LES PROCÉDÉS D`INJECTION :

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DOSSIER
LES PROCÉDÉS D’INJECTION :
optimiser, surveiller, piloter
les paramètres du process
Contacts
DOSSIER
Sara Maiez-Tribut
ARDI Rhône Alpes
Département Matériaux et
Procédés
[email protected]
Dominique Appert
Centre de Formation
de la Plasturgie
R&D
[email protected]
Une journée de l’innovation sur le thème de l’optimisation,
de la surveillance et du pilotage des paramètres du process
s’est déroulée le 27 septembre 2011, à Oyonnax, évènement
co-organisé par le Centre de Formation de la Plasturgie
(CFP) et le département Matériaux et Procédés de l’ARDI
Rhône-Alpes.
Une quarantaine de personnes étaient présentes à cet évènement dont 76% appartenant au domaine de l’industrie, 5%
aux laboratoires et centres techniques et 19% aux
institutions et organisationnels.
La concurrence des pays
« low cost » et
les comportements des consommateurs
obligent les donneurs d’ordre à être toujours plus exigeants vis-à-vis des fabricants en termes de qualité de produits et
de réduction de coût.
Cela nécessite pour les plasturgistes de produire en
tenant compte de ces impératifs :
-produire la quantité de
pièces attendues,
-dans les coûts prévus,
-et dans les délais prévus,
-des pièces conformes aux
exigences …
La journée de l’innovation
du 27 septembre a mis le
focus sur les procédés
d’injection des pièces
plastiques pour montrer
les méthodes de réglage,
les techniques nouvelles
de production et les outils
qui se mettent en place
pour produire « MIEUX ».
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Qualité de production et productivité : Evolutions des technologies
de presse à injecter
M. Alexandre GIROUD, BILLION,
chef de projet plasturgie
M. Giroud a fait un point sur les différentes
technologies de presse : hydraulique,
hybride (énergie hydraulique et moteur de
vis électrique) et 100% électrique.
Les presses hydrauliques sont encore les
plus répandues dans les ateliers. Dans ces
technologies de presse, un centre hydraulique commun gère l’ensemble des mouvements, ce qui peut poser des problèmes
lors de mouvements simultanés.
Pour pallier à cette difficulté, la société
Billon a développé un accumulateur de
pression visant à obtenir un débit hydraulique important sur un temps court permettant de mieux gérer les mouvements simultanés, gagner en temps de cycle et
diminuer la consommation d’énergie (tout
en conservant une vitesse d’injection élevée). Afin de gagner en précision et répétabilité du dosage et de l’injection, les
mouvements de la vis sont régulés en boucle fermée, c'est-à-dire que la pression de
travail est mesurée en continue par un
capteur dans le vérin d’injection, ce qui
permet un réajustement automatique.
Une autre solution est de passer à une
technologie de presse hybride, c'est-àdire utilisant l’énergie hydraulique pour
tous les mouvements de translation
nécessitant force et vitesse et l’énergie
électrique pour les mouvements de rotation avec un excellent rendement.
Cette combinaison diminue la consommation énergétique de 30%, améliore de
façon significative la précision sur la
phase de plastification et permet une augmentation de la vitesse de rotation de la
vis.
Enfin la dernière technologie de presse
présentée et qui connait le plus fort essor
est la technologie électrique. Les presses
électriques représentent aujourd’hui 50%
des ventes de la société Billion. Elles permettent de produire « mieux », c'est-à-dire
avec une meilleure précision et fiabilité,
Schéma de principe process d’injection - Doc ERCE Plasturgie
avec une réduction des coûts d’exploitation (diminution de la consommation énergétique et en eau), une diminution des
déchets et pollution et améliore les conditions de travail (bruit, propreté).
Chaque mouvement de la presse est piloté
par un moteur électrique dédié. Le grand
avantage de ces moteurs est la stabilité de
leur performance par rapport aux moteurs
à huile (dépendant de la Température par
exemple). Chaque moteur n’est utilisé que
pour un mouvement, le reste du temps il
est à l’arrêt, ce qui permet une forte économie d’énergie (de 50% à 70% par rapport au système hydraulique). De plus ce
type de moteur présente un faible niveau
sonore et leur maintenance est plus aisée
(pas d’huile).
tants (mal supporté par les moteurs électriques).
