Rapport MQ12

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Rapport MQ12

A06
MQ12 – Choix des matériaux
Porteur du projet :
Philippe Revel
Groupe étudiant :
Jérémy Godfroy, GM05 LIB
Vincent Guyon, GM05 MPI
Loïs Perrier, GM05 MIT
Contenants pour boisson – MQ12
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Sommaire
1.
2.
Introduction ....................................................................................................... 3
Historique ........................................................................................................... 4
2.1.
Historique de l’emballage de boisson..................................................... 4
2.2.
Quelques contenants " actuels" .............................................................. 5
3. Analyse fonctionnelle....................................................................................... 6
3.1.
Expression des fonctions ............................................................................ 6
3.1.1. Fonctions primaires................................................................................. 6
3.1.2. Fonctions secondaires (besoins liés à la production) ....................... 6
3.2.
Besoins liés à l'utilisateur ............................................................................. 7
3.3.
Besoins liés à la boisson............................................................................. 8
3.4.
Besoins liés à l'environnement................................................................. 13
3.5.
Aspect normatif ........................................................................................ 14
3.6.
Besoins secondaires.................................................................................. 15
4. Les procédés de fabrication actuels ............................................................ 16
4.1.
Fabrication du verre ................................................................................. 16
4.1.1. Matières premières............................................................................... 16
4.1.2. Processus................................................................................................ 16
4.1.3. Déchets environnementaux et recyclage....................................... 17
4.2.
Fabrication des boîtes de boisson ......................................................... 18
4.2.2. Processus................................................................................................ 18
4.3.
Fabrication du plastique.......................................................................... 20
4.3.2. Processus................................................................................................ 21
4.4.
Bilan technico-économique ................................................................... 22
4.4.1. Données comparatives ....................................................................... 22
4.4.2. Tableau de comparaison des matériaux d’emballage ................ 24
5. Etude approfondie : boîte de boisson de Coca-Cola™............................. 25
5.1.
Caractéristiques du Coca Cola™ ......................................................... 25
5.1.1. Forme et taille du contenant.............................................................. 25
5.1.2. Environnement...................................................................................... 26
5.1.3. Besoin pour la production................................................................... 26
5.2.
Modélisation via CES ................................................................................ 27
5.2.1. Dilatation thermique ............................................................................ 27
5.2.2. Résistance à la pression interne ......................................................... 28
5.2.3. Paramètres divers ................................................................................. 30
5.2.4. Bilan des modélisation avec CES....................................................... 32
6. Conclusion ....................................................................................................... 33
7. Bibliographie ................................................................................................... 34
MQ12 – Contenants pour boisson ▲ Jérémy Godfroy ▲ Vincent Guyon ▲ Loïs Perrier
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1. Introduction
Le choix des matériaux est une discipline fondamentale dans la conception de tous
les produits ou process et il est important d’en connaître les fondements. Dans le cadre de
l’Unité de Valeur MQ12 (Choix des matériaux), nous avons la possibilité d’associer une vision
théorique à une vision pratique par le biais d’un projet à mener pendant un semestre.
Notre projet traite du choix des matériaux pour les contenants pour boisson. De plus
en plus d’actualité, la protection des aliments et des consommateurs est un facteur qu’il faut
intégrer dès la conception du futur contenant.
A cet effet, nous avons réalisé un historique des méthodes et matériaux rencontrés
pour le stockage de la boisson puis nous avons analysé l’aspect choix des matériaux à
travers la méthode d’Ashby.
Fig. 1 : Principes du chois des matériaux selon Ashby
Pour traiter ce sujet, nous avons suivi les principes formulés par Ashby dans sa
méthode et nous nous sommes intéressés aux fonctions que doivent remplir les contenants
pour boisson, les matériaux possibles qui les constituent et les différentes formes qu’ils peuvent
prendre. Nous traiterons également, mais de manière globale les processus de fabrication et
les conséquences de fin de vie des produits.
En ce sens, nous avons réalisé plusieurs recherches afin d’en savoir plus à la fois sur les
boissons et sur les types de contenants existants, puis nous avons réalisé une analyse
fonctionnelle pour connaître les principales fonctions.
À partir de ces données, nous avons pu mettre en avant les points cruciaux pour le
choix de matériaux et nous avons pu mettre en lumière certains d’entre eux via le logiciel
CES Selector.
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2. Historique
2.1.
Historique de l’emballage de boisson
Les premiers contenants pour boisson remontent à l'origine des temps, déjà à la
période préhistorique on retrouvait l'utilisation de récipients en bois destinés entre autres au
stockage de l'eau.
La première évolution des contenants pour boisson se fait avec l'apparition des
poteries (généralement on situe l'apparition des poteries vers le Néolithique : -9000 à -4500
avant JC), elles seront ensuite largement utilisées dans l'antiquité (cruche, jarre, amphore …).
On retrouve aussi à cette époque la généralisation du tonneau de bois, cerclé de fer,
inventé par les Gaulois pour le stockage notamment de boissons fermentées. Le verre fera
son apparition plus tardivement pendant l'antiquité (vers le 2ème siècle avant JC) et sera
surtout utilisé à ses débuts pour réaliser de petits objets comme des perles ; la généralisation
du verre se fera sous l'empire romain (1er siècle av JC) avec l'apparition de la technique de
soufflage du verre.
L’utilisation des métaux remonte surtout à l'age du bronze, les premiers récipients
étaient réalisés en tôle de bronze, mais ils étaient assez rares, car le métal était surtout destiné
pour les armes et les parures.
L'utilisation de plastique dans les contenants pour boisson est très récente, les premiers
plastiques 100% synthétique commenceront à se développer après la Première Guerre
mondiale (le 1er plastique synthétique fût créé en 1907) mais l'apparition de la première
bouteille plastique remonte aux années 60.
Quant à la cannette, elle serait née d'une demande des militaires durant la Seconde
Guerre mondiale, les premières cannettes dériveraient ainsi directement des boîtes de
conserve (pour boire dans cette dernière, l'utilisateur devait y percer un trou). Les premières
cannettes étaient en aluminium du fait du manque de fer blanc à l'époque et de l’utilisation
contestée de l’étain. La cannette va connaître un grand succès grâce notamment au
fameux système d'ouverture facile développé en 1960.
Une autre petite révolution dans le domaine de l'emballage des produits laitiers et de
jus de fruits apparaîtra dans les années 50 : l'emballage Tetra Pak (qui doit son nom au
premier emballage en forme de berlingot tétraédrique). Aujourd'hui, ce contenant marie le
carton, l'aluminium et le plastique (75% de carton, 20% de plastique et une fine couche
d'aluminium pour la protection contre la lumière et l'oxygène) et il est moins coûteux qu'une
bouteille en plastique.
Enfin de nos jours le contenant est aussi un véritable support marketing, surtout pour
les cannettes, qui véhiculent une tendance "jeune et branchée" les industriels l'ont bien
compris, et n'hésitent pas à faire appel à des graphistes pour les décors de leurs bouteilles.
Aujourd'hui la cannette représente 19% du marché des boissons en Europe de l'ouest.
