A Propos du Rotomoulage

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par Roy J. Crawford, université de Waikato, de la Nouvelle Zélande, et de Susan Gibson, JSJ Productions, Inc.

Le rotomoulage est une façon de fabriquer des produits en plastiques creux. Elle est plus connue à travers la fabrication de réservoirs, mais beaucoup de designers à travers le monde utilisent cette technologie pour concevoir différents types de pièces plastiques. Plusieurs produits dans divers secteurs de marché proviennent de cette technologie : des produits médicaux, des produits de consommation, des équipements pour l’agriculture et le jardin, des composants automobiles et de transports, des jouets, l’artisanat de loisir, des équipements sportifs, des meubles, des articles de manutention de matériaux, et de très esthétiques stand et point de vente.

L’industrie du rotomoulage offre des opportunités excitantes aux designers et aux utilisateurs finaux. A travers les dernières décennies, un nombre d’avancées techniques importantes a été réalisées, et de nouveaux types de machines, moules et matériaux sont devenus disponibles. D’importants nouveaux secteurs de marchés sont en train d’émerger, car les rotomoulages sont capables d’offrir de la haute qualité, des pièces hautement performantes à des prix compétitifs. Dans le portfolio des méthodes de production qui s’offrent aux designers, le rotomoulage peut maintenant prendre sa véritable place aux côtés d’autres processus majeurs, comme le moulage par soufflage, le thermoformage double coque et le moulage à injection.

Cet article fournit une vue d’ensemble des principales caractéristiques du rotomoulage. Il décrit la nature fondamentale du processus et donne au lecteur un aperçu de quelques unes des caractéristiques devant être prises en compte lors de la conception de pièces en plastique qui devront être rotomoulées. Des guides de conception détaillés pour le rotomoulage sont cités en fin d’article.

Le Procédé

Le principe du rotomoulage de plastiques est relativement simple. En effet, la simplicité du procédé est la clef de son succès car cela permet aux mouleurs d’exercer un contrôle étroit sur les dimensions et les propriétés des pièces. Plus basiquement, le rotomoulage consiste à introduire une quantité connue de poudre plastique, de granulés ou une forme liquide dans un moule creux en forme de coquille. Le moule est chauffé et simultanément mis en rotation sur deux axes principaux, de façon à ce que le plastique contenu adhère au moule et forme une couche sur la paroi intérieure du moule. Le rotomoulage continue durant la phase de refroidissement, ce qui permet au plastique de conserver la forme désirée lorsqu’il se solidifie. Lorsque le plastique est suffisamment rigide, la rotation du moule est stoppée pour permettre d’enlever la pièce du moule. Le procédé se distingue du spin-casting ou du centrifugal-casting par sa vitesse de rotation particulièrement lente, normalement 4-20 revs/min.

Les différentes étapes (a) de chargement du moule, (b) du chauffage du moule, (c), refroidissement du moule et (d) de l’éjection de la pièce sont indiquées sur la figure 1. Ce diagramme est là uniquement pour l’illustration. En réalité, il y a de nombreux types de machines commerciales et sur mesures pour fabriquer des pièces en plastique utilisant le principe du rotomoulage. La plupart des grandes machines commercialement disponibles sont sur le principe d’un carrousel. Dans ces machines, le moule ou les moules sont montés sur un bras qui transmet la rotation bi-axiale aux moules et les porte étape par étape dans la zone de chauffage, la zone de refroidissement, et finalement la zone de démoulage/chargement. On utilise souvent trois bras afin que le chauffage, le refroidissement et la maintenance puissent être mené simultanément sur trois différentes séries de moules. Dans certains cas, les bras sont fixés ensemble à 120° d’espacement. Dans les designs les plus récents, les bras peuvent bouger indépendamment l’un de l’autre, afin que, par exemple, les moules en cours de chauffage puissent être sortis du four lorsqu’une peau homogène de matière fondue s’est formé sur la paroi du moule avant que le refroidissement ne soit terminé sur le bras précédent.

