Guide de moulage. pour les résines MINLON

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1 Guide de moulage TRZ 30 1 re partie DuPont polymères techniques Guide de moulage pour les résines MINLON et ZYTEL Marques déposées de E.I. du Pont de Nemours and Company The miracles of science est une marque de E.I. du Pont de Nemours and Company

2 Table des matières Première partie Page 1. Préface Précautions pour la mise en œuvre Effets thermiques Gaz de décomposition et particules Information sur la sécurité Danger de glissement Rebroyage Propriétés de la résine à l état fondu Structure de la matière Cristallinité Variations de volume Quantité de chaleur requise Viscosité à l état fondu Influence de la température sur la viscosité à l état fondu Influence du taux de cisaillement sur la viscosité à l état fondu Influence de la teneur en humidité sur la viscosité à l état fondu Viscosité relative Point de fusion et température de la résine à l état fondu (température de matière) Ecoulement de la résine à l état fondu Stabilité thermique de la résine à l état fondu Hydrolyse Dégradation thermique Caractérisation de la résine à l état fondu dans des moules équipés d instruments de mesure Manutention de la matière Expédition de la matière Aspect physique de la résine Emballage Manipulation des résines polyamides Stockage Manutention de la résine vierge Manutention des rebroyés Elimination des déchets Influence de la teneur en humidité Séchage Coloration Contrôle de qualité Spécifications de la résine Spécifications sur les pièces moulées La presse à mouler par injection Caratéristiques nécessaires Conception de la presse à injection Goulot de trémie Cylindre Géométrie de l ensemble vis / fourreau Clapet anti-retour Buse Buse à fermeture Elimination des points de stationnement Entretien Conception du moule Matière à utiliser Les canaux d alimentation Carottes Canaux d alimentation Points d injection Ventilation du moule Dépouilles et contre-dépouilles Régulation thermique du moule Moules à canaux chauds Conditions de moulage Température de matière Profil de température du cylindre Température de la buse Vitesse et pression d injection Chute de pression dynamique Pression et temps de maintien en pression Pression de maintien Temps de maintien en pression Vitesse de rotation de vis et contre-pression Décompression Température du moule Temps de refroidissement Agents de démoulage Conduite de la presse à injection Mise en route Interruptions de cycle Fin du moulage Purge Variations dimensionnelles pendant et après moulage Retrait au moulage Influence de la teneur en humidité sur les dimensions Post-retrait et recuit Gauchissement Tolérances réalistiques Deuxième partie Brève description des différentes matières, paramètres de mise en œuvre et conditions de moulage.

3 1. Préface Ce manuel comprend deux parties. La première consiste en une description générale et détaillée du moulage par injection des polyamides. Le but recherché est une meilleure compréhension de ce processus. La description des phénomènes qui affectent les polymères et les conseils de mise en œuvre sont destinés à comparer les spécificités des différentes familles de polyamides et non à aller dans le détail pour chacun des grades existants. Une classification des familles de polyamides est décrite dans le paragraphe «Moulage par injection des polyamides». La deuxième partie de ce manuel consiste en une série de tableaux suggérant comment fixer au mieux les paramètres de moulage les plus importants. Elle comprend aussi la liste complète de tous les types de résines polyamides commercialisés par DuPont. Moulage par injection des polyamides Bien que les résines polyamides MINLON et ZYTEL aient été moulées par injection depuis plus de cinquante ans, optimiser les conditions de moulage reste toujours aussi important si l on veut bénéficier des meilleures caractéristiques de ces polymères. D une manière simplifiée, le procédé de moulage par injection consiste à chauffer des granulés solides, à les fondre, à injecter la matière fondue dans un moule, et à la maintenir sous pression jusqu à ce qu elle cristallise. Il faut bien comprendre et appliquer les conditions de moulage spécifiques à chaque type de polyamide, pour être certain d obtenir des pièces présentant le niveau de qualité que l on est en droit d attendre de la résine choisie. Les conditions de moulage ont une grande influence sur les caractéristiques de la pièce finie, telles que: la résistance des lignes de soudure, l aspect de surface et la stabilité dimensionnelle. Les conditions de moulage idéales pour un grade déterminé dépendront non seulement du polymère de base, mais aussi des additifs et agents modifiants incorporés, car ils ont eux aussi une influence sur la mise en œuvre. Une bonne compréhension du comportement de la résine à l état fondu aidera à comprendre l effet que peut avoir le changement d un paramètre de moulage sur la qualité de la pièce finie. Ceci est couvert au chapitre 2. La plupart des recommandations figurant dans ce manuel sont applicables à un grand nombre des grades de polyamides disponibles chez DuPont. Ces différents grades ont été classés par type, afin de simplifier les recommandations de moulage et pour les rendre plus compréhensibles. La famille polyamide de DuPont On classifie les résines polyamides MINLON et ZYTEL dans les groupes suivants en fonction de leur composition chimique: Polyamides 66. Polyamides 6. Copolymères polyamides 66/6. Mélanges 66/6. Polyamides 6/12. Polyamides amorphes transparents. Les propriétés les plus intéréssantes des résines ZYTEL sont les suivantes: Forte résistance mécanique. Excellente combinaison de rigidité et de résistance au choc. Bonne tenue à haute température. Bonnes caractéristiques isolantes et bonne tenue au feu. Bonne résistance à l abrasion et bonne résistance chimique. Les caractéristiques telles que: point de fusion, absorption d humidité et module d élasticité, dépendent principalement du polymère de base. Le poids moléculaire du polyamide détermine la viscosité à l état fondu et la résistance au choc. Les polyamides sont aussi aisément modifiables et faciles à renforcer, ce qui permet d offrir une vaste gamme de produits possédant des caractéristiques adaptées à des procédés ou à des utilisations spécifiques. Les principales «familles» de polyamides ZYTEL décrites dans cette brochure comprennent les produits suivants: Non renforcés. Tenaces / Super-tenaces. Renforcés fibres de verre. Renforcés charges minérales. Renforcés fibres de verre / charges minérales. Ignifugés. Haute viscosité / extrusion. Spécialités. 1.1 Précautions pour la mise en œuvre Tout comme celui de la plupart des résines thermoplastiques, le moulage des résines renforcées fibres de verre MINLON et ZYTEL est en général une opération tout à fait sûre. Pour opérer en toute sécurité, il faut quand même tenir compte des dangers potentiels suivants: Effets thermiques. Gaz de décomposition et particules de matière. Dangers de glissement. 1

