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Pour améliorer les pièces et même les moules

Michel Le Toullec

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- Les lasers découpent déjà les plastiques, mais la tendance est aux applications de marquage, de soudage et de traitement de surface.

Qu'il s'agisse de pièces plastique, de films ou de moules d'injection, les lasers offrent un potentiel d'utilisation étonnamment large en plasturgie. Et si la France n'est pas à la pointe dans ce domaine, les expériences, allemandes notamment, montrent à quel point l'intérêt des lasers ne se limite plus à la seule découpe des plastiques. À titre d'exemple, des développements très innovants apparaissent dans les procédés d'assemblage et de préparation de surface.

Aujourd'hui, la stéréolithographie figure sans conteste parmi les procédés emblématiques récents du laser dans le domaine des plastiques. Cette technique permet de fabriquer rapidement, à partir de données numériques, des pièces en résine photosensible que l'on durcit sous l'action d'un laser. Ce principe, inventé par 3D Systems, fournit des pièces dotées d'un très bon état de surface. Le système SLA s'applique à la réalisation de maquettes de nouveaux produits, de prototypes pour tests (de forme, de fonctionnement et d'ajustement) ou encore de modèles pour l'outillage rapide.

Parmi ses références récentes, 3D Systems cite le centre de fabrication numérique avancée de Renault F1, à Oxfordshire (Grande-Bretagne). Avec les matériaux Optoform, ce centre peut fabriquer en vingt-quatre heures plusieurs variantes d'une même pièce, alors qu'il lui fallait auparavant plusieurs mois. Dans un tout autre domaine, 3D Systems a équipé la société italienne G. Candiani, spécialiste des emballages plastique pour cosmétiques. Dès la première semaine, ses ingénieurs ont ainsi pu réaliser, en quelques heures, des prototypes aux fins de tests de conception et de tests dimensionnels.

Le marquage aux UV

Le marquage laser des plastiques est quant à lui un domaine à la fois mûr et particulièrement innovant. La société Laser Cheval (Pirey, Doubs) propose des installations de marquage des plastiques utilisant des lasers CO2 (à 10,6 microns) et Nd:YAG (1,06, 0,532 et 0,355 micron). Contrairement aux procédés à l'encre, les lasers n'utilisent pas de produits polluants et aboutissent à un marquage qui résiste au lavage et même à la stérilisation pratiquée dans le médical. Parmi ses références récentes, Laser Cheval cite le marquage de la pompe à insuline en plastique OptiPen Pro 2 d'Aventis. Outre le marquage laser par ablation ou gravure, Laser Cheval développe le marquage par moussage. Son principe ? L'effet thermique dû au laser provoque la formation de bulles de gaz qui restent emprisonnées dans les couches superficielles du polymère. En raison de la réflexion de la lumière sur ces couches, le marquage reste bien visible.

Autre tendance originale : le marquage aux lasers ultraviolets. Un créneau sur lequel se positionne notamment la société Trumpf (Roissy, Val-d'Oise), en complément de ses lasers IR et visibles. « Nous avons étendu notre gamme VMc6 avec un laser Nd:YAG à 0,355 micron. Les lasers UV présentent l'avantage de créer un plasma confiné en surface, lequel améliore l'absorptivité du matériau. D'où un meilleur marquage. » Autre atout : il n'y a pas d'effet thermique. Enfin, pour améliorer le contraste du marquage, on peut intégrer dans le polymère du dioxyde de titane qui devient noir par photoréduction à 0,355 micron.

Pour le soudage des thermoplastiques

« Le marquage UV donne ses meilleurs résultats sur les polymères à fortes propriétés électriques, qu'ils soient non-inflammables, ignifugés ou auto-extinguibles, assure Stéphanie Trousselle, de chez Trumpf. Par rapport aux lasers IR ou visibles, le laser UV confère un meilleur contraste sur les polyacétals (POM) non-inflammables. Sur du polycarbonate, on obtient un marquage plus agréable au toucher et plus rapide, en l'occurrence en 2,5 secondes. » Trumpf a notamment équipé Schneider Electric pour le marquage de disjoncteurs et de contacteurs en polyamide et en polycarbonate, en remplacement du marquage par tampographie.