Sur les autres principaux types de conception de machines, les moules passent par un mouvement « rock and roll » qui est une entière rotation à 360° sur un axe, et un mouvement de bascule sur un axe perpendiculaire.

Sur les deux types de machines, il y a beaucoup de permutation de séquences de chauffe, de refroidissement et de maintenance moule. Des méthodes de chauffage conductrices, inductives et diélectriques sont également utilisées.

Traits Caractéristiques du Rotomoulage

Le rotomoulage est un procédé sous pression atmosphérique qui produit des pièces pratiquement sans tension. Le fait qu’il n’y ait pas de contrainte sur la fusion durant le modelage est l’atout majeur du rotomoulage sur les autres méthodes de fabrication des pièces plastiques. Donc, comme il n’y a aucune force sur le plastique en fusion durant la mise en forme, les moules rotomoulés peuvent être composés de parois minces qui sont relativement peu coûteuses à fabriquer. Pour les pièces simples, le délai de livraison d’un moule peut être de quelques jours ou semaines. Les machines modernes et multibras permettent à des moules de différentes tailles ou formes d’être utilisés en même temps. Avec un design correct du moule, des pièces complexes, comme un container à doubles parois, difficiles voire impossibles à mouler par n’importe quelle autre méthode, peuvent être rotomoulées. Avec un processus de contrôle correct, l’épaisseur de la paroi des pièces rotomoulées est pratiquement uniforme, ce qui n’est pas le cas des moulages par soufflage et thermoformage à double coque. Et, à l’inverse de ces procédés concurrentiels, le rotomoulage n’a pas de bourrelet visible ou de ligne de soudure devant être retravaillées après le moulage.

Les principaux atouts du rotomoulage sont:

  • Une pièce creuse peut être réalisée d’une seule pièce sans ligne de soudure ou joints.
  • La pièce moulée est essentiellement sans tension,
  • Les moules sont relativement bon marché,
  • Le délai de fabrication d’un moule est relativement court,
  • L’épaisseur des parois peut être pratiquement uniforme (comparé à d’autres méthodes de moulage de surface libre, telle que le moulage soufflant)
  • Le réglage de l’épaisseur des parois peut être changé sans modifier le moule.
  • Une production courte peut être économiquement viable,
  • Il n’y a pas de déchet de matière car la totalité est normalement consommée pour fabriquer la pièce.
  • Il est possible de faire des moules multicouches, incluant des pièces expansées,
  • Différents types de produits peuvent être moulés ensemble sur une machine,
  • Les inserts sont relativement simples à mouler
  • Des graphiques de haute qualité peuvent être insérés.

Les principales limites du rotomoulage sont:

  • Les temps de fabrication sont longs,
  • Le choix des matériaux de moulage sont actuellement limités.
  • Les coûts des matières sont relativement élevés, ceci est du à des additifs spéciaux et au fait que la matière doit être broyée en poudre fine.
  • Quelques caractéristiques géométriques (comme les ailerons) sont difficiles à mouler.

Tableau 1: Comparaison des caractéristiques des différents procédés pouvant être utilisés pour fabriquer des produits plastiques creux

Les Domaines d’Application

De nos jours, les pièces rotomoulées sont utilisées dans pratiquement tous les secteurs où l’on retrouve des pièces plastiques. Ceci inclus les secteurs de haute technologie tels que l’industrie aéronautique. Le procédé est le mieux situé pour la fabrication d’une pièce entière creuse ou de containers ouverts à doubles parois. Des opérations secondaires peuvent être utilisées pour diviser des pièces moulées ou pour découper des panneaux de façon à ce que toutes sortes de containers ouverts à simple paroi et des produits puissent être créés. Les surfaces devant être découpées sur une pièce peuvent être protégées de la chaleur durant le moulage, de façon à ce qu’il n’y ait que peut de déchets matière à la suite de l’opération de coupe/taille.