4 1.1.1 Effets thermiques Le contact du polymère liquide sur la peau peut infliger de sévères brûlures. Cet incident peut se produire lorsque les gaz présents dans le cylindre d injection génèrent assez de pression pour éjecter violemment le polymère fondu soit par la buse, soit par la trémie. Afin de réduire les possibilités d accidents, il est recommandé de suivre soigneusement les suggestions figurant dans ce manuel. Tous les risques potentiels doivent être anticipés, et il faut soit les éliminer soit les prévenir, en appliquant des consignes de sécurité préétablies y compris le port et l utilisation d équipements et de vêtements protecteurs adéquats. Il ne faut pas laisser la résine résider plus de 15 minutes dans la presse à injection à la température de moulage. Si celà devait se produire, par exemple lors d une interruption prolongée du cycle, faire particulièrement attention pendant les purges. Se reporter attentivement à la section 7: «Conduite de la presse à injection». Avant de purger, vérifier que la pompe d injection à grand débit soit hors service, et utiliser un écran protecteur. Réduire la pression d injection et injecter par à-coups plusieurs fois pour minimiser les risques d éclaboussures de résine fondue, pouvant être provoqués par des poches de gaz dans le cylindre. Mettre la purge dans un récipient rempli d eau pour réduire la formation de gaz et les odeurs. Si l on a le moindre soupçon de décomposition 1) de la résine, mettre en place un écran protecteur, rétracter l unité d injection (buse) et faire tourner la vis pour vider le cylindre. Dès que la vis commence à tourner, fermer l orifice d alimentation de la trémie, et introduire une résine de purge convenable (polyéthylène haute densité). On peut alors graduellement baisser la température et arrêter la presse. Se référer à la section 7 «Conduite de la presse à injection, purge» pour plus de détails. Si de courts essais d injection ou de rotation de la vis ne font pas sortir de résine fondue, celà peut indiquer que la buse est bouchée. Si c est le cas, couper les zones de chauffe du cylindre et suivre les procédures établies. Il faut toujours supposer que des poches de gaz sous haute pression puissent être emprisonnées en arrière de la buse et violemment expulsées à tout moment. C est pourquoi il est aussi recommandé de toujours porter un masque et des gants de protection pendant ces opérations. Avant la remise en route, examiner la machine et la matière pour déterminer la cause de la décomposition. Si du polymère liquide entre en contact avec la peau, refroidir immédiatement la partie atteinte avec de l eau ou de la glace, et rechercher une assistance médicale pour brûlures. 1) Note. Echappement important de gaz par la buse, polymère fondu décoloré, vis se rétractant au-delà de sa position arrière normale, etc. Consulter la fiche «Données de sécurité pour la matière» pour avis. Si l on désire plus d informations, téléphoner au numéro indiqué sur la fiche de sécurité. Comme les résines renforcées verre MINLON et ZYTEL sont séchées à température élevée, les contacts avec trémies, étuves chaudes, ou conduites d air chaud peuvent provoquer de sévères brûlures. L isolation thermique de ces divers matériels réduira cette possibilité Gaz de décomposition et particules De petites quantités de gaz et d autres matières peuvent être émises ou relachées lors du séchage, de la purge, du moulage et du rebroyage. En règle générale, nous recommandons une ventilation appropriée lors de la mise en œuvre des résines renforcées verre MINLON et ZYTEL. Une ventilation d environ 5 m 3 d air par minute et par kilo de résine mis en œuvre permettra de maintenir la concentration des émissions (particules et gaz de décomposition) bien en dessous du niveau limite de 5 mg / m 3 admis pour les poussières désagréables. Ceci restera le cas même si la résine est mise en œuvre dans les conditions extrèmes recommandées de température et de durée (moulage, séchage et purge). Pour de plus amples informations, se référer à la brochure de DuPont «Utilisation correcte de ventilation par aspiration pour la mise en œuvre des plastiques». Une copie de cette brochure est disponible auprès de votre représentant local de DuPont Information sur la sécurité DuPont fournit une fiche «Données de sécurité pour la matière» à ses clients lors de la première commande de résine renforcée verre MINLON et ZYTEL, et en cas de révision de cette fiche lors de la première commande suivante. Cette fiche contient des informations sur les sujets suivants: composants dangereux, dangers pour la santé, procédures d urgence et premiers soins, entreposage et disposition Danger de glissement Les granulés de résines renforcées verre MINLON et ZYTEL sont très glissants. S ils trainent sur le sol, cela représente un danger et il faut immédiatement balayer et ramasser Rebroyage Durant les opérations de rebroyage, en dehors de l utilisation d équipements appropriés et tout à fait fiables au point de vue de sécurité, l installation doit être protégée contre le bruit et les poussières. La présence d écrans, de filtres, et une bonne ventilation, le tout en parfait état de fonctionnement, sont indispensables. Le personnel de mise en œuvre doit aussi porter des vêtements de protection adaptés, y compris gants et masque facial. 2

5 2. Propriétés de la résine à l état fondu Les propriétés physiques de la résine à l état fondu, en particulier celles qui sont mentionnées ci-dessous, déterminent les conditions de moulage. La structure moléculaire qui est fondamentalement semi-cristalline et les changements qui se produisent lors des variations de température et de pression. Le contenu énergétique (chaleur spécifique et chaleur latente). Les caractéristiques d écoulement de la résine fondue, et spécialement sa viscosité. La vitesse de cristallisation. La stabilité thermique, particulièrement à haute température et en présence d humidité. 2.1 Structure de la matière Cristallinité La plupart des polyamides ont une structure partiellement cristalline. Ceci signifie qu une partie du polymère se solidifie avec une structure cristalline ordonnée et régulière. Le reste se solidifie dans l état amorphe ne présentant aucune régularité. Lors de la cristallisation, les molécules se replient en lamelles qui s entrelacent en général, pour former des sphérulites ayant jusqu à 0,2 mm de diamètre. Si l orientation de ces lamelles se fait dans la même direction, comme c est souvent le cas à la surface, cette zone est transparente. Les différences fondamentales de structure entre les polymères semi-cristallins et les polymères amorphes se traduisent par une différence aussi bien dans leurs propriétés que pour leurs conditions de moulage. (L énergie de «cohésion» supérieure des semi-cristallins résultant en un renforcement de leurs propriétés mécaniques). Par contraste avec les polymères amorphes, les matières semi-cristallines s en différencient, en particulier du point de vue de la mise en œuvre, par les deux caractéristiques suivantes: D importantes variations de volume spécifique au voisinage de la températue de fusion en passant de l état solide à l état liquide et vice versa. Importance de l énergie de fusion requise pour faire passer le polymère de l état solide à l état liquide. Ces deux caractéristiques, parmi d autres, sont en fait les raisons pour lesquelles il n y a pas de risque de «bourrage» lors du moulage des polymères cristallins ce qui n est pas le cas avec les polymères amorphes même sous des pressions d injection et de maintien très élevées Variations de volume Les variations de volume sont en général exprimées en variations du volume spécifique, lui-même correspondant à l inverse de la densité. Comme pour tous les matériaux, le volume spécifique est fonction de la température, de la pression, mais pour les polymères semi-cristallins, il dépend aussi largement à l état solide du degré de cristallinité, celui-ci étant lui-même susceptible de varier suivant les conditions de moulage. Quelques courbes expérimentales montrent (figure 1) les variations de volume spécifique du ZYTEL non renforcé. Fig. 1 Volume spécifique (cm 3 /g) 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 Diagramme pression/volume spécifique/température. (Volume spécifique en fonction de la températue) ZYTEL HSL NC010 NC-10 P = MPa 0, Température ( C) A l état liquide (fondu) le volume spécifique est plus important qu à l état solide. Pendant le moulage, la résine fondue est maintenue sous pression (typiquement 70 MPa). La réduction de volume qui se produit alors à la solidification est plus faible que celle qui résulterait d une cristallisation similaire mais effectuée à la pression atmosphérique. Le retrait au moulage est en grande partie la conséquence directe de cette cristallisation. Comme il est souhaitable de réduire ce retrait au minimum, il faut maintenir le polymère fondu sous pression jusqu à cristallisation complète. 2.2 Quantité de chaleur requise L énergie nécessaire pour augmenter la température d un polymère est en général déterminée par sa chaleur spécifique. Celle-ci est définie comme la quantité de chaleur requise pour augmenter la température de l unité de masse de la matière de 1 K. Lorsqu il s agit de matières ayant une structure cristalline, tout comme pour la fonte de la glace, il faut fournir une énergie supplémentaire importante, simplement pour faire passer le polymère de l état solide à l état liquide. 30 3