Ce marché qui s'élève à quelque 155 milliards d'unités annuelles et est encore dominé par
l'utilisation du verre à hauteur de 39 %, suivi par les bouteilles en plastiques qui représentent
30% du marché. La bouteille plastique est surtout présente sur le marché des contenants
gazeux avec 60% du marché1.
1
Source Total Petrochemical année 2005
2.2.
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Quelques contenants " actuels"
Le 1er emballage
"TetraPak" 1951
Cannette décorée par
Kenzo Takada un couturier
de renom
Bouteille "rafraîchissante"
garde le soda au frais plus
longtemps
Bouteille en PET
"incassable"
Simple bouteille de
verre…primée lors d'un
célèbre concours de design
en 2006 aux USA
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3. Analyse fonctionnelle
Fig. 2 : "Diagramme Pieuvre" de l'analyse fonctionnelle d'un contenant pour boisson
3.1.
Expression des fonctions
3.1.1. Fonctions primaires
Besoins liés à l'utilisateur
-
L'emballage ne doit pas être nocif, aussi bien pour le contact de la peau que de
la bouche
L'emballage doit pouvoir être manipulé facilement et sans risques (forme
géométrique, état de surface …)
L'emballage doit pouvoir se démarquer de la concurrence
Besoins liés à la boisson
-
L'emballage ne doit pas altérer la boisson
L'emballage ne doit pas être détérioré par la boisson
L'emballage doit garantir une durée de vie suffisante de la boisson
Besoins liés à l'environnement
-
L'emballage doit résister à l'environnement dans une certaine mesure
L'emballage doit pouvoir être recyclable
3.1.2. Fonctions secondaires (besoins liés à la production)
-
Le matériau utilisé ne doit pas être rare ou cher
Le procédé doit permettre d’obtenir des formes complexes du contenant
Le procédé ne doit pas être coûteux et assurer une cadence de production
convenable
Le matériau peut être décoré facilement (pour l’aspect visuel)
Les contenants doivent pouvoir être stockés facilement
3.2.
•
7/34
Besoins liés à l'utilisateur
L'emballage ne doit pas être nocif, aussi bien pour le contact de la peau que
de la bouche
Le contenant sera amené à être en contact avec la peau et surtout avec la bouche.
Il faut donc qu'aucune particule du matériau ne puisse être ingérée par l’utilisateur.
•
L'emballage doit pouvoir être manipulé facilement et sans risque (forme
géométrique, état de surface …)
Les paramètres qui vont intervenir dans la manipulation du contenant sont les suivants
- Forme géométrique
- Volume du contenant
- Poids
- État de surface
o
Forme géométrique
Le contenant va être manipulé par l'utilisateur (de tout âge) et il faut que ce soit sans
risques de coupure ou autre. Selon la forme géométrique du contenant, certains matériaux
seront peut-être à proscrire (exemple : le métal pour des contours en angle droit…).
La forme du contenant doit aussi permettre à l'utilisateur de le manipuler facilement,
certains contenants pouvant être utilisés lors de déplacements, il faudra que la forme soit
adaptée (exemple : pour une préhension du contenant à une main).
Enfin, la forme pourra faire l'objet d'un design spécifique selon la population visée
(notamment pour les jeunes) ou selon des périodes de l'année (contenant spécial noël etc.)
o
Volume du contenant
Différents volumes sont à prévoir pour le contenant selon l'utilisation. Pour des
contenants destinés aux transports, les volumes de boisson varient en général entre 33cl et
50cl, et pour les contenants de "tables" les volumes de boissons varient de 1l à 2l.
Il faudra donc prévoir une gamme de contenants pour une seule et même boisson.
o
Poids
Le poids du contenant est aussi très important pour l'utilisation, ce dernier doit être
dans la mesure du possible réduit afin de rendre les manipulations aisées.
Ce paramètre joue un rôle prépondérant dans les transports et la logistique pour les
contenants en sortie d’usine, mais cette partie sera traitée dans les besoins liés à la
production.
o
L'état de surface
L’état de surface du contenant ne doit pas être désagréable pour la manipulation
par l'utilisateur (notion de design sensoriel).
Néanmoins, nous ne recherchons pas non plus à obtenir un état de surface "parfait".
•
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L'emballage doit pouvoir se démarquer de la concurrence
Il peut être important, selon le public visé, d'obtenir un design du contenant
facilement identifiable par le consommateur. Plusieurs paramètres peuvent rendre un
contenant "agréable" que ce soit par sa forme, la couleur de son emballage (utilisation d'une
décoration ou non) ou par un système d'ouverture particulier.
3.3.
•
Besoins liés à la boisson
L'emballage ne doit pas altérer la boisson
Tout comme pour l'utilisateur, le matériau en contact avec la boisson ne devra pas
libérer de particules quelconques, susceptibles d'être ingérées. Ce besoin repose avant tout
sur l'existence de nombreuses normes pour les matériaux en contact alimentaires.
Selon les règles, c'est aux producteurs du matériau d'attester de la conformité aux
exigences de composition chimique spécifiée.
Exemple de norme "Acier pour emballage avec revêtement métallique (fer étamé)"
« L'acier constituant le support doit satisfaire les exigences spécifiées dans la fiche ‘‘Acier
pour emballage - Produits plats en acier destiné à entrer au contact des denrées, produits et
boissons pour l'alimentation de l'homme et des animaux’’ - Acier non revêtu (fer noir).. »
Un extrait de la norme NF A 36-701.
Fig. 3 : Teneur maxi pour des éléments entrant en contact avec le consommable
Ceci n'est bien entendu qu'une partie de la norme.
•
9/34
L'emballage ne doit pas être détérioré par la boisson
Les caractéristiques de la boisson ne doivent pas venir altérer le matériau de notre
contenant. Nous avons listé les différents paramètres clés de la boisson afin de les analyser :
-
Acidité
Pression
Présence de gaz
Présence d'éthanol, d'oligoéléments, etc.
Température
o
Acidité
Pour mesurer l'acidité d'une boisson, nous utilisons la notion de pH.
Dans les boissons gazeuses, nous allons retrouver différents types d'acide, les 2 acides
les plus rencontrés sont l'acide carbonique et l'acide phosphorique.
L'acide carbonique
L'acide carbonique est dû au procédé utilisé pour rendre gazeuses les boissons : la
carbonatation. La carbonatation peut se faire de deux manières :
- Naturellement, lors de la fermentation des sucres en alcool (ce qui est le cas des
vins pétillants, de la bière...)
- Artificiellement, par injection de CO2 (le CO2 réagit avec l'eau pour former l'acide
carbonique suivant la réaction CO2 + H2O H2CO3).
L'acide phosphorique
L'acide phosphorique est utilisé pour donner un goût acidulé à la boisson, c'est un
acide très fort (bien plus fort que l'acide carbonique) qui donne ainsi un pH acide à la
boisson (pH < 7).
Dans les boissons non gazeuses, on va retrouver aussi une certaine acidité naturelle
(en général moins importante).
Ainsi, la mesure du pH sur une boisson Ice Tea® donne un pH plutôt acide égal à 5.
La liste des acides que l'on retrouve dans les boissons est longue, on retrouve l’acide
lactique (pour le lait), l’acide ascorbique, etc.
