PLASTURGIE :

UNE CONSOMMATION DE MATIERE AU PLUS JUSTE

22 NOVEMBRE 2011 – DIJON

La journée de l’innovation sur le thème de « la réduction de la consommation de matière

pour une production donnée » s’est déroulée le 22 novembre 2011 à Dijon, évènement

organisé par le Centre de Formation de la Plasturgie (CFP).

Introduction

La hausse et la fluctuation rapide et importante du prix des matières plastiques, les difficultés

d’approvisionnement et l’incertitude en l’avenir quant à la disponibilité des matières

premières obligent les acteurs en plasturgie à rechercher des solutions.

La journée de l’innovation du 22 novembre a permis de faire un tour d’horizon des solutions

visant à réduire la consommation de matière plastique pour une fabrication donnée, ou

permettant de trouver d’autres alternatives d’approvisionnement de matière première :

- les économies de matières qui s’opèrent dès la conception des produits,

- la valorisation de toutes les fractions de matières non encore recyclées et valorisées,

- des procédés existants qui contribuent à une certaine économie de matière première,

- les matières biosourcées comme une source alternative aux matières fossiles.

Voici le résumé des interventions des 10 conférenciers de la journée.

Résumé des interventions

1. L’apport de la simulation pour économiser la matière première tout en

respectant les cahiers des charges

Raphaël MOSNIER - Directeur - CADFLOW

CadFlow est une société constituée principalement d’une équipe de plasturgistes dont le

domaine de compétence concerne la simulation de nombreux procédés de fabrication :

injection, thermoformage, soufflage, extrusion-soufflage, injection-soufflage, ... En

complément à l’offre logiciels, CadFlow réalise des prestations de conseil, de formation et

d’assistance.

Cadflow a réalisé différentes études démontrant l’apport de la simulation dans l’économie de

matière première.

Dans le cas d’une poignée injectée, le remplacement du polypropylène par le même polymère

chargé talc ou chargé paille a permis de réduire l’épaisseur de la pièce de 3 dixièmes de

millimètres sans mettre en cause les critères du cahier des charges de la pièce. La réduction

d’épaisseur a réduit significativement la consommation de matière compte tenu de la série

importante à réaliser (5 millions de pièces), et a apporté un gain de productivité du fait de la

réduction du temps de cycle.

Dans une application de barquette alimentaire en PP thermoformé, la simulation a permis

d’optimiser la forme du poinçon pour obtenir une meilleure répartition des épaisseurs et donc

une meilleure tenue mécanique de la barquette. Puis dans une démarche de substitution de

matière, le PP a été confronté au PET. Ce dernier offre en final un avantage économique :

réduction de l’épaisseur du film (de 0,8 mm à 0,6 mm) et réduction de l’espace entre les

empreintes (10%).

2. Economies : méthodologie de développement de produit

Philippe BERTHOUD - Responsable Technique – PLASTFORM INGENIERIE

Plastform Ingénierie, filiale de MP2i, est un bureau d’études de 3 personnes spécialisé en

simulation numérique pour réaliser des calculs de structure et de rhéologie et pour proposer

des prestations de conseil, choix de matière, … Plastform Ingénierie, situé à Chalon-sur

Saône, travaille pour de nombreux secteurs de l’industrie : automobile, électroménager, sports

et loisirs, etc. En 2010, l’entreprise a réalisé un Chiffre d’Affaires de 200 K€.

Pour Mr Ph. Berthoud, réaliser des économies nécessite un raisonnement global et

multicritères, avec au préalable une définition précise du cahier des charges. La démarche

consiste à réfléchir sur l’ensemble de la fonction ou du produit, et non sur la pièce seule. A

partir de cette étape, les solutions d’économie de matière première sont à rechercher non

seulement dans le choix des matières mais aussi dans le choix des procédés et l’optimisation

des géométries. La simulation numérique (analyses structurales, rhéologiques, thermiques ou

thermomécaniques, ….) constitue un outil précieux d’optimisation des performances

mécaniques, thermiques du produit, de l’optimisation des géométries, de l’aptitude des pièces

à être mis en œuvre, … Ne pas oublier non plus que pour toute démarche aboutissant sur des

solutions innovantes, il sera nécessaire d’évaluer les risques dus aux changements, de prévoir

des délais supplémentaires de mise en œuvre et d’analyser au préalable les brevets éventuels

existants.