6 Ceci n est pas le cas pour les matières amorphes, pour lesquelles il n est pas nécessaire de désorganiser une structure ordonnée inexistante. La quantité d énergie nécessaire pour la fusion des polymères cristallins est représentée à la figure 2 par le pic de la courbe chaleur spécifique en fonction de la température. Fig. 2 Chaleur spécifique (kj kg 1 K 1 ) 8,3 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Chaleur spécifique en fonction de la températue DELRIN Polystyrène Polyamide Température ( C) La quantité de chaleur totale nécessaire pour fondre chacun des polymères est représentée graphiquement figure 2 par la surface comprise sous chacune des courbes. En fait, les résines cristallines demandent plus d énergie que les résines amorphes, et à titre d exemple les polyamides non renforcés ont besoin de deux fois plus de chaleur que le polystyrène (voir tableau 1) Viscosité à l état fondu La viscosité de la résine à l état fondu détermine dans une large mesure la facilité de remplissage du moule. Une forte viscosité signifie écoulement plus court et pertes de pression plus importantes. Elle est très liée au poids moléculaire de la résine. (A titre d exemple, le poids moléculaire du ZYTEL 42 étant supérieur à celui du ZYTEL 101L, ainsi en est il de sa viscosité). D autres facteurs ont une influence sur la viscosité à l état fondu entre autres: la température de la résine, le taux de cisaillement et la teneur en humidité Influence de la température sur la viscosité à l état fondu Comme pour les autres liquides, la viscosité des polymères fondus diminue lorsque la température augmente. Il faut donc indiquer la température à laquelle est mesurée cette viscosité. La figure 3 montre que la viscosité du ZYTEL non renforcé est moins sensible aux variations de température que celles des grades renforcés ou améliorés choc Influence du taux de cisaillement sur la viscosité à l état fondu Le taux de cisaillement représente la vitesse de déformation d un liquide en mouvement. Il est fonction de la vitesse d écoulement du polymère mais aussi de la géométrie des orifices et des dimensions par où s écoule le liquide. La viscosité diminue considérablement avec des taux de cisaillement élevés comme le montre la figure 4. Par conséquent, en augmentant la vitesse d injection la viscosité peut être réduite, ce qui améliore le remplissage des pièces délicates. Au sein de la gamme des résines nylon les viscosités diffèrent de façon significative, comme indiqué dans les figures 3 et 4. Fig. 3 0 Variation de la viscosité à l état fondu en fonction de la température Tableau 1 Energie requise pour le moulage Résine Chaleur de fusion Chaleur totale (kj/kg) nécessaire (kj/kg) Polystyrène DELRIN Polyethylène haute densité ZYTEL 101L Viscosité en Pa s (at 0 s-1) ZYTEL ST801 ZYTEL 70G30 MINLON 13 MM ZYTEL 101L Cette différence de comportement conditionne la conception géométrique de l ensemble vis/cylindre, conception beaucoup plus critique pour le moulage des polymères semi-cristallins que pour celui des polymères amorphes Température de résine à l'état fondu ( C) 315 4

7 Fig. 4 Viscosité apparente (Pa s) Influence de la teneur en humidité sur la viscosité à l état fondu Comme la viscosité de la résine à la sortie de l unité d injection est un critère important, on ne peut ignorer les réactions chimiques qui peuvent avoir lieu dans l ensemble vis/fourreau à cause de la présence d humidité. La teneur en humidité de la résine en granulés influence la viscosité à l état fondu par suite de la réaction d hydrolyse qui se produit durant la mise en œuvre (injection ou extrusion). Se reporter au paragraphe 2.5. En règle générale et pour tous les polyamides, plus le taux d humidité est élevé et plus faible est la viscosité (Fig. 5). Fig. 5 Viscosité apparente (Pa.s) 0 0 Variation de la viscosité à l état fondu en fonction du taux de cisaillement à 290 C ST801 70G G L H 2 O = 0,07% H 2 O = 0,20% 0 Taux de cisaillement apparent (1/s) Influence de la teneur en humidité des granulés sur la viscosité du ZYTEL 101 à 295 C 0 Taux de cisaillement apparent (s 1 ) Viscosité relative (RV) La viscosité relative est une mesure (sans dimension) du poids moléculaire moyen du polymère. Plus elle est élevée, plus le poids moléculaire est élevé Point de fusion et température de la résine à l état fondu (température de matière) La plupart des résines polyamides MINLON et ZYTEL sont cristallines et présentent par conséquent des points de fusion francs, par opposition aux résines amorphes qui elles ont une plage de ramollissement. La température de matière idéale pour le moulage dépend non seulement du type de résine, mais aussi éventuellement de l application elle-même. C est l une des raisons pour lesquelles les températures indiquées dans la deuxième partie de ce manuel ne sont en fait que des recommandations à l intérieur d une gamme assez large de valeurs, et ceci pour chaque type de résine. En règle générale, et afin de faciliter l écoulement, on choisira une température aussi élevée que possible, mais inférieure au seuil de dégradation thermique correspondant aux conditions de moulage choisies (voir paragraphe 2.5). Une température trop basse peut amener des effets indésirables tels que: hétérogénéité de la matière à l état fondu ou auto-nucléation. 2.4 Ecoulement de la résine à l état fondu L écoulement de la matière est un paramètre crucial pour le remplissage du moule. Pour comparer l écoulement des différentes matières entre elles, on utilise généralement une méthode standard de mesure, méthode qui consiste à injecter des spirales ou des serpentins de géométrie déterminée (épaisseur et largeur fixes, longueur variable en fonction de la facilité de remplissage et donc fonction aussi des caractéristiques d écoulement de la résine évaluée). Cette méthode permet aussi de mesurer pour une matière déterminée, la longueur d écoulement en fonction de la pression d injection, de la température du moule, et de la forme géométrique de l empreinte (ronde ou carrée). Fig. 6 Ecoulement relatif 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Comparaison de l écoulement relatif de différentes résines 66 ZYTEL 101 ZYTEL 408 ZYTEL 450 ZYTEL 490 PA66 non modifié Modifié choc ZYTEL ST801 ZYTEL 80G14 Taux d humidité entre 0,15 et 0,20% ZYTEL 79G13 ZYTEL 70G20 Epaisseur: 2,5 mm ZYTEL 70G30 ZYTEL 70G43 Chargé verre et modifié choc Chargé verre ZYTEL 70G60 5

8 Il faut tenir compte de la teneur en humidité de la matière pour que ces comparaisons aient un sens. En ce qui concerne les résines polyamides de DuPont, et pour un même type, plus elles sont modifiées et moins elles coulent facilement. La figure 6 compare les caractéristiques d écoulement de plusieurs résines à base de polyamide 66, toutes moulées dans les conditions types appliquables à leur grade particulier. 2.5 Stabilité thermique de la résine à l état fondu Chaque transformateur est forcément intéressé par la stabilité thermique de la résine qu il utilise par opposition à sa dégradation potentielle durant le moulage. Cette dégradation diminue le poids moléculaire et par conséquent les performances à l utilisation. Elle peut se produire pour l une des raisons suivantes: Hydrolyse causée par un taux d humidité trop élevé Dégradation thermique due à un temps de séjour excessif (ou à la présence de points de stationnement), ou températures de cylindre trop élevées Hydrolyse Les polyamides sont des produits de polycondensation donc susceptibles de s hydrolyser ou de se repolymériser en fonction de la pression, du taux d humidité, de la température et du temps d exposition à cette température. Le poids moléculaire et par conséquent la viscosité relative changent pendant le moulage, en fonction des paramètres mentionnés ci-dessus. Lors de la mise en œuvre, comme illustré (figure 7) pour le ZYTEL 101L, une résine très sèche se polycondensera avec augmentation de viscosité relative alors qu une résine très Fig. 7 Viscosité matière (Pa s) Viscosité du ZYTEL 101 en fonction du temps d exposition et de la teneur en humidité Taux de cisaillement 0 s 1 ZYTEL 101L H 2 O = 0,1% H 2 O = 0,2% H 2 O = 0,3% Temps de séjour (min.) humide s hydrolysera avec réduction correspondante de viscosité. La réaction est équilibrée pour une teneur en humidité d environ 0,12% et à une température de 295 C pour ce type de résine. A condition que la teneur en humidité des granulés ne soit pas supérieure à 0,20% en poids, et que les conditions de moulage soient normales, la vitesse de la réaction d hydrolyse est si faible que les propriétés de la pièce moulée n en seront pratiquement pas affectées. Si ce taux d humidité dépasse 0,25%, les pièces moulées perdront une partie de leurs propriétés, en particulier une réduction de résistance au choc et d allongement à la rupture, associés à un mauvais état de surface et une tendance à la formation de bavures Dégradation thermique Comme tous les thermoplastiques, les polyamides de DuPont sont susceptibles de se dégrader thermiquement. Si le temps de séjour dans le cylindre et la température de matière ne sont pas excessifs, la dégradation thermique ne sera pas significative. En fait, dans des conditions de moulage normales, la dégradation thermique est si insignifiante que l on n a pas à en tenir compte. Dans le cas ou il faudrait mouler du ZYTEL 101 à une température de 310 C, son poids moléculaire diminuerait de 6% pour un temps de séjour de 10 minutes et de 17% pour un temps de séjour de 30 minutes. Le temps de séjour (ou temps de résidence dans le cylindre) est la durée moyenne nécessaire à un granulé pour transiter du goulot de la trémie à l injection dans le moule (à l état fondu évidemment). Les polyamides, comme tous les autres thermoplastiques, sont suceptibles de se dégrader pendant la mise en œuvre. Comme expliqué précédemment, cette dégradation affectera le poids moléculaire et réduira les propriétés mécaniques. La dégradation est fonction de la température de la matière et de son temps de séjour. Plus la température est élevée, plus court sera le temps de séjour admissible avant dégradation (voir figure 8). Il faut faire particulièrement attention aux temps de séjour admissibles avec les résines ignifugées, protégées chaleur ou autres grades spéciaux. Fig. 8 Résistance au choc entaillé Izod (J/m) Influence du temps de séjour sur la résistance au choc des polyamides améliorés choc Temps de séjour limite pour une température matière de 310 C pour 280 C Temps de séjour (min.) 280 C 310 C 20 6