D'une manière générale, le matériau que l'on utilisera devra pouvoir résister à un pH
acide. pH de quelques boissons :
Boisson
Eau
Lait
Eau minérale gazeuse
Thé glacé
Coca-cola
Citron
pH
~7
6,7
6
5
2,7
2,5
Variation du pH
Il est à noter aussi que le pH varie sensiblement avec la température, il diminue
lorsque cette dernière augmente. Globalement, dans le cas le plus extrême des boissons
acides, notre matériau devra résister à un pH de 2.
o
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Pression
Il existe 2 types de pression à prendre en compte pour notre boisson :
-
La pression "naturelle" engendrée sur les parois par le fluide lui-même (ne dépend
que du volume de liquide et de la masse volumique contenu dans le contenant)
-
la surpression engendrée par le recours à un gaz. (dépend de la pression
d'injection du gaz).
Toutefois, on retrouvera dans toutes les boissons (même les non gazeuses) une
surpression engendrée par un gaz. Cela est dû à un procédé industriel appelé inertage.
Le principe est d'injecter un gaz dit "inerte" dans l'espace de tête du contenant (voir
schéma ci-dessous) afin de chasser l'air contenu dans ce dernier. Sans ce procédé, l'air,
constitué principalement d'oxygène, réagirait avec notre boisson (altération du goût,
bactéries par oxygénation).
Espace de tête
Grâce au procédé d'inertage, une bouteille d'eau non ouverte par exemple peut se
garder des mois. Tandis qu’une fois ouverte, la consommation doit être rapide puis le gaz
inerte s’est échappé et la boisson est directement en contact avec l’air, accélérant son
oxydation.
Ce principe d'inertage a également un intérêt mécanique, car la surpression
engendrée par le gaz permet de rigidifier l'espace de tête, très important pour la rigidité
globale du contenant.
La surpression engendrée par le procédé d'inertage varie de 100 mbars à 2 bars
(source Air Liquide).
Pour une boisson gazeuse, la pression engendrée par le procédé de carbonatation
varie de 2 à 7 bars (0,2 - 0,7 Mpa) pour un contenant de 33 cl.
Variation de la pression
La pression contenue dans le récipient peut augmenter à cause du facteur
température. En effet, la pression d'un gaz est directement proportionnelle à l'énergie
cinétique de molécules enfermées dans un volume donné et au nombre de molécules par
unité de volume.
11/34
Toutefois, l'énergie cinétique des molécules dépend de la température : plus la
température est élevée, plus les molécules iront vite, donc augmentation de la pression et
inversement si la température chute.
Présence de gaz
Comme nous l'avons expliqué précédemment, pour rendre une boisson gazeuse on
utilise le principe de la carbonatation. Ce principe repose sur l'utilisation du gaz carbonique
CO2 (qu'il soit produit par fermentation des sucres ou artificiellement).
De même pour le principe d'inertage utilisé pour la conservation et le
conditionnement des bouteilles, il existe trois gaz utilisés : l'azote, l'argon et le CO2.
Quels que soit les gaz utilisés pour ces deux étapes, il est nécessaire qu’ils
n'interagissent pas avec le matériau de notre contenant.
Il existe une norme ISO précisant la compatibilité des matériaux des bouteilles avec
les gaz utilisés. Bien que ce soit avant tout une norme pour des contenants purement gazeux,
elle peut dans un premier temps nous permettre de nous avertir sur l'utilisation de certains
matériaux.
Compatibilité des matériaux des bouteilles et des robinets avec les contenus gazeux; Partie
1: ISO 11114-1 (Juillet 1998), Partie 2: ISO 11114-2 (Mars 2001)
1 : satisfaisant, mais risque de corrosion en présence de CO et/ou d'humidité, fragilité à basse
température
2 : Non recommandé, gonflement important
3 : acceptables, mais fort taux de perméation
4 : Acceptable, mais gonflement
o
12/34
Présence d'éthanol, d'oligoéléments, etc.
Selon la nature de la boisson, nous allons retrouver différents minéraux et oligoéléments, tout comme les différents acides que l'on peut rencontrer dans les boissons.
Il est difficile de lister exhaustivement tous ces éléments, les plus courants sont le
magnésium, sodium, fluor et le calcium.
Bien que certaines quantités soient assez infimes, il sera important que cela n'ait
aucune réaction avec notre matériau.
o
Température
La température de la boisson est directement liée à la température de
l'environnement, les effets sur la boisson sont avant tout des modifications de ses propriétés
comme le pH et la pression.
Nous traiterons des effets de la température sur le matériau via la température de
l'environnement et non de la température de la boisson.
•
L'emballage doit garantir une durée de vie suffisante de la boisson
La durée de vie d'une boisson va dépendre de la prolifération des bactéries au sein
de cette dernière. Pour ralentir ce phénomène, on peut agir sur les constituants de la boisson
(agents conservateurs comme le benzoate de sodium (E211) pour les sodas) mais aussi en
utilisant le procédé d'inertage présenté précédemment en utilisant des gaz comme le CO2,
Argon et Azote.
Dans le cas des matériaux de notre contenant, il sera donc nécessaire que le gaz ne
puisse s'échapper au travers des parois, mais aussi que l'air ne puisse passer à travers. Ce
phénomène s'appelle la perméation. Ce phénomène est d'autant plus important pour des
boissons du type eaux gazeuses, du fait que certaines peuvent être embouteillé qu'à partir
d'une seule source (exemple : source d'eau naturelle gazeuse), il pourra alors s'écouler un
certain temps entre le moment de l'embouteillage et la commercialisation.
À la différence une production de soda peut s'implanter sur une production locale et
réduire ainsi le temps de stockage et d’approvisionnement pour éviter ou diminuer au final
ce phénomène.
La perméation est un phénomène important pour les polymères, elle peut aussi varier
avec la température.
3.4.
13/34
Besoins liés à l'environnement
Les paramètres de l'environnement qui vont réagir avec notre contenant sont les
suivants :
- Température
- Lumière
- Humidité
- Efforts
o
Température
La température ne doit pas dans une certaine mesure détériorer notre contenant,
notamment pour des contenants avec un liquide gazeux (augmentation de pression).
S'agissant d'une boisson, le contenant pourra être amené a subir différents chocs thermiques,
frigidaire voir congélateur, ou des expositions en plein soleil lorsque par exemple le contenant
est transporté (plage, etc.). La température peut fragiliser le matériau, entraîner aussi une
dilatation, etc. Il ne s'agit donc pas d'étudier la température comme un facteur
indépendant, mais tenir compte de l'évolution du comportement du matériau en fonction
de la température. Pour les valeurs de plage de températures, nous avons retenu :
- 30°C : Dans le cas où le contenant aurait été mis dans un congélateur (température
moyenne d'un congélateur -20°C)
+80°C : Dans le cas où le contenant serait laissé dans un habitacle de voiture (la température
d'un véhicule laissé en plein soleil avec une température extérieure de 40°C peut atteindre
70°C à l'intérieur de l'habitacle2).
Dans des conditions normales, nous retenons une température de 20°C.
Dilatation du matériau
Cette dilatation provoquée par la température peut poser des problèmes
d'étanchéité au niveau du système d'ouverture. Ce même phénomène peut aussi déformer
la base du contenant par exemple et empêcher ainsi la bouteille de tenir en position. La
dilatation du matériau dépend du coefficient de conductivité thermique du matériau ainsi
que du coefficient de dilatation linéaire du matériau.