Le tableau 2 donne des exemples de pièces typiquement rotomoulées. La variété de produits peut sembler impressionnante et bien que le polyéthylène soit la principale matière dans la plupart des cas, des pièces structurelles de hautes performances sont possibles grâce à l’utilisation stratégique de caractéristique unique, comme les points de supports internes (“kiss-off”) entre la double paroi de la pièce creuse.

Quelques exemples de pièces rotomoulées sont montrés dans les figures (a-i). Dans la plupart des cas, une finition de haute qualité et des tolérances étroites sont réalisées sur ces pièces. Le point clef est que ce sont toutes des formes tridimensionnelles complexes, et qu’elles sont toutes faites d’une seule pièce. La mousse est aussi très courante dans les pièces rotomoulées pour fournir une isolation thermique ou une forte rigidité à un poids minimum.

Matériaux

Tous les produits commerciaux fabriqués par rotomoulage sont pratiquement tous composés de thermoplastiques, et même les matériaux thermodurcissables peuvent être utilisés. Les polyoléfines, (principalement les polyéthylènes) dominent le marché des pièces rotomoulées. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles cette situation est apparue. L’une d’elles est que cette matière peut facilement se transformer en granules ou en poudre nécessaires au rotomoulage. L’autre raison est que le polyéthylène reste plus stable que les autres plastiques durant la période de chauffage relativement longue. Actuellement, le polyéthylène, sous toutes ses formes, représente de 85% à 95% de tous les polymères rotomoulés. Les plastisols PVC sont utilisés très largement et les polycarbonates, le nylon, le polypropylène, les polyesters insaturés, ABS, les acrylics, les celluloses, les époxies, les fluocarbones, les phénoliques, les polybutylènes, les polystyrènes, les polyuréthanes et les silicones composent le reste.

Les proportions relatives à l’utilisation de ces divers matériaux sont montrées dans le schéma 3. Les matériaux de haute performance, comme le nylon à fibre renforcée et le PEEK montre une utilisation potentielle dans cette technologie mais représentent une toute petite fraction de la production industrielle.

Les Moules

Les moules utilisés pour le rotomoulage sont construits en forme de coquille. Ils sont normalement composés de deux moitiés, bien que les pièces complexes nécessitent des moules à séparer en trois pièces ou plus. Les moules sont maintenus fermés par des sauterelles au plan de joint. Les moules comportent toujours un tube d’aération (aérateur) pour assurer l’égalisation de la pression entre l’intérieur de la pièce moulée et l’environnement externe. La position du tube d’aération dépend de la nature de la pièce plastique, par exemple, l’orifice de remplissage d’un réservoir est une place parfaite pour le tube d’aération.

Les moules les plus courants sont faits en fonte d’aluminium ou en tôle d’acier. Ce dernier est largement favorisé pour de grands articles, comme les réservoirs, alors que la fonderie est utilisé pour des pièces plus petites aux détails complexes, ou plusieurs moules identiques sont nécessaires. Les moules à plaques en nickel électroformés ou vapo-formés sont aussi utilisés, particulièrement pour les pièces en PVC. Ces dernières années, l’utilisation de moules usinés en CNC est devenue courante, et ceci résulte d’incroyables améliorations dans la qualité du moule, particulièrement au niveau du plan de joint. Les moules subissent des contraintes thermiques alors qu’ils passent régulièrement de la température ambiante à une température au-dessus de 300°C (au-dessus de 600°F), et les analyses par éléments finis des moules usinés en CNC assurent que la haute performance puisse être maintenue sur de longues périodes de temps. Le désir d’avoir une petite surpression à l’intérieur du moule peut aussi être obtenu plus facilement par des moules réalisés en CAO. L’automatisation de l’ouverture des moules et du remplissage des moules aide aussi à réduire les temps de cycles et augmente la consistance des pièces moulées.