9 2.6 Caractérisation de la résine à l état fondu dans des moules équipés d instruments de mesure Un nouveau système de diagnostic, basé sur l utilisation de capteurs de pression dans l empreinte pendant le moulage, permet de mettre rapidement en évidence de très faibles variations des propriétés de la résine (écoulement et cristallisation) et d avoir une meilleure compréhension de l influence des divers paramètres de moulage sur la qualité de la pièce finie. Fig. 9 Pression dans l empreinte (MPa) Pression dans l empreinte mesurée pendant l injection et le temps de maintien en pression (un seul capteur) 15 0 Temps de remplissage dynamique Temps de maintien en pression Moule A 1 capteur de pression ZYTEL 135F épaisseur 2 mm Temps (s) Dans ce système, et à chaque cycle de moulage, un dispositif électronique relié à un ordinateur transmet les signaux générés par un ou deux capteurs de pression localisés dans l empreinte. L ordinateur détermine alors la pression, la traduit sous forme graphique et en fait l analyse. TC 6,30 s 10 Fig. 10 Pression dans l empreinte pendant le temps de remplissage et le temps de maintien en pression (deux capteurs) Pression dans l empreinte en MPa Pression de maintien dans l'empreinte Chute de pression dynamique Temps de remplissage dynamique Capteur 1 Capteur 2 Temps de maintien en pression Moule B ZYTEL 70G30 2 capteurs, épaisseur 2 mm Temps (s) Il suffit en général d un seul capteur, localisé près du point d injection, pour déterminer le temps de cristallisation (TC) de la pièce (figure 9). Si l on recherche des informations sur les variations de viscosité de la résine, on placera un second capteur au point d écoulement le plus éloigné, afin d évaluer la perte de pression entre les deux, durant la phase de remplissage et la phase de maintien en pression (figure 10). TC 5,27 s TC 6,0 s 10 7

10 3. Manutention de la matière 3.1 Expédition de la matière Aspect physique de la résine Les résines polyamides ZYTEL sont livrées en granulés solides, coupés en général en petits cylindres de 3 2,5 mm. La plupart des grades sont disponibles en couleur, soit sous forme de mélanges de granulés soit colorés dans la masse. Il est nécessaire de connaître certaines des caractéristiques physiques des résines en vrac, afin de pouvoir correctement dimensionner les équipements de transformation comme trémies, vannes et zones d alimentation des ensembles vis / fourreau. Ces données figurent au tableau 2. Tableau 2 Caractéristiques des résines en vrac Densité en Angle de Matière vrac (kg/m 3 ) repos (degrés) Non modifiée Polyamide Modifiée choc Polyamide < 60 Renforcée verre Polyamide < 60 Super tenace Polyamide < 60 La densité en vrac est la densité des granulés y compris les espaces vides entre eux. L angle de repos définit la facilité des granulés à s écouler dans les systèmes d alimentation et les trémies. Les angles de repos entre 0 et 45 indiquent que les matières correspondantes s écoulent parfaitement bien, et les angles supérieurs à 50 qu elles ne s écoulent que difficilement ou ont tendance à s agglomérer Emballage Les résines polyamides ZYTEL sont disponibles en 4 emballages standard. 40 sacs de 25 kg sur palette. Octabins de 0 kg. Octabins de 0 kg (avec décharge par le fond). Livraison en vrac (citernes). Les spécifications de ces différents types d emballage figurent dans les brochures: «Emballage des matières» et «Livraison en silos». 3.2 Manipulation des résines polyamides Ce qui est important lors de l utilisation des polyamides, c est que les résines arrivent dans l unité d injection «sèches» et «propres» Stockage Le polyamide ne devrait être entreposé que dans un endroit sec et à une température voisine de celle du local ou se fait la mise en œuvre. Si la matière stockée est trop froide, il faut lui laisser le temps d atteindre la température du local de mise en œuvre avant d ouvrir le conteneur. Le stockage devrait suivre le principe «premier entré/ premier sorti». Bien que les sacs soient protégés par un complexe laminé spécial, une certaine reprise en humidité peut se produire Manutention de la résine vierge Il est recommandé d appliquer les suggestions suivantes afin de minimiser les difficultés de moulage qui pourraient résulter d une teneur en humidité trop élevée ou de contamination. Afin d éviter la condensation de l humidité ambiante sur la résine, s assurer que le conteneur de celle-ci est depuis un certain temps à une température supérieure ou au moins égale à celle du local de mise en œuvre, l emballage restant fermé. Il est par conséquent recommandé de garder un jour de stock auprès des machines. Ne pas garnir la trémie pour plus d une heure de moulage, et la maintenir fermée par un couvercle bien ajusté. Ne pas exposer de la résine non utilisée à l atmosphère pour éviter que les granulés n absorbent de l humidité. Les sacs ouverts peuvent être ressoudés avec un fer à repasser ou des pinces à souder. Toutes les résines polyamides de DuPont sont livrées sèches et directement prêtes à l emploi au sortir de l emballage Manutention des rebroyés Aussi longtemps que les recommandations indiquées ci-dessus sont appliquées, il est possible de rebroyer et de réutiliser une résine de même type mélangée à de la résine vierge. Avec du ZYTEL chargé verre, la perte de propriétés d un mélange résine vierge/rebroyés pourra sensiblement varier en fonction du pourcentage de rebroyés (figures 11 et 12). La pratique à recommander est de n utiliser que les rebroyés immédiatement générés et de limiter leur pourcentage dans le mélange à 50% ou encore mieux à 25%. Les caractéristiques des pièces moulées avec un mélange vierge/rebroyés dépendront probablement plus de la qualité des rebroyés utilisés que de leur pourcentage dans le mélange. 8