Un autre avantage des presses électriques est la précision de mesure de la
position et de la vitesse : précision 10 fois
supérieure à celle d’une presse hydraulique. Cela a un impact direct sur la qualité
des pièces (précision et régularité des
volumes injectés) et facilite l’intégration
de robots et de périphériques. Cette précision est conservée même dans les faibles
niveaux de pression (ce qui n’est pas le
cas des presses hydrauliques).
L’optimisation et le pilotage du procédé d’injection par la mesure des
flux thermiques dans les outillages
La société Billon développe aujourd’hui
des presses électriques jusqu’à 600
tonnes de force de fermeture. Au-delà le
développement des moteurs électriques
n’est plus compétitif par rapport à la technologie hydraulique. Actuellement la technologie hydraulique est plutôt destinée
aux pièces épaisses et/ ou à des pièces
nécessitant des temps de maintien impor-
Grâce à ce type de mesures, il est possible
d’accéder à un certain nombre d’informations sur le procédé. En plasturgie, la différence de température entre la matière
injectée et l’outillage génère des flux thermiques et inversement les flux thermiques
génèrent des variations de température
dans la matière injectée et l’outillage.
Deux types de mesure sont possibles : une
M. Giroud a également présenté le travail
effectué sur l’interface homme-machine
(l’automate) afin de rendre le pilotage de
la presse plus intuitif, fonctionnel, réactif,
communiquant et évolutif. Il permet de
gérer la production et d’en contrôler la
qualité. De nouvelles fonctionnalités visent
à améliorer la qualité et la reproductibilité
des pièces : adaptation de la force de verrouillage en fonction du volume injecté
dans l’empreinte (easy flow), autocorrection de la force de verrouillage, autocorrection de la pression de commutation (en
fonction de la viscosité de la matière).
M. Fabien CARA, TFX, manager
TFX (issu de la société Thermoflux) est
spécialisé dans le contrôle et l’optimisation des procédés par le biais de mesures
thermiques (conception de capteurs et
systèmes de mesure et de gestion de l’information).
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DOSSIER
Schéma de principe process d’injection - Doc RJG
DOSSIER
mesure de flux (capteur de flux thermique) ou une mesure de variation de
température (thermocouple).
Le capteur de flux thermique est vissé
dans l’outillage à 1mm de la surface.
L’objectif est de suivre la variabilité dans
le process qui peut être le signe d’un
problème. Cette technologie est plutôt
adaptée pour des cycles d’une minute à
une heure (peut donc aussi être utilisé
pour matériaux réactifs : SMC, composites, mousses PU, silicones…
L’utilisation d’un thermocouple sera plutôt destinée à des cycles inférieurs à
1 minute. La sonde est placée à 1 mm de
la surface, ce qui permet d’avoir des
informations sur la température matière
de façon confortable. L’exploitation des
signaux (contrôle en ligne, acquisition de
données) fournit des informations sur le
process et peut aboutir à l’identification
des causes de problème de variation
(indicateur).
La détection de pièce incomplète, l’optimisation de temps de refroidissement, la
détection d’anomalies à l’injection (variabilité matière par exemple…), le contrôle
du surmoulage sont autant de paramètres pouvant être contrôlés par ce biais.
Des modifications mesurées de flux thermique peuvent permettre :
- de faire un triage automatique des
pièces (signature d’un incomplet),
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- de donner des consignes de démoulage (envoi d’un signal de démoulage
lorsque le flux ou la température passe
au-dessous d’un seuil), adapte le temps
de cycle aux performances du système
de refroidissement.
- de détecter des anomalies à l’injection :
le contrôle d’un échauffement anormal à
proximité des zones de cisaillement permet de détecter des anomalies en ligne,
- de contrôler le surmoulage : absence
d’insert, variabilité de position.
Ces capteurs sont donc des outils d’aide
à la surveillance de production (stabilité
et lien avec la qualité).
L’optimisation et le pilotage du
procédé d’injection par la mesure
de la pression dans le moule
M. Pascal TOURNIER, RJG France,
responsable commercial ;
M. Stéphane CASTIN, KISTLER,
responsable des ventes ;
M. Thierry LAVEIX, SISE,
responsable des ventes France ;
Regards croisés des 3 principaux fabricants et installateurs de capteurs pour
outillage d’injection. La pression reflète
la viscosité effective de la matière plastique dans l’empreinte, il est donc intéressant que les capteurs se trouvent au
plus près de la pièce. Les capteurs peuvent être positionnés en début et fin de
remplissage. On peut ainsi piloter la
presse en suivant les indications recueillies dans le moule.