Autre technique émergente, le soudage laser des thermoplastiques. C'est l'une des spécialités développées par Irepa Laser (à Illkirch, Bas-Rhin). En raison de sa situation géographique, ce centre technique ne peut que constater le retard de la France sur l'Allemagne dans ce domaine. D'où l'importance d'expliquer et de promouvoir cette technologie. « Trois méthodes de soudage laser sont possibles, dont le choix dépendra de l'application envisagée, note Pierre-Alain Vetter de l'Irepa Laser. La plus simple consiste à déplacer le faisceau sur le pourtour de la zone à assembler. Une autre solution consiste à chauffer simultanément toute la zone à souder par l'association de plusieurs faisceaux laser. Une technique alternative repose sur l'utilisation d'une source laser (diode ou Nd:YAG) associée à un dispositif de miroirs galvanométrique qui permet d'obtenir, avec un seul laser, une irradiation quasi continue. »

Règles à connaître

Pierre-Alain Vetter précise quelques règles qu'il vaut mieux connaître avant de s'engager dans un investissement. « Les lasers utilisés pour le soudage de thermoplastiques émettent dans l'infrarouge. Les systèmes en proche IR conviennent au soudage par superposition des thermoplastiques. L'assemblage en bout à bout est plus délicat. Les nouveaux lasers YAG émettant à 2,1 microns sont adaptés à ce cas de figure, mais ils sont assez coûteux et la vitesse de soudage est de seulement 0,5 m/min. » Dans l'infrarouge lointain (au-delà de 5 microns), le soudage par transparence de polymères de forte épaisseur n'est pas envisageable. En revanche, pour le soudage de faibles épaisseurs (de l'ordre du 1/10 de millimètre), un laser CO2 est préconisé.

Chez Quantel (Les Ulis, Essonne), les lasers sont évalués comme moyen de traitement de surface de pièces plastique avant leur encollage. Ce procédé convient en particulier à la préparation des polyoléfines (polyéthylène, polypropylène), à faible énergie de surface. « Notre technique LaserBlast utilise un laser YAG de 1,06 micron à impulsions courtes (10 nanosecondes), explique Alain Diard, de Quantel. Cette application n'est pas encore exploitée, mais elle est testée depuis deux ans chez des fournisseurs de l'industrie automobile, comme préparation préalable au collage plastique/métal ou élastomère/métal. »

Enfin, les lasers s'appliquent aussi au traitement de films plastiques. « La prédécoupe par laser est utilisée pour la fonction ouverture facile de films complexes, explique Jean-Marc Decaux, directeur de Rofin-Baasel France. L'intérêt est de maîtriser la profondeur de découpe et de ne pas affecter la deuxième épaisseur du film, en aluminium ou en polymère. Notre système StarScribe, un laser CO2 de 100 à 500 W, comprend quatre à huit têtes de découpe. Sa vitesse de défilement peut atteindre 600 m/min pour une largeur de laize de 1 600 mm au maximum. Plusieurs installations pilotes fonctionnent chez les principaux fournisseurs de films plastique pour l'agroalimentaire. »

Pour le perçage des films, Rofin-Baasel propose le système Perfolas qui réalise jusqu'à 250 000 trous/seconde à raison de 600 m/min au maximum. Ce dispositif est préconisé pour la fabrication de films alimentaires poreux et pour la réalisation d'ouverture facile. Enfin, le système StarShape C permet les opérations de prédécoupe par fragilisation sélective, ainsi que de découpe et de marquage d'emballages souples. Il s'agit d'un système laser CO2 de 100 à 300 W, avec tête optique scanner et logiciel de programmation LaserCad. « Ce principe est actuellement tiré par le développement de films pour batteries 42 volts pour l'automobile », précise Jean-Marc Decaux.

Maintenant étendu au traitement des moules

Cela étant, le potentiel des lasers en plasturgie ne se limite pas au traitement des pièces plastique, puisqu'il s'étend également à celui des moules de plasturgie. L'une des utilisations les plus innovantes concerne la réparation des outillages. Ainsi, la société Rofin-Baasel vient-elle de développer un dispositif pour cette opération : le StarWeld Tool Open (Voir Industrie et Technologies, n° 847, p. 13). En résumé, un rayon laser YAG, transmis via une fibre optique, intervient sur l'aire à réparer de l'outillage usé notamment par le moulage d'un plastique fortement renforcé ou chargé.

Chez Alltec France, l'accent est, entre autres, porté sur la gravure laser des moules de plasturgie. « Il s'agit d'un marquage sans contact, donc sans efforts, qui règle d'emblée les problèmes d'usure d'outils puisqu'il n'y en a pas », explique Dino Paganelli, d'Alltec France. En outre, la précision obtenue est très grande (équivalant à un diamètre de fraise de 0,02 mm) et on peut travailler à une grande distance (210 ou 330 mm).

