Comment choisir la bonne matière en Moulage par Injection ?

Thermoplastiques amorphe ou semi-cristallins?

On divise les thermoplastiques en deux grandes familles : amorphe ou semi cristallin. Cette différence provient de leur structure macromoléculaire. Les thermoplastiques amorphes ont une structure aléatoire, alors que les thermoplastiques semi cristallin auront une structure partiellement ordonnée.

Parmi les thermoplastiques amorphes, nous aurons les matières transparentes, ce sont des matières qui ont aussi un aspect plus esthétique que les semi-cristallin. Elles ont un faible retrait et une meilleure stabilité dimensionnelle, et sont plus faciles à coller.

 Les semis-cristallin, en revanche vont généralement être opaques, malgré quelques exceptions : par exemple parmi les polyamides on peut trouver des grades transparents. Les semi-cristallins vont présenter une meilleure résistance à la fatigue, au frottement, à l'usure, et plus globalement une meilleure résistance chimique de par leurs structures cristallines. Ce sont des matières aussi plus faciles à injecter car plus fluides, moins cassantes au démoulage, mais par contre plus sensibles au respect des températures de moulage pour optimiser la phase cristalline. La pyramide de droite vous présente les principales familles de thermoplastiques ce qui fournit une liste quasi exhaustive de ce que l’on peut trouver sur le marché.

L’importance des facteurs de température :

Regardons maintenant plus en détail l'importance des facteurs de température, et notamment la notion de température de service. C'est le point souvent attendu par les clients : à quelle température pourra-t’on utiliser la matière.

Dans les fiches techniques on trouve généralement la température de fléchissement sous-charge qu'on appelle HDT et la température de ramollissement Vicat. Ces deux données sont présentées sous différentes normes fonction de différentes charges et différentes épaisseurs possibles : donc attention aux valeurs qu’on compare. Ce qui est important à noter c'est que ces deux températures, même si elles sont intéressantes comme données, ne reflètent pas la température de service continu à laquelle on va pouvoir utiliser une matière. En tant que concepteur, ce qui va nous intéresser sera plutôt la température de service continu, donnée qui est rarement présente dans les fiches techniques.

Quelle donnée de température utiliser ? Intérêt de la RTI : Relative Temperature Index

Une donnée pouvant être considérée comme plus représentative est ce qu'on appelle la RTI (Relative Température Index ) qui est une donnée selon une norme UL. Cette donnée figure rarement sur les fiches techniques : pour la trouver, il faut se procurer ce qu'on appelle la Yellowcard sur la base UL ou auprès du fournisseur matière. La RTI nous donne la température à laquelle une matière peut, après un vieillissement relatif de 100 mille heures, conserver 50 % de ses caractéristiques initiales. On va avoir trois RTI :

•  une RTI électrique
•  une RTI à l'impact
•  une RTI de rigidité

Ces trois valeurs sont données en fonction de différentes épaisseurs d'échantillons. La plus commune étant 1,5 mm d'épaisseur. C'est la RTI à l'impact qui sera généralement la plus basse : de l'ordre de 5 à 10 degrés inférieures aux deux autres.

 Notons qu'on peut également trouver parfois ce qu'on appelle la « Temperature index » selon différentes normes, mais ces valeurs, en fonction de leur norme, ne représentent que 20 000 heures de vieillissement ou 5 000 heures de vieillissement.

Il ne faut donc pas comparer les RTI  « Relative Temperature Index » aux  « Temperature index » car  100 mille heures représentent plus de 11 ans de fonctionnement alors que 20000 heures seulement un peu plus de deux ans et 5000 heures un peu plus de six mois).