L’Intérêt de placer ce type de capteurs
est de trois ordres :
- le tri : évite d’envoyer des pièces mauvaises aux clients (traçabilité 100% des
pièces).
- pilotage du process : réduire les rebuts.
- analyse : comprendre les causes de
dérives, dupliquer un processus sur une
autre machine.
La mesure de pression peut se faire, soit
de manière indirecte à l’arrière d’un
éjecteur ou d’une tige de mesure, soit de
manière directe, le capteur est en
contact avec la matière dans l’empreinte
et mesure la pression directement sans
tige de transmission. Cette dernière solution permet des mesures très précises et
un positionnement idéal dans l’empreinte
mais nécessite plus d’usinage pour le
passage des câbles notamment.
A partir des données fournies par les capteurs et les données fournies par la
presse, on met en place des indicateurs
qui vont permettre de suivre la qualité de
la production.
Il sera donc possible d’écarter automatiquement des pièces avec des défauts de
remplissage par exemple. L’intérêt de
mesurer la pression d’empreinte est que la
courbe de pression enregistrée pour
chaque pièce devient une réelle carte
d’identité de la pièce moulée.
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M. Laveix nous précise qu’en plus des
informations provenant des capteurs dans
le moule, il est possible de collecter d’autres types de signaux comme les informations machine, les informations production,
et ainsi, de corréler toutes ces variables
via un dispositif unique équipé d’un logiciel
de traitement de données.
3 niveaux d’utilisation sont possibles :
- collecte et affichage des données,
- traitement et transfert des données afin
d’identifier des points remarquables de
cette production, de ce process. On peut
multiplier le nombre de paramètres,
- analyses et corrélations des données :
analyses statistiques, effet de variation
d’indicateurs les uns par rapport aux
autres, corrélation entre les variables,
identification des variables à surveiller.
Retour d’expérience d’implantation
en atelier de systèmes de supervision du procédé d’injection par capteurs dans les outillages
M. Hassan BELHANDA, ERCE Plasturgie,
responsable Recherches et Innovation
La société ERCE plasturgie a initié une
démarche d’instrumentation de ses outillages depuis 2008 et tend à le généraliser à
la plupart de ses nouveaux développe-
ments. Pour M. Belhanda, l’instrumentation permet, en phase de développement,
de maîtriser le process d’injection, de le
rendre reproductible, et de faciliter et diminuer les délais de mise au point des pièces.
En phase de production, la présence de
capteurs permet de surveiller le process et
la qualité de la pièce, d’écarter les pièces
dont la qualité est jugée limite et mauvaise,
ainsi que d’avoir un historique complet de
la signature process pour chaque pièce
fabriquée.
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qui serviront au tri des pièces. Dans ce
processus d’instrumentation le choix du
positionnement des capteurs est primordial. Selon ce que l’on veut contrôler, le
type et la position des capteurs seront différents.
La mise en place de l’instrumentation des
outillages doit se faire suivant certaines
étapes. Tout d’abord, il est nécessaire de
déterminer quelles sont les caractéristiques à respecter (dimensionnelles,
aspect…).
Le choix du positionnement se fera suite à
une étude rhéologique et en se basant sur
l’expérience de pièces identiques ou
proches. Les capteurs de pression (placés
souvent en fin de remplissage) rendent
compte de la qualité de la pièce (variation
dimensionnelle, déformation, bavure,
manque…) mais peuvent également permettre la commutation par pression d’empreinte, ce qui limitera l’influence de la
variation de viscosité matière (placée juste
après le seuil d’injection dans ce cas).
Ensuite il faut intégrer des capteurs (capteurs de pression et/ou de température)
dans l’outillage afin de rendre compte de
ce qui se passe dans l’empreinte. Les
signaux de la presse (pression vérin d’injection, course et vitesse vis, tops injection, maintien, dosage) doivent également
être récupérés. Associer les données capteurs avec les données de la presse va
permettre d’identifier les indicateurs pertinents au suivi du process. Une fois les
paramètres influents définis, il reste à
déterminer les limites sur ces paramètres
Les capteurs de températures, quant à eux,
autorisent une maitrise plus fine du dimensionnel, permettent la détection de dégradation matière, de problème de refroidissement, de dysfonctionnement du collier de
chauffe ou de la régulation du moule. De
plus, ce type de capteur permet de piloter
les buses à obturateur d’un bloc chaud.
