Revision sheet: Principes et applications du thermoformage

📋 Plan du Cours

1. Historique et secteurs d’activité
2. Domaines d’application du thermoformage
3. Semi-produits de départ
4. Thermoformabilité et température
5. Polymères semi-cristallins thermoformables
6. Matériaux thermoformés et usages
7. Charges, multicouches et stress cracking
8. Cycle de thermoformage et machines
9. Formage sous vide et précision
10. Refroidissement, transparence et gainage
11. Procédé Twin Sheet

📖 1. Historique et secteurs d’activité

📝 Points essentiels

• Le thermoformage vise des productions en grande série d’emballages alimentaires, d’emballages pour articles de linéaires et de pièces à usage unique comme barquettes, gobelets, couverts jetables et boîtes à œufs.
• Le thermoformage produit aussi des calages de gâteaux et de chocolat, ainsi que des articles de calage et de palettisation pour la logistique.
• En petites et moyennes séries techniques, le thermoformage sert notamment l’automobile (pare-chocs, panneaux de porte), le sanitaire (baignoire, évier, bac de douche), la logistique (calages, palettes) et le loisir (luges).
• Le thermoformage convient aussi à la fabrication de présentoirs pour lieux de vente et de capotage de machines.

📖 2. Domaines d’application du thermoformage

📝 Points essentiels

• Les applications typiques concernent des pièces de formes simples issues de feuilles développées.
• Des épaisseurs de paroi peuvent être très faibles, jusqu’à 0,15 mm, ce qui permet des cycles très courts.
• Des cadences annoncées atteignent 40 gobelets par seconde pour des pièces simples.
• Le procédé utilise un outillage et une mise au point à coût faible, et peut produire des pièces de grandes dimensions.

📖 3. Semi-produits de départ

🔑 Notions clés & Définitions

• Flan : Un flan est une ébauche prédécoupée réalisée dans une feuille et prête pour le formage.
• Extrusion avec filière plate : L’extrusion avec filière plate permet d’obtenir des feuilles allant d’environ 0,1 mm à 13 mm d’épaisseur et jusqu’à 2000 mm de largeur.
• Gonflage de films : Le gonflage produit des films orientés biaxialement, et permet d’obtenir des films moins épais avec le procédé.
• Calandrage ou laminage : Le calandrage ou laminage sert à fabriquer des feuilles en PVC rigide ou PVC souple, avec un aspect brillant.
• Feuilles coulées : Les feuilles coulées servent à fabriquer des feuilles destinées au thermoformage en PMMA et acétate de cellulose.

📝 Points essentiels

• Une feuille destinée au thermoformage peut être obtenue par extrusion, avec des matériaux simples ou multicouches et la possibilité de traitements antistatiques.
• Le gonflage de films concerne principalement le polyéthylène et conduit à des films orientés biaxialement.
• Le calandrage ou laminage permet des tolérances très serrées en épaisseur pour des feuilles de PVC.
• Les feuilles coulées concernent PMMA et acétate de cellulose.

📖 4. Thermoformabilité et température

🔑 Notions clés & Définitions

• Étiratbilité à chaud : L’étirabilité à chaud désigne l’aptitude d’un polymère à former des emboutis plus ou moins profonds tout en reproduisant les détails.
• Température de transition vitreuse Tg : La température de transition vitreuse Tg marque le seuil à partir duquel la rigidité change, et sert de repère pour choisir une plage de thermoformage des amorphes.
• Température de fusion Tf : La température de fusion Tf sert de repère pour des polymères semi-cristallins, la température de formage se rapprochant d’autant plus de Tf que la cristallinité est élevée.
• Zone cristalline : La zone cristalline correspond au domaine où coexistent cristallites et propriétés associées, et doit être gérée pour la tenue en service.

📝 Points essentiels

• L’étirabilité dépend de la température : le module d’élasticité, la contrainte et l’allongement à la rupture varient avec la température.
• Pour les polymères amorphes, les plages de thermoformage se placent au-dessus de Tg (exemples : PS HI 120–200°C, ABS 130–220°C, PC 150–220°C).
• Pour les semi-cristallins, plus le taux de cristallinité est élevé, plus la température de formage peut dépasser Tf (exemples : PP 150–200°C avec Tf 168°C, PA12 160–180°C avec Tf 176°C).
• Si la pièce est utilisée en température, il faut faire disparaître les cristallites.
• Des polymères hygroscopiques doivent être conservés sous protection et les plaques peuvent être étuvées verticalement (exemples donnés : PC jusqu’à 5 h en HR 60–70%, ABS jusqu’à 3 jours).

