Fabrication de matières plastiques : Procédés de base et technologies de pointe

Le pétrole brut est la principale source de matières premières utilisées dans la fabrication des plastiques. Toutefois, certaines sont dérivées d'autres hydrocarbures, dont le charbon et le gaz naturel. En raison des préoccupations croissantes concernant la pollution de l'environnement par les plastiques et de la pression exercée sur les sources d'hydrocarbures en diminution, les sources renouvelables de plastique, telles que l'amidon et la cellulose, sont de plus en plus considérées comme des alternatives viables. Certains plastiques issus de sources renouvelables sont biodégradables, ce qui les rend respectueux de l'environnement.

Les plastiques issus de sources renouvelables sont généralement appelés bioplastiques, tandis que ceux issus d'hydrocarbures sont appelés plastiques synthétiques. À l'état brut, le plastique n'est guère utile à qui que ce soit. Cependant, grâce à divers procédés de fabrication de plastique, la matière première est transformée en résine ou en granulés, une forme qui est utile aux industries de fabrication de plastique.

Aperçu des procédés de fabrication de base des matières plastiques

Le pétrole brut, qui est la matière première pour la fabrication du plastique synthétique, est extrait des réservoirs souterrains à l'aide de plates-formes de forage. Ces foreuses géantes creusent des trous de plusieurs milliers de mètres dans le sol à l'aide de trépans qui traversent les formations rocheuses. Une fois le pétrole brut extrait, il est soumis au processus suivant pour obtenir des matières plastiques :

• Le raffinage utilise la chaleur et la distillation pour séparer le pétrole brut en différents composants.
• Le naphta est l'un des composants récupérés lors du fractionnement qui constitue la base de la production de plastique.
• Le naphta subit un traitement supplémentaire pour le décomposer en molécules plus petites appelées monomères (par exemple, le propylène et l'éthylène).
• Les chaînes de monomères sont liées pour former des polymères, des hydrocarbures de poids moléculaire plus élevé. Cela se fait par addition ou par polymérisation par condensation.
• Le produit de la polymérisation est mélangé à des additifs ou à d'autres composés pour obtenir les propriétés souhaitées.
• Le polymère transformé est maintenant prêt à être moulé en produits plastiques ou en pièces de produits.

Additifs courants dans la fabrication des matières plastiques et leurs fonctions

Les additifs incorporés lors de la fabrication des plastiques peuvent améliorer la durée de conservation, la résistance et la flexibilité. Voici les additifs couramment utilisés dans la fabrication des plastiques et leurs fonctions.

• Plastifiants : Augmentent la souplesse et la flexibilité, facilitant le moulage du plastique en différentes formes, par exemple les phtalates.
• Stabilisateurs thermiques : Rendre le plastique résistant à la dégradation ou à la décoloration à haute température, par exemple les composés organostanniques et les savons métalliques.
• Retardateurs de flamme : Les retardateurs de flamme sans halogène, tels que les composés à base de phosphore, réduisent l'inflammabilité tout en respectant la directive RoHS.
• Antioxydants : Ajoutés pour prolonger la durée de conservation du plastique en le protégeant de la dégradation due à la lumière UV et à l'exposition à la chaleur, par exemple les phénoliques.
• Lubrifiants : Améliorent l'écoulement pendant le moulage et réduisent la friction, par exemple les huiles de silicone et les huiles minérales.
• Couleur : Rend les plastiques plus attrayants, mais peut également améliorer la protection contre les UV, par exemple le dioxyde de titane (TiO2).
• Agents antistatiques : Prévenir l'accumulation d'électricité statique, qui peut entraîner des risques d'incendie ou attirer la poussière. Les sels d'ammonium quaternaire et les esters de glycérol en sont des exemples courants.

Les méthodes les plus courantes utilisées pour transformer les granulés ou les blocs de plastique traités en produits quotidiens sont le moulage par injection (pour les formes complexes), le moulage par soufflage (pour les formes creuses telles que les bouteilles en plastique) et l'extrusion (pour les fibres ou les films). Les fabricants continuent de faire face à divers défis lorsqu'ils transforment les plastiques en produits utiles. Certains de ces défis peuvent résulter de la qualité du plastique ou du processus de fabrication. La plupart de ces défis sont surmontés grâce à la technologie.

Trois grands moteurs technologiques qui bouleversent la fabrication traditionnelle des plastiques

Les méthodes traditionnelles utilisées pour la fabrication des matières plastiques sont généralement source de gaspillage, en termes de volume de matériaux inutilisés laissés sur place. En outre, elles nécessitent généralement beaucoup de main-d'œuvre et allongent les temps de cycle. L'impact à long terme sur le fabricant comprend une augmentation des factures d'énergie, une augmentation des coûts de main-d'œuvre et parfois une incapacité à répondre à la demande. Ces lacunes exposent le fabricant au risque d'être remplacé par un concurrent plus compétent.

