En bref : La fabrication de plastiques couvre divers matériaux et procédés, allant des thermoplastiques et thermodurcissables courants aux polymères avancés, d’origine biologique et à hautes performances. Le procédé de fabrication que vous choisissez a une incidence sur tous les aspects, du coût et des délais de production à la durabilité et à l’échelle de production. Les procédés traditionnels tels que le moulage par injection, l'extrusion, le moulage par soufflage et l'usinage restent indispensables pour la production en grande série, mais la fabrication additive permet désormais d'accélérer le prototypage, de réduire les risques liés à l'outillage de moule d'injection et de fournir des pièces en plastique prêtes à l'emploi lorsque la complexité ou les faibles volumes rendent les moules d'injection inefficaces.
Si vous avez déjà tenu un téléphone, conduit une voiture ou sorti un comprimé d’un emballage blister, vous avez touché le fruit d’un siècle d’innovation dans la fabrication des plastiques.
Pour la plupart d’entre nous qui travaillons dans l’ingénierie ou la conception, les plastiques sont bien plus que de simples matériaux. C’est grâce à eux que les idées peuvent passer de la CAO à la production sans ruiner le projet.
Pourtant, le processus de fabrication des plastiques évolue rapidement. L’automatisation, les objectifs de développement durable et la fabrication additive – communément appelée « impression 3D » – redéfinissent ce qui est possible et ce que l’on attend des environnements de production. Il ne s’agit plus seulement de savoir « à quel prix pouvons-nous fabriquer cette pièce ? », mais « dans quelle mesure pouvons-nous rendre l’ensemble du flux de travail intelligent, productif et durable ? »
Examinons de plus près le processus de fabrication des plastiques et la direction qu’il prend.
Dans sa forme la plus simple, la fabrication de plastique consiste à transformer des polymères chauffés en formes utiles.
Il peut s’agir d’une bouteille de soda produite en série, d’un simple prototype d’engrenage ou d’une pièce de précision pour un robot chirurgical. L’objectif est le même : prendre un matériau souple et brut, et le transformer en un objet durable, fonctionnel et répétable.
La fabrication des plastiques a véritablement pris son essor dans les années 1950, lorsque des matériaux comme le nylon, l’ABS et le polyéthylène se sont généralisés. Du jour au lendemain, les fabricants ont pu produire des pièces plus légères, moins chères et plus complexes que ne le permettaient le métal ou le bois. Cela a transformé des secteurs entiers. Les voitures sont devenues plus légères, le packaging plus sûr, et les biens de consommation sont passés du statut de produits de luxe à celui d’objets du quotidien.
Aujourd’hui, les applications des plastiques sont innombrables. Il ne s’agit plus de choisir entre « moulé » et « usiné ». Les fabricants intègrent progressivement l’impression 3D, les flux de travail hybrides et les systèmes de fabrication numériques qui accélèrent plus que jamais les modifications de conception et les cycles de fabrication.
Et si vous vous êtes déjà battu pour gagner une semaine sur les délais de fabrication des outillages ou pour justifier le coût d’une itération de conception, vous comprendrez pourquoi cela est si important.
Il suffit de se promener dans n’importe quel atelier de production pour constater que les plastiques sont omniprésents. Ils offrent un équilibre qu’aucun autre matériau ne parvient tout à fait à égaler : suffisamment résistants pour être performants, suffisamment bon marché pour permettre une production à grande échelle, et suffisamment souples pour s’adapter.
Les métaux offrent une grande précision dimensionnelle, mais leur adaptation est coûteuse. Les composites sont résistants, mais leur fabrication fiable est complexe. Les plastiques, quant à eux, occupent une place idéale : ils offrent davantage de liberté aux ingénieurs tout en étant économiquement rentables.
Grâce aux plastiques, un panneau de porte de voiture pèse deux fois moins qu’il y a 30 ans. Les prothèses peuvent être légères et confortables, tout en restant résistantes. Et c’est aussi la raison pour laquelle les manettes de jeu continuent de fonctionner même après avoir été lancées à travers la pièce.
Bien sûr, il y a aussi l’aspect financier. L’industrie mondiale des plastiques représente des milliers de milliards et touche presque toutes les chaînes d’approvisionnement manufacturières. Ce qui change, ce n’est pas le rôle joué par les plastiques, mais la productivité avec laquelle ils peuvent être développés et produits. Des méthodes telles que la fabrication additive s’inscrivent dans cette évolution, en aidant les équipes à tester plus rapidement leurs conceptions, à gérer la complexité et à réduire le coût des modifications avant la production à grande échelle.