11 Fig. 11 Rétention des propriétés mécaniques en fonction du nombre de moulages successifs (% de rebroyés) % moulage 1 moulage 2 moulage 3 moulage 4 moulage 5 Longueur fibres (comparées Résistance à la aux fibres vierges) traction (à sec) Résistance au choc Izod (à sec) Module en flexion (à sec) Fig. 12 Rétention des proprétés mécaniques en fonction du pourcentage de rebroyés utilisés % % 10% 20% 30% 40% 50% Résistance au choc Izod (à sec) Résistance à la traction (à sec) Module en flexion (à sec) Afin de pouvoir utiliser les rebroyés au mieux, il faut tenir compte des suggestions suivantes: 1. Les rebroyés absorbent davantage et plus rapidement l humidité, dans les mêmes conditions d exposition, que la résine vierge. Il faut par conséquent: Empêcher les rebroyés d absorber l humidité, donc les garder dans des conteneurs étanches. Rebroyer et mélanger carottes et canaux et ré-utiliser aussitôt que possible dès la sortie de la machine, pour éviter qu ils ne reprennent l humidité et ne pas avoir à les sècher, ce qui impliquerait d ailleurs une opération supplémentaire. 2. Les rebroyés peuvent être plus contaminés que la résine vierge il faudra donc: Ne pas utiliser de rebroyés provenant de pièces ou de canaux décolorés ou givrés. La présence de ces marques tendrait à indiquer une dégradation de la résine. S assurer que les rebroyés ne sont pas contaminés. Réduire au minimum la manutention des carottes et canaux, porter des gants non pelucheux. Ne garder que des rebroyés ayant des granulés de dimension uniforme. Les fines absorbent l humidité beaucoup plus vite (rapport surface / volume supérieur) et ont tendance à coller sur les parois du cylindre. Les fines, étant donné leur charge électrostatique, attirent la contamination et ont tendance à s agglomérer, bouchant alors éventuellement filtres ou systèmes d alimentation sous vide. Pour minimiser la formation de fines, vérifier que les lames du broyeur soient bien réglées et correctement affûtées. On peut les séparer du reste des rebroyés en passant l ensemble au tamis de 12 ou 16. Nettoyer broyeurs et récipients contenant les rebroyés régulièrement. 3. Certaines propriétés des pièces moulées sont susceptibles de dépendre du nombre de passages du mélange utilisé dans la machine. Il faudra par conséquent pour maintenir un niveau constant de caractéristiques: Garder le même taux de rebroyés dans le mélange d alimentation résine vierge / rebroyés. Il faut que ce mélange soit homogène avant d alimenter la presse. Afin d éviter une accumulation de rebroyés, les utiliser au fur et à mesure de leur production, le circuit de recyclage en ligne (séparation pièces et canaux, rebroyage et mélange) est évidemment l idéal. Le rebroyage des résines chargées verre doit si possible se faire à chaud pour minimiser les ruptures de fibres. Les résines polyamides chargées fibres de verre sont les plus délicates à recycler. Ceci est en grande partie du à la rupture des fibres lors du rebroyage et la figure 11 met ce phénomène en évidence, en montrant graphiquement l évolution des propriétés physiques des pièces moulées en fonction du nombre de moulages successifs pour du ZYTEL renforcé 33% fibres de verre. La réduction des propriétés mécaniques avec % de rebroyés est exprimée en pourcentage des résultats obtenus avec de la résine vierge. Si les rebroyés sont traités en circuit fermé et mélangés à de la résine vierge en appliquant les recommendations décrites ci-dessus, leur utilisation n aura qu un effet minime sur les propriétés mécaniques des pièces finies. Ceci est illustré à la figure 12 qui montre la rétention de caractéristiques du ZYTEL renforcé 30% fibres de verre après moulages avec différents taux de rebroyés. 9

12 3.2.4 Elimination des déchets La quantité de matiére rejetée à la mise en œuvre et la production de pièces défectueuses seront réduites au minimum si les suggestions présentées dans cette brochure sont appliquées. On ne pourra malgré tout éviter de produire une certaine quantité de matiére non réutilisable. Il faudra alors en disposer proprement. DuPont suggère, comme méthode à préférer, l incinération avec récupération d énergie. L incinérateur doit comporter une tour de lavage moderne pour épurer les gaz avant de les rejeter dans l atmosphère. Le MINLON et le ZYTEL ne sont pas solubles dans l eau et ne contiennent pratiquement pas d additifs susceptibles de s y dissoudre. On peut par conséquent en disposer par enfouissement sans que cela ne présente de risque connu ni pour l homme, ni pour l environnement. Il faudra évidemment tenir compte des régulations locales qui sont susceptibles de varier d un endroit à un autre. Les résines polyamides sont citées sur la «Liste Verte» des Réglements Européens EEC 259 / 93, Annexe II. Il n y a par conséquent pas de restriction au transport, à travers l Europe, du MINLON et du ZYTEL sous forme de dechets destinés à la récupération. 3.3 Influence de la teneur en humidité La teneur en humidité des résines polyamides est un paramètre clef, qui a une influence directe sur le moulage, sur la viscosité de la matière, ainsi que sur les propriétés mécaniques et l aspect de surface des pièces moulées. Tous les polyamides sont hygroscopiques et absorbent l humidité de l atmosphère environnante comme mentionné précédemment (paragraphe 3.2.2). La vapeur d eau réagit chimiquement avec les polyamides aux températures supérieures à leurs points de fusion. Cette réaction (hydrolyse) se traduit par une diminution du poids moléculaire et par conséquent par une réduction de performance des pièces moulées (paragraphe 2.5). Le comportement rhéologique de la matière à l état fondu dépend de son taux d humidité et si celui-ci est élevé, il pourra y avoir trop de bavures, le contrôle des dimensions pouvant alors s avérer difficile. Combiné à cet effet, la présence d humidité dans la résine peut provoquer du givrage et contribuer à la formation de bulles internes dans les pièces moulées. L influence d un taux d humidité élevé sur la matière fondue est encore amplifiée par une exposition prolongée (temps de séjour) et /ou à une température élevée excédant 315 C. Ceci est dû à une diminution du poids moléculaire qui est mis en évidence dans le changement de viscosité relative. Dans ces cas là, il est recommandé de réduite le taux d humidité de la résine par séchage préalable. A titre d exemple, la figure 13 montre l effet du taux d humidité et de la viscosité relative sur l aspect de pièces moulées en polyamides renforcés charges minérales. En règle générale, il ne faut pas mouler les polyamides si leur taux d humidité est supérieur à 0,20% (en poids) comme spécifié pour chaque type de résine. Les résines de DuPont sont livrées sèches et prêtes à l emploi à la sortie de leur emballage. Fig. 13 Influence de la viscosité relative et du taux d humidité sur l aspect de surface des pièces moulées Viscosité relative des résines Pièces non remplies Bonnes pièces Givrage Bavures ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Taux d humidité des polyamides renforcés charges minérales (%) 3.4 Séchage La contenance finale en eau est à déterminer en fonction des exigences de moulage et doit être inférieure à 0,2% et même dans certains cas à 0,1%. Tous les polyamides sont hygroscopiques et absorbent l humidité de l atmosphère ambiante. Que la résine soit vierge ou qu il s agisse de rebroyés, il pourra être nécessaire de sècher si le stockage a été fait pendant un temps appréciable dans des conteneurs non étanches à l humidité. Le temps nécessaire pour le séchage du polyamide dépend des facteurs suivants: L humidité relative du milieu ambiant. La durée de séchage diminue lorsque le taux d humidité environnant diminue. La température de séchage. Augmenter cette température diminue le temps de séchage. Une température dépassant 93 C pour des durées excédant trois heures provoquera un jaunissement ou une décoloration inacceptable du polymère. Il faut un compromis entre durée de séchage et température et il est suggéré de ne pas dépasser 80 C pour l étuvage des polyamides de DuPont. Rapport surface /volume des granulés de polyamide. La dimension des granulés fait partie des spécifications de fabrication ou est dictée par le tamis du broyeur. La teneur en humidité du polyamide peut être déduite de la figure 14 qui montre comment varie le taux d humidité d une résine ZYTEL 66 en fonction de l humidité ambiante pour différentes durées d exposition. 10

13 Fig. 14 Absorption d humidité de la résine polyamide ZYTEL vierge Pourcentage d humidité en poids absorbé par de la résine 66 ZYTEL vierge DuPont recommande d utiliser pour sécher les polyamides un appareil opérant avec de l air déshumidifié (trémie ou étuve) ou fonctionnant sans oxygène (étuve sous vide). Ce dernier système est difficile à utiliser en continu, la résine ne pouvant être séchée que lots par lots en fonction de la capacité de l équipement. La figure 15 montre les durées approximatives nécessaires pour un bon séchage (résines non modifiées), elles peuvent être plus longues pour les résines renforcées verre, chargées minérales ou modifiées choc. Pourcentage d humidité 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Fig. 15 Séchage des résines vierges MINLON et ZYTEL (four déshumidificateur à 80 C) ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 % H.R Durée d exposition à l air humide à 23 C (heures) Point de rosée 19 C 75% H.R 50% H.R 3.5 Coloration Une gamme de couleurs standard existe pour certains types de polyamides (à base de mélanges de granulés). Les possibilités de coloration sont en fait très variées puisque presque tous les systèmes de coloration sont utilisables avec les polyamides: pigmentation à sec, pâteuse, coloration liquide ou teinture. Ces méthodes peuvent toutefois modifier les propriétés mécaniques ou le comportement à l utilisation des pièces moulées. Avant de commander des mélanges maîtres liquides ou des pigments solides, il faut s assurer des points suivants: Ils doivent être chimiquement compatibles et avoir une bonne stabilité thermique à des températures supérieures à celles du moulage. Les pigments influencent en général le taux de cristallisation et par conséquent le retrait au moulage. Le solvant utilisé pour les couleurs liquides a lui aussi un effet sur la mise en œuvre. Ce solvant, qui est assimilable à un lubrifiant de surface, peut en théorie provoquer des problèmes d alimentation de la vis par lubrification excessive des granulés. Le point le plus important dans toutes ces techniques de coloration est de s assurer d une bonne dispersion et d une bonne homogénéité du système de coloration dans la matrice du polymère. Avec toutes les méthodes de coloration, il faut aussi prendre garde à: Respecter un pourcentage raisonnable entre polymère et mélange maître. Utiliser des vis à taux de compression élevé ou des têtes mélangeuses. Ne pas dépasser 30% de la rétraction maximale de la vis à chaque injection. 0,4 0,3 0,2 0, Durée (heures) 70 Note importante DuPont ne donne aucune garantie quant au comportement ou aux propriétés des pièces moulées avec ses polyamides lorsqu ils sont utilisés mélangés à d autres produits tels que pigments ou colorants. 11