À noter aussi qu'il existe une méthode d'essai normalisé sur la résistance au choc
thermique des contenants en verre (ISO 7459:2004).
o
Lumière
Une boisson exposée à la lumière du soleil peut être dégradée à cause des
rayonnements UV. Bien que ce dernier soit utilisé dans l'industrie pour la destruction des
germes et des bactéries dans la nourriture, il peut dans notre cas, altérer la boisson, car ces
rayonnements peuvent détruire en partie certaine vitamine ou acide. C'est pour cela que la
mention "conserver à l'abri de la lumière" est souvent retrouvée pour des boissons comme le
lait, les vins, les boissons gazeuses, etc. Enfin, le rayonnement ne doit non plus bien entendu
être source de dégradation pour notre matériau (dégradation accélérée, etc.)
On cherchera donc un matériau capable de résister et de faire barrière à ce
rayonnement.
2
Source : General Motors
o
14/34
Humidité
L'humidité de l'environnement peut avoir un impact sur l'aspect extérieur du
contenant, les phénomènes d'oxydation peuvent ainsi se produire. Ils peuvent même être
accélérés en présence par exemple d'un air marin ou pollué. Il faudra donc choisir un
matériau ou un traitement capable de résister à la corrosion entraîné par l'humidité
ambiante.
o
Efforts
On entend par effort, les agressions extérieures d'ordre "physique" que va subir le
matériau comme les chocs, les écrasements, etc. Ces exigences seront bien sûr différentes
d'un contenant à un autre en fonction de son utilisation, un contenant de petite taille destiné
à être transporté partout avec soi devra dans ce cas être plus exigeant dans ce domaine
qu'un contenant pour champagne. Ici c'est bien entendu les propriétés mécaniques des
matériaux qui vont être utilisés (limite élastique, résilience, etc.), ainsi que la géométrie du
contenant (épaisseur, forme, etc.).
3.5.
Aspect normatif
Les matériaux entrant en contact avec les denrées alimentaires et les boissons suivent
des règles strictes afin d’assurer la protection de la santé du consommateur. Les différents
décrets, arrêtés et normes s’appliquent à la fois aux emballages et aux matériels utilisés pour
vérifier, à l’aide d’essais ou d’analyses, l’innocuité des matériaux utilisés entrant en contact
avec la bouche, les aliments, les boissons, etc.
Ces essais sont régis par deux Directives Cadres européennes :
•
•
92-631 du 8 juillet 1992, relatif aux matériaux et objets destinés à entrer en contact
avec les denrées, produits et boissons pour l’alimentation de l’homme ou des
animaux
2002/72/CE du 6 août 2002 relatif aux matériaux et objets en matière plastique
destinés à entrer en contact avec les denrées alimentaires
Ces directives sont complétées en fonction des matériaux spécifiques (aciers, verre…)
par des réglementations, des normes, des recommandations de la DGCCRF (direction
générale de la concurrence, de la consommation et de la répression des fraudes)…
Les matériaux au contact des aliments doivent respecter les principes qui constituent
le concept d’alimentarité (aussi appelée interaction contenant contenu) :
•
Principe d’inertie : Un matériau doit être inerte à l’égard des denrées alimentaires,
c’est-à-dire qu’il ne doit pas céder à ces denrées des constituants dans des
quantités susceptibles de présenter un danger pour la santé humaine ou animale
et qui ne doit pas entraîner de modification de la composition de la denrée ni en
altérer ses caractères organoleptiques.
•
Principe de composition : il est exprimé à travers des listes positives précisant la
nature des substances aptes à être utilisées pour la fabrication de matériaux
15/34
comme par exemple pour les matières plastiques (directive 2002/72/CE), pour les
aciers inoxydables (arrêté du 13 janvier 1976), pour les alliages d’aluminium (arrêté
du 27 août 1987)…
3.6.
Besoins secondaires
Les besoins secondaires sont principalement d’ordre industriel (coût, cadence,
marketing, stockage…). Pour exprimer plus facilement ces besoins, nous avons donc analysé
les processus de fabrication employés pour les contenants acier (de type boîte de boisson),
verre et plastique.
En étudiant chacun sous les mêmes aspects, nous pourrons déterminer les spécificités
de chacun et être en mesure de les hiérarchiser selon des critères.
L’étude des processus de fabrication va concerner :
- la fabrication des bouteilles en verre
- la fabrication des boîtes de boisson en acier/aluminium
- la fabrication des bouteilles en plastiques
Notre étude fera volontairement abstraction du processus de fabrication des
emballages de boisson de type cartonné puisque celui-ci relève plus de l’assemblage
multicouche, avec une fonction attribuée à chacun d’eux.
16/34
4. Les procédés de fabrication actuels
4.1.
Fabrication du verre
4.1.1. Matières premières
-
71% de silice (provenance sable de carrière)
14% de soude (carbonate de sodium)
11% de chaux (venant du calcaire)
4% divers (notamment pour la coloration)
4.1.2. Processus
•
Etapes du processus
1. Chauffage (1500°) : la matière première est chauffée afin qu’elle puisse
prendre la forme d’une paraison.
Fig. 4 : verre chauffé pour le formage
2. Formage (soufflage d’une paraison) : la paraison est introduite dans un
premier moule qui lui donne une forme approximative par soufflage. Cette
préforme est à nouveau soufflée dans le moule définitif.
Fig. 5 : Schéma représentatif du moulage en deux étapes
3. « Archage » : les bouteilles sitôt fabriquées sont contrôlées et subissent des
traitements de surface à chaud et à froid puis une recuisson.
•
17/34
Cadence
La cadence varie selon la forme de la bouteille, mais c’est aux alentours de 1500
bouteilles / jour.
Capacité des principaux fours pour la fabrication de verre : 400 tonnes par jour.
4.1.3. Déchets environnementaux et recyclage
La fabrication du verre a peu de conséquences environnementales et on note que le
verre en sortie d’usine est constitué de 60 % de verre recyclé. Un taux de recyclage très élevé
qui connote une certaine avance pour le verre par rapport aux autres matériaux pour
contenants.
On peut également souligner le fait que le verre est le seul matériau d'emballage
recyclable indéfiniment.
Actuellement, le recyclage du verre ménager permet de substituer le calcin (débris
de verre) aux matières premières (sable de silice, calcaire et carbonate de soude) qui, ainsi,
ne seront pas prélevées dans la nature.
L'adjonction de calcin dans le mélange de matières premières permet :
- la diminution de la température de fusion du verre
- l’économie de l'énergie nécessaire à la transformation des matières premières
- l’économie de l'énergie nécessaire à la préparation et la mise en température
des matières premières primaires.
Cependant, il y a des problèmes au niveau de la fusion du verre qui provoque des
émissions de gaz. Pour certains d'entre eux, ces émissions peuvent contenir des métaux lourds
et contribuer à la pollution de l'air. C’est pourquoi les industriels sont tenus de contrôler et de
maîtriser le processus afin de respecter les limites d'émissions.
Côté marketing :
Pour les consommateurs, un emballage en verre constitue un label de qualité
supérieure. Ils considèrent que le verre évoque une alimentation saine et plus équilibrée.
