(thermoformage de pièces technologiques AP.ORG)

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