfor, Vitasheet, avec le soutien <strong>de</strong> l’association Thermoformer. Cette étu<strong>de</strong><br />
avait pour objectif d’apporter <strong>de</strong>s arguments en faveur du <strong>thermoformage</strong> et <strong>de</strong> convaincre<br />
l’équipementier qui fabrique les sièges par estampage d’aluminium, <strong>de</strong> changer <strong>de</strong> procédé.<br />
Dans l’étu<strong>de</strong>, la coque du siège a été étudiée pour 3 hypothèses <strong>de</strong> production : 500 <strong>pièces</strong>,<br />
2000 <strong>pièces</strong> ou 20.000 <strong>pièces</strong> à produire. Et différents procédés ont été envisagés en<br />
comparaison à l’aluminium estampé : ABS/PC thermoformé, ABS/PC injecté, polyester fibres<br />
<strong>de</strong> verre par moulage au contact et par le procédé RTM, SMC par moulage par compression.<br />
Il ressort <strong>de</strong> cette étu<strong>de</strong> que le <strong>thermoformage</strong> présente un avantage sur le plan économique<br />
lorsqu’il s’agit <strong>de</strong> produire <strong>de</strong>s séries <strong>de</strong> 500 ou 2000 <strong>pièces</strong> du fait d’un coût d’outillage<br />
inférieur à celui <strong>de</strong>s procédés d’injection et d’estampage. Toutefois, le <strong>thermoformage</strong> n’a pas<br />
la même capacité <strong>de</strong> production que les procédés d’injection et d’estampage à propos <strong>de</strong><br />
nombre <strong>de</strong> <strong>pièces</strong> fabriquées par unité <strong>de</strong> temps.<br />
Quelques chiffres montrent les écarts <strong>de</strong> prix obtenus dans le cadre <strong>de</strong> cette étu<strong>de</strong> précise,<br />
dans l’hypothèse d’une production <strong>de</strong> 2000 <strong>pièces</strong> :
Prix unitaire<br />
pièce (€)<br />
Prix outillage<br />
(€)<br />
Ca<strong>de</strong>nce<br />
(nbre <strong>pièces</strong> /jour)<br />
Coût <strong>de</strong> la série<br />
investist + production<br />
(k€)<br />
Thermoformage 25 à 30 10.000 42 64<br />
Injection 4,47 100.000 168 109<br />
Estampage 25 à 30 50.000 210 104<br />
Compression SMC 10 à 15 50.000 42 74<br />
Moulage contact 70 5.000 21 145<br />
RTM 64 10.000 21 138<br />
Même tableau, dans l’hypothèse d’une production <strong>de</strong> 20.000 <strong>pièces</strong> :<br />
Prix unitaire<br />
pièce (€)<br />
Prix outillage<br />
(€)<br />
Ca<strong>de</strong>nce<br />
(nbre <strong>pièces</strong> /jour)<br />
Coût <strong>de</strong> la série<br />
investist + production<br />
(k€)<br />
Thermoformage 25 à 30 10.000 42 500<br />
Injection 4,47 100.000 168 189<br />
Estampage 25 à 30 50.000 210 590<br />
Compression SMC 10 à 15 50.000 42 290<br />
Moulage contact 70 5.000 21 1.405<br />
RTM 64 10.000 21 1.290<br />
Le <strong>thermoformage</strong> : <strong>de</strong>s progrès techniques<br />
On constate <strong>de</strong>s progrès dans le <strong>thermoformage</strong> pour <strong>de</strong>s <strong>pièces</strong> plus performantes, plus<br />
précises, un procédé plus rapi<strong>de</strong>, plus économe en matière, <strong>de</strong>s outillages optimisés. Depuis<br />
longtemps le <strong>thermoformage</strong> est une technologie respectueuse <strong>de</strong> l’environnement avec une<br />
consommation réduite en énergie et un recyclage intégré dans les process. Les tendances<br />
actuelles se situent dans la capacité à réduire encore les épaisseurs <strong>de</strong> <strong>pièces</strong>, à mettre en<br />
œuvre <strong>de</strong>s matières nouvelles, à améliorer le procédé, à progresser en faveur du<br />
développement durable.<br />
A propos d’utilisation <strong>de</strong> matières, on n’en est plus au temps où le <strong>thermoformage</strong> était une<br />
technique rustique réservée avant tout à <strong>de</strong>s matières à large plage viscoélastique (PS ABS,<br />
PVC, acryliques). On en vient <strong>de</strong> plus en plus à thermoformer <strong>de</strong>s polymères plus complexes :<br />
PP, PC, PET, <strong>de</strong>s semi-cristallins techniques qui ne pardonnent plus l’approximation, voire<br />
<strong>de</strong>s composites <strong>de</strong> fibres <strong>de</strong> verre ou <strong>de</strong> charges naturelles.<br />
Par exemple, l’institut <strong>de</strong> recherche en plasturgie (IKV) en Allemagne a travaillé à partir du<br />
procédé <strong>de</strong> formage pour permettre la mise en œuvre en petites séries <strong>de</strong> composites à matrice<br />
thermoplastique (PA 6, PA 66, PPS) renforcés tissu <strong>de</strong> verre. Le procédé a été modifié pour<br />
permettre le chauffage <strong>de</strong> la plaque à haute température tout en réduisant les déperditions <strong>de</strong><br />
chaleur avant le formage <strong>de</strong> la plaque : 4 accroches isolantes maintiennent la plaque, celle-ci<br />
est chauffée par un système infra-rouge radiant, le moule est régulé en température, en partie<br />
supérieure, au moment du formage, une pression est appliquée sur la plaque par<br />
l’intermédiaire d’un diaphragme en silicone, avec un temps <strong>de</strong> contact du diaphragme sur la<br />
plaque inférieur à 10 secon<strong>de</strong>s. Cette technologie permet la fabrication <strong>de</strong> façon économique<br />
d'une gran<strong>de</strong> variété <strong>de</strong> <strong>pièces</strong> moulées renforcée par <strong>de</strong>s toiles tissées pour <strong>de</strong>s petites séries<br />
ou pour <strong>de</strong>s prototypes. Les premiers résultats semblent être satisfaisants en termes <strong>de</strong> qualité<br />
<strong>de</strong> <strong>pièces</strong> produites.