Ils font confiance au verre. Ils aiment sa transparence et apprécient le plaisir qu’il leur
apporte au quotidien. Pour eux, les aliments emballés en verre apparaissent plus naturels et
plus authentiques. Ils sont aussi très sensibles au fait que le recyclage du verre permet de
préserver l’environnement.
Ces appréciations sur l’emballage verre sont issues d’un sondage réalisé sur un
échantillon de 800 personnes, représentatives de la population française.
Nous pouvons ajouter enfin que le recyclage du verre a aussi des vertus humanitaires
puisqu’il favorise le développement de la recherche contre le cancer. En effet, chaque
année, environ 1,8 million d’euros issus de la récupération du verre usagé aident à la
recherche et à l’achat de matériel et permettent d’assurer un soutien aux familles des
malades.
4.2.
18/34
Fabrication des boîtes de boisson
Les boîtes boissons sont fabriquées à partir de fer blanc ou d'aluminium. L’aluminium
est encore peu utilisé en France pour ce genre de contenant, contrairement à ce qu’il se fait
aux États-Unis par exemple (canettes 100% alu). Le métal est approvisionné en bobines de
près de 20 tonnes, la tôle étant de 23 à 23,5 centièmes de mm d'épaisseur.
4.2.2. Processus
•
Etapes du processus :
1. Découpe – Emboutissage : les bobines de métal sont positionnées sur un dérouleur,
le métal passe dans une presse pour y être découpé en disques qui sont
immédiatement emboutis.
2. Étirage : la coupelle ainsi obtenue est très proche de l'épaisseur initiale du métal.
Elle est ensuite emmenée jusqu'aux étireuses. Positionnée sur un poinçon en
carbure, la coupelle est projetée à grande vitesse à travers des anneaux en
carbure de diamètre décroissant, qui repoussent le métal vers ce qui sera le haut
de la boite. L'étirage, qui se fait à froid, est facilité par l'utilisation d'une émulsion.
L’épaisseur du métal se réduit fortement puisqu’en son point le plus faible, la tôle
mesure moins de 0,1 mm.
3. Découpage : à ce stade le haut de la boîte présente des inégalités. Il faut la
remettre à la longueur dans des rogneuses (« trimmer ») qui coupent toutes les
boîtes étirées exactement aux mêmes dimensions et préparent la boîte à la
formation du rétreint.
4. Lavage : ces boîtes rognées sont lavées dans un tunnel de lavage et séchées afin
d'enlever toute trace des émulsions utilisées pour faciliter les opérations
précédentes, mais aussi pour débarrasser des boîtes des éventuelles particules de
métal résiduelles.
5. Décoration : les boîtes de boissons sont recouvertes d’un « couché de fond » qui
permettra à la fois d’éviter la corrosion du métal et de faire accrocher l’encre de
décoration. Ensuite, par un procédé « offset sec », les boîtes reçoivent leur
décoration à une très grande vitesse (1200 boîtes par minutes). Enfin, vient le
formage du col et de la collerette : le métal va être repoussé vers l'intérieur pour
rétrécir le diamètre en haut de la boîte (le rétreint), puis le haut de la boîte va être
replié à 90° pour former la collerette, sur laquelle viendra se positionner le couvercle
par l'opération de sertissage.
Fig. 6 : Processus de fabrication des boîtes de boisson
•
19/34
Cadence
Ici aussi, les cadences dépendent des installations des entreprises et du type de
contenants. En général, lorsqu’on parle de boîtes de boisson de 33cl, la cadence est
d’environ 800 boites/minutes !
Selon l’entreprise Crown Bevcan France, la production annuelle s’élève à plus d’un
milliard de boites de boisson.
Les atteintes écologiques de
essentiellement lors de la production.
l’aluminium
s’observent
à
différents
niveaux,
Lors de l’extraction de l’aluminium, celui-ci est sous forme d’alumine, qui fournit
ensuite le métal pur par électrolyse. Cette opération consomme énormément d’énergie.
Cependant, c’est la production d’aluminium donne lieu à d’importantes pollutions : une
tonne d’aluminium entraîne le rejet de 4 tonnes de boues rouges, néfastes tant par leur
quantité que par leur pH basique.
Elle produit aussi des émissions de fluor dans les airs et les eaux. Les vapeurs de fluor
très oxydantes, attaquent la végétation ; les eaux se chargent de fluor et de sels d’aluminium
toxiques. Ce bilan écologique négatif poussent à la création de certaines associations ou
regroupement qui incitent les consommateurs à l’idée selon laquelle il faudrait réserver
l’aluminium aux usages permanents (pièces d’avion, de vélo, etc.) et à éviter les usages
quotidiens.
De plus, selon certaines études, l’aluminium a des effets également néfastes sur la
santé : il pourrait être impliqué dans des maladies telles celle d’Alzheimer, celle de Parkinson,
l’amyotrophie latérale, ...
Néanmoins, le recyclage de l’aluminium est facile à mettre en oeuvre et permet
l’obtention d’un produit qui conserve ses qualités initiales. Il est en outre économiquement
viable : pour produire l’aluminium recyclé il faut nettement moins d’énergie que pour
l’aluminium de première fusion : seuls 5 à 10% de l’apport initial sont nécessaires.
Le recyclage permet en plus une économie de matières premières et une réduction
des atteintes à l’environnement :
- Les déchets, selon leur qualité, permettent de fabriquer soit des alliages de
corroyage, soit des alliages de moulage
- Les propriétés des alliages ne dépendent que de la composition chimique et du
traitement métallurgique: elles sont indifférentes à l’origine du matériau primaire
ou secondaire.
4.3.
20/34
Fabrication du plastique
La matière plastique permet de créer des emballages légers et moins volumineux que
le verre, le métal ou le papier. Le poids et le volume du produit final étant réduits, cela
contribue à la conservation de l'énergie pendant le transport.
Il existe 3 types de plastique utilisé pour la fabrication des contenants :
-
Le PET (polyéthylène téréphtalate) qui est transparent et sert à la
fabrication de bouteille pour l'eau ou les boissons. Toutefois, sa faible
imperméabilité fait qu'il ne peut contenir de boissons gazeuses trop
longtemps sous peine de laisser échapper le gaz qu'elles contiennent.
À l'heure actuelle on voit arriver sur le marché des PET à propriétés
barrières renforcées qui sont eux totalement imperméables. C'est d'ailleurs ce
nouveau matériau qui remplacera les bouteilles de bière en verre.
-
Le PVC (polychlorure de vinyle) qui est utilisé depuis très longtemps dans de
nombreux domaines : BTP, emballages ménagers, etc. Il y a 10 ans, c'était
quasiment l'unique matériau utilisé pour la fabrication de bouteille (avant l'arrivée
du PET). Aujourd'hui pour des raisons de faible résistance à la pression externe, ce
matériau tend à laisser sa place au PET, qui lui, est quasiment indestructible.
-
Le PeHD (polyéthylène à haute densité) opaque et rigide qui est utilisé dans les
flaconnages opaques (bouteilles de lait, etc.) et les conteurs plastiques
(poubelles).