14 3.6 Contrôle de qualité La qualité d une pièce moulée en polyamide dépend de la qualité de la résine utilisée et des conditions de moulage. Si les conditions de moulage, la conception du moule et la qualité de la résine sont bonnes, les pièces produites seront de bonne qualité. Si par contre, la qualité de la résine ou les conditions de moulage laissent à désirer, les pièces pourront fort bien ne pas être satisfaisantes. Les problèmes de qualité peuvent en général se classer dans l une des trois catégories suivantes: tenue au choc, aspect de surface et dimensions. Se reporter au chapitre 8 pour ce qui concerne les aspects dimensionnels Spécifications de la résine La production de toutes les résines ZYTEL est surveillée et contrôlée afin de pouvoir leur assurer une qualité uniforme. Cette qualité se retrouvera si les conteneurs d expédition restent intacts pendant transport et entreposage. Si les conteneurs sont endommagés ou les soudures des sacs abimées, la résine absorbera de l humidité ce qui affectera la qualité des pièces moulées. Tous les additifs présents dans les résines à la sortie d usine tels que: stabilisants couleur et UV, lubrifiants, et colorants, sont eux aussi contrôlés afin de garantir une performance constante aussi bien au moulage qu à l utilisation. Teneur en humidité Les résines ZYTEL sont livrées dans des containers étanches et il n est en général pas nécessaire de les sécher avant la mise œuvre. Les résines polyamides sont toutefois hygroscopiques et elles absorberont de l humidité si elles sont exposées à l atmosphère. Dans le cas ou elles auraient absorbé un excès d humidité, il faudra les sécher à 80 C avant le moulage, jusqu à ce que leur taux d humidité soit inférieur à moins de 0,2%. Un excés d humidité affectera non seulement les caractéristiques d écoulement au moulage mais réduira la tenue au choc tout en pouvant aussi provoquer d autres problèmes (voir paragraphe 3.3). Viscosité en solution La viscosité en solution (viscosité relative [VR] ou inhérente [VI]) d une résine est une mesure de son poids moléculaire, qui à son tour détermine ténacité et moulabilité. Le poids moléculaire des résines ZYTEL a été déterminé afin d obtenir un certain équilibre entre facilité d écoulement au moulage et résistance au choc. Comme un taux d humidité excessif ou un excés de température peuvent causer une diminution de ce poids moléculaire et par conséquent une réduction de la tenue au choc, il faut prendre soin de l éviter. Il est facile de mesurer la viscosité relative des résines solubles dans les solvants communs des polyamides, et par conséquent de déterminer leur poids moléculaire. Pour les résines qui ont été modifiées avec des additifs insolubles (verre, minéraux, agents d amélioration des propriétés choc, etc.) il faut faire appel à d autres méthodes. Ténacité Comme les polyamides ZYTEL sont souvent spécifiées à cause de leur excellente ténacité, la résistance au choc Izod est soigneusement contrôlée sur la résine prête à l expédition. Un taux d humidité excessif au moulage réduit le poids moléculaire et la ténacité Spécifications sur les pièces moulées Certaines observations visuelles et certains tests de laboratoire sont utilisables pour apprécier la qualité d une pièce moulée. Ils sont présentés ci-dessous: Aspect de surface L opérateur peut détecter bavures, marques de brûlure, etc., par examen visuel des pièces. Ces défauts peuvent en général s éliminer aprés modification des conditions de moulage ou retouche du moule. Avec de nombreuses résines, contamination, bulles internes et retassures se mettent très bien en évidence par examen des pièces éclairées avec une lampe standard telle que «Illuminant» C, ou par examen en transparence. Dans certains cas, des examens microscopiques (grossissements de 10 à ) sont utilisés pour inspecter de petits détails, détails pouvant toutefois aussi avoir leur importance tels que: présence de bulles internes, taux de cristallinité et contamination. Parmi les problèmes qui affectent l aspect de surface et la résistance au choc des pièces moulées en polyamide les plus répandus sont les suivants: Couleur Le contrôle peut porter sur la teinte ellemême et sur l uniformité de la couleur dans la pièce. Les pièces décolorées devront être mises à l écart et non rebroyées. Givrage Si le givrage est important, il est normalement visible à la sortie de la presse, mais de petites traces peuvent passer inaperçues, sauf à la suite d un examen visuel approfondi. La présence de légères traces de givrage peut permettre de détecter des anomalies de machine susceptibles de dégénérer ultérieurement en problèmes plus sérieux. Le givrage est généralement dû à un taux d humidité excessif ou à une température trop élevée. Bavures L examen visuel est le meilleur moyen de les détecter. Brûlures Ces marques sont détectables à la sortie de la presse. Elles sont dues à une ventilation insuffisante de l empreinte. 12

15 Moulages incomplets Facilement repérables dès l éjection quand le remplissage n est que très partiel. De légères retassures moins visibles peuvent cependant être dues elles aussi à un remplissage incomplet de l empreinte. Lignes de soudure La formation de lignes de soudure visibles constitue un défaut esthétique mais peut aussi indiquer une faiblesse dans la structure de la pièce. Contamination La contamination de surface est souvent visible en sortie de presse. La contamination interne des pièces minces peut se détecter par examen en transparence sous une lumière forte. On peut aussi procéder à des examens au microscope pour détecter des traces de contamination. Fini de surface Un examen visuel permet de juger de la qualité de reproduction de la surface de l empreinte et de mettre en évidence les défauts non désirés. Infondus Ils sont souvent repérables par une soigneuse inspection visuelle, apparaissant comme de petites irrégularités de surface d aspect différencié. Bulles internes Détectables par transparence pour les pièces minces sous un faisceau de lumière forte. Un examen microscopique de coupes de la pièce peut aussi s avérer utile pour mettre en évidence les petites bulles internes. Ténacité La ténacité des pièces moulées en polyamide ZYTEL peut être évaluée par une mesure de viscosité relative, par des essais «tout ou rien», par des essais destructifs, et par des essais en service. Il faudra dans tous les cas spécifier le taux d humidité, puisque la résistance au choc en dépend. Viscosité relative (VR) La résistance au choc des polyamides est grossièrement proportionnelle à leur poids moléculaire. La viscosité relative, qui est une mesure du poids moléculaire, peut se déterminer par la méthode ASTM D789. Comme cette méthode implique la dissolution de l échantillon dans de l acide formique, son utilité est limitée aux polyamides non modifiés comme les ZYTEL E101L et E103L. La viscosité relative doit être au delà d une valeur minimale pour assurer la bonne résistance au choc d une pièce donnée mais ce n est pas une condition suffisante. Une dégradation moléculaire hétérogène, de la contamination, ou des points de concentration de contraintes, pourront aussi diminuer la ténacité, mais ces causes ne seront pas automatiquement mises en évidence par des mesures de viscosité relative. Essais de résistance au choc «tout ou rien» Les résultats de ces essais sont difficiles à quantifier. Dans la plupart des cas, il faut un grand nombre de tests individuels avant de pouvoir en déduire une certaine tendance. Le critère fréquemment choisi est celui ou 50% des pièces «passent (tout)» (une hauteur de chute ou le choc d un poids) et les 50% restant «manquent (rien)» c est-à-dire ne résistent pas à l essai. La hauteur ou le poids correspondant à la limite du «tout ou rien» est une mesure de la ténacité. La résistance au choc Izod, le choc par fléchette et tous les essais où l on mesure la résistance au choc d une manière ou d une autre tombent dans cette catégorie. Dans certains cas les conditions d essai sont parfaitement définies (voir ISO 180/1A et 1U), et dans d autres choisies arbitrairement. Avant de définir un programme d essais, il faut spécifier et contrôler certains facteurs: Orientation et géométrie de l échantillon Le mouton qui applique le choc doit frapper exactement au même endroit et avec la même force à chaque essai. Température de l échantillon Elle doit être constante et contrôlée. Ceci est tout spécialement important si les tests sont réalisés à des températures différentes de la température ambiante. Toute variation de la température aurait une influence sur les résultats. Les essais à basse température sont les plus difficiles à contrôler. Teneur en humidité de l échantillon La teneur en humidité de chaque pièce influe sur sa résistance dans tout essai de choc. Le taux d humidité doit être identique pour chaque échantillon et de préférence mesuré. Essais de comportement en service Ces essais doivent être représentatifs à la fois de l utilisation des pièces, mais aussi des conditions réelles auxquelles elles seront soumises en service. Ces conditions devront reproduire mais non excéder les niveaux de contraintes prévus, au risque d en arriver à rejeter de bonnes pièces. 13