Heureusement, beaucoup de choses ont changé dans l'industrie de la fabrication des matières plastiques au cours des dernières décennies. De nouvelles technologies font leur apparition et aident les fabricants à surmonter certains des défis auxquels l'industrie était confrontée jusqu'à présent. Bien qu'elles apportent des solutions à certains des problèmes urgents de l'industrie, elles s'accompagnent d'une nouvelle série de défis. Pour les petites entreprises, les obstacles peuvent être suffisamment importants pour les empêcher d'adopter ces nouvelles technologies.

Par exemple, l'industrie de la fabrication du plastique est déjà très gourmande en capital pour l'outillage et l'achat de matières premières. La plupart des nouvelles technologies ne sont pas non plus bon marché, ce qui peut les mettre hors de portée des entreprises dont le budget est serré. Même lorsque l'entreprise peut acquérir la technologie, elle doit encore former son personnel à l'utilisation de la nouvelle technologie. Dans certains cas, les nouvelles technologies impliquent le rééquipement de l'ensemble de l'usine.

Malgré les implications financières de l'adoption des technologies et des processus les plus récents dans la fabrication des matières plastiques, les coûts sont amortis au fil du temps sous la forme d'une augmentation de la production et d'une réduction des temps de cycle. Voici les dernières technologies qui améliorent l'efficacité de l'industrie de la production plastique.

Moteur 1 : Moulage par injection intelligent - Comment l'IA permet d'atteindre un taux de rendement de 99,5%

L'invention du moulage par injection en 1872 par John et Isaiah Hyatt a marqué le début de la fabrication à grande échelle de pièces en plastique. La machine a subi plusieurs itérations depuis sa mise au point afin de l'améliorer. L'intégration récente de l'IA pour créer des machines de moulage par injection intelligentes a transformé l'industrie de la fabrication du plastique, qui est passée de systèmes réactifs dépendant de l'homme à des systèmes proactifs pilotés par les données.

Les machines de moulage par injection intelligentes sont équipées de capteurs qui exploitent l'IA pour optimiser le rendement jusqu'à 99,5%. Les systèmes de moulage par injection intelligents optimisent les paramètres de production tels que la température, la pression, le temps de refroidissement et le flux de matières. En d'autres termes, les systèmes d'IA augmentent l'efficacité globale de la machine et réduisent les pertes de production en fonctionnant avec des paramètres optimaux.

Au-delà de l'amélioration du rendement, les machines de moulage par injection intelligentes exploitent l'IA pour des fonctions prédictives. Les capteurs installés dans les machines de fabrication de plastique peuvent détecter les problèmes potentiels avant qu'ils ne s'aggravent et n'entraînent l'arrêt du processus de production. La détection précoce des problèmes potentiels aide les opérateurs de machines à effectuer une maintenance prédictive, ce qui réduit considérablement les temps d'arrêt des opérations.

En ce qui concerne les produits, tous les fabricants comprennent l'importance de fournir à leurs clients des pièces ou des produits de qualité constante. Les systèmes basés sur l'IA analysent les données des capteurs en temps réel pour prédire les écarts dans les paramètres du processus susceptibles de provoquer des défauts, souvent intégrés à la vision industrielle pour la détection des défauts physiques.

Les systèmes intelligents s'appuient sur l'analyse des données pour prévoir les problèmes éventuels des pièces ou des produits moulés. En s'appuyant sur ces données, les fabricants peuvent procéder à des ajustements proactifs de leurs processus afin d'éviter que le défaut ne se produise. Par extension, cela leur évitera également de gaspiller des matériaux et de l'énergie. Le tableau ci-dessous présente les principaux domaines dans lesquels les interventions de l'IA dans le domaine du moulage par injection ont contribué à optimiser le rendement.

Paramètres optimisés par l'IA dans le moulage par injection et leurs méthodes de réalisation

La beauté des systèmes alimentés par l'IA est qu'ils s'améliorent au fil du temps, à mesure qu'ils génèrent davantage de données pour leur formation. Par conséquent, les avantages initiaux ne s'amélioreront qu'avec le temps, ce qui permettra d'adopter des pratiques de fabrication de plastique plus durables et de réduire l'empreinte sur l'environnement.

Moteur 2 : Matériaux durables

L'un des plus grands défis de la fabrication du plastique concerne le matériau. La source d'hydrocarbures des plastiques n'est pas renouvelable. La formation des hydrocarbures prend des millions d'années en raison de l'action des pressions géologiques sur la matière organique. Avec la demande croissante d'hydrocarbures pour les carburants, il existe un risque d'épuisement des réserves mondiales. C'est pourquoi les plastiques doivent être fabriqués à partir de matériaux plus durables, comme les produits d'origine végétale.

Fabrication de bioplastiques : Matières premières et procédés

Pour la fabrication de bioplastiques, les matières premières comprennent l'amidon de maïs, le manioc, la canne à sucre, les algues ou les huiles végétales. Ces aliments ont en commun une abondance de sucre et d'amidon, qui sont transformés pour obtenir les monomères qui formeront les éléments constitutifs du plastique. Par exemple, les fabricants transforment d'abord l'amidon de maïs en acide lactique, qu'ils polymérisent ensuite pour former de l'acide polylactique (PLA) ou des polyhydroxyalcanoates (PHA).

