Soutenance mémoire
L’impression : un enjeu majeur
L’entreprise Tarkett, née en 1886, puis rachetée par le groupe Sommer-Allibert en 1972 (qui reprendra le nom de Tarkett), est un leader mondial du développement et de la production de revêtements de sol et de surfaces sportives. L’entreprise est en relation avec de nombreux marchés comme le médical, les enceintes sportives, l’équipement d’entreprises et de particuliers et, en ce sens, se doit de relever chaque jour le défi de l’innovation vers l’excellence : l’excellence dans les supports produits (mis en forme par calandrage ou enduction), qui doivent résister au temps et posséder des propriétés mécaniques leur permettant de rester efficaces, ainsi que l’excellence dans l’aspect visuel des revêtements. L’aspect visuel est directement lié à l’impression de ces revêtements de sol et il se doit d’atteindre une qualité optimale.
Le procédé d’impression habituellement utilisé chez Tarkett est le procédé d’héliogravure, car il permet la production en grande quantité avec un très bon rendement. Sa maîtrise est donc indispensable à la production d’un film imprimé final de qualité.
Le procédé d’héliogravure et la qualité d’impression
Le principe du procédé
Au cours de ce travail de thèse, nous avons utilisé un procédé d’impression spécifique aux revêtements de sol : l’héliogravure . Le principe est le transfert d’une encre sur un support (ou substrat) sous forme de feuille. Ce transfert s’effectue via un cylindre encreur, dont la surface présente de nombreuses alvéoles (ou cellules, ou cavités). Les alvéoles sont réparties et dimensionnées de façon à respecter un motif souhaité.
Description du procédé
Un peu d’histoire
Les bases du procédé d’héliogravure, et plus généralement des procédés photomécaniques, sont dues à Nicéphore Niépce et Louis Daguerre qui, en 1826, découvrirent les propriétés photosensibles du bitume dit de « Judée » (bitume qui existait à l’état naturel sur les bords de la mer Morte). Au cours du demi-siècle suivant, le procédé sera développé notamment par :
• Louis Daguerre et Nicéphore Niépce : en 1835 naissent les « daguerrotypes » : ce type de procédé photographique reproduit une image sans négatif sur une plaque en argent.
• William H.F. Talbot : ce scientifique britannique développe en 1841 les « calotypes» (du grec « kalos », beau et « typos », impression). Il permit d’obtenir un négatif sur un papier glacé enduit d’une couche photosensible. Ce procédé est la base de la photographie argentique moderne.
• Adolphe Poitevin va, quant à lui, obtenir des négatifs sur la surface d’une pierre lithographique : c’est la « lithophotographie ».
C’est le peintre et photographe tchèque Karl Klietsch qui, en 1878, abouti au procédé d’héliogravure au grain et obtint des images au dégradé fin à partir de plaques gravées. Il utilise le bitume de Judée en le saupoudrant sur une plaque de cuivre. Ensuite il chauffe la plaque pour avoir une surface granuleuse qu’il enduit avec une couche de gélatine. Après séchage, il reproduit par insolation à la lumière l’image d’une photographie sur un papier translucide. Les parties non soumises à la lumière sont dissoutes à l’eau (zones d’ombres du motif). La plaque est traitée avec une solution de perchlorure de fer, ce qui laisse apparaître en creux les zones d’ombre du motif. La plaque est encrée puis raclée, et le dessin est imprimé sur une presse de taille-douce (rouleau recouvert du support à imprimer, qui est entraîné en rotation le long de la plaque en creux).
Le développement du procédé mènera ensuite jusqu’à son utilisation industrielle, qui connait un essor formidable entre 1885 et 1910 et l’utilisation de rouleau pour imprimer en continu fit son apparition.
Composition du procédé d’héliogravure
Les principaux éléments constituant le procédé d’héliogravure sont :
• Le cylindre encreur ;
• La racle ;
• Le cylindre presseur.
En production, ce procédé est mis en série afin d’imprimer plusieurs couleurs et d’obtenir le design souhaité.