A titre d’illustration, Plastform Ingénierie a réalisé l’optimisation de la poignée de bouteille

de gaz dans le cadre du renouvellement du produit. Les critères principaux du cahier des

charges concernaient la protection de la valve de la bouteille lors d'une chute d'une hauteur

maximale de 2,5 mètres, la résistance chimique aux hydrocarbures, la résistance aux agents

climatiques. La poignée a été conçue en PE-HD et redimensionnée, aboutissant à une masse

de 220 g, contre 290 g pour la version initiale en PBT / PC. Compte-tenue de la différence

des prix de matière, les gains réalisés sur le coût de la matière première se situent proche de

80%.

3. Le recyclage des chutes et rebuts de production – développement pour les

composites, les bioplastiques à fibres naturelles, les matières surmoulées, les

pièces avec inserts, ….

Alain VALLETTE D’OSIA – Dirigeant - PRODHAG

PRODHAG est une entreprise de plasturgie qui emploie 80 salariés. Elle est spécialisée dans

le recyclage des rebuts de production : carottes d’injection, chutes de thermoformage et de

soufflage, pièces défectueuses, etc. L’entreprise possède 2 sites de production, l’un en Isère,

l’autre en Maine et Loire et produit 17500 tonnes de matière par an.

Prodhag s’est spécialisé dans cette activité dans le but de récupérer une quantité de matière

vouée à être perdue et de donner une plus grande valeur à une matière considérée comme un

rebut. L’entreprise propose des prestations de broyage, dépoussiérage, tamisage de produits

classiques pour une réutilisation autant que possible dans l’application d’origine. Mais le

savoir-faire de Prodhag se situe aussi dans le traitement des produits difficiles à recycler : les

pièces avec inserts, les composites avec fibres de verre ou fibres de carbone, les pièces multi-

matières, les élastomères, … Dans beaucoup de ces applications, les séries sont faibles

puisque les produits fabriqués sont normalement destinés à être vendus.

Les techniques mises en œuvre constituent le cœur de métier de Prodhag et ont été

développées dans l’objectif d’obtenir à partir du rebut de production, une nouvelle matière

première prête à l’emploi pour les plasturgistes, de granulométrie précise, dépoussiérée,

décontaminée et exempte de corps étrangers.

Parmi les techniques, on trouve chez Prodhag des broyeurs, des filtres, des pièges à particules

métalliques, des grilles à haut pouvoir magnétique, des séparateurs d’éléments non ferreux par

courant de Foucault, des systèmes de tri aérodynamique ou par flottaison pour la séparation de

matières mélangées. Il existe aussi des systèmes de tri colorimétrique, de tri infra-rouge, de tri

laser ou de tri triboélectrique… La qualité de la matière obtenue réside dans le choix et

l’adaptation des machines et outils utilisés mais aussi dans la maîtrise des paramètres de mise

en œuvre, comme par exemple le faible débit pour la séparation par courant de Foucault des

éléments non ferreux.

A titre d’exemple, Prodhag a traité des pièces sous capot moteur en polyamide avec inserts,

des composites avec 60% de fibres de carbone, du PMMA pour ré-extrusion en plaques avec

50% de matière vierge, des profilés en EPDM réticulé avec fibre aramide.

4. Le recyclage des produits en fin de vie – développement de nouveaux gisements Jean Yi - Dirigeant - MERCURHONE

Il existe des élastomères thermoplastiques élaborés par mélange d’un élastomère souple

vulcanisé ou non, dans une phase thermoplastique rigide.

En s’inspirant de ce principe, la société Mercurhône a développé un procédé particulier de

fabrication de poudre issue des pneus usagés ou des rebuts de production provenant des

entreprises de transformation du caoutchouc. Cette poudre capable de se mélanger à une

matrice thermoplastique, constitue une nouvelle voie d’élaboration de TPE.

Concernant la poudre, celle-ci possède des propriétés particulières :

- les particules de caoutchouc ont une taille de 50 ou 100 microns (plus ou moins),

- la poudre est vulcanisable ou re-vulcanisable,

- les particules sont parfaitement miscibles dans divers types de matrice thermoplastique

grâce à un procédé d’activation de la poudre breveté par la Société Mercurhône.