16 4. La presse à mouler par injection Les résines polyamides de DuPont ont été moulées avec succès sur bien des types de machines. Comme le polyamide est en général mis en œuvre sur des presses à vis, ce paragraphe ne traitera que de ce modèle de machines. 4.1 Caractéristiques nécessaires Les presses à injection à vis sont aujourd hui reconnues comme le moyen de mise en œuvre le plus efficace pour le moulage par injection. On peut utiliser presque tous ces types de presse pour le moulage des polyamides de DuPont, à condition de suivre les recommandations figurant ci-dessous. Les presses à injection sont en général classées d après les trois critères suivants: force de fermeture, capacité d injection et capacité de plastification ou de fusion de matière. Force de fermeture. En accord avec les recommandations fournies dans ce manuel pour la pression d injection, nous recommandons que les presses destinées à mouler les polyamides de DuPont aient une force de fermeture d au moins 0,7 tonnes par cm 2 de surface injectée projetée au plan de joint. Capacité d injection. La capacité d injection est égale au volume maximum (poids) de matière fondue injecté par la vis en une seule fois. Comme les densités à l état fondu des résines polyamides ZYTEL et du polystyrène sont voisines, et que celui-ci est utilisé comme résine étalon pour définir la capacité des presses, celle-ci est équivalente pour le polyamide à la capacité nominale. Elle est généralement exprimée par la quantité de polystyrène injectable à l heure (en kilogrammes). Pour injecter avec des cycles rapides et assurer la bonne homogénéité de la matière, il faut limiter la course de rétraction de la vis à 1 ou 2 fois son diamètre avec des vis de rapport longueur / diamètre de 20. Bien qu il soit possible de mouler en dehors de ces limites, il faut faire attention à éviter les temps de séjour trop longs ou le risque de manquer de capacité de plastification. Le fabricant propose généralement au transformateur à l achat d une machine, le choix entre 3 ensembles vis / fourreau de capacités différentes. Ce choix déterminera évidemment le diamètre de la vis, la capacité d injection, mais aussi la pression d injection maximale applicable sur la matière. Plastification ou capacité de fusion. La plastification ou capacité de fusion est la quantité de polymère que la presse à injection pourra plastifier cycle après cycle dans des conditions bien définies: vitesse de vis, cycle total, profil de températures du cylindre. Cette valeur prête souvent à confusion car la plastification est hélas souvent encore déterminée, en considérant que la presse fonctionne comme une boudineuse. Or, contrairement à ce qui est le cas en extrusion, la plastification d une presse à injection ne se fait que de manière intermittente. Ceci implique en fait, que la vraie valeur de plastification soit bien inférieure à celle que l on indique généralement, valeur basée sur une rotation de vis permanente. Le taux effectif de plastification est fonction des paramètres suivants: 1. Cycle total. 2. Poids injecté. 3. Capacité du cylindre. 4. Forme géométrique de la vis. 5. Absence de points de stationnement. 6. Vitesse de rotation de la vis. 7. Puissance des corps de chauffe. 8. Type de résine: structure (amorphe ou cristalline), densité, point de fusion, point de ramollissement, etc. 9. Forme des granulés. 10. Pourcentage de rebroyés. Comme les polyamides passent par un changement d état et de volume (courbes Pression / Volume / Température, figure 1) lors de la plastification, il faut en tenir compte pour le choix de l équipement et des conditions de mise en œuvre. Si le problème de la présence éventuelle de points de stationnement n est pas correctement résolu, toutes ces précautions pourront s avérer inutiles. L unité d injection doit pouvoir injecter du polyamide fondu sous des pressions allant jusqu à 140 MPa. Un contrôle précis de la pression d injection et sa reproductibilité d un cycle à l autre sont indispensables au maintien de tolérances précises et à l obtention de caractéristiques optimales. 4.2 Conception de la presse à injection Ce paragraphe résume quelques points essentiels à considérer pour bien choisir une presse à injection. Il est aussi recommandé de suivre les conseils indiqués à la section «usure» si l on pense transformer d importantes quantités de résines contenant des fibres de verre ou des charges minérales. 14

17 4.2.1 Goulot de trémie On a l habitude de ne pas attacher beaucoup d importance à la température et au refroidissement du goulot d alimentation, sauf pour éviter la formation de «ponts» de résine non fondue dans le cylindre. En fait, c est dans cette zone qu a lieu le contact initial entre résine et presse à injection et c est là que la notion de qualité matière doit commencer à prendre son importance. Le goulot de la trémie (figure 16) doit être bien conçu afin de ne pas offrir de points de stationnement ou pourraient s agglomérer résine, fines, pigments, lubrifiants ou autres additifs. Même si les températures de cette zone sont faibles, la qualité de la matière peut en être affectée si elle y séjourne trop longtemps. Ainsi par exemple, de la matière ou des bourres qui tomberaient en agglomérats dans la vis, pourraient provoquer une rétraction irrégulière de celle-ci ou affecter la reproductibiliité du dosage. Ceci affecterait la QUALITÉ DE LA MATIÈRE FONDUE. Fig. 17 Refroidissement du goulot de trémie A) Mauvaise conception Fig. 16 Mauvaise conception du goulot de trémie Point de stationnement B) Conception recommandée Le goulot d alimentation est hélas bien souvent mal placé, à un endroit ou le refroidissement est inefficace (figure 17). Cela peut conduire à des températures trop élevées (supérieures à C) à la jonction trémiecylindre, et se traduire par un ramollissement des granulés. Ceux-ci pourraient alors commencer à coller les uns aux autres avant de tomber dans la vis. Si cela se produisait, il y aurait risque d agglomération ou de collage causant ainsi des problèmes d irrégularité de dosage et de durée de rétraction de vis, ce qui affecterait directement la QUALITÉ DE LA MATIÈRE FONDUE. Si à l inverse, la température au goulot de la trémie était trop basse, l humidité de l atmosphère en s y condensant pourrait provoquer des problèmes de moulage comme hydrolyse, formation de mousse dans la résine fondue, ou givrage Cylindre Plusieurs zones de chauffe régulées (correspondant aux trois zones fonctionnelles de la vis) sont nécessaires pour contrôler précisément la température du cylindre et permettre d obtenir des taux de plastification élevés. Dans tous les cas, la température de la buse doit être réglée séparément et précisément grâce à un thermocouple asservi. Une longeur de cylindre égale à 20 fois son diamètre est nécessaire pour plastifier uniformément la matière à des taux de plastification élevés. Usure. Les revêtements bi-métalliques de cylindre ont démontré une excellente résistance à l usure lors du moulage des résines renforcées fibres de verre. Les cylindres nitridés par contre, n ont pas montré la même résistance à l abrasion contre les fibres de verre alors qu ils ont tendance à s écailler en surface et à s user de façon excessive au diamètre, même après une courte durée d utilisation. 15