Le cylindre encreur
La qualité d’un produit imprimé dépend directement de la construction du cylindre encreur. La plupart des cylindres sont en acier, cependant les fabricants d’emballage ou de revêtements préfèrent utiliser des cylindres à base d’aluminium car ils sont plus légers et moins chers. Ces cylindres sont recouverts d’une couche de chrome (quelques micromètres)..
– Le cylindre encreur dans le procédé d’impression
Le cylindre, entraîné en rotation, plonge dans un bain d’encre, ce qui d’une part assure un mélange constant de la formulation d’encre et, d’autre part, permet le remplissage des cellules. Il persistera une couche d’encre d’épaisseur environ 0,5 1 mm sur la surface du cylindre en sortie de bain.
– Les traitements du cylindre encreur
Le cylindre en acier (ou aluminium) est recouvert par une fine couche de cuivre déposée par électrolyse (bain de sulfate de cuivre et d’acide sulfurique ). Cette couche de cuivre est ensuite polie, puis gravée. Cependant, il s’avère que le cuivre est un matériau trop « tendre » pour supporter l’impression (module élastique du cuivre : 124 GPa). Ainsi, une couche de chrome est déposée (dont le module élastique est de 289 GPa) en passant le cylindre en rotation dans un bain électrolytique.
La racle – structure, différents types, mécanisme
– La racle dans le procédé d’impression
La fonction de la racle est d’éliminer l’excès d’encre de la surface du cylindre encreur, la laissant dans les cellules. La racle doit être assez fine afin d’éviter l’usure sur le cylindre tournant, mais également assez solide pour éliminer l’excès d’encre efficacement. Il est à noter que l’angle de raclage est à considérer. Généralement, l’angle de raclage est de l’ordre de 45° (on peut descendre à 30-35° (Kapur, 2003)) , mais il est également possible de trouver des racles installées de manière tangente au cylindre . Ce système est, selon Kapur (2003), moins sensible aux variations de charges pouvant survenir lors de l’impression.
– Structure et mécanismes de la racle
La racle est une fine bande flexible, généralement en acier (on peut également en trouver en plastique, en acier inoxydable, ou encore en bronze). Dans un procédé industriel, l’assemblage qui permet à la racle de tenir son rôle est composé d’un élément maintenant la racle (et assurant ainsi l’angle de raclage), ainsi que généralement d’un mécanisme d’oscillation : la racle, dont la longueur est légèrement supérieure à celle du cylindre, parcourt de manière périodique la largeur du cylindre afin d’éviter, lors du raclage, les agrégats d’encre qui pourraient se former sous la racle.
– Les différents types de racle
Différentes géométries de racle sont utilisées par les imprimeurs . Si la plupart des imprimeurs utilisent une seule racle, il est possible également de trouver des systèmes avec deux racles. Lorsque la quantité d’encre entraînée par le cylindre est importante, une première racle élimine directement en sortie de cylindre une large partie de l’encre, alors que la deuxième racle sera plus conventionnelle et éliminera l’encre restant à la surface du cylindre .
Dans le cas de Tarkett, les deux principaux systèmes utilisés sont le « contre-face» et le « double racle » .
Le cylindre presseur
– Le cylindre presseur dans le procédé d’impression
La fonction du cylindre presseur est d’assurer le contact entre le film à imprimer et le cylindre encreur, de créer la tension nécessaire entre les éléments d’impression et de propulser le film en sortie de la zone d’impression.
– Structure du cylindre presseur
Le cylindre presseur est composé d’un manchon en acier, recouvert d’une couche d’élastomère. Les industriels ont une large variété de matériaux pouvant recouvrir le cylindre, en fonction de l’encre et du type de solvant utilisés, de la vitesse d’impression et de l’utilisation ou non d’une aide électrostatique. Les spécifications d’un tel cylindre vont reposer sur :
o La nature et la dureté du matériau ;
o Les propriétés physiques du matériau (résistance à la chaleur, résilience, résistance à l’abrasion, résistance aux substances chimiques).
Par ailleurs, le cylindre presseur doit être parfaitement équilibré afin d’éviter les vibrations qui peuvent amener à des fluctuations de la pression appliquée et donc à une qualité d’impression inégale, ainsi qu’à une usure prématurée du cylindre.
