Fabrication des bouteilles en PET par injection-soufflage avec bi-étirage en cycle froid

 Fabrication des bouteilles en PET par injection-soufflage avec biétirage en cycle froid 

Le procédé d’injection-soufflage en cycle froid est utilisé pour la fabrication de corps creux, tels que les bouteilles ou les flacons, destinés au conditionnement des eaux minérales plates ou gazeuses, des jus de fruits, ou encore des boissons carbonatées. A l’heure actuelle, ce procédé permet d’atteindre des cadences de production de l’ordre de 60 000 bouteilles par heure. Sur un marché de grande consommation comme celui de la boisson, ces hautes cadences sont nécessaires pour une bonne rentabilité. Le procédé d’injection-soufflage s’adresse essentiellement à des matières thermoplastiques. Citons par exemple le polypropylène (PP), ou encore le polylactide (PLA) qui est un polymère biocompostable issu de matières premières renouvelables. A l’heure actuelle, le poly(éthylène téréphtalate) (PET) reste toutefois le polymère le plus utilisé pour la fabrication des bouteilles par injection-soufflage.

Le poly(éthylène téréphtalate) (PET) 

Nature semi-cristalline du PET
Le PET est un thermoplastique semi-cristallin de la famille des polyesters saturés. Il est obtenu par polycondensation à partir d’acide téréphtalique et d’éthylène glycol.

La structure du PET peut être amorphe ou partiellement cristalline (jusqu’à 50 %). Entre sa température de transition vitreuse (environ 80 °C) et sa température de fusion (environ 250 °C), le PET peut cristalliser thermiquement, ou sous l’effet de la déformation. La cristallisation thermique peut avoir lieu lors du refroidissement du matériau depuis l’état fondu, ou lors de son chauffage depuis l’état vitreux (cristallisation dite froide). Cette cristallisation est fortement affectée par les vitesses de chauffage/refroidissement. Elle se traduit par le développement de structures cristallines de type sphérolitique, dont la taille caractéristique est de l’ordre de la centaine de micromètres [MAR-2003].

La cristallisation thermiquement activée représente une limitation pour la mise en œuvre du PET par injection-soufflage. D’une part, les cristaux formés sont suffisamment volumineux par rapport aux longueurs d’ondes du rayonnement visible pour opacifier le matériau (et donc la bouteille). D’autre part, les cristaux rigidifient le matériau et, par conséquent, nuisent à la bonne mise en forme de la bouteille. En revanche, le second type de cristallisation est recherché. La cristallisation induite, générée lors de la sollicitation du PET en élongation, confère au matériau des propriétés particulièrement intéressantes. Elle est une des origines du succès du PET sur le marché de l’emballage plastique, et a fortiori, sur le marché de la bouteille.

Eléments clefs à l’origine du succès du PET 

Lors de la fabrication d’une bouteille par injection-soufflage, le PET est utilisé dans son état amorphe. Dans cet état, le PET présente la capacité de promouvoir, sous l’action de la déformation, une phase cristalline induite née de l’orientation moléculaire. Cette phase cristalline est à l’origine du renforcement considérable des propriétés mécaniques de la bouteille [GOR-2001a]. L’utilisation du PET a permis la réalisation de bouteilles 30% plus légères que celles fabriquées à partir de polychlorure de vinyle (PVC) à résistance mécanique équivalente. D’autre part, le PET offre une grande transparence optique. En effet, la taille des cristaux formés lors de la déformation (quelques dizaines de nanomètres) est suffisamment faible par rapport aux longueurs d’ondes du rayonnement visible pour garantir une bonne transparence de la bouteille. Enfin, le PET présente des propriétés barrières au CO2 très attractives, ce qui a contribué à son succès sur le marché du conditionnement des boissons carbonatées.