Quelle que soit l’idée farfelue ou géniale qui vous passe par la tête, vous pouvez probablement la concrétiser grâce aux plastiques. Cela dit, tous les plastiques ne se comportent pas de la même manière lorsqu’on leur applique de la chaleur ou de la pression. Examinons les différents types de plastiques et leur comportement.
De manière générale, on distingue deux grandes catégories : les thermoplastiques et les thermodurcissables.
Les matériaux thermoplastiques sont les « métamorphes » du monde des matériaux. Chauffez-les et ils ramollissent ; refroidissez-les et ils reprennent leur forme initiale, prêts à être réutilisés.
On les trouve partout : un tableau de bord en ABS, une bouteille transparente en PETG, le « clic » d’un récipient en polypropylène, la souplesse d’une charnière en nylon. Même le PLA, ce nouveau venu d’origine végétale, fait ses preuves dans le domaine du packaging et du prototypage.
Leur super-pouvoir, c’est la polyvalence. La même composition chimique qui permet à l’un de s’étirer pour former un film permet à un autre de devenir suffisamment rigide pour servir de pièce structurelle. Et comme ils peuvent être réchauffés et remodelés, les thermoplastiques constituent également la famille la plus recyclable, un aspect essentiel dans tout débat sur la conception circulaire.
Si les thermoplastiques peuvent être réchauffés et remodelés, les thermodurcissables sont tout le contraire. Une fois photopolymérisés, ils conservent leur forme à vie. C’est cette permanence qui explique leur présence dans les éléments qui ne peuvent se permettre aucune défaillance : circuits imprimés, plans de travail de laboratoire, plaquettes de frein.
Les époxydes assurent l’assemblage des structures aéronautiques, les phénoliques protègent les boîtiers électriques, et les résines d’uréthane résistent aux chariots élévateurs qui les écrasent 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Il est impossible de les faire fondre pour repartir de zéro, mais c’est précisément cette stabilité qui fait leur intérêt.
Chez Stratasys, nous exploitons les deux facettes de l’univers des polymères : les technologies FDM® et SAF® impriment de véritables thermoplastiques techniques, tandis que les technologies PolyJet™, technologie DLP P3™ et Neo® utilisent des thermodurcissables photopolymères pour offrir un niveau de détail élevé et une stabilité permanente. Ensemble, ces technologies couvrent les deux extrêmes de la fabrication plastique : la souplesse et la solidité à toute épreuve.
Discover Stratasys MaterialsLe moulage par injection est le pilier incontesté de la production de grande série : il consiste à remplir des moules de plastique fondu, encore et encore, avec une précision dimensionnelle au micromètre près.
Une fois l'outillage financé, le processus est véritablement imparable. Panneaux de porte, manches de brosses à dents, inhalateurs… tous ces objets sont moulés par injection. La plupart des pièces moulées par injection sont fabriquées à partir de matériaux thermoplastiques courants tels que le polypropylène, le polyéthylène, l’ABS, le polycarbonate et le nylon – des matériaux choisis pour leur mise en œuvre prévisible et leur fiabilité dans le cadre d’une production à grand volume. Cependant, la fabrication des outils de moulage n’est ni bon marché ni rapide, et si vous repérez un défaut de conception après la découpe de l’outil de moulage, cela représente une erreur coûteuse qui vous fait prendre du retard dans votre entrée sur le marché.
Ainsi, la plupart des équipes qui recourent au moulage par injection intègrent l'impression 3D dans leur processus en tant qu'outil en amont : pour valider la géométrie, tester les assemblages et, dans certains cas, produire des prototypes d'inserts de moules ou d'éléments d'outillage avant de se lancer dans l'usinage de l'acier.
Explore injection molding with additive manufacturing in our eBookLe plastique fondu est poussé à travers une filière profilée, un peu comme du dentifrice industriel, pour ressortir sous la forme d’un tube, d’un profilé ou d’une feuille en continu.