Petit Guide indicatif de valeurs pour les thermoplastiques :

On l’a donc vu, on peut avoir des données vraiment très différentes, et comme ces valeurs de RTI sont rarement données dans les fiches techniques, nous vous proposons ici quelques valeurs indicatives en fonction des différentes familles de thermoplastiques : notons bien que ce sont des valeurs indicatives : sur le marché on trouve effectivement différents grades pour une matière donnée donc par exemple pour un abs on peut avoir des RTI variant de 60 à 85 degrés, ou pour des polyamides de 90 à 115. Il y a donc une disparité dans les différents grades d’un type de matière. L’ajout de renforts comme les fibres de verre peuvent parfois améliorer les valeurs. Par exemple dans les polyamides à on peut trouver des grades chargés qui peuvent atteindre une RTI de 140°. Il est donc très important de vérifier pour un grade donné ce que peut être sa RTI pour éviter des mauvaises surprises.

Impact de la température sur le temps de fonctionnement :

Pour la température de service on différencie température de service en continu et souvent on va vouloir aller chercher quelques degrés de plus… : j'aimerais que ma pièce puisse tenir telle ou telle température en pointe. Mais la notion de pointe est toute relative : parlera-t’on de quelques minutes ? d’une heure, de 10 heures ? Pour pouvoir estimer à quoi s'attendre avec une matière, on peut utiliser un petit outil pratique : attention, ceci n’est pas une loi physique, mais un indicatif : l'idée est de tracer une droite sur une échelle logarithmique à partir de la valeur de la RTI et de 90% de la valeur de la HDT ( la température de fléchissement sous charge) qui est généralement présente dans les fiches techniques. Prenez la HDT à 0,46 Mpa.

Dans l'exemple présenté ici on peut voir que pour une RTI de 120 degrés si on augmente de 10 degrés la température à 130° on peut s'attendre à une durée de vie de 20 mille heures ; encore 10 degrés de plus , 140 degrés seulement 5000 heures. On voit tout de suite l'impact de l'augmentation de la température avec rapidement la baisse de temps de fonctionnement possible pour une matière. Cette courbe en fonction des matières peut être presque verticale notamment lorsque la RTI et la HDT sont très proches, notamment pour les thermoplastiques amorphes.

On a dit que la RTI représentait la température à laquelle, après un vieillissement de 100 000h, on avait une perte de 50% des propriétés mécaniques.  On pourrait imaginer franchir la limite représentée par la droite du graphique mais cela signifierait que la perte de caractéristiques serait >50% et difficilement estimable.

La température influence donc les comportements mécaniques de la matière.

Comportement mécanique en température

A nouveau, rappelons que la RTI est la température à laquelle une matière peut après un vieillissement relatif de 100 mille heures conserver 50 % de ses caractéristiques initiales. Mais ces caractéristiques initiales ne sont pas celles à une température à 23 degrés comme donné dans les fiches techniques mais les caractéristiques de la matière à la température de la RTI. Donc d'un côté on a la fiche technique avec la HDT et aussi les caractéristiques mécaniques présentées à 23 degrés (il peut arriver parfois d'en avoir quelques-unes en température mais là encore c'est extrêmement rare) et de l’autre côté la RTI donnée par la UL- yellow card.

Quel comportement attendre alors à 120 à 130 degrés ? Quelles vont être les caractéristiques mécaniques d'une matière à cette température et après vieillissement ? Il faut de nouveau revenir sur les deux grandes familles de matières : les semis-cristallin et les amorphes.

Voyons la représentation de l'évolution des caractéristiques mécaniques des matières en fonction de la température : on voit sur la courbe l'effet de la température qui fait perdre les performances mécaniques.

En bleu, les thermoplastiques amorphes vont avoir une perte régulière jusqu'à arriver à ce qu'on appelle la Tg, la température de transition vitreuse, où leurs propriétés vont complètement s'effondrer. Les semis -cristallin eux, vont présenter aussi une perte régulière jusqu'à arriver à la Tg, où ils vont avoir également une perte importante, mais conserver quand même encore de bonnes performances, jusqu'à arriver à la Tm, température de fondue, où cette fois leurs performances vont s'effondrer.

La température transition vitreuse caractérise le passage d'un état vitreux à un état caoutchouctique. Autrement dit passer d'un état où les chaînes macromoléculaires vont être plus ou moins figées, à un état plus ou moins mobile, le tout évoluant avec l'augmentation de la température. Là encore les fiches techniques fournissent une information limitée, et rarement les températures de transition vitreuse. Il est donc important d'avoir quelques notions et de savoir où situer les matières.