💡 Astuce mémo

Amorphe : au-dessus de Tg ; semi-cristallin : proche (voire au-delà) de Tf.

📖 5. Polymères semi-cristallins thermoformables

🔑 Notions clés & Définitions

• Polypropylène PP : Le polypropylène PP est un polymère semi-cristallin thermoformable avec une plage de température située autour de 150–200°C selon le cas.
• POM : Le POM est un polymère semi-cristallin dont le thermoformage se fait typiquement dans une plage autour de 145–180°C.
• PEHD : Le PEHD est un semi-cristallin thermoformable, avec une plage de température indiquée entre 140 et 200°C.
• PA12 : La PA12 est un semi-cristallin thermoformable dans la plage de température donnée entre 160 et 180°C.
• CPET : Le CPET est un semi-cristallin dont la plage de formage annoncée est 130–145°C, en lien avec une cristallisation vers 125–130°C.

📝 Points essentiels

• Le CPET a une plage de formage indiquée à 130–135°C et un taux de cristallinité atteint de 25 à 30%.
• Pour CPET, il est précisé qu’il ne faut pas une cristallinité excessive pour garder une bonne thermoformabilité du matériau.
• Exemples de semi-cristallins et paramètres associés : PP Tf 168°C (150–200°C), POM Tf 175°C (145–180°C), PE HD Tf 130°C (140–200°C), PA12 Tf 176°C (160–180°C).
• Exemple de PPS : 260–275°C avec Tf 288°C.

📖 6. Matériaux thermoformés et usages

🔑 Notions clés & Définitions

• PS HI : PS HI est un polymère de référence en thermoformage, utilisé pour divers emballages et produits thermoformés.
• OPS : OPS correspond à un PS orienté, employé pour des emballages alimentaires comme salades, légumes et sandwichs.
• PET amorphe A PET : A PET est un PET amorphe qui donne des pièces transparentes lors du thermoformage à des températures inférieures à 120°C.
• PETG : PETG est un PET non cristallisable qui fournit des feuilles et pièces transparentes.

📝 Points essentiels

• Le PVC rigide sert pour barquettes, pots, gobelets, couvercles et conteneurs, mais il est de plus en plus remplacé par PP et PET.
• Le PVC n’est pas admis dans tous les pays pour le conditionnement des produits alimentaires, tandis que le PVC transparent est utilisé pour des blisters.
• Le PMMA extrudé est décrit comme très transparent et résistant aux intempéries, avec des usages cités pour coupoles d’éclairage et pièces de vitrage.
• Le PMMA coulé a une tolérance d’épaisseur ±20% et nécessite beaucoup d’effort de formage, avec piston hydraulique mentionné.
• Le PC est utilisé pour des enseignes transparentes résistantes à des impacts, et il est indiqué un risque de reprise d’humidité en 2 h à température ambiante nécessitant éventuellement un pré étuvage.

💡 Astuce mémo

A PET : <120°C → transparent ; CPET : 130–135°C → blanc.

📖 7. Charges, multicouches et stress cracking

🔑 Notions clés & Définitions

• Stress cracking : Le stress cracking est une fissuration favorisée par les contraintes de thermoformage, car le polymère « conserve » une histoire d’étirage et devient plus vulnérable au milieu.
• Charges minérales : Les charges minérales sont des additifs comme talc, oxyde de titane, carbonate de calcium ou silice ajoutés pour modifier des propriétés et le coût.
• Matériaux multicouches : Les matériaux multicouches combinent un polymère principal et une matière secondaire jouant un rôle de liaison ou d’agent de formulation.

📝 Points essentiels

• Les charges citées peuvent améliorer les propriétés mécaniques, réduire le prix, améliorer la coloration et faciliter la thermoformabilité des polymères semi-cristallins, mais diminuent le ratio H/D et la déformation maximale.
• Pour des multicouches, si la température de formation est pilotée par la matière secondaire, cela dépend du fait que Tg ou Tm de la matière secondaire soit inférieure à celle du polymère principal.
• Si Tg ou Tm de la matière secondaire est supérieur au polymère, il existe un risque de fluage si la proportion de matière secondaire est trop faible pour conserver la tenue mécanique.
• Le stress cracking est particulièrement lié aux environnements agressifs cités (détergents, UV, huiles) et les zones les plus minces sont les plus susceptibles d’initier les fissures.