– La surface de contact
Ce n’est pas un point ou une ligne de contact, mais une surface de contact, c’est à cet endroit que le transfert de l’encre se fait. En effet, la pression appliquée implique la déformation de la couche d’élastomère qui recouvre le cylindre, ce qui crée la surface. Il faut ainsi que la pression appliquée soit la même en tout point de la largeur du cylindre, ce qui n’est pas chose aisée à réaliser. En effet, la pression étant généralement appliquée aux extrémités, la déflexion du cylindre en son centre est possible, impliquant ainsi une pression différente de celle aux extrémités.
– L’aide électrostatique
Afin de pallier l’éventualité que certaines cellules ne soient pas entièrement remplies d’encre, un système d’assistance électrostatique peut être utilisé .
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Table des matières
1. Introduction générale
1.1. L’impression : un enjeu majeur
1.2. Le procédé d’héliogravure et la qualité d’impression
1.2.1. Le principe du procédé
1.2.2. Description du procédé
1.2.3. Le procédé d’héliogravure dans la ligne de production
1.3. Les problèmes rencontrés en impression avec le procédé d’héliogravure
1.3.1. Les défauts dits « locaux »
1.3.2. Les défauts dits « d’aspect général »
1.4. La qualité d’impression : définition
1.5. Les objectifs de l’étude
2. Etat de l’art
2.1. Les procédés d’impression
2.1.1. La sérigraphie
2.1.2. La flexographie
2.1.3. L’offset
2.2. Description sommaire des étapes de l’impression par héliogravure
2.2.1. La remontée le long du cylindre
2.2.2. Le raclage de l’excès d’encre
2.2.3. Le transfert de l’encre sur le support – présentation
2.3. Influence des paramètres procédés sur l’imprimabilité
2.3.1. Influence des cellules du cylindre encreur sur l’imprimabilité
2.3.2. Vitesse d’impression
2.3.3. Pression du cylindre presseur
2.3.4. Raclage de l’excès d’encre
2.3.5. La température de séchage
2.4. Influence des paramètres matériaux sur la qualité d’impression
2.4.1. Les paramètres inhérents à l’encre
2.4.2. Les paramètres inhérents au support à imprimer
2.4.3. Les interactions encre/support
2.5. Bilan du chapitre 2
3. Matériaux et dispositifs expérimentaux
3.1. Les dispositifs expérimentaux
3.1.1. Essais d’impression
3.1.2. Caractérisation des matériaux
3.1.3. Quantification de la qualité d’impression
3.2. Les matériaux utilisés pour l’étude
3.2.1. Les supports
3.2.2. Les encres
3.2.3. Les interactions encre/support
3.3. Bilan du chapitre 3
4. Résultats et discussion sur la qualité d’impression
4.1. Méthodologie des essais d’impression
4.2. Influence des paramètres procédés sur la qualité d’impression
4.2.1. La vitesse d’impression
4.2.2. La pression du cylindre presseur
4.2.3. L’angle de raclage
4.2.4. La température de séchage
4.2.5. La dimension des cellules
4.2.6. Bilan partiel
4.3. Influence des propriétés des encres sur la qualité d’impression
4.3.1. Le comportement rhéologique de l’encre
4.3.2. La tension de surface de l’encre
4.3.3. Bilan partiel
4.4. Influence des propriétés des supports sur la qualité d’impression
4.4.1. L’épaisseur du support
4.4.2. La compressibilité / l’état de surface
4.5. Bilan du chapitre 4
5. Observation et mesure du mécanisme de transfert de l’encre du cylindre encreur sur le support
5.1. Le principe de l’essai
5.2. Le montage
5.2.1. Machine de traction ZWICK BZ 2.5/TH1S
5.2.2. Bloc en acier usiné sur lequel figurent les cellules
5.2.3. Le support à imprimer
5.2.4. Caméra rapide
5.3. Conditions expérimentales et exemple d’observation
5.3.1. Conditions opératoires
5.3.2. Séquence vidéo
5.3.3. Résultats de mesure
5.4. Influence des principaux paramètres sur le transfert de l’encre
5.4.1. Influence de la tension de surface de l’encre
5.4.2. Influence du comportement rhéologique de l’encre
5.5. Bilan du chapitre 5
6. Conclusions