Voici donc ci-après une échelle présentant les principales familles de thermoplastiques. Notons bien que ce sont des valeurs indicatives et que l’on peut trouver des variations en fonction des grades disponibles sur le marché. (Un bon exemple sont les cyclo-oléfins (COC) qui existent dans des grades allant de 70 degrés à 170° au niveau de la Tg).

Que peut-on attendre en terme de performances mécaniques en température pour une matière donnée ?

Voici un autre outil pratique pour estimer la tenue mécanique en température :

On observe à gauche le comportement typique d'un thermoplastique amorphe : jusqu’à la température transition vitreuse on a une perte régulière de l'ordre de -2% à -6% par tranche de 10 degrés que ce soit pour les valeurs de modules ou de contraintes. Les semis cristallin vont eux aussi perdre de l'ordre de -2% à -6% par 10 degrés avant la Tg, puis -35% à -40%, puis voir à nouveau une perte plus régulière de -2% à -6% par 10 degrés. Dans les fiches techniques on trouve plusieurs valeurs de modules de contrainte que ce soit en flexion ou en traction. Il y a notamment la « tensile stress at yield » et la « tensile stress at break ». La « tensile stress at yield »  ou « yield strength » est en fait la contrainte acceptable avant déformation plastique, c'est à dire qu’en dessous de cette contrainte la matière va rester dans un comportement élastique : quand on la déforme elle va pouvoir retrouver sa forme initiale. Passé cette valeur les déformations seront irréversibles. Regardons maintenant un cas précis, par exemple avec un PBT donné :

-la fiche technique nous donne à 23 degrés une contrainte limite élastique de 56 MPa.

-la Yellow card nous indique une RTI de 130 degrés (donc à 130° d'après ce que l’on a vu avant on peut estimer la contrainte élastique à 20 MPa et d'après la définition de la RTI au bout de cent mille heures de fonctionnement on peut s'attendre à une perte de 50 % de caractéristiques et arriver ainsi à une contrainte élastique à seulement 10 MPa : au final on se retrouve avec seulement 17% des caractéristiques initiales (10/56).

A 130°C, d'après ce qu’on a vu avant on peut estimer la limite élastique à 20 MPa et d'après la définition de la RTI, au bout de cent mille heures de fonctionnement on peut s'attendre à une perte de 50 % de caractéristiques et arriver ainsi à une limite élastique à seulement 10 MPa.

Au final, à 130°C et après 100000h de fonctionnement, on se retrouve avec seulement 17% (10/56). de la caractéristique donnée dans la fiche technique.

 Si on se met au point de départ dans la case en haut à gauche, à 23 degrés, au bout d’une heure on est à 58 MPa de contraintes admissibles et on peut voir que cette valeur va nettement diminuer jusqu'en bas à droite à 60 degrés en présence de l'agent après de dix mille heures de fonctionnement.   On voit bien à quel point la présence d'agents peut encore plus accentuer l'impact de la température sur  la tenue mécanique d’une matière.

Il existe donc beaucoup de familles de thermoplastiques et un nombre innombrable d'agents possibles. A défaut de pouvoir tous les passer en revue, voici une petite table non exhaustive qui permet d'avoir un aperçu de ce qui est compatible ou non, et d’identifier les cas où les matières risquent d'avoir des problèmes. Cependant, nous conseillons toujours d'essayer d'aller chercher soit dans la littérature soit dans les guides spécifiques rédigés par les fabricants, le maximum d'information. Certains fabricants proposent des guides vraiment très riches avec beaucoup plus de données que ce qu'on ne peut trouver dans les fiches techniques matière. Et puis bien sûr outre les conseils d'un expert ou des fabricants matière, pour certains produits, il faudra faire des tests réels de validation pour être sûr de ce que peut supporter la matière à la fois en présence de l'agent mais aussi en température, les deux cumulés.