L’avantage de la poudre est en particulier économique :

- la poudre est issue de produits en fin de vie,

- les additifs sont naturellement contenus dans la poudre : le noir de carbone pour la

résistance à la chaleur et la résistance aux UV, la silice (dans les pneus) pour la résistance

à l’abrasion, etc.,

- il n’est pas nécessaire d’incorporer des additifs compatibilisants du fait du procédé

d’activation de la poudre qui facilite son mélange et sa cohésion dans la matrice TP,

- de même des machines spécifiques ne sont pas indispensables pour mélanger la poudre à

la matrice, le cylindre de plastification de la presse à injecter suffit à obtenir une bonne

qualité de mélange des deux phases,

- le transformateur peut élaborer lui-même le TPE souhaité à partir de poudre activée et par

simple mélange avec un thermoplastique.

De nombreux tests ont déjà été réalisés d’incorporation de la poudre avec des PE, PP, PS,

ABS, PET ou PVC dans des proportions de 5 à 80 % selon les propriétés recherchées. La

poudre peut également être utilisée en mélange dans des matrices élastomères (PEBA, EVA,

polyuréthane) ou des matrices caoutchoucs (NR, SBR, BR, etc.).

5. L’injection assistée par gaz

Jean-Luc DREYER - Dirigeant - SIMPLAST

Simplast est un bureau d’études en rhéologie des polymères, spécialisé dans les procédés

multi empreintes, injection séquentielle gaz, co-injection assistée par gaz ou eau.

L’injection assistée par gaz présente plusieurs avantages : réduction du poids des pièces,

simplification de l’outillage, intégration de nouvelles fonctions ou design dans la pièce,

suppression de la phase de maintien. Ce procédé permet de réaliser des économies par rapport

à l’injection, dont la réduction de consommation de matière première. Par exemple, dans le

cas d’une application électroménager pour un bandeau de lave-linge en ABS, 25 gr de matière

par pièce ont été économisés grâce à la technique d’injection gaz, avec en complément une

économie de 15% sur le prix du moule (suppression de 8 cales montantes) et une production

sur la même presse en 2 empreintes au lieu d’une (moins d’encombrement et pression

d’injection réduite).

6. Le procédé de moussage

Martin JACOBI – Consultant - TREXEL

Trexel est une société américaine qui a développé la technologie de mousse micro cellulaire

MuCell® et qui détient un important portefeuille de brevets mondiaux. Trexel fournit la

technologie mais a également mis en place un partenariat avec 3 constructeurs de machines à

injecter : Arburg, Krauss-Maffei et Engel pouvant eux aussi proposer la technologie.

Le procédé Mucell consiste à envoyer sous pression une quantité de gaz ((N2 ou CO2) au

centre de l’ensemble vis-fourreau d’une presse à injecter. Le gaz est au préalable comprimé

pour atteindre un état gazeux supercritique, incompressible et capable de se dissoudre dans le

polymère fondu. La vis de plastification joue un rôle particulier dans la préparation de la

matière qui se décompose en 4 étapes :

- dans la première zone de la vis, le polymère fond.

- puis, l’injecteur de fluide supercritique placé au centre de l’ensemble vis/fourreau

envoie le gaz dans la vis.

- ensuite, le profil adapté de la vis mélange le gaz dans le polymère, réduit la taille des

bulles de gaz, et permet la dissolution complète du gaz dans le polymère.

- en bout de vis, on obtient un mélange parfaitement homogène. La pression sera

maintenue tout au long du parcours de la matière pour éviter le moussage.

Lors de l’injection dans le moule, la vitesse élevée va générer dans la matière une multitude

de petites cellules. En fin d’injection, les cellules commencent à croître avec la chute de la

pression jusqu’à l’équilibre des pressions. On obtient des pièces moulées compactes en

surface et à structure micro-cellulaire au cœur (taille des cellules comprise entre 5 et 20

microns).

Ce procédé s’adapte à tout type de matière thermoplastique : technique ou non, chargée ou

non. Comparé à l’injection de pièces compactes, le procédé d’injection de fluide supercritique

se caractérise par :

- la réduction de la viscosité de la matière, de l’ordre de 10 à 15%,

- la suppression de la phase de maintien,

- la réduction de la force de fermeture, de 50 à 70%

- la réduction de contraintes résiduelles dans les pièces moulées,

- la réduction du temps de refroidissement et donc du temps de cycle, de 20 à 30%,

- la réduction du poids des pièces, de l’ordre de 8 à 12%

- la possibilité de réduire la température du moule en conservant le taux de cristallinité

de la matière,

- la possibilité de mettre en œuvre des matières visqueuses,

- la possibilité d’utiliser des moules à canaux avec buses à obturation.