Ce procédé est par ailleurs écologique puisqu'il ne fait appel ni aux liquides de coupe, ni à l'électroérosion, ni à aucune opération chimique. Enfin, c'est un procédé reproductible, même sur les matériaux durs ou non-homogènes. « Les systèmes actuels sont capables de graver des volumes 3D à partir de surfaces planes, reprend Dino Paganelli. Seulement, avec les mandrins programmables, il n'est pas possible de graver des surfaces 3D tout autour avec un raccord parfait. » C'est justement l'intérêt de la technique brevetée par Alltec France. Cette méthode autorise la gravure à partir d'une surface de révolution ou gauche, mais aussi autour d'un cylindre sans voir les raccords.

Quantel promeut de son côté le nettoyage des moules de plasturgie au moyen de son système Laserblast. Ces équipements conviennent au nettoyage des moules pour mise en forme de thermoplastiques, d'élastomères ou de composites. « Le principe est fondé sur une réaction photomécanique au sein de la couche polluante au contact du faisceau lumineux. En France, nos systèmes sont utilisés à 80 % sous forme de services, dans des entreprises comme Laseralp et Est Laser. Nous avons pour l'instant équipé en Laserblast quelques plasturgistes fournisseurs de l'industrie automobile », ajoute Alain Diard de Quantel.

Un nettoyage raffiné

Cette technique de nettoyage offre l'avantage de ne pas dégrader le moule : il n'y a pas d'effet abrasif, pas de contact ni d'effet thermique. De plus, elle ne pollue pas l'atelier. Il n'y a pas d'apport de matière, ni de solvant, ni d'effet photochimique, et seulement un minimum de déchets à capter. Pour des séries importantes, Quantel a développé le concept Helios, comprenant un ou plusieurs Laserblast 1000 avec leurs fibres optiques, un robot cinq ou six axes, un automate, des convoyeurs et des télémètres. Le nettoyage manuel est préconisé pour un petit nombre de moules, en cas de fréquence de nettoyage faible ou encore pour des moules complexes ou à accès difficile. Quantel propose alors les modèles Laserblast 50 et 500.

LES NOUVELLES APPLICATIONS

- Fabrication par stéréolithographie de maquettes, prototypes et modèles d'outillages - Marquage et soudage de pièces plastique - Prédécoupe, perçage et découpe de films d'emballage - Traitements de surface avant encollage de pièces plastique - Gravure, nettoyage et réparation de moules de plasturgie

ET DEMAIN ?

et Demain ? - Le marquage couleur sur polymère - L'usinage de moules (ou partie du moule) de plasturgie - Le développement des lasers UV : marquage de nouveaux polymères et gravure fine (< 100 microns) - Nouveaux domaines d'activité grâce à la baisse des coûts et à l'ergonomie des machines.

LA FRANCE DÉCOUVRE LE SOUDAGE LASER

«Le soudage laser des thermoplastiques est marginal en France, alors qu'en Allemagne, de nombreuses applications industrielles ont montré la viabilité et les potentialités du procédé », assure Pierre-Alain Vetter, chez Irepa Laser. Les applications existantes vont de l'encapsulation d'éléments électroniques au scellage de grandes pièces (réservoirs automobiles) ou de très petits éléments (seringues), en passant par les soudures invisibles (en cosmétique). Les principaux constructeurs sont Bielomatik, Fisba Optik, ILT, Laserline et Irepa Laser, ce dernier participe au développement de cette technique en France depuis 1995.

LES ULTRAVIOLETS OPTIMISENT LE MARQUAGE

Le marquage laser de pièces plastique dispose de sérieux atouts par rapport aux systèmes à encre. Le marquage obtenu est plus résistant à l'usure du temps, mais aussi au lavage, voire à la stérilisation, et pose moins de questions environnementales que l'usage d'encres. Les lasers utilisés émettent principalement dans l'infrarouge et le visible. Mais la tendance actuelle est au marquage par lasers ultraviolets. Il s'agit en l'occurrence de lasers Nd:YAG émettant à 0,355 micron. Outre qu'il n'entraîne pas d'échauffement du polymère, ce procédé génère souvent un meilleur contraste que celui obtenu avec les lasers émettant dans le visible ou l'infrarouge.

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