Thermoformage Adaptation de Modern Plastics Handbook, pages 8.111 à 8.116. Le procédé de thermoformage peut être divisé en 3 grandes catégories; - Le thermoformage régulier où le vide sous la feuille donne forme à la pièce (vacuum forming). - Le «twin sheet» où deux feuilles sont jointes par leurs chants et où l on injecte de l air entre les deux pour créer un espace (voir notes de cours Hugues Marier). - Le thermoformage sous pression (pressure forming ou pressure thermoforming) où : A) La feuille peut être comprimée simultanément entre un moule mâle et femelle. B) La pièce est formée par le vide sous la feuille en même temps qu une pression positive vient pousser la feuille sur le moule. La dernière catégorie vise à obtenir des pièces dont la conformité est plus grande et où les étirements peuvent êtres mieux contrôlés. De façon générale, on peut dire que les détails sont beaucoup plus précis (et petits) en «pressure forming». Le procédé du thermoformage génère malheureusement beaucoup de déchets. Dans certains cas jusqu à 50% de la surface de la feuille. Les retailles peuvent heureusement être recyclées. Cependant, le pourcentage de matières recyclées dans une feuille doit être contrôlé et maintenu bas pour ne pas nuire aux performances (notamment mécaniques). Contrairement à l injection, on ne peut parler d épaisseur nominale de la paroi en thermoformage car la feuille minci où elle étire et cela est variable d une partie à l autre de la pièce. On parle plutôt de l épaisseur de départ de la feuille (gauge). Ces épaisseurs sont de l ordre de quelques millièmes de pouces pour les emballages (comme les boîtes pour les croissants) jusqu à demi-pouce ou plus épais encore. On distingue les feuilles minces de moins de 1/8 de pouce souvent utilisée en emballage (thin gage) des feuilles plus épaisses utilisées pour la fabrication de produits (thick gage) dont l épaisseur est de plus de 1/8 de pouce. Les feuilles les plus minces sont mieux adaptées au thermoformage régulier alors que les feuilles plus épaisses donnent de meilleurs résultas avec le thermoformage sous pression (idéalement 1/8 à 1/4 de pouce). Les thermoformeurs sont très soucieux de respecter un ratio d étirement et c est souvent là, à leur demande, que les designers doivent reprendre leur travail. En effet, le non respect d un ratio d étirement acceptable exige de reprendre le design de la pièce pour éviter que cette dernière soit trop faible ou impossible à fabriquer. Le ratio d étirement se calcule de la façon suivante : SR = 1+ 2D (L + W) LW SR = Stretch Ratio (ratio d étirement). D = Depth of the finished part (profondeur de la pièce thermoformée). L = Length of the finished part (longueur de la pièce thermoformée).
W = Width of the finished part (largeur de la pièce thermoformée). Un ratio d étirement de 2 est considéré comme conservateur et facile à faire. Un ratio d étirement de 2 veut dire que l épaisseur de la feuille à son étirement maximal sera de la moitié de son épaisseur de départ; un ratio d étirement de 3 signifie qu elle sera d un tiers, et ainsi de suite. Il ne faut pas confondre le ratio d étirement d une pièce du ratio de profondeur. Le ratio de profondeur est le rapport largeur / hauteur comme on vous le présente dans les notes de cours de Hugues Marier. Ainsi, une pièce ayant une ouverture de 12 pouces pour une profondeur de 12 pouces présente un ratio de profondeur de 1. Figure 8.38. Dans l exemple illustré ici, le moule est mâle. On obtient donc : T2 = épaisseur maximale de la pièce. IR3 = épaisseur minimale de la pièce. Dans le cas d un moule femelle, on aurait plutôt : T2 = épaisseur minimale de la pièce. IR3 = épaisseur maximale de la pièce. L angle de dépouille (angle de démoulage) requis varie aussi en fonction d un moule mâle ou femelle. Une pièce réalisée sur un moule femelle exige des angles de dépouille moindre car la pièce se détache du moule en refroidissant (revoir les notions de «retrait»). Une dépouille de 3 à 5 degrés est souhaitable mais il est possible de démouler une pièce réalisée dans un moule femelle avec un angle de 1 ou même 1 degré. Gardez en mémoire que les angles de démoulages faibles ont un impact négatif sur les coûts des pièces. Outre les angles de démoulages, les rayons ont un impact majeur sur l étirement de la paroi et sur l effort à fournir pour démouler la pièce. Les pièces thermoformées sur un moule mâle sont les plus minces au niveau de la base et requièrent de plus