Principe général du procédé d’injection-soufflage en cycle froid 

Fabrication de la préforme 

Le procédé d’injection-soufflage requiert la fabrication préalable d’un semi-produit, appelé préforme. Il s’agit d’une pièce cylindrique creuse, moulée par injection à partir de résine de PET. Cette préforme sera par la suite conformée en bouteille par une opération d’étirage soufflage. Lorsque l’injection de la préforme et le soufflage sont réalisés en ligne, le procédé est dit en cycle chaud (ou « one-step »). En revanche, si à l’issue de sa fabrication la préforme est stockée pour être soufflée ultérieurement (éventuellement sur un autre site de production) le procédé est dit en cycle froid (ou « two-steps ») [DEN-1989]. Cette seconde variante présente l’avantage de découpler la fabrication de la préforme de celle de la bouteille, ce qui permet de mieux gérer les flux de production et les éventuelles pannes. En contre partie, elle génère des problèmes de stockage, ainsi que des problèmes de dégradation des préformes, notamment du fait de l’augmentation de leur taux d’humidité.

Le cadre de cette étude étant limité au procédé d’injection-soufflage en cycle froid, nous n’aborderons pas les problématiques liées à la fabrication des préformes par injection-moulage. Soulignons toutefois que les préformes doivent impérativement être injectées à l’état amorphe. Pour cela, le PET, injecté à l’état fondu, est trempé dans le moule de la presse à injecter. En pratique, les moules d’injection sont régulés en température grâce à des canaux de refroidissement. Les vitesses de refroidissement (environ 300 °C.min-1) sont alors suffisamment élevées pour limiter la cristallisation thermique du PET [MAR-2003]. A l’issue de leur fabrication, les préformes présentent un taux de cristallinité inférieur à 5% [GOR 2001a].

Les préformes sont dimensionnées en fonction de la géométrie de la bouteille que l’on souhaite fabriquer, et des propriétés mécaniques du PET mis en œuvre. Pour une bouteille de 1.5 litre par exemple, la préforme aura typiquement une épaisseur comprise entre 3 et 4 mm, un diamètre variant de 20 à 30 mm, une hauteur d’environ 100 mm, pour un poids total avoisinant 26 grammes.

Les systèmes de chauffage infrarouge

Description d’un module de chauffage 

Le four infrarouge est composé de modules de chauffage dont le nombre varie en fonction de la machine de soufflage. Les souffleuses destinées aux petites séries disposent d’un ou deux modules de chauffage seulement, tandis que les souffleuses rotatives les plus performantes en possèdent plusieurs dizaines. Chaque module est composé, d’une part, d’un râtelier équipé de lampes halogènes montées sur un panneau radiant, et d’autre part, d’un réflecteur en aluminium poli (FIG. 1.4). La préforme transite entre le râtelier et le réflecteur métallique, absorbant ainsi une fraction du flux radiatif émis par les lampes.

La préforme est animée d’un mouvement de rotation afin d’assurer une bonne homogénéité de sa température dans la direction circonférentielle. D’autre part, les modules de chauffage sont généralement équipés d’un système de ventilation. Celui-ci permet d’évacuer la chaleur excédentaire afin de limiter l’échauffement du four, et d’éviter l’usure prématurée des éléments chauffants. Ce système de ventilation contribue aussi à refroidir la paroi externe de la préforme, afin d’éviter que celle-ci ne cristallise thermiquement durant le chauffage. Enfin, le col de la préforme, injecté aux dimensions définitives de la bouteille, est protégé du rayonnement grâce à deux déflecteurs refroidis par circulation d’eau.