Pour les bouteilles d’eau, le cas généralisé est un contenant en PET et un bouchon en
PeHD. Le cours du PET augmente régulièrement au fil des années : son utilisation est plus
répandue malgré une hausse continuelle de son coût (voir graphique ci-dessous).
Fig. 7 : Évolution du cours mondial du plastique sur les 25 dernières années
21/34
4.3.2. Processus
•
Étapes du processus
1. Injection Soufflage : les bouteilles plastiques en PET sont chauffées à 280°C et sont
fabriquées par injection soufflage. La matière est d’abord injectée dans un moule
de préformage puis la prémisse de bouteille est à nouveau chauffée, étirée et
soufflée dans le moule définitif.
2. Regroupement : les bouteilles sont ensuite dirigées sous
atmosphère protégée vers les enceintes de
regroupement et automatiquement redressées et mises
en ligne sur les chaînes d'embouteillage.
3. Remplissage : l'emplissage et bouchage des bouteilles se fait dans des salles sous
atmosphère et hygiène contrôlées. A l'abri de tout contact extérieur depuis son
captage, l'eau est distribuée sur plusieurs soutireuses dans des salles
d'embouteillage. L'atmosphère est filtrée et mise en surpression pour préserver la
qualité bactériologique de l'eau minérale. Les bouteilles sont aussitôt bouchées,
étiquetées et regroupées pour leur conditionnement.
•
Cadence
Les cadences de production pour les bouteilles en plastiques sont élevées, on parle
d’environ 4000 bouteilles / h.
La séparation des plastiques lors du recyclage est aisée : le PET coule et le PeHD
flotte. Les polymères sont broyés, réduits en paillettes puis immergés pour effectuer la
séparation. Les plastiques sont ensuite envoyés dans les usines de recyclage afin de
fabriquer de nouveaux produits.
En effet, le plastique PET est d'un usage courant dans l'industrie textile (teeshirts, pulls en laine polaire...) et le PeHD permet de fabriquer des bacs à fleurs, des
tuyaux, des bidons d'huile moteurs, des poubelles, des bancs de jardin, etc.
Fig. 8 : le recyclage de 27 bouteilles en plastique permet de tricoter un pull (source : Syctom Paris)
Cependant, l'industrie des produits en matière plastique fait face à un certain nombre
de pressions d'ordre écologique. Les principales préoccupations dans ce domaine sont la
gestion des déchets solides ou encore l'utilisation du polychlorure de vinyle.
22/34
L'effort de réduction des déchets solides porte sur une méthode qui consiste à
encourager l'utilisation dans les nouveaux produits d'un pourcentage plus élevé de résine
recyclée. D'autres mesures contribuent à réduire les taux de rejet de la matière plastique :
réduction de la quantité de matériau nécessaire pour emballer les articles (emballages plus
minces) et réutilisation des contenants.
L'autre élément que l'on peut envisager dans une stratégie intégrée de gestion des
déchets est la récupération de la teneur énergétique de la matière plastique. Certains types
de matière plastique usagée (et d'autres matériaux) ne peuvent être recyclés qu'à des coûts
excessifs. Dans ces cas, il pourrait être avantageux de récupérer l'énergie potentielle par une
combustion bien contrôlée.
4.4.
Bilan technico-économique
4.4.1. Données comparatives
À partir des données étudiées, nous pouvons faire un comparatif des avantages et
inconvénients des matériaux utilisés actuellement en industrie pour l’emballage.
Cadence de production (unités/min)
•
900
800
700
600
500
400
Production
Les cadences de
production
sont
très
disparates, les boîtes de
boisson peuvent atteindre
800 unités par minutes
tandis
que
sortent
seulement 2 bouteilles de
verre sur le même laps de
temps.
300
En ce qui concerne le
coût
de production et le
100
prix des installations, les
0
coûts exacts sont difficiles à
Boites alu
Plastique
Verre
obtenir des industriels, mais
lorsqu’on cumule matières
premières + installations de
fabrication + intervention main d’œuvre pour le processus et contrôle, nous pouvons émettre
quelques hypothèses.
200
Devant les processus présentés, la fabrication d’emballages verre est le moins
coûteux mais également le moins rentable, contrairement à la fabrication de boîtes de
boisson qui doivent avoir un processus de contrôle très rigoureux (pour le découpage, et
l’étirement notamment pour ne pas qu’il y ait de rupture matière) et coûteux.
•
23/34
Impact environnemental
Pollution en production
On peut constater que la fabrication du verre est celle qui est la moins polluante, que
ce soit au niveau de la récupération des matières premières (l’extraction est en grande
partie remplacée par l’adjonction de calcin issu du recyclage) qu’au niveau du processus
en lui-même. Ce dernier n’utilise pas de traitement polluant ou dangereux pour
l’environnement.
C’est le cas contraire pour l’aluminium utilisé dans les boîtes de boisson (au même
titre que l’acier). Outre la grande quantité d’énergie consommée lors de l’extraction, la
fonte de l’aluminium dégage un certain nombre de polluants toxiques, contrôlés mais qui
entraînent, malgré tout, une pollution de l’air et de l’eau.
Recyclage
Les utilisations des emballages par les consommateurs sont très disparates et par
conséquent, leur recyclage n’est pas le même (voir ci-dessous).
Fig. 9 : Comparaison des emballages ménagers selon les matériaux en 2004
Pour faire une étude comparative pertinente, nous pouvons nous intéresser au taux
de recyclage, c'est-à-dire « le rapport entre les tonnes recyclées et le gisement » ou encore
le pourcentage de matière première recyclée utilisé dans la fabrication.
Taux de recyclage
PET
Aluminium
Verre
En 1994
26
23
40
En 2002
72
91
94
Le verre a un net avantage, mais on remarque que les progrès effectués dans le
domaine du recyclage sont rapides tout particulièrement pour l’aluminium des boîtes des
canettes, qui était en retrait et qui a fait un grand pas en avant. Hormis les aspects néfastes
liés à sa production, l’aluminium présente de bons avantages écologiques via le recyclage.
Au final, les impacts environnementaux des trois matériaux d’emballage étudiés sont
mitigés et n’ont pas forcément les mêmes aspects positifs ou négatifs selon l’aspect
production ou recyclage, bien que ceux-ci évoluent très rapidement.
Néanmoins, on peut souligner que le verre est le matériau le plus intéressant en ce qui
concerne le respect de l’environnement pour les emballages.
24/34
4.4.2. Tableau de comparaison des matériaux d’emballage
Nous avons, pour chacun des matériaux d’emballage étudiés, connoté un niveau
pour les critères qui nous paraissent pertinents dans une étude de production, et en lien avec
les besoins formulés dans l’analyse fonctionnelle :
-
le coût des matières premières,
les cadences de production,
les possibilités de créer des formes multiples avec le contenant,
l’impact environnemental : les déchets rejetés et les capacités de recyclage,
la capacité de stockage du contenant,
l’aspect marketing qui comprend la facilité de décoration et la vision dont le
matériau bénéficie auprès des consommateurs.
Verre
Plastique
Acier
Coût matières premières
+
++
++
Cadences de production
+
+
+++
Formage multiple
++
+++
+
Impact environnemental
+++
++
+
Capacité de stockage
++
++
+++
Propension au marketing
+++
+
++
BILAN
+++
++
+++
On remarque que d’un point de vue purement industriel et de mise en œuvre, les trois
types de matériaux d’emballage étudiés sont globalement équivalents. Les différences sont
prononcées pour certains critères : l’acier des boîtes de boisson a une grande cadence mais
une mauvaise écologique, ce qui est le contraire du verre.