Pour Monsieur Belhanda, la mise au point
et la production d’un produit avec un outillage instrumenté est un plus indéniable;
néanmoins, elle s’accompagne d’évolutions importantes au sein de l’entreprise.
Graphique Pression en fonction du Temps - Doc ERCE Plasturgie
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DOSSIER
En effet elle nécessite :
- d’intégrer les différents plans d’expériences dans le planning client,
- un personnel ayant des compétences
très pointues en plasturgie,
- une implication du personnel,
- une maintenance des outillages plus
délicate.
DOSSIER
Mais l’instrumentation permet
des gains de temps dans la
mise au point de pièces qui
peut aller jusqu’à 4 phases, soit
presque 12 semaines de développement (même si le temps de réalisation des plans d’expérience nécessaire à l’optimisation des conditions de
mise en œuvre, n’est pas à négliger
(jusqu’à 6 semaines)).
Le gain de temps n’est pas le seul avantage, le suivi de production permet également de réduire le taux de rebuts et
d’identifier plus facilement les causes de
dérives.
Le suivi de production par l’utilisation d’outils statistiques
M. Jean-François BLEICHER, CFP,
expert Plasturgie
Il existe un certain nombre de capteurs
qui permettent de fournir des informations sur le disfonctionnement des outils
de production.
Les deux problèmes principaux rencontrés sont un mauvais échange thermique
dans le moule et une inhomogénéité de
la plastification dans le système vis/fourreau. Ce sont des éléments perturbants.
L’outil statistique est basé sur une information préventive permettant de réagir
rapidement avant la dérive de la valeur
surveillée entrainant une non-conformité.
Le procédé doit donc être sous contrôle.
L’utilisation de l’outil statistique nécessite
que des règles strictes soient respectées :
les procédés doivent être optimisés, le
procédé doit être stable, un nombre de
mesures minimum doit permettre le calcul
Plastilien • Décembre 2011 • n°83
Schéma de principe buse - Doc RUNIPSYS
de deux valeurs :
la moyenne et l’étendue.
La surveillance va permettre de
détectée une dérive. La combinaison de
surveillances simultanées confirme l’origine de la cause de cette dérive.
Les paramètres à mettre sous surveillance sont : homogénéité de la plastification matière (temps de dosage, temps
d’injection dynamique…), les échanges
thermiques dans le moule (température
de démoulage, température d’empreinte)
ainsi que les paramètres de réglages de
la presse.
M. Bleicher a insisté sur le fait que les
outils statistiques nécessitent de respecter des règles strictes sinon les résultats
ne sont pas exploitables et ne reflètent
pas la réalité. Ils sont donc à manipuler
avec précautions.
Système d’injection innovant et
utilisation de la fusion laser pour
gagner en compétitivité dans des
typologies de pièces profondes
M. Sylvain MORIZOT, RUNIPSYS,
pilote de Développement Etudes
et Recherche
La société Runipsys est partie du constat
que l’injection multi-empreintes traditionnelle (moules 3 plaques) présentaient des
avantages comme l’injection directe au
centre, le dégrappage automatique ou le
faible coût de l’outillage mais comportaient également un certain nombre d’inconvénients parmi lesquels le temps de
cycle, l’évacuation des carottes par un
robot, les déchets.
La conception traditionnelle fait appel à
des busettes à conduction thermique, il
existait une alternative à celles-ci : l’utilisation de busettes chaudes et de pointes
rallongées à conduction thermique. Mais
cette solution pose d’autres problèmes.
En effet elle nécessite de surchauffer la
busette pour obtenir la bonne température au niveau du seuil et spécifiquement
au démarrage. Mais la surchauffe cause
une sur-dilatation de la busette et entraine
un passage de matière irrégulier.
C’est pour répondre à ces problématiques que la société Runipsys a développé un nouveau système d’injection :
« Pinshot nano ».
Un tube chauffant sérigraphié amène
l’élément chauffant au niveau de la pointe
(pointe courte), les ponts thermiques sont
quasi inexistants, et permet un démarrage rapide et une influence limitée de la
température du noyau.
De plus pour éviter une dilatation trop
importante de la pointe, une butée mécanique à l’avant a été mise en place déplaçant la dilatation à l’arrière. Cette solution permet d’avoir un passage matière
constant et un remplissage équilibré. Le
tube chauffant sérigraphié assure un profil de température idéal évitant ainsi la
formation de fil.