📖 8. Cycle de thermoformage et machines

🔑 Notions clés & Définitions

• Rapport d’emboutissage H/D : Le rapport d’emboutissage H/D relie la profondeur H de la pièce emboutie à la dimension D dans le sens de l’étirage.
• Phénomènes d’orientation : Les phénomènes d’orientation décrivent le changement de direction des macromolécules induit par la déformation pendant le thermoformage.
• Déformation du semi-produit : La déformation du semi-produit correspond à la modification géométrique de la feuille ou du film chauffé sous l’action du formage.

📝 Points essentiels

• Le rapport H/D en fonction de la température présente un maximum qui définit la température optimale de formage.
• Si le semi-produit a une forte orientation dans le sens extrusion, le thermoformage peut provoquer la formation de plis.
• Le thermoformage induit une orientation des macromolécules, plus marquée quand la déformation est importante.
• Le cycle standard de thermoformage et la diversité des procédés sont mentionnés (moulage négatif/positif, pistonnage, bullage, thermoformage sous vide, sous pression, et combinaisons).
• Pour choisir le semi-produit, il faut notamment viser une épaisseur uniforme, l’absence de défauts de surface et des contenus internes minimisés pour limiter des plis dus au retrait.

📖 9. Formage sous vide et précision

🔑 Notions clés & Définitions

• Formage par vide : Le formage par vide utilise une pression atmosphérique d’un côté et un vide technique de l’autre pour plaquer la feuille sur l’outillage.
• Formage par pression : Le formage par pression utilise l’air comprimé pour appliquer une pression supplémentaire afin de mieux plaquer et accélérer le cycle.
• Thermoformage haute pression : Le thermoformage haute pression (thermopression) forme sous pression élevée pour obtenir une apparence plus proche de l’injection.

📝 Points essentiels

• Le vide technique est indiqué à 95% (0,05 daN/cm2), et la différence de pression pour le formage par vide est donnée à 0,95 daN/cm2 (soit 1 bar selon l’équivalence du cours).
• L’air comprimé peut atteindre 10 bars, et la différence de pression indiquée pour des configurations avec aspiration est de 6 daN/cm2 et 6,95 daN/cm2 selon le cas décrit.
• Le formage par air comprimé peut améliorer la précision des contours car il est plus rapide et refroidit moins la feuille.
• Le formage par air comprimé permet de thermoformer à des températures plus basses et d’avoir des cadences plus élevées.
• La précision augmente avec la température de formage, mais pour A PET et C PET, la cristallisation pendant le chauffage peut réduire nettement la précision si elle est trop poussée.

💡 Astuce mémo

Vide = pression maîtrisée par aspiration ; précision mieux tenue quand l’air accélère le plaquage.

📖 10. Refroidissement, transparence et gainage

🔑 Notions clés & Définitions

• Gainage : Le gainage consiste à habiller une pièce avec une feuille plastique, en une matière simple ou complexe, encollée sur la pièce.
• Transparence très élevée : Une transparence très élevée est une performance visée en jouant sur l’outillage et les paramètres de moulage pour limiter les défauts optiques.
• Différence de refroidissement : La différence de refroidissement entre face moule et face opposée influence la tenue et les gradients de propriétés dans la pièce.

📝 Points essentiels

• Le refroidissement doit être limité pour préserver la déformation optimale, et les mouvements de chauffe doivent être rapides.
• Le temps de formage est annoncé de quelques 1/10 de seconde pour les feuilles minces, et de plusieurs secondes pour les plaques.
• Le temps de refroidissement dépend du polymère, de l’épaisseur, des températures (semi-produit, moule, démoulage), du matériau du moule, et de l’effort de formage ainsi que du type de refroidissement.
• La transparence très élevée nécessite un moule en aluminium, une température de moule proche du maximum admissible, une surface de moule avec Ra le plus faible possible, une aspiration faible sur plats, et un refroidissement plus long.
• Le refroidissement par air peut être dopé par jet plus intense, orientation des jets sur zones épaisses, distance du jet, présence de particules d’eau, et refroidissement de l’air.