On voit bien à nouveau dans ce cas la nécessité de rechercher des compromis, tout
dépend bien évidemment des critères que l’industriel veut privilégier. Cela dit, il faut garder à
l’esprit que ces éléments liés à la production ne sont que des « besoins secondaires » (cf.
analyse fonctionnelle).
En effet, cette considération fabrication n’est pas
bonne conservation de la boisson dans le contenant.
prioritaire contrairement à la
25/34
5. Étude approfondie : boîte de boisson de CocaCola™
Nous allons maintenant reprendre les différents points de notre cahier des charges et
les appliquer sur une boisson et un type de contenant bien précis : Un soda au cola avec un
contenant de type cannette de 33cl et bouteille de 1,5l.
5.1.
Caractéristiques du Coca Cola™
Il s'agit d'une boisson gazeuse aux extraits de caféines et de cola, constitué a 90%
d'eau (dans la version "de base"), d'extraits naturels de plantes, de caféines, de saccharose
pour le goût sucré, de gaz carbonique pour gazéifié la boisson et de différents acides pour
acidulé la boisson (essentiellement de l'acide phosphorique), et enfin des conservateurs et
colorants.
•
Acidité de la boisson : pH acide = 2,7
•
Pression : Pour une cannette de 33cl : 5,5 bars
•
Concentration de CO2 : 8g de par litre
•
Durée de conservation du produit : 4 mois
•
Exigences techniques pour le contenant :
- Résistance à la pression
- Résistance à l'acidité
- Empêcher la perméation du CO2
- Maintien des caractéristiques des matériaux supérieurs à la durée de
conservation du produit
Nous excluons volontairement les normes assez contraignantes sur le contact
alimentaire, qui limiteraient dès lors notre champ d'action.
5.1.1. Forme et taille du contenant
•
La cannette de 33 cl
La cannette de 33 cl, de par ses dimensions et sa forme, est pratique pour être
transportée. Elle peut en outre être facilement tenue à une main, elle ne présente pas de
côté saillant. Sa forme est aussi pratique pour le stockage, les parties supérieures et inférieures
de la cannette permettent un empilement facile. La cannette véhicule aussi une image
"tendance" et vise, entre autres, un public jeune. La décoration de la cannette sera donc un
point important. Le système d'ouverture se fait à l'aide d'une languette.
•
La bouteille de 1,5l
La bouteille de 1,5L est quant à elle destinée à une utilisation plus "familiale", moins
pratique pour le transport, sa préhension devra peut être faite avec les 2 mains. Le système
d'ouverture se fait par un bouchon à visser/dévisser. Les indications de la boisson sont
imprimées sur une étiquette, collée directement sur la bouteille.
26/34
Traditionnellement, les cannettes sont réalisées soit en acier/aluminium ou 100%
aluminium tandis que la bouteille de 1,5L est en PET (Polyéthylène Téréphtalate).
Nous allons donc voir s’il ne serait pas possible de se pencher sur d’autres matériaux.
Exigence pour le contenant avec le nouveau matériau :
-
Le matériau doit pouvoir pendre la forme de la cannette / bouteille
Impression d'un décor facilement réalisable
Faible masse
5.1.2. Environnement
Nous l'avons vu précédemment, l'environnement extérieur va être source d'agressions
pour notre contenant. Conformément à notre cahier des charges, nous allons tenir compte
des paramètres suivants pour l'extérieur :
- Température
- Humidité
- Lumière
- Efforts
Exigences liées à l’environnement pour le contenant :
-
Résistance aux températures extrême : -30°C et +80°C
Dilatation du matériau à surveiller
Résistance à la corrosion provoquée par l'humidité extérieure
Résistance aux efforts extérieurs (chocs, chutes, etc.)
Résistance aux UV
5.1.3. Besoin pour la production
Exigences pour la production du contenant :
-
Prix du matériau le plus bas
Cadence de production à assurer, 2000 boites par minutes (cadence d'une ligne
de production aujourd'hui pour la fabrication de cannette)
Cadence de production à assurer pour la bouteille de 1,5L, 400 bouteilles par
minutes
Recyclabilité
Résistance au stockage
5.2.
27/34
Modélisation via CES
Nous allons maintenant essayer de modéliser quelques-unes de nos exigences en
utilisant le logiciel CES, qui reprend le principe de la méthode Ashby.
5.2.1. Dilatation thermique
Il nous faut un matériau supportant les flux de chaleurs afin notamment d'empêcher
une fuite au niveau du système d'ouverture qui pourrait être provoqué par la dilatation du
matériau.
Considérons le cas d'un barreau isolé, sauf à ses extrémités. Une des extrémités est à
la température ambiante, et l'autre extrémité à la température de la source de chaleur
Isolant
T ambiante
q
Source de chaleur
Isolant
La quantité de chaleur q en régime permanent est donnée par la loi de fourrier
q = - λ (dT/dx)
λ
: Conductivité thermique du matériau
dT/dx : Le gradient de température résultant
ε d'un matériau en fonction de la température aie donné par son coefficient
de dilatation linéaire α
La déformation
ε = α (T0 - T)
La déformation est proportionnelle au gradient de déformation :
d ε/d α = α (dT/dx) = ( α / λ ).q
Ainsi pour une configuration géométrique et un même flux de chaleur, la distorsion
sera minium si α / λ est petit (ou λ / α grand)
Nous avons donc tracé le coefficient de dilatation thermique en fonction de la
conductivité thermique sur une échelle logarithmique.
28/34
Modélisation CES correspondantes :
Les matériaux les moins sensibles à la déformation thermique se situent en bas à
droite. Parmi les plus sensibles, on retrouve en grande partie les polymères.
5.2.2. Résistance à la pression interne
Notre contenant va devoir résister à la pression générée par le processus de
carbonatation pour rendre la boisson gazeuse. La pression va engendrer une contrainte dans
les parois de notre contenant.
Pour une paroi mince, la contrainte est donnée par :
σ = pR / 2e
Epaisseur : e
Contrainte : σ
+
Rayon : R
Pression : p
Schéma de principe de la contrainte
29/34
Il faut que σ < σe (pas de déformation plastique) donc σe = pR/2e e = pR / 2σe (1)
Cette contrainte physique devra être réalisée avec un matériau léger, nous allons donc faire
intervenir le poids.
m=ρ.V
m = ρ h π ((R+e)² - R²)
En remplaçant avec la relation (1) on obtient :
m=
ρ
ρ hπ p²R² 
( hπ R² ) + 
σe
σ e ²  4 
Les valeurs h, π, p, R sont fixées, seules ρ et σe varie en fonction du matériau.
Soit M l'indice de performance, quand M augmente la masse m doit diminuer.
Donc
M=
σe²
ρ
On va donc chercher à représenter graphiquement l'indice de performance, en essayant
d'avoir quelque chose de la forme σe = a . ρ + b
On passe en log, on obtient :
log m = log σe - log ρ + log C avec C = h π ( p² / 4 ) ( 4R²+R4) = constante
log m = 2 log σe - log ρ + log C
log σe = 1/2 log ρ - log C + log m
Modélisation sous CES
30/34
On a donc pour l'axe X la densité et pour l'axe Y la limite élastique, la droite ayant
pour coefficient directeur 0,5.