L’apport <strong>de</strong> la simulation<br />
Les logiciels <strong>de</strong> CAO et <strong>de</strong> simulation du <strong>thermoformage</strong> permettent aujourd’hui d’optimiser<br />
le procédé, et ceci dès la phase <strong>de</strong> développement du projet dans le but <strong>de</strong> définir les<br />
paramètres essentiels <strong>de</strong> conception : choix <strong>de</strong> matière, géométrie <strong>de</strong> la pièce, technique <strong>de</strong><br />
<strong>thermoformage</strong>, régulation <strong>de</strong> l’outillage, etc.<br />
La société Cadflow propose entre-autres <strong>de</strong>s logiciels <strong>de</strong> simulation et <strong>de</strong>s prestations pour le<br />
<strong>thermoformage</strong>.<br />
Un logiciel <strong>de</strong> simulation va par exemple être capable <strong>de</strong> montrer pour un cas précis, à quel<br />
moment et à quel endroit la plaque chauffée va entrer en contact avec le moule, à quel<br />
moment l’aspiration est déclenchée, quelle est la vitesse le refroidissement <strong>de</strong> la pièce, quelle<br />
est la répartition finale <strong>de</strong>s épaisseurs <strong>de</strong> la pièce. En fonction <strong>de</strong> ces résultats, l’opérateur<br />
peut choisir sur son logiciel d’ajuster les paramètres <strong>de</strong> conception : modification <strong>de</strong> la<br />
régulation du moule, introduction du bullage dans le procédé, … puis <strong>de</strong> lancer <strong>de</strong> nouveau le<br />
calcul jusqu’à obtenir par exemple une plaque qui se déforme en épousant davantage la<br />
géométrie finale <strong>de</strong> la pièce, ou en donnant une meilleure répartition <strong>de</strong>s épaisseurs finales <strong>de</strong><br />
la pièce. Les paramètres optimisés par la simulation seront appliqués pour concevoir le<br />
produit et l’outillage.<br />
L’optimisation et le suivi <strong>de</strong> production<br />
Jusqu’à présent, peu <strong>de</strong> moyens existaient autour du procédé <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong> pour<br />
permettre l’optimisation <strong>de</strong>s réglages et le suivi <strong>de</strong> la production, tout au plus un pyromètre<br />
pour mesurer la surface <strong>de</strong> la plaque pendant le chauffage puis le formage.<br />
La Société TFX a développé une technique <strong>de</strong> contrôle et d’optimisation du procédé <strong>de</strong><br />
<strong>thermoformage</strong> à partir <strong>de</strong> mesures réalisées dans l’outillage. Cette technique nécessite<br />
l’implantation <strong>de</strong> capteurs <strong>de</strong> température dans l’outillage <strong>de</strong> <strong>thermoformage</strong>, proche <strong>de</strong> la<br />
surface d’empreinte. Ces capteurs sont couplés à un système <strong>de</strong> contrôle et d’acquisition <strong>de</strong><br />
données. Un logiciel permet l’exploitation <strong>de</strong>s résultats. Le nombre <strong>de</strong> capteurs et le choix <strong>de</strong><br />
leur implantation dans l’outillage dépend <strong>de</strong> l’application et <strong>de</strong> ce que l’on cherche à<br />
exploiter.<br />
Un tel outil va apporter une ai<strong>de</strong> à la mise au point <strong>de</strong> l’outillage et à l’optimisation <strong>de</strong>s<br />
réglages. Il permet par exemple <strong>de</strong> mesurer la chute <strong>de</strong> température <strong>de</strong> la matière pendant son<br />
refroidissement et ainsi <strong>de</strong> contrôler l’efficacité du moule au refroidissement et l’homogénéité<br />
<strong>de</strong> température.<br />
C’est un outil qui peut réaliser un suivi <strong>de</strong> la production au cours du temps pour la traçabilité<br />
ou pour détecter les dérives <strong>de</strong> production. Il permet par exemple <strong>de</strong> montrer les variations <strong>de</strong><br />
mise en forme liées à <strong>de</strong>s changements <strong>de</strong> viscosité <strong>de</strong> la matière.<br />
Enfin, c’est un outil qui pourrait piloter certains paramètres <strong>de</strong> réglage comme le temps <strong>de</strong><br />
refroidissement en fonction du refroidissement mesuré sur la pièce.<br />
Conclusion<br />
Le <strong>thermoformage</strong> est un procédé qui possè<strong>de</strong> <strong>de</strong> réels atouts et qui semble avoir <strong>de</strong> belles<br />
perspectives <strong>de</strong>vant lui pour évoluer vers <strong>de</strong>s applications à haute valeur ajoutée, mais ceci<br />
dépendra <strong>de</strong>s choix et <strong>de</strong> la volonté <strong>de</strong>s industriels <strong>de</strong> la profession.
Novembre 2010<br />
Dominique <strong>AP</strong>PERT<br />
Ingénieur R&D<br />
CFP<br />
d.appert@cfp-france.com<br />
Boitier thermoformé - Documentation FM Développement<br />
Coque <strong>de</strong> siège - Documentation Cadflow