💡 Astuce mémo

Transparence : alu + surface lisse (faible Ra) + moule chaud + refroidissement plus long.

📖 11. Procédé Twin Sheet

🔑 Notions clés & Définitions

• Twin Sheet : Le procédé Twin Sheet thermoforme deux demi-moules et deux plaques pour obtenir un corps creux soudé en périphérie.

📝 Points essentiels

• Dans Twin Sheet, les moitiés de moule se referment et chaque plaque est aspirée dans sa cavité pour former un corps creux soudé en périphérie.
• Le formage sous vide peut être complété par l’injection d’air compressé si nécessaire.
• Twin Sheet permet d’obtenir des pièces creuses particulièrement rigides (effet poutre), précises et légères.
• Des pièces réalisées peuvent être injectées de mousse (PUR) si besoin.

📊 Tableaux de synthèse

Vide vs pression : effets et conséquences

Critère	Vide	Air comprimé
Coût des moyens	Le vide est moins onéreux que l’air comprimé.	L’air comprimé est plus coûteux car les machines doivent être plus robustes.
Précision des contours	La reproduction des détails est moins exigée pour des pièces simples.	Meilleure précision des contours grâce à un formage plus rapide.
Température de thermoformage	Permet surtout des formages suffisamment simples à des températures qui suivent la logique du procédé vide.	Permet de thermoformer à des températures plus basses.
Cadence	Cadence plus limitée par rapport à l’air comprimé.	Cadences plus élevées.

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre Tg et Tf : Tg sert de repère principal pour les amorphes, tandis que Tf (et sa proximité) pilote le choix de température pour les semi-cristallins.
2. Croire que plus on augmente la température de formage améliore toujours la précision : pour A PET et C PET, la cristallisation pendant le chauffage peut la dégrader nettement.
3. Penser que des plaques hygroscopiques n’ont pas besoin d’être protégées : le cours indique des temps de conservation dépendants de l’humidité et recommande étuvage vertical.
4. Oublier que l’orientation initiale (sens extrusion) peut se traduire par des plis pendant le thermoformage.
5. Attribuer tout défaut de pièce au refroidissement : le cours relie aussi le stress cracking et les fissures à l’histoire d’étirage et à l’environnement.
6. Confondre formage positif et négatif : le positif décrit des risques de plis pour emboutis profonds et des difficultés de démoulage à faible dépouille, tandis que le négatif décrit l’étirage avec amincissement au fond et au pourtour du fond.

✅ Checklist Examen

1. Savoir définir flan et expliquer son rôle comme ébauche prédécoupée dans la feuille avant formage.
2. Savoir citer des méthodes de fabrication des feuilles (extrusion filière plate, calandrage/laminage, feuilles coulées) et les gammes d’épaisseur/largeur données pour l’extrusion.
3. Associer la thermoformabilité à la température via l’étirabilité à chaud et l’évolution des propriétés mécaniques avec la température.
4. Pour amorphes, indiquer que la plage de thermoformage se situe au-dessus de Tg et rappeler au moins deux exemples de plages données.
5. Pour semi-cristallins, expliquer la relation avec Tf et donner au moins deux exemples avec leurs valeurs Tf et plages de formage.
6. Savoir interpréter le rapport d’emboutissage H/D et retenir que les courbes passent par un maximum fixant la température optimale.
7. Citer des effets d’orientation : plis en cas de forte orientation initiale et orientation des macromolécules d’autant plus importante que la déformation est grande.
8. Connaître les exigences du semi-produit : épaisseur uniforme, absence de défauts de surface et limitation des défauts internes liés au retrait.
9. Distinguer formage par vide et formage par pression avec les ordres de grandeur des pressions/différences de pression et l’impact sur précision et température de formage.
10. Savoir les points clés sur refroidissement : limiter le refroidissement, dépendances (polymère, épaisseur, températures, moule, effort, type de refroidissement) et durées annoncées.
11. Retenir les conditions listées pour obtenir une transparence très élevée lors du moulage (type de moule, Ra, aspiration, température de moule, temps de refroidissement).
12. Définir le gainage comme habillage par feuille encollée et citer la possibilité d’une matière mono ou complexe.
13. Décrire Twin Sheet : aspiration des deux plaques dans leurs cavités, corps creux soudé en périphérie, compléments possibles par air comprimé, et propriétés annoncées (rigidité, précision, légèreté) avec possibilité de PUR.