grands rayons à cet endroit. À l opposé, les pièces thermoformées sur un moule femelle requièrent de plus généreux rayons au fond du moule. La règle générale pour le thermoformage régulier est que le rayon minimum intérieur (IR1) devrait être égal à l épaisseur de départ de la feuille (IR1 T1) en augmentant jusqu à 4 fois l épaisseur de départ (T1)(IR2 4T1) à son point le plus mince. Les pièces réalisées par thermoformage sous pression (pressure thermoforming) acceptent des rayons intérieurs beaucoup moindres. Le rayon minimum intérieur peut être égal à 0.25 fois l épaisseur de départ de la feuille (T1)(IR3 0.25T1) à son point le plus épais jusqu à 0.75T1 à son point le plus mince (IR4 0.75T1) ce qui est idéal pour le thermoformage sous pression. En moulage sur un moule femelle, le rayon extérieur est relatif au rayon du moule (OR2=IR2+T2). C est-à-dire que c est le moule qui détermine le rayon de la pièce. Dans le cas du thermoformage régulier, le rayon extérieur doit être important car la pression n est pas suffisante pour pousser la matière dans des rayons très petits. Le thermoformage sous pression permet quant à lui de très petits rayons qui s approchent souvent à ce que l injection est en mesure d offrir. La pression est suffisante pour permettre des rayons aussi serrés que 0.015 pouce, et on a même été en mesure de faire des rayons de 0.005 pouce. Textures. Les textures proviennent uniquement de la feuille en thermoformage régulier mais les textures, lettres et logos peuvent provenir du moule en thermoformage sous pression. Nervures et stratégie de renforcement. Le thermoformage sous pression permet la création de petites nervures (R1) (moins hautes et précises que celles en injection!). Ces nervures permettent de rigidifier les pièces. Pour une nervure (H1) d une hauteur égale ou inférieure à l épaisseur de départ de la feuille (T2), on peut faire une nervure aussi mince que l épaisseur de départ de la feuille (H1 T2,W1 T2). Notez cependant qu il est de loin préférable de renforcer une pièce thermoformée avec des nervures creuses (R2) ou des épaulements (S). Ces nervures sont visibles des deux côtés de la pièce et demandent plus de matière. La largeur d une nervure de renforcement devrait être au moins égale ou plus grande que 1.75 fois sa hauteur (H2) (W2 1.75H2). Un recoin tel que celui présent en IR3 permet de rigidifier le contour d une pièce, il faut alors laisser au moins 0.030 du rebord. Il faut éviter de large section plate sur une pièce thermoformée car une déformation peut survenir. De plus, une simple pression pourrait déformer la pièce. Idéalement, il faut bomber ces larges sections. Un dôme de 0.015 pouce/pouce permet d éviter la déformation de large section plate d une pièce. Cette valeur devrait être plus importante pour les plastiques les plus flexibles (comme le PE) et peuvent être légèrement moindres pour les plastiques plus rigides (0.010 pouce/pouce).
Le tableau ci-dessous présente les rayons possibles selon le procédé de thermoformage régulier et le thermoformage sous pression. Figure 8.39 Assemblages. Sur les plastiques compatibles avec la colle, il est possible de coller des inserts métalliques que l on a préalablement rendus captifs dans une pièce de plastique. Cette opération est néanmoins coûteuse. À venir, photo de la face d appareil électronique de DX. Le attaches «Tinnerman» représentent également une façon simple et efficace d assembler des pièces. On peut alors utiliser des vis standards.
www.mcmaster.com Les assemblages à la serre peuvent êtres utilisés mais seulement avec précaution. Il faut garder à l esprit que les tolérances ne peuvent êtres élevées avec ce procédés, ce qui est requis pour les assemblages à la serre. Alors plus la pièce est grande, moins ce type d assemblage pourra être retenu. Les murs extérieurs peuvent êtres maintenus ± 0.015 pouce pour le premier pouce et 0.002 pouce/pouce ensuite. Des tolérances de ± 0.010 pouce plus ± 0.001 pouce peuvent être obtenus pour des nervures comme celle illustrée sur la figure 8.38. Les trous pour les vis et autres assemblages peuvent êtres usinés précisément avec les outils à commande numérique (CNC). Il faut cependant considérer la dilatation du plastique dans les calculs de positionnement des trous. Les trous pour les vis devraient êtres surdimensionnés pour éviter un stress sur la pièce (0.015 à 0.030 de pouce). «Twin sheet» Les contraintes sont essentiellement les mêmes que pour le «pressure-forming». Encore ici, toutes les ouvertures doivent être usinées suite ou formage. Un peu comme dans le rotomoulage, des zones d embrassements (tack-offs) peuvent être formés, formant ainsi des points de contacts où les parois se soudent, ce qui contribuent à la structure de la pièce.