18 4.2.3 Géométrie de l ensemble vis / fourreau Une bonne matière fondue de bonne qualité ne peut s obtenir que si la plastification de la résine est bien faite et homogène. La quantité de matière bien plastifiée que peut délivrer une vis dépend de sa forme géométrique, du comportement rhéologique et thermique du polymère, et des conditions de moulage. Dans une unité de plastification, l énergie nécessaire pour atteindre la température de moulage de la résine provient pour une part de la chaleur fournie par conduction de la paroi du cylindre au polymère, et pour l autre de la chaleur produite par le travail de cisaillement effectué par la vis sur le polymère. La quantité de chaleur founie au polymère par conduction est limitée, à cause de sa faible conductibilité thermique. La chaleur provenant du travail de la vis dépend surtout de la viscosité de la résine et du taux de cisaillement auquel elle est soumise (contre-pression, géométrie, et vitesse de rotation de la vis). Les résines amorphes, grâce à leur changement progressif de viscosité avec la température, et à leur viscosité intrinséquement supérieure aux températures de mise en œuvre, nécessitent moins de travail de cisaillement que les polymères cristallins et les vis à utiliser pour leur transformation pourront être plus profondes (figure 19, en haut). La viscosité des polymères cristallins diminue brusquement au voisinage du point de fusion. Afin de pouvoir produire suffisamment de chaleur par cisaillement, il faudra augmenter la friction et par conséquent avoir des zones de dosage plus longues et moins profondes, voir figure 19 ci-dessous. Pour ces différentes raisons et afin que la matière fondue ait la meilleure qualité possible au taux de plastification maximum, il faudra que la forme de la vis soit appropriée. Néammoins, les vis standard normalement fournies avec la plupart des presses à injection conviennent en général pour le moulage des résines polyamides de DuPont mais à des taux de plastification (rétractions) faibles*. L utilisation d une vis spécialement conçue pour le moulage des polyamides ZYTEL permettra par contre d améliorer l homogénéité de la température de la matière et d éliminer les granulés infondus à des taux de plastification élevés. La conception recommandée pour une vis destinée à travailler à des taux de plastification élevés est illustrée figure 18. * Un taux de plastification faible signifie une course de rétraction de vis inférieure à 2-3 diamètres. Fig. 18 Conception de vis recommandée pour le moulage des ZYTEL non renforcés Dimensions suggérées pour des vis 20 L/D Diamètre de vis mm Taux de compression 2, ,2 3 3,2 Profondeur dosage mm 1,95 2,10 Vitesse de rotation rpm Vitesse circonférentielle m/s 0,4 Contre pression (hydraulique) MPa 0,5 1 Course d injection optimale en fonction du diamètre 1 à 2 diamètres de vis Temps de séjour capacité max. cycle (s) min * 2 * (très approximatif) course 60 Vitesse de rétraction g/s temps de cycle s injection + maintien + rétraction + ouverture + fermeture Fig. 19 Comparaison de géométries de vis 15% 30% 55% Vis universelle (surtout adapté aux polymères amorphes) T 25% t < T 30% 45% Vis pour le moulage des polymères cristallins t 16

19 Usure. L usure abrasive des vis se produit principalement sur la partie plate au sommet des filets et sur les angles. Il est aussi possible avec le temps d observer une réduction de diamètre en fond de vis dans les zones de compression et de dosage. (De l usure dans la zone d alimentation signifie en général un réglage trop bas de la température par rapport à la quantité de matière à plastifier). Afin d améliorer leur résistance à l usure, les sommets de filets peuvent être renforcés par un alliage très dur comme le «Stellite», qui se comporte mieux qu un traitement par durcissement à la flamme ou la nitridation ordinaire. C est ainsi que l on recommande de protéger au «Stellite» les filets des vis destinées à mouler en continu des résines renforcées fibres de verre. Le chromage dur de la vis est aussi à recommander. (Il est même possible d appliquer comme ultime protection, une couche résistante à l abrasion sur toute la surface de la vis.) Clapet anti-retour Il est nécessaire d utiliser un clapet à obturateur à bague (clapet anti-retour) pour le moulage des résines polyamides de DuPont, afin de garantir le bon maintien de la pression dans l empreinte et la régularité des quantités injectées d un cycle à l autre. Le clapet anti-retour (figure 20) doit être soigneusement conçu, profilé, et usiné, avec des tolérances étroites afin de ne pas restreindre le passage de la résine et de ne pas créer de points de stationnement. Il faut usiner les clapets dans des aciers appropriés résistants à l usure. Fig. 20 Clapet anti-retour Usure. Le clapet anti-retour est la pièce la plus soumise à l usure de toute l unité d injection. Les clapets à bague coulissante subiront une usure rapide et appréciable, lors du moulage des résines renforcées fibres de verre, si ils ne sont pas proprement traités (dureté de surface. Même très résistants, ces clapets s usent et requièrent une attention soutenue. Il faudra remplacer sièges et bagues usés avant qu ils ne soient hors d usage, pour assurer le maintien d un matelas de matière lors de la phase injection /temps de maintien en pression. De bons résultats ont été obtenus avec des aciers tenaces et à forte teneur en chrome Buse DuPont a toujours recommandé l utilisation de buses chauffées et régulées pour l injection de ses résines polyamides (figure 21). Le diamètre de buse à utiliser avec les résines polyamides renforcées verre, qui ont une viscosité plus élevée que celles des grades non renforcés, doit être supérieur d environ 25% à celui qui conviendrait à des résines non chargées. L emplacement du pyromètre et du collier (ou de l élément chauffant) ainsi que sa régulation sont très critiques si l on veut éviter une possible dégradation de la matière, ou la formation de gouttes froides. Fig. 21 Buses ouvertes recommandées Collier chauffant Collier chauffant Normalement recommandée Location du thermocouple Sans possibilité d effet de succion Location du thermocouple Buse à fermeture L usage de buses à obturateur conduit invariablement à la formation de contamination. Au fur et à mesure de l usure par abrasion de l obturateur (contre l intérieur de la buse), il se forme des zones de points de stationnement. Si une dégradation thermique se produit alors les gaz formés et sous pression ne pouvant s évacuer par l avant devront le faire par l arrière de la vis. Ceci pourrait éventuellement se terminer par une explosion passablement violente. Fig. 22 Raccord pour buse ouverte 17

20 4.2.7 Elimination des points de stationnement Le principe fondamental de conception de toute unité d injection, comprenant le cylindre chauffant et toutes les parties par lesquelles transite la résine à l état fondu (clapet anti-retour, tête de vis, raccord et buse), est d obtenir un ensemble parfaitement profilé. L élimination de tous les points ou le stationnement de résine est possible est absolument cruciale, en particulier: 1. Les surfaces de contact entre raccord et cylindre et raccord et buse. 2. Le clapet anti-retour ou l obturateur en tête de vis, là ou les surfaces de contact ne se raccordent pas sur deux usinages cylindriques, ce qui permettrait d éliminer tout risque d ébréchage et/ou de points de stationnement. L expérience montre en effet que chaque fois que l on rencontre ces défauts il faut alors faire face à des problèmes de contamination et de points noirs. 3. Les buses à fermeture qui favorisent la contamination, particulièrement avec les résines polyamides renforcées verre, et qui présentent aussi des risques. La figure 22 montre une conception idéale (assemblage cylindre, raccord, buse ouverte et clapet anti-retour). Toutes les surfaces de contact se raccordent sur des parois cylindriques et une buse ouverte est utilisée. 4.3 Entretien Si l équipement choisi est adapté et correctement utilisé, il n y a pas lieu de prendre de précautions particulières pour le moulage du polyamide. Il faut toutefois prêter attention à l état du clapet lors du moulage des polyamides contenant des fibres de verre. L unité d injection doit être protégée par un écran pour éviter des brûlures au personnel. 18