Dans les derniers types de machines « Leonardo » développées en Italie, le moule et la machine sont une seule unité. Ceci permet un contrôle très précis sur la rotation du moule, aussi bien que sur la température et la pression à l’intérieur du moule.

Conseils pour la Conception

Le procédé du rotomoulage crée des effets spéciaux qu’on ne peut voir dans les autres procédés de fabrication de pièces plastiques. Les angles extérieurs des pièces rotomoulées sont habituellement plus épais que les autres parois car la poudre plastique est recueillie dans les angles du moule. Inversement, les angles intérieurs sont généralement plus fins car la poudre plastique tombe du moule à ces endroits. Les rayons généralement recommandés pour les angles internes et externes sont illustrés dans le schéma 4. De manière approximative, la règle générale pour les angles externes et internes est qu’un large rayon donne une épaisseur de paroi plus épaisse.

Le rotomoulage, comme le moulage par soufflage ou le thermoformage, est un procédé de moulage sur surface libre. Des variations dans l’épaisseur des parois peuvent se produire dans le rotomoulage, mais le mouleur peut exercer un contrôle rapproché sur l’épaisseur de la paroi en modifiant les vitesses et les rapports de vitesse sur les axes majeurs et mineurs. De plus, des surfaces du moule peuvent être protégées pour réduire l’accumulation de matière, ou un supplément de chaleur peut être dirigé à l’endroit ou plus d’épaisseur est requise. Le retrait du polyéthylène est important, normalement 3 à 4%, mais ceci peut être pris en compte et des tolérances de 1-2% sont pratiquement normales. Une tolérance de 2 à 5% dans la planéité est généralement obtenue dans le meilleur des cas à cause du refroidissement unilatéral du rotomoulage. Lorsque c’est possible, de vastes zones planes doivent être évitées dans une pièce moulée, et l’utilisation de surfaces courbées est hautement recommandée pour éviter les effets de déformation. Le refroidissement interne des moules devient plus courant dans l’industrie du rotomoulage pour éviter les effets de déformation, aussi bien que pour réduire les temps de fabrication.

Les filetages, aussi bien internes qu’externes, peuvent être moulés, alors que les filetages à gros filets sont préférables. Des agents de démoulage commercialement disponibles peuvent être appliqués dans des endroits du moule comme par exemple l’emplacement des filetages, ce qui augmente considérablement la reproduction des détails du moule.

Les inserts métalliques sont aussi très courants dans les pièces rotomoulées. Le retrait relativement grand du polyéthylène assure que les inserts sont bien accrochés durant le moulage, mais il faut reconnaître que le retrait introduira une tension résiduelle. Comme c’est souvent le cas avec le polyéthylène, il faut prendre des précautions avec l’utilisation des inserts s’il y a la possibilité que la pièce moulée soit exposée à un environnement de contraintes provoquant des fissures.

Les nervures conventionnelles sont difficiles à réaliser avec le rotomoulage car la poudre plastique ne s’écoule pas facilement dans le creux profond nécessaire pour créer une nervure. Au lieu de cela, des effets de renforcement peuvent être créés en utilisant des cannelures, comme montré dans le schéma 5. La profondeur recommandée pour les cannelures est à peu prés quatre fois l’épaisseur matière et la largeur environ cinq fois l’épaisseur matière. Ceci assure un bon équilibre à la rigidité transversale et axiale. Les renforcements spéciaux appelés “kiss-off” sont très efficaces dans le rotomoulage (voir schéma 6). Ceux-ci sont créés dans des pièces à doubles parois par des figures coniques à l’intérieur du moule qui font en sorte que les deux parois de la pièce se touchent. Le moule en résultant est très solide, et, dans certains cas, comme les palettes, la mousse est ajoutée pour assurer une très bonne solidité au rapport de poids.

Les améliorations dans les designs des moules, et la qualité de la poudre, permettent à des nervures de renforcement d’être crées dans des réservoirs rotomoulés comme montré dans le schéma 2 (i) Ces solides nervures ont environ 70mm de profondeur et 10mm d’épaisseur.