Tous les matériaux sur la droite présentent la même résistance à la pression, mais
nécessiteront des épaisseurs différentes. On remarque en bleu la famille des plastiques en
rouge figurent les métaux non ferreux.
Le PET de la base du logiciel se situe à peu près sur la droite et présenterait ainsi des
performances équivalentes à un alliage de zinc et d'aluminium.
5.2.3. Paramètres divers
Certains paramètres peuvent être exploités directement sans l'utilisation de calcul,
mais nécessitent dès lors d'avoir au moins un ordre de grandeur. Nous allons en traiter
quelques-uns.
Le principe est sensiblement le même : il suffit de choisir le paramètre et ensuite de
sélectionner la zone de notre ordre de grandeur. On peut bien entendu par la suite réaliser
des intersections afin d'éliminer les matériaux.
•
Résistance aux UV
Le logiciel propose un module pour permettre de déterminer la tenue du matériau
aux expositions des UV. Comme il est difficile de quantifier cette résistance, le logiciel utilise 5
niveaux allant d'une très mauvaise tenue à une très bonne tenue aux UV.
Comme on pouvait s'y attendre, les matériaux les plus sensibles aux UV sont les
polymères, le PET fait toutefois partie des polymères qui résistent bien.
•
Température d'utilisation des matériaux
Les températures mini et maxi de service des matériaux sont indiquées dans la base
de données du logiciel.
Les matériaux que nous acceptons sont ceux dont la plage d’utilisation de service se
situe entre -30°C et 80°C.
31/34
Pour une température de service supérieure à 80°C :
On remarque qu’il existe de nombreux matériaux qui résistent au-delà de 80°C. d'une
manière générale, on retrouve encore certains polymères et leurs mousses qui sont souvent à
la limite.
Le PET de la base de données semble lui aussi à la limite (87°C), toutefois dans sa
phase cristalline, il peut résister à des températures de plus de 220°C.
Pour une température de service inférieure à -30°C
Encore une fois on constate que la quasi-totalité des polymères sont à la limite, de
même que les aciers aux carbones.
32/34
5.2.4. Bilan des modélisations avec CES
D'autres paramètres peuvent être testés avec cette méthode, mais au final on prend
le risque de ne se retrouver avec aucun matériau adéquat. Il y a toutefois un paramètre
important pour les contenants de "grande" capacité, la transparence du matériau.
Un contenant transparent ou translucide permet ainsi aux consommateurs de juger
de l’aspect et de la quantité de boisson restante. Il peut être aussi permettre par exemple de
mettre en avant la couleur du contenu.
Si l'on tenait compte de ce paramètre, de nombreux matériaux seraient éliminés, la
base de données se limitant à 47 matériaux, essentiellement des polymères, mais aussi des
matériaux composites.
L'utilisation de CES est bien avant tout destinée aux « dégrossissements ». Le logiciel
donne une orientation, mais il est loin de donner une réponse unique et formelle, simplement
parce qu’il ne prend pas en compte, entre autres, notre critère "multi matériaux".
C'est à l'utilisateur d'analyser les réponses possibles et de les combiner entre elles. De
plus, il ne tient pas compte non plus des traitements éventuels applicables (exemple le vernis
pour améliorer la résistance au milieu acide).
33/34
6. Conclusion
Malgré un produit qui peut paraître simple, nous nous sommes rendu compte à travers
ce projet que beaucoup de paramètres rentraient en jeu. Nous avons essayé à travers notre
cahier des charges de couvrir un maximum de ces paramètres dont certains sont parfois
difficiles à quantifier (impact d'oligo-éléments...) et reposent avant tout sur des tests plutôt
que des calculs.
Bien entendu répondre au cahier des charges avec l'aide d'un seul matériau est
impossible sans faire quelques compromis. C'est pour cela que les exigences peuvent être
hiérarchisées, notées selon l'importance qu'on leur accorde. Ainsi, la volonté d'un design
particulier avec des formes complexes peut demander un travail plus important sur l'outil de
production, ou encore la transportabilité à "toute épreuve" se fera par une résistance aux
chocs accrue.
Le choix du matériau pour les contenants n'est donc pas aussi simple, pour marier
plusieurs exigences il sera nécessaire parfois d'utiliser plusieurs matériaux, ou d'avoir recours à
des traitements bien spécifiques. Ainsi pour exemple la résistance à l'acidité de la boisson
peut se faire par un dépôt de vernis à l'intérieur du contenant. Ce travail de recherche peut
donc demander beaucoup de temps pour se concrétiser.
Par exemple il y a quelques années la bouteille Perrier dite "incassable" a demandé
pas moins de deux ans de développement. Deux ans pour remplacer le verre par du PET, afin
de rendre cette bouteille transportable en toute condition. D'ailleurs si le PET est bien le
matériau de base pour ce nouvel emballage, il est à noter qu'il s'agit en fait d'un
multicouche (deux couches de PET et une couche intermédiaire de Polyamide). Mais il n'y a
pas que le matériau qui a nécessité un long travail, la forme de la bouteille fut aussi un point
important et délicat. La forme est un mariage compliqué entre des exigences de design et
des exigences d'ordre technique, notamment pour la production.
Mais les matériaux utilisés pour les contenants sont surtout guidés par l'utilisation de
normes alimentaires qui limitent ainsi la base de matériaux disponible. Aussi, avant d'arriver
sur le marché un nouveau matériau devra alors passer une batterie de tests pour attester de
sa conformité. C'est aussi cela qui explique en partie les développements assez longs de
nouveaux contenants.
Concernant l'évolution des matériaux dans les contenants pour boisson nous avons
pu voir que le plastique prenait de plus en plus d'importance. Si le PET reste encore
majoritaire, les industriels cherchent des solutions notamment pour l'environnement et la
recyclabilité en utilisant des biomatériaux. Toutefois, ces évolutions ne touchent pas
forcément tous les secteurs de la boisson, ainsi les vins ou les champagnes reste avant tout
sur l'utilisation du verre. Il faut dire que ces boissons véhiculent une certaine image de
tradition, et si demain le champagne était proposer dans un "vulgaire" plastique les
consommateurs seraient sûrement très réticent.
34/34
7. Bibliographie
•
Ouvrage
-
Choix des matériaux en conception mécanique - Asbhy Ed. Dunod, 2000
L'emballage des denrées alimentaires de grande consommation, G. Bureau, J.-L.
Multon, 1989
Guide du centre de tri des déchets recyclables ménagers, Ademe, Ecoemballages, 1998
-
•
Site Internet
Normes
http://www.minefi.gouv.fr/
Processus fabrication verre
http://www.verre-avenir.fr
http://www.miseenbouteille.info/
http://www.voa.fr/
Processus fabrication plastique
http://www.caron-vector.be/
http://strategis.ic.gc.ca/
Durée de vie
http://www.biophyresearch.com/
http://www.vide.org/
Informations sur les cannettes
http://www.gielbb.com

Rapport MQ12

Transcription

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