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ÉTUDE DU FLUAGE D’UN JOINT ÉLASTOMÈRE
REVUE DE LA LITTÉRATURE
À partir du début du 20ième siècle, les fermetures sont faites principalement de matériaux naturels et métalliques. Avec l’arrivée des polymères dans les années 30, la situation se veut un changement continu. Aujourd’hui, les fermetures en plastique ont atteint une bonne partie du marché soit environ 50% et ne cessent d’augmenter progressivement. Presque 62% des fermetures en plastique sont faites maintenant en polypropylène (PP). La croissance prévisionnelle la plus considérable est destinée aux boissons carbonatées non alcoolisées, aux boissons non gazeuses, aux jus de fruit et au lait. Cependant, les fermetures métalliques occupent une partie importante du marché, en particulier les capsules des bouteilles de bière en verre (16 millions de capsules métalliques produites par jour à Montréal seulement). Nikolaus (Nikolaus, 2000) souligne que près de la moitié des 150 milliards de fermetures produites chaque année en Europe est faite en plastique et plus que 300 000 tonnes de matières premières sont couramment utilisées pour la production des fermetures.
De nos jours, plusieurs produits de l’industrie chimique y compris les produits de beauté et pharmaceutiques ainsi que différentes boissons gazeuses et alcoolisées sont empaquetées dans des bouteilles en plastique ou en verre fermées par des capsules métalliques ou plastiques étanches. Ces capsules sont fabriquées sous différentes formes géométriques avec des conceptions de fermeture très diversifiées. Elles peuvent être filetées auquel cas la capsule se doit d’être serrée contre le goulot de la bouteille moyennant un certain couple appliqué, ou serties au moyen d’une opération de sertissage pour épouser la forme du filetage du goulot de la bouteille. La plupart des contenants en verre de boissons carbonatées alcoolisées possèdent un concept de fermeture dont l’ouverture est rapide, pouvant être un sixième, un quart ou un tiers de tour. Davis (Davis, 1982, part 1 et part 2) dresse une liste exhaustive des différentes fermetures rencontrées dans le marché. Parmi ces fermetures, la Figure 1.1 montre une capsule filetée dont le filetage est continu (FC) a), une capsule à écran pour une ouverure rapide b) et une capsule roulée inviolable pour une protection renforcée du produit c).
Problématique
Le système de fermeture des bouteilles de bière en verre se doit d’assurer l’étanchéité du produit qui est maintenu à une pression de l’ordre de 14 psi révèle Delaware (Delaware, 2006). La capsule est constituée d’une feuille de métal très mince, elle est sertie et roulée par formage à froid sur le contour du goulot en verre pour s’incruster dans le filetage. Le couple de dévissage et la capacité à maintenir l’étanchéité des produits empaquetés sont deux grandeurs décisives dans la réussite de la fermeture. Le critère d’étanchéité, qui est souvent assuré par une garniture faite en élastomère placée entre la capsule et le goulot du contenant, requiert d’une part, une minutieuse connaissance du matériau de la garniture et d’autre part, une parfaite maîtrise de son comportement dans le temps, et à diverses conditions de température et d’humidité. Aucun paramètre du produit ne doit être affecté, que cela soit son parfum, sa saveur ou la pression interne de son contenant. Quant au couple, il se veut être adéquatement approprié à la fermeture pour gagner principalement la confiance du consommateur.
Le consommateur rencontre parfois des difficultés, soit qu’il n’arrive pas à ouvrir la capsule, auquel cas il peut souvent recourir à l’utilisation d’un chiffon pour augmenter le frottement entre la main et la capsule, soit il n’apprécie pas de trouver le produit sans pression et sans saveur après l’ouverture, ce qui amène dans les deux cas à la non satisfaction du consommateur. La revue de la littérature, traitant de l’étude et de l’analyse du couple de dévissage des capsules métalliques filetées et serties dans les bouteilles en verre, montre qu’il n’existe pas assez de recherches et de publications dans ce domaine. Par contre, de nombreuses études pertinentes relatives d’une part, à l’évaluation de la perméabilité et de la fuite des systèmes dits «remplis fermés» et d’autre part, au formage des tôles minces, sont rencontrées et qui traitent des grandes déformations plastiques, des problèmes de contact avec et sans frottement et également des contraintes résiduelles.