Les angles de dégagement ne sont généralement pas nécessaires dans les pièces femelles car le plastique se rétracte dans le moule. Par contre, pour les pièces males d’un moule dans lesquelles il y a une tendance au retrait sur le moule, des angles de dégagement de 1 à 2° sont normalement suffisants. Ceux-ci sont illustrés en figure7. Si le moule est grainé, un angle supplémentaire de 1° peut être prévu. Ces valeurs sont valables pour le polyéthylène. Un degré de plus devrait être prévu pour des matériaux plus durs somme le polypropylène et le nylon. Des matériaux amorphes comme le polycarbonate auront besoin de 2° de plus dans tous les cas.

Quelques contre-dépouilles sont autorisées dans le rotomoulage dans le cas précis où le retrait matière où sa flexibilité permet à la pièce de se dégager du moule. Le constructeur doit déterminer ce qui est possible, basé sur sa connaissance du retrait. Généralement, les angles de dégagement sur les contre-dépouilles externes ne sont pas permis car le retrait matière empêche l’éjection de la pièce. Ces effets sont décrits dans le schéma 8. Il faut noter que les angles de dégagement dessinés ici ne sont destinés qu’à illustrer le propos.

Les trous ne peuvent pas être moulés en utilisant le rotomoulage. Ils doivent être usinés par la suite, en utilisant des outils usuels de découpage. Durant le moulage, il est courant de protéger les surfaces qui seront découpées afin d’éviter du gaspillage de matière .Même si le polyéthylène est difficile à peindre, des méthodes sophistiquées de décoration ont été développées pour le rotomoulage. Plusieurs techniques sont disponibles Dans l’une d’elles, certains transferts spéciaux sont incrustés dans le polyéthylène durant l’opération normale de moulage. Dans d’autres cas, le transfert peut être appliqué après le moulage. Ces deux méthodes sont très efficaces et produisent d’excellents graphiques sur les pièces rotomoulées comme montré sur les schémas 2(a) et (e).

Conclusion

Le rotomoulage a toujours été connu comme une méthode de fabrication versatile de pièces plastiques. Durant les dernières décennies, le rotomoulage a évolué et est devenu une réponse au besoin de fournir des pièces de haute performance pour répondre aux exigences de certains secteurs de marchés. En accomplissant cela, le procédé a conservé ses avantages en produisant des pièces libres de tension, disponibles sur de courtes périodes de temps et économiquement attirantes. L’industrie du rotomoulage est un secteur très dynamique avec des mouleurs et des fournisseurs toujours prêts à relever des défis.

Bibliographie

Pour obtenir plus de détails sur le rotomoulage de pièces plastiques, vous pouvez vous référer aux ouvrages suivants [1-8]:

1. Crawford, R.J and Kearns, M. P., Practical Guide to Rotational Moulding, 2nd edition, RAPRA Technology, Shawbury, Shrewsbury, UK (2012)
2. Nugent, P., Rotational Molding: A Practical Guide., www.paulnugent.com (2001)
3. Carvani, M., Mondini, F and Romboli, E., Rotational Moulding: Theory & Practice., Association of Rotational Moulders Australasia (2006)
4. Beall, G.L., Rotational Molding – Design, Materials, Tooling and Processing, 1998, Munich: Hanser. 245.
5. Beall, G., A Designer’s Guide to Rotationally Molding, SPE RETEC, 1999. Cleveland, Ohio, USA.
6. Dodge, P.T., Rotational Molding – The Basic Process, 1995, The Association of Rotational Molders: Chicago, Illinois. p. 14.
7. Crawford, R.J. and Throne, J.L., Rotational Molding Technology, William Andrew Publishing (now Elsevier) 2002
8. Crawford, R.J Rotational Moulding of Plastics, 2nd edition, Research Studies Press, UK (1996)