En prenant en compte le procédé très tôt dans le développement du produit, il est possible de

réduire encore le poids des pièces, jusqu’à 30% par rapport aux pièces compactes :

- par la réduction des épaisseurs partout où la pièce n’aura pas à subir de sollicitations

mécaniques et sans craindre des difficultés de moulage car la matière est très fluide,

- par la réduction générale des épaisseurs et l’apport de nervures de même épaisseur ou

même plus épaisses, sans craindre la formation de retassures.

7. Les propriétés spécifiques des agro matériaux : éléments de différenciation

Christian BENOIT - Expert Matériaux – AGROCOMPOSITES MATERIAUX

Agro Composites Entreprises est un cluster qui a pour vocation de proposer des solutions

industrielles complètes dans le domaine des agro matériaux, de l’idée à la réalisation, grâce à

la mise en commun des expertises de chacune des entreprises du cluster.

Les agro matériaux englobent différentes familles :

- Les polymères issus de ressources renouvelables, chargés ou non,

- Les polymères issus de la pétrochimie chargés de fibres naturelles,

- Les alliages de polymères issus de ressources renouvelables et issus de la pétrochimie,

chargés ou non de fibres naturelles.

Comparés aux polymères conventionnels, les agro matériaux peuvent apporter des solutions

pour réduire la dépendance aux produits fossiles :

- Si l’on compare un PP 40% talc et un PP 40% bois, les propriétés mécaniques sont

semblables, avec l’avantage pour le PP bois d’une densité diminuée de 15%.

- Si l’on compare un époxy 35% fibres de verre longues et un époxy 35% fibres de lin,

le module de rigidité est semblable, avec l’avantage pour le composite fibres de lin

d’une densité diminuée de 30%.

Les agro matériaux présentent aussi des atouts sur le plan des propriétés phoniques et

sensitives, et s’inscrivent dans une perspective de respect de l’environnement. Des

développements en cours vont faire progresser encore ces matériaux qui ne doivent pas être

considérés seulement comme des matériaux de substitution. Les agro matériaux présentent

des propriétés spécifiques et doivent faire partie des réflexions de choix de matière au

démarrage des projets.

8. Applications industrielles démontrant l’apport des agro matériaux dans

l’industrie de la plasturgie

Gérard MOUGIN - Directeur – AFT PLASTURGIE

AFT Plasturgie (Agro Fibres Technologie) est une société industrielle située en Bourgogne

qui compte parmi ses actionnaires 4 coopératives agricoles produisant du chanvre. AFT

Plasturgie fabrique des compounds de chanvre injectables ou extrudables par broyage des

fibres de chanvre selon un procédé breveté, puis incorporation de ces fibres à un polymère.

Les fibres de chanvre présentent un certain nombre d’avantages : matière issue de ressources

renouvelables, culture ne nécessitant ni irrigation ni traitement chimique, fibres présentant des

propriétés de renfort tout en étant moins cher et d’une densité plus faible comparé aux fibres

de verre. Toutefois pour des applications industrielles, il a été nécessaire de pallier aux

problèmes de sensibilité des fibres de chanvre à l’humidité et température, de variabilité des

propriétés selon les conditions de culture, d’odeur, de stabilité aux UV ou de tenue au feu…

Des développements sont en cours pour améliorer encore la qualité des compounds de fibres

de chanvre.

Concernant la réduction de consommation de matière première issue du pétrole, il y a

plusieurs voix possibles :

- la substitution de matières traditionnelles par des agro matériaux qui seront mis au

point pour répondre aux critères d’un cahier des charges.

- l’économie de matières premières. Par exemple, l’emploi d’un PP chanvre pour des

applications automobile d’intérieur d’habitacle devant résister à des crash-tests a

permis de réduire les épaisseurs des pièces par rapport à la solution initiale du fait de

l’amélioration des performances mécaniques du matériau.

- L’utilisation de matière recyclée. AFP a développé d’autres applications pour le

secteur automobile en PP recyclé + chanvre dont la tenue en température a été

améliorée, comparé aux pièces en PP recyclé non chargé.