Le processus de polymérisation est sans doute l'étape la plus critique dans la fabrication des bioplastiques, car il détermine les propriétés du plastique. Si le produit final est destiné à être biodégradable, la polymérisation sera effectuée dans cette optique. Les propriétés du bioplastique obtenu sont encore affinées par un processus appelé mélange. Il s'agit de mélanger des additifs au polymère biosourcé.

L'accent est également mis sur les résines post-consommation (PCR) et le rebroyage des plastiques en tant que sources de matériaux plus durables pour la fabrication des plastiques. Cette transition contribuera également à réduire la pression exercée pour obtenir des plastiques à partir de sources naturelles, ainsi qu'à réduire la charge de plastique sur l'environnement.

Les PCR sont utilisés dans les produits de consommation tels que les matériaux d'emballage et les bouteilles, tandis que les rebroyés sont des déchets ou des rebuts issus des cycles de fabrication des matières plastiques, qui sont collectés et broyés en granulés en vue de leur réutilisation. Les PCR doivent être triés et catégorisés pour éviter d'introduire des contaminants dans les nouveaux produits. Les contaminants peuvent affecter les performances, l'efficacité ou la durée de vie du produit fini.

Moteur 3 : Fabrication hybride - Impression 3D

À ce jour, l'impression 3D est la technologie la plus avancée en matière de fabrication de matières plastiques. Cette nouvelle technologie permet aux fabricants de créer des pièces ou des produits complexes directement à partir d'un logiciel de conception. Cette technologie est particulièrement efficace pour le prototypage ou pour les situations où les conceptions sont en constante évolution.

Il existe actuellement différents types de technologies d'impression 3D. Toutefois, la plus courante est la fabrication par filament fondu (FFF), qui est préférée pour sa plus grande précision et ses coûts moins élevés. Elle utilise des filaments thermoplastiques comme l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), réputé pour sa résistance à la chaleur, sa durabilité et sa solidité.

Le matériau est chauffé et extrudé à travers la tête de l'imprimante 3D. Le processus d'impression consiste à empiler le matériau extrudé couche par couche pour former le produit conçu dans le logiciel informatique correspondant. Les étapes de la fabrication de plastiques par impression 3D sont les suivantes :

Modélisation

La première étape de la fabrication de produits en plastique par impression 3D consiste à créer un modèle du produit ou de la pièce à l'aide d'un logiciel de modélisation 3D, comme la CAO. Vous pouvez également trouver les modèles souhaités dans des bibliothèques en ligne spécialisées et les télécharger.

Trancher

Un logiciel de découpage dédié, comme ideaMaker, est utilisé pour découper le modèle. Ce processus crée un code G (une liste d'instructions) qui indique à l'imprimante le meilleur chemin à suivre pour construire le modèle. Assurez-vous toujours que votre logiciel est compatible avec votre imprimante.

Impression

Le fichier de tranches est téléchargé sur l'imprimante. L'imprimante est ensuite calibrée pour améliorer la précision. Certaines imprimantes sont dotées de panneaux transparents ou d'une application permettant de suivre la progression de l'impression.

Post-traitement

Une fois l'impression terminée, retirez le produit ou la pièce de l'imprimante. Si le modèle a un support, il faut l'enlever. D'autres opérations de post-traitement peuvent être nécessaires, comme le polissage, le ponçage, l'assemblage ou la coloration, afin de donner au produit une finition brillante et de le préparer pour le marché.

Comment les technologies résolvent des problèmes réels

Les interventions technologiques dans la fabrication des matières plastiques vont au-delà de l'optimisation des matériaux et des processus pour s'étendre à la finition et au marquage. Par exemple, après avoir fabriqué des pièces en plastique, les fabricants peuvent être confrontés à des difficultés lors de l'assemblage, en particulier lorsque les pièces doivent adhérer les unes aux autres. Les méthodes traditionnelles laissent souvent des cicatrices à l'endroit où les pièces ont été assemblées, ce qui peut nuire à l'attrait du produit.

Lorsque les ingénieurs utilisent des directeurs d'énergie optimisés, les fréquences ultrasoniques peuvent générer une chaleur localisée aux interfaces des joints pour coller efficacement les matériaux avec un minimum de marques visibles.

Les outils de gravure au laser ont également modifié la manière dont la marque est apposée sur les produits en plastique. Auparavant, les fabricants créaient des étiquettes sur des autocollants collés sur le corps du plastique. Ils pouvaient également peindre leur logo directement sur les produits. Cependant, ces autocollants ou peintures se décollent facilement, ce qui va à l'encontre de l'objectif de visibilité du fabricant. En outre, les contrefacteurs enlèvent parfois délibérément les étiquettes et les remplacent par les leurs.

Avec les outils de gravure au laser, le fabricant grave précisément son logo ou son étiquette sur le corps du produit, garantissant qu'il y restera pendant toute la durée de vie du produit. Les technologies de fabrication des matières plastiques continueront d'évoluer et les fabricants qui les adopteront se démarqueront des autres en termes d'efficacité de production et de satisfaction des consommateurs.