Le but premier de cette recherche réside dans la prédiction du couple de dévissage de capsules serties sur un contour fileté en fonction des paramètres de l’opération de sertissage. Évaluer quantitativement la contribution, aussi bien de la garniture que du filetage, dans le couple de dévissage constitue aussi un but recherché pour déterminer les proportions de chacune de ses géométries et surtout connaître à qui revient la part du lion. La variabilité des paramètres de l’opération de sertissage pouvant être à l’origine d’un couple de dévissage élevé, est en mesure d’entrainer des conséquences néfastes causant la détérioration des filets d’une part, et l’usure prématurée des outils durant le processus de sertissage d’autre part.
À part de présenter aux consommateurs des produits empaquetés dans des contenants étanches, imperméables, assez résistants à la différence de pression et de température avant et durant l’utilisation ou la consommation du produit, il est primordial d’assurer un couple de dévissage approprié, sans pour autant exercer un effort excessif pour défaire la capsule, plus particulièrement lorsqu’il s’agit des consommateurs ayant une force de préhension réduite. Le second but réside dans la l’optimisation de la qualité de la fermeture en bâtissant un modèle par la MÉF fiable et précis. Ceci nous incite à déterminer le meilleur compromis possible entre le plus faible couple nécessaire au dévissage de la capsule et la force d’étanchéité nécessaire dans la garniture afin de livrer une fermeture bien appréciée par le consommateur. En général, le concept de l’intégrité de l’empaquetage est souvent associé à sa fermeture et plus particulièrement au couple de dévissage et à l’efficacité du produit.
Choix de la garniture ou du joint
Plusieurs considérations entrent dans le choix d’une garniture ou joint appropriée à chaque produit, tels que le couple de dévissage, la durée de conservation, l’apparence, l’économie, la compatibilité, l’inviolabilité et la conformité. Plus particulièrement dans le cas des garnitures en plastisol, le couple de dévissage est d’une importante considération. Généralement, un couple de dévissage très élevé conduit le consommateur à se plaindre. À l’inverse, un faible couple de dévissage est parfois perçu comme étant une indication d’une étanchéité non rassurante. De point de vue économique, en raison de l’active compétitivité qui vise à diminuer les coûts de l’empaquetage, il est téméraire de surdimensionner la garniture ou le joint afin d’être compétitif. La plupart des manufacturiers de fermetures ont le savoir-faire et des laboratoires pour assister les chercheurs afin qu’ils parviennent à leur tour à choisir la garniture appropriée à un produit particulier. En ce qui concerne la compatibilité, des essais en laboratoire peuvent être exigés pour s’assurer que la garniture choisie ne donne pas des goûts ou des odeurs au produit, ou même ne peut être affectée par l’attaque de dissolvant, ou d’autres conditions défavorables. Le revêtement de la face de la garniture se doit d’être compatible avec le produit pour empêcher la corrosion.
En effet, Kenkare (Kenkare, 1995) précise qu’un produit fortement acide exige un enrobage résistant à l’acide, pareillement pour les produits fortement sulfureux, stérilisés, huileux, qui exigent que la face de la garniture soit enduite d’un revêtement spécial pour les protéger. Le matériau de la garniture ou du joint doit bien entendu satisfaire les exigences de la durée de conservation prédite du produit dans lequel cette garniture est utilisée. Les taux de transmission de la vapeur d’eau, de l’oxygène ou du dioxyde de carbone (CO2) se doivent d’être considérés dans ce contexte. À part la fonction de la garniture, une importance secondaire est attachée à son aspect. Souvent, le département de commercialisation fournit des facteurs de production concernant l’apparence désirée d’une garniture ou d’un joint. Aujourd’hui, avec la mise de l’emphase sur l’inviolabilité, le choix de la garniture ou du joint peut être effectué par rapport à cette considération. Cependant, l’inviolabilité peut souvent être fournie par la fermeture elle-même, tel que le bouton témoin du vide utilisé sur beaucoup de produits alimentaires. Comme mentionné plus haut, le matériau de la garniture se doit de se conformer aux exigences de la FDA. Cette dernière applique non seulement l’acceptation du matériau mais aussi mandate l’inviolabilité de la garniture.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Justification