La problématique de l’encombrement de
la buse élevé empêchant une régulation
efficace a été solutionnée d’une part par
l’utilisation de tube chauffant ultra-mince
et d’autre part par l’obtention d’un noyau
en fusion laser autorisant la conception
d’un système de refroidissement localisé
performant.
Enfin ce nouveau système d’injection
permet un gain de temps de cycle (10s au
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lieu de 24s) et de s’affranchir des déchets
puisque les pointes courtes éliminent la
formation de carottes.
Les développements procédés prenant en compte les spécificités des
nouvelles matières : matériaux
agro-sourcés, biodégradables
M. Jean-Philippe SEYMARC, EPA
Etudes Plastiques Appliquées, PDG
La problématique première pour les biomatériaux est la stabilisation de leur durée
de vie et la fragilité de ces produits. En effet
la technologie traditionnelle, aux particularités connues pour la température de chauffe
par exemple, retrouve de nouvelles donnes
avec les bio-matériaux : tout reste à adapter.
Les bio-matériaux ont tendance à se
dégrader dans le procédé d’injection,
comment faire pour les transformer et
qu’ils répondent à la demande. De plus ce
type de matériaux pose des problèmes de
corrosion et diffusent beaucoup de gaz
lors de la transformation. Pour transformer
ces polymères, EPA a dû repenser le système de chauffe. Le système d’obturation
a également été modifié et renforcé pour
gérer la production de gaz parasites.
Le choix des matériaux, acier et alliages,
entrant dans la fabrication des éléments a
également été adapté. Des aciers spéciaux résistants à la corrosion chimique et
des traitements thermiques d’aujourd’hui
adaptés et spécialisés ont été utilisés afin
d’obtenir un résultat optimum et un coefficient de frottement idéal dans le système
de transit de la matière. La thermique de la
buse a, elle-aussi, été revue et corrigée
pour un rendement optimum.
Travaux visant à permettre aux plasturgistes d’optimiser la matière sur
le plan économique et rhéologique
pour obtenir le produit voulu
M. Frédéric LEONARDI, UNIVERSITE
de PAU, maître de conférences
nir la viscosité voulue. La viscosité du
mélange est toujours plus proche de la viscosité la plus forte. Ajouter une part d’un
grade moins visqueux peut être plus efficace que d’augmenter la température (pas
de risque de dégradation de la matière).
Un approvisionnement massif de deux
grades de MFI assez différent permet de
formuler tous les grades intermédiaires
avec une loi empirique sur le MFI. Le gain
est en terme de coût et en variabilité en lot
matière.
Le mélange aura une élasticité supérieure
(donc un gonflement en sortie de buse) par
rapport au grade de même MFI.
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Remerciements
• Remerciements aux intervenants pour leur
disponibilité et la qualité de leurs interventions.
• Remerciements aux partenaires de la manifestation : Plastic Vallée, Communauté de
Communes d’Oyonnax, Conseil Régional
Rhône-Alpes, aide de l’Etat, Fonds Européen.
Liens Utiles
h t t p : / / w w w. p l a s t u r g i e formation.com/ji2011/270911.html
h t t p : / / w w w. t e c h n i q u e s ingenieur.fr/actualite/mater iaux-thematique_6342/un-systeme-d-injection-revolutionnaire-pour-la-fabrication-de-petites-pieces
-article_7805/
La compatibilité totale des deux grades
permet un mélange direct de ceux-ci dans
la trémie sans pré-mélange. En vérifiant la
dégradation éventuelle, on peut aussi doubler la course de dosage pour augmenter
le temps de séjour (diffusion).
On peut aller plus loin en utilisant des
modèles moléculaires qui permettent de
prédire la courbe d’écoulement du
mélange à partir du comportement rhéologique de chaque constituant.
En Conclusion, la journée du 27 septembre
a permis de dresser un état des lieux des
méthodes de suivi de process, par des
capteurs de températures et/ou de pression, par l’optimisation des presses ou la
mise au point de nouveaux systèmes d’injection. Les présentations ont également
permis de montrer que la matière était
aussi à prendre en compte et était également un vecteur de développement.
Malgré un nombre restreint de participants, les échanges avec les intervenants
ont été nombreux et intéressants.
Beaucoup de développements sont encore
en cours sur ce sujet et un des challenges
est de généraliser le contrôle des procédés d’injection afin d’assurer une optimisation de ceux-ci et par ce biais gagner en
compétitivité.
M. Léonardi a étudié comment mélanger
différents grades d’un polymère pour obte-
n°83 • Décembre • Plastilien