Le but d’un tel système est de limiter les risques de déformation du col susceptible de compromettre, après remplissage, l’opération de bouchage de la bouteille. La distance entre deux lampes (entraxe) est généralement fixée lors de la conception du râtelier. En revanche, chaque lampe peut être rapprochée ou éloignée de la préforme grâce à des cales métalliques. La puissance nominale des lampes varie généralement entre 2 kW et 3 kW. Des potentiomètres permettent de modifier les pourcentages de la puissance nominale affectés à chacune des lampes. Ainsi, il est possible de contrôler la répartition du flux radiatif reçu par la préforme.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Problématiques industrielles et objectifs de la thèse
1.1 Fabrication des bouteilles en PET par injection-soufflage avec bi-étirage en cycle froid
1.1.1 Le poly(éthylène téréphtalate) (PET)
1.1.2 Principe général du procédé d’injection-soufflage en cycle froid
1.1.3 Les systèmes de chauffage infrarouge
1.2 Problématiques et objectifs de la thèse
1.2.1 Problématiques industrielles relatives au chauffage IR des préformes
1.2.2 Objectifs de la thèse et démarche adoptée
Chapitre 2 Simulation numérique du chauffage infrarouge
2.1 Modélisation des transferts thermiques
2.1.1 Nature des transferts thermiques dans le cadre de l’injection-soufflage
2.1.2 Equation de la chaleur et terme source radiatif
2.1.3 Grandeurs et lois du rayonnement thermique
2.1.4 Equation du Transfert Radiatif (ETR)
2.1.5 Application à l’injection-soufflage : loi de Beer-Lambert
2.2 Caractérisation du matériau de l’étude
2.2.1 Mesure des propriétés radiatives du PET T74F9
2.2.2 Propriétés thermiques du PET T74F9
2.3 Simulation numérique du chauffage IR
2.3.1 Etat de l’art
2.3.2 Le logiciel PLASTIRAD
2.3.3 Application : simulation du chauffage IR d’une préforme 18g
2.4 Conclusion partielle
Chapitre 3 Simulation thermo-mécanique de l’étape de soufflage
3.1 Implantation d’une loi de comportement dans ABAQUS®
3.1.1 Introduction : objectifs de l’étude
3.1.2 Comportement mécanique du PET amorphe dans la gamme de températures de mise forme
3.1.3 Modélisation du comportement du PET pour l’injection-soufflage
3.1.4 Choix d’une loi de comportement
3.1.5 Identification des paramètres constitutifs de la loi de G’Sell modifiée
3.1.6 Validation de l’implantation de la loi de comportement dans ABAQUS®
3.1.7 Conclusion sur l’implantation de la loi de comportement dans ABAQUS®
3.2 Mesure des conditions aux limites
3.2.1 Introduction : présentation du pilote de soufflage
3.2.2 Mesure de la pression et du débit de soufflage
3.2.3 Mesure de la distribution de température de la préforme
3.2.4 Mesure de la Résistance Thermique de Contact (RTC) préforme/moule
3.2.5 Conclusion sur les mesures des conditions aux limites
3.3 Simulation numérique de l’étape de soufflage
3.3.1 État de l’art
3.3.2 Points clefs du modèle développé avec le logiciel ABAQUS®
3.3.3 Simulation numérique du soufflage d’une bouteille 50 cl à fond plat
3.3.4 Conclusion sur la validation des résultats numériques
3.4 Conclusion partielle
Chapitre 4 Optimisation du chauffage infrarouge
4.1 Les méthodes d’optimisation non-linéaires
4.1.1 Introduction : terminologie
4.1.2 Classification des méthodes d’optimisation non-linéaire
4.1.3 L’algorithme SQP (« Sequential Quadratic Programming ») Matlab®
4.1.4 L’algorithme de Nelder-Mead
4.1.5 Conclusion de l’étude bibliographique
4.2 Optimisation de la distribution de température de la préforme
4.2.1 Positionnement du problème
4.2.2 Résultats et discussion
4.2.3 Conclusion sur l’optimisation de la distribution de température de la préforme
4.3 Optimisation des paramètres de réglage du four IR
4.3.1 Positionnement du problème
4.3.2 Résultats et discussion
4.3.3 Conclusion sur l’optimisation des paramètres de réglage du four IR
4.4 Conclusion partielle
Conclusions

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