- Le développement de nouvelles matières recyclables. Par exemple le PP chargé

chanvre est une matière qui se recycle bien, sans perdre ses propriétés après des

recyclages répétés, contrairement aux compounds de fibres de verre. Ceci s’explique

par le facteur de forme concernant les fibres de chanvre, qui est conservé, les fibres

diminuant de longueur mais aussi d’épaisseur après broyage.

9. Le producteur de matière première : un interlocuteur dans l’apport de solutions

Olivier ROUSSEAU – Ingénieur Commercial - TICONA

Ticona est un fournisseur de matières plastiques et fait partie des leaders mondiaux dans le

domaine des polymères techniques. Le portefeuille Ticona comprend des PBT, PET, PPS,

LCP, POM, PE-UHMW, et compounds fibres longues, …

Le choix de matière en lien avec le dimensionnement de la pièce peut largement contribuer à

réaliser des économies de matière première. Par exemple, dans des cas concrets :

- la substitution du polypropylène chargé fibres de verre longues par du polyamide a

permis, en conservant la géométrie, de diminuer le poids des pièces,

- la substitution du polyamide chargé fibres de verre courtes par du polyamide fibres de

verre longues a permis de réduire les épaisseurs de la pièce tout en gardant les mêmes

réponses aux critères du cahier des charges.

Ces démarches d’optimisation du choix de matière, menées avec l’appui du fournisseur

Ticona, ont eu lieu dans des applications de pièces automobiles telles qu’un support de

pédalier ou la pièce de refroidisseur air pour système Turbo. De plus, le centre R&D de

Ticona est en contact avec de nombreuses universités pour appréhender le comportement des

matériaux polymères dans les techniques MuCell ou d’injection assistée par gaz ou eau.

10. Créer des opportunités d’innovation en plasturgie à partir du contexte lié aux

matières premières

Lionel CHARPENTIE - Conseiller – POLARISE

Mr L. Charpentié est conseiller auprès des PMI de la plasturgie et la métallurgie et a pour

vocation d’aider les entreprises à se développer.

Les intervenants à la journée du 22 novembre ont présenté les différentes solutions visant à

réduire la consommation de matière plastique pour une fabrication donnée, ou permettant de

trouver d’autres alternatives d’approvisionnement de matière première. En complément à ces

solutions purement techniques, Mr L. Charpentié a évoqué la relation avec un client. Partant

des solutions présentées, il est possible d’innover, de créer de la valeur pour le client, et de se

différencier en tant que fournisseur. Le moyen mnémotechnique DAMSARIC peut être une

aide à la démarche :

- D diminuer : tout au long de la journée il a été question de diminuer les quantités de

matière, de diminuer les épaisseurs. Il peut s’agir aussi de diminuer les exigences

clients : « que serait le produit au minimum ? »

- A augmenter : augmenter l’efficacité structurelle du produit (rapport raideur / masse).

- M modifier : modifier les approvisionnements par exemple, pour prendre en compte le

développement durable

- S substituer : aujourd’hui de nombreuses démarches consistent à substituer le métal ou

le verre par les matières plastiques. Mais il y a encore beaucoup à faire dans ce

domaine compte-tenus des progrès dans les matériaux polymères et les procédés.

- A associer : associer les fonctions. La plastronique est l’exemple d’une technologie

émergente d’association.

- R réorganiser : réorganiser en s’appropriant de nouvelles techniques, de nouvelles

matières. La plasturgie offre des avantages par la variété des matériaux et des

procédés.

- I intervertir : intervertir en pensant différemment (par exemple déplacer la position

d’un amortisseur dans un produit).

- C combiner : combiner des matériaux différents.

Remerciements

Remerciements aux intervenants pour leur disponibilité et la qualité de leurs interventions.

Remerciements aux partenaires de la manifestation : Conseil Régional Bourgogne, aide de

l’Etat, Fonds Européen.

Contacts / liens Utiles

Dominique Appert

Centre de Formation de la Plasturgie

Responsable R&D

d.appert@cfp-france.com

http://www.innovdays-plasturgie.com

Simulation du remplissage – CadFlow

Optimisation de la poignée de bouteille de gaz – PLASTFORM INGENIERIE

Poudre PADA® issue des pneus usagés – MERCURHONE

Simulation de l’injection gaz – répartition des pressions en fin de compactage - SIMPLAST

Procédé MuCell – TREXEL

Fibres issues de l’agriculture – AGROCOMPOSITES ENTREPRISES