Ce n’est pas très glamour (même si c’est assez hypnotique !), mais c’est la colonne vertébrale de tout, des tuyaux d’irrigation aux châssis de fenêtres. Une fois le processus mis en place, il fonctionne sans interruption, heure après heure, en produisant une uniformité des pièces parfaite. L’extrusion utilise généralement des matériaux courants comme le PVC, le PP et le PE – tout ce qui fond proprement et conserve un profil stable en refroidissant. On peut ainsi obtenir une section transversale simple d’une longueur infinie. C’est comme la fabrication de plastique sur un tapis roulant : régulière, prévisible et fiable.
La fabrication additive est souvent utilisée pour produire de courtes sections d’essai ou des posages, ce qui aide les équipes à valider les profils d’extrusion avant de s’engager dans la fabrication d’outillages.
C’est ici que naissent les bouteilles. Imaginez qu’on gonfle une bulle de plastique en fusion à l’intérieur d’un moule, en la laissant prendre forme comme un ballon enfoncé dans une armure. C’est ça, le moulage par soufflage.
Le moulage par soufflage est rapide, économique et idéal pour les formes creuses, des flacons de lessive aux conduits automobiles. La plupart des pièces moulées par soufflage sont fabriquées en PET ou en PEHD pour obtenir des emballages légers et avec une résistance aux chocs. L’épaisseur des parois peut varier légèrement, mais pour la plupart des emballages grand public, cette technique est imbattable.
La fabrication additive est souvent utilisée pour tester les préformes moulées par soufflage et vérifier leur ajustement avant le cycle de production des moules.
Le moulage par rotation (ou rotomoulage) est un procédé lent et gracieux. On verse de la poudre de polymère dans un moule creux, on la chauffe, puis on fait tourner le moule sur deux axes jusqu’à ce que toutes les surfaces soient enrobées.
Le moulage par rotation permet d’obtenir une pièce de grande taille, exempte de contraintes, sans soudures ni joints. Les kayaks, les réservoirs ou les équipements de jeux pour enfants sont de bons exemples de produits rotomoulés. Même si ce procédé ne permet pas de gagner la course au temps de cycle, il l’emporte haut la main en matière de durabilité.
Le rotomoulage est presque toujours réalisé avec du polyéthylène (PE), parfois du polypropylène ou du PVC pour des applications spécialisées, qui s’écoulent et recouvrent uniformément sous l’effet d’une chaleur douce.
Prenez une feuille de plastique chauffée, drapez-la sur un moule et aspirez tout l’air : voilà en quelques mots le formage sous vide. C’est ainsi que les appareils électroniques, les comprimés et les ciseaux sont conditionnés dans des blisters parfaitement formés. C’est un procédé économique, rapide et idéal pour les boîtiers ou les plateaux simples. Vous n’obtiendrez pas de détails fins ni de géométrie complexe, mais lorsque la rapidité et le prix sont des critères déterminants, cette technique est difficile à battre en termes de robustesse.
Le recours à la fabrication additive pour produire des outils de formage ou des modèles de moules destinés au formage sous vide offre une alternative plus rapide et moins coûteuse à l’usinage.
Avec le moulage de polymères, il suffit de mélanger la résine, de la verser dans un moule, et les propriétés chimiques du matériau font le reste. Le moulage de polymères est idéal pour les pièces sur mesure ou les petites séries pour lesquelles la fabrication d’outillages n’est pas rentable. Ce procédé est certes plus lent, mais il offre une grande souplesse et convient parfaitement aux modèles, aux accessoires ou aux pièces fonctionnelles uniques.
L'usinage des plastiques est un vrai plaisir si vous avez déjà dû vous battre avec une pièce en aluminium sujette aux vibrations. Ils se découpent proprement, sont stables et permettent d'atteindre des tolérances de l'ordre du micron. Ils sont parfaits pour les posages, les bancs d'essai ou les petits cycles de fabrication.
Cette technique s'accompagne certes d'un certain gaspillage et de délais de fabrication plus longs, mais en matière d'exactitude dimensionnelle, l'usinage CNC reste un pilier de la plupart des processus de fabrication des plastiques. Dans de nombreux cas, la fabrication additive complète l'usinage CNC en prenant en charge les premières itérations ou les géométries complexes.
Chaque produit en plastique suit le même cycle : conception, prototype, fabrication, perfectionnement. Même si, dans la réalité, ces étapes se confondent souvent.
Tout commence par la conception. Vous disposez de modèles CAO, d’une idée approximative des matériaux et d’une multitude d’avis. Plus tôt vous réfléchirez à la manière dont l’objet sera réellement fabriqué – notamment en ce qui concerne l’épaisseur des parois, les angles de dépouille et les contre-dépouilles –, moins vous passerez de temps à résoudre des problèmes de dernière minute par la suite.