1.5 Fermetures
1.5.1 Fermetures filetées
1.5.2 Capsules
1.5.2.1 Garnitures en plastisol
1.5.2.2 Garniture homogène
1.5.2.3 Garniture hétérogène
1.5.2.4 Joint interne
1.5.2.5 Choix de la garniture ou du joint
1.5.3 Perméabilité
1.5.4 Fuite
1.5.5 Mesure de la fuite
1.6 Couple
1.6.1 Couple de dévissage
1.6.2 Effet du temps sur le couple de dévissage
1.6.3 Effet de la température sur le couple de dévissage
1.6.4 Effet du pas du filetage sur le couple de dévissage
1.6.5 Effet de la vibration sur le couple de dévissage
1.7 Filetage
1.7.1 Filet rond
1.7.2 Filet trapèze rectangulaire
1.7.3 Filet trapézoïdal
1.8 Coefficient de frottement
1.8.1 Mécanisme de frottement
1.8.2 Appareillage pour la mesure du frottement
1.9 Équilibre statique de la fermeture
1.10 Comportement viscoélastique du joint
1.10.1 Modélisation analytique
1.10.2 Modélisation numérique
1.11 Conclusion
CHAPITRE 2 CONCEPTION DU MONTAGE EXPÉRIMENTAL
2.1 Introduction
2.2 Définition du problème
2.2.1 Analyse des besoins
2.2.2 Objectifs
2.2.2.1 Rigidité
2.2.2.2 Compacité
2.2.2.3 Stabilité
2.2.2.4 Praticabilité et interchangeabilité
2.2.2.5 Commande électrique et entraînement
2.3 Conception
2.3.1 Adaptateur de bouteille
2.3.3 Adaptateur de capsule montée libre
2.3.4 Adaptateur de verre
2.3.5 Adaptateur de joint
2.3.6 Dossier technique de la conception
2.4 Calibrage
2.4.1 Test de calibrage en compression
2.4.2 Test de calibrage en torsion
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DE LA GARNITURE
3.1 Introduction
3.2 Essai de compression
3.2.1 Détermination des constantes de Mooney-Rivlin
3.2.2 Détermination du coefficient de Poisson
3.3 Modélisation de l’essai de compression par la MÉF
3.3.1 Détermination des constantes de Mooney-Rivlin
3.3.2 Modèle des éléments finis
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 ÉTUDE DU FLUAGE D’UN JOINT ÉLASTOMÈRE
4.1 Introduction
4.2 Fluage
4.3 Expérimentation
4.4 Modélisation par la MÉF
4.4.1 Modèle de fluage implicite
4.4.2 Simulation du fluage (MÉF)
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 FROTTEMENT STATIQUE GARNITURE-GOULOT
5.1 Introduction
5.2 Frottement
5.3 Expérimentation
5.3.1 Expression du coefficient de frottement statique CFS
5.4 Modélisation
5.5 Conclusion
CHAPITRE 6 MODÉLISATION
6.1 Introduction
6.2 Expérimentation
6.3 Analyse par la MÉF
6.3.1 Modèle axisymétrique 2D
6.3.1.1 Géométries de la capsule et de la garniture
6.3.1.2 Géométrie du goulot de la bouteille en verre
6.3.1.3 Géométrie de l’ensemble et modèle numérique
6.3.1.4 Analyse par éléments finis
6.3.2 Modèle 3D
6.3.2.1 Modélisation 3D
6.3.2.2 Maillage du modèle 3D
6.3.2.3 Analyse par éléments finis 3D
6.3.3 Formulation numérique 2D
6.4 Comparaison des résultats de la MÉF avec les mesures
6.5 Conclusion
CHAPITRE 7 COUPLE DE DÉVISSAGE
7.1 Introduction
7.2 Mesure du couple de dévissage immédiat
7.3 Analyse par éléments finis
7.3.1 Modélisation 3D
7.3.2 Paires de contact
7.3.2.1 Déformation de la jupe de la capsule
7.3.2.2 Déplacement des secteurs angulaires
7.3.2.3 Dissemblance des secteurs angulaires
7.3.3 Mesure de l’écrasement de la fermeture
7.4 Couple de dévissage
7.4.1 Force de sertissage
7.4.2 Effet de la pression du plongeur pp sur le couple
7.4.3 Effet du matériau de la capsule sur le couple
7.4.4 Effet de la pressurisation du goulot sur le couple
7.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
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