Les procédés du formage : le chauffage

La caractéristique principale de tout système de chauffage est qu’il doit distribuer la chaleur uniformément. Les méthodes de chauffage peuvent varier du chauffage simple en four ou sur plaque chaude, aux appareils de chauffage plus sophistiqués : panneaux en céramique à infrarouges, bifaces ou monoface, à même de chauffer la feuille d’un seul ou des deux côtés simultanément.

Le chauffage radiant

Le chauffage à infrarouges constitue la méthode la plus rapide de chauffage des feuilles ou des pellicules plastiques. II existe un large éventail d’appareils à chauffage radiant : spirales (nichrome), tubes, panneaux en céramique, appareils à quartz et panneaux à gaz ininflammables. La simplicité de mise en marche ainsi que leur souplesse d’emploi constituent les atouts majeurs des appareils de chauffage à infrarouges.
Les appareils à chauffage radiant sont généralement classés par leur densité énergétique, qui s’exprime souvent en kilowatts par mètre carré (kW/m²). La durée des cycles de chauffage est proportionnellement inverse au coefficient énergétique de l’appareil. Bien que les densités des appareils varient selon l’équipement choisi, les matériaux en eux-mêmes constituent également une variable supplémentaire. Les plastiques qui nécessitent une température de formage élevée, notamment les polycarbonates, sont les plus exigeants, le taux requis s’élevant à 45 kW/m². Le polystyrène et l’ABS, dont les besoins énergétiques sont moindres, requièrent environ 25 kW/m². En ce qui concerne les polymères cristallins, notamment le polyéthylène et le polypropylène, la densité énergétique standard de chauffage varie de 30 à 45 kW/m²

Les éléments de chauffage en céramique constituent les appareils de chauffage radiant les plus employés. Les appareils à céramique fonctionnent généralement à une température inférieure à la chaleur rouge (entre 430°C et 650°C) et émettent une chaleur à ondes longues (3,0 à 4,0 microns), aisément absorbée par les thermoplastiques. Les appareils à céramique présentent le léger inconvénient d’avoir une masse thermique élevée, ce qui ralentit leur durée d’échauffement (de 10 à 15 minutes) et leur temps de réaction lorsqu’il est nécessaire d’effectuer des réglages. Certains appareils de formage sous vide disposent maintenant d’une option-émetteurs à quartz. Ces derniers sont constitués d’une résistance en spirale à l’intérieur d’un tube en verre de quartz isolant, qui permet d’éviter tout relâchement. Ce dispositif de chauffage présente une masse thermique moindre ce qui améliore la performance de réaction de l’appareil.
L’émission d’ondes moyennes visibles des appareils à quartz présente également l’avantage d’être effcacement projetée grâce à des réflecteurs, de sorte qu’une grande partie de la chaleur peut être concentrée vers le bas. Le fait que la chaleur à ondes moyennes ne pénètre pas aussi profondément à l’intérieur des thermoplastiques que la chaleur à ondes longues constitue l’inconvénient principal des appareils à quartz. II est donc nécessaire de redoubler de vigilance lorsqu’ils sont utilisés en conjonction avec des feuilles épaisses.

Même si ces appareils représentent un mode chauffage très performant, leur efficacité décroît avec le temps et dépend entièrement du type d’appareil utilisé (voir tableau ci-dessous). Si les performances de chauffage diminuent, la feuille met plus de temps à atteindre la température de formage. De surcroît, la longueur d’onde radiante peut osciller vers l’extrémité la moins performante du spectre, phénomène qui se traduit par une diminution de l’absorption calorifque sur une période donnée, même s’il est possible de compenser toute perte d’efficacité par une augmentation de la température de chauffage de l’appareil. Du fait que l’efficacité de l’appareil de chauffage à thermoformage constitue le facteur clé d’un rendement optimal, le remplacement systématique et régulier de tous les éléments, aussi performants soient-ils, est conseillé.

Appareil de chauffage Performances ( % ) Durée normale d’utilisation (heures) Performance en fin de vie utile Performance standart à ***
neuf après 6 mois ( ** ) 12 mois 18 mois 24 mois
Spirale, Nichrome 16-18 8-10 1 500 11-13 4-4,5 2-2,3 1-1,1
Tubes * 42 21 3 000 19 10,5 5,3 2,6
Panneaux céramique 62 55 12-15 000 31-36 49 43 38
Appareil à quartz 55 48 8-10 000 33-36 42 37 32
Panneaux à gaz ininflammables 40-45 25 5-6 000 11-12 13 7 4

Performances du chauffage radiant

* Performance améliorée de 10 à I5 %par ponçage au papier de verre
** Après 6 mois d’utilisation, gain de performance par remplacement de tous les réflecteurs
*** I mois - 440 heures

Les plastiques conduisent mal la chaleur. Par conséquent, les feuilles épaisses nécessitent des cycles de chauffage disproportionnellement longs. Le chauffage bifaces de la feuille, que l’on nomme aussi la méthode-sandwich, raccourcit la durée des cycles. II importe également que les appareils soient placés et orientés correctement par rapport à la feuille afin d’éviter tout surchauffage. Le surchauffage se caractérise par une modifcation de la couleur (soit un jaunissement) et l’apparition d’irrégularités en surface. En ce qui concerne les feuilles supérieures à 2,0 mm d’épaisseur, le chauffage des deux côtés de la feuille est obtenu en utilisant des appareil bifaces, qui permettent d’éviter les cycles de chauffage prolongés et le surchauffage de l’une des surfaces de la feuille. Les paramètres standards de chauffage des feuilles HIPS et ABS sont illustrés dans le tableau 4.2 ci-dessous.

HIPS ABS
Température à la surface de la feuille * Cible 135 165
Maximum 180 220
Minimum 95 110
Température appareil de chauffage Standard 430 540
Taux maximum de chauffage de la feuille (sec./mm) Biface 20 20
Monoface 30 30
Intervalle entre appareil et côté face de la feuille (mm) 150-300 150-300
Intervalle entre appareil et côté pile de la feuille (mm) 300-450 300-450
* Calculé par pyrométre optique ou étiquettes-température (ex : 3M)
Paramétrage de chauffage des feuilles HIPS et ABS

Le pré-chauffage des feuilles épaisses (dépassant 3,0 mm d’épaisseur) avant le formage contribue à la réalisation d’un formage de qualité supérieure et à l’optimisation du rendement du cycle de formage. Si la feuille est chauffée simultanément des deux côtés, il n’est pas nécessaire de pré-chauffer (à l’exception des feuilles dépassant 5,5 mm d’épaisseur). Afin d’éviter toute dégradation, il est conseillé d’adopter le cycle le plus court possible. La durée du cycle est tributaire de l’effcacité du système de chauffage employé, de l’épaisseur de la feuille, ainsi que de la couleur et de la nature du matériau à former.