Vient ensuite le prototypage, où les idées rencontrent la réalité. Parfois, il s’agit d’une impression 3D posée sur votre bureau dès le lendemain matin ; parfois, c’est une pièce d’essai usinée ou une petite série réalisée à partir d’un moule provisoire. Dans tous les cas, c’est à ce stade que les pièces se cassent, se déforment ou s’emboîtent parfaitement pour la première fois – et c’est justement le but, car vous découvrez ce qui fonctionne avant que cela ne devienne coûteux.
Et enfin, la finition et la validation : l’étape discrète où tout est ajusté, testé, revêtu ou mesuré. C’est là que « presque prêt » devient « prêt pour le client ». L’état de surface fait souvent la différence entre un prototype et une pièce prête pour la production : le ponçage, le lissage à la vapeur, la peinture ou le revêtement peuvent tous améliorer l’aspect et les performances.
Les meilleures équipes utilisent chaque cycle pour réinjecter des informations dans la conception, ce qui permet de gagner du temps sur le prochain lancement. C’est le secret peu glamour d’une bonne fabrication : une itération régulière l’emporte à chaque fois sur un seul grand bond en avant.
C'est au stade de la production que la répétition prend toute son importance. Le moulage par injection, l'extrusion et le moulage par rotation : tels sont les rythmes industriels réguliers qui permettent de transformer une bonne idée en milliers de pièces homogènes à l'uniformité des pièces.
La fabrication additive peut jouer un rôle aussi bien dans la production qu’au stade de la conception : elle est idéale pour produire des pièces destinées à un usage final en petites séries ou sur mesure, lorsque la création d’outils n’est pas justifiée ou lorsque la géométrie devient trop complexe pour le moulage.
Les plastiques souffrent d’un problème d’image, et ce n’est pas sans raison. Ils ont rendu la vie moderne plus légère, moins chère et plus sûre, mais ils ont également laissé une empreinte difficile à ignorer. Chaque ingénieur doit désormais réfléchir non seulement aux performances d’une pièce en plastique, mais aussi à ce qu’il advient de celle-ci une fois qu’elle a rempli sa fonction.
Le défi ne réside pas dans le fait que les plastiques ne puissent pas être recyclés, mais dans le fait que la plupart ne le sont pas. Ou bien ils ne relèvent pas d’une économie circulaire, où le matériau recyclé offre des performances similaires à celles du matériau vierge. Les mélanges de matériaux, les revêtements et la contamination compliquent la récupération, et même les systèmes bien intentionnés peinent à suivre le rythme. C’est pourquoi tant d’efforts sont désormais consacrés à boucler la boucle et à concevoir des pièces pouvant être triées, à choisir des plastiques pouvant être transformés en nouveaux produits, et à formuler les matériaux de manière à ce qu’ils puissent être recyclés aussi longtemps que possible. À mesure que les procédés de recyclage deviennent plus propres et mieux maîtrisés, l’uniformité des pièces obtenues gagne en importance, au point de pouvoir être utilisées dans des applications qui, il y a quelques années encore, auraient reposé exclusivement sur des matières vierges.
Parallèlement, de nouveaux matériaux commencent à changer la donne. Les plastiques biodégradables et les polymères d’origine biologique progressent rapidement, leurs propriétés mécaniques rattrapant enfin celles des polymères traditionnels.
La fabrication additive apporte également sa contribution en permettant de produire des pièces à la demande et plus près du lieu où elles sont nécessaires, ce qui permet aux fabricants de réduire les émissions liées au transport et d’éviter les stocks excédentaires.
La durabilité englobe la sécurité des personnes et la réduction de l’exposition aux additifs toxiques, aux émanations et aux perturbateurs endocriniens. Des procédés chimiques plus propres et une manipulation plus sûre des matériaux font désormais partie intégrante des considérations de conception, et non plus de simples ajouts de dernière minute.
Ainsi, la durabilité n’est pas seulement une question de matériaux ; elle concerne également l’amélioration des systèmes. L’industrie s’oriente vers une économie circulaire, où les déchets plastiques redeviennent des matières premières. Ce n’est pas encore parfait, mais chaque pièce plus légère, chaque bobine recyclée ou chaque composant imprimé localement rapproche un peu plus la fabrication de cet objectif.
