Étude de l’homogénéité du chauffage obtenue avec les éléments chauffants

Nous cherchons ici à sélectionner la source de chaleur qui nous apporte le chauffage le plus homogène à la surface du film. Nous comparons pour cela les capacités de chauffage des quatre éléments chauffants à partir de relevés thermographiques infrarouges réalisés à partir d’une caméra Thermovision A40-M, de la société FLIR SYTEMS, possédant un capteur CMOS de 320x240 pixels et une réponse spectrale située entre 7,5 et 13 µm. La mesure de la température du film lors du chauffage convectif n’est pas possible à travers le diffuseur. Pour contourner ce problème nous avons mesuré la température sur la face inférieure du film. Dans le cas des émetteurs infrarouge, la mesure directe par le dessus n’est toujours pas possible car l’émetteur est dans le champ de la caméra et masque le film. Par dessous la caméra réalise la mesure à la fois du film et de l’émetteur par transmission or l’émetteur est beaucoup plus chaud que le film et ce dernier n’apparait plus par thermographie. La mesure de la température du film est donc obtenue par réflexion en prenant soin d’avoir un angle α suffisant pour ne pas filmer la réflexion de l’émetteur sur le film.

Figure III-21 : Banc de mesure de température

Avant toute expérience, nous veillons à ce que l’élément chauffant soit préchauffé selon les recommandations du constructeur. En effet il suffit de 2 s à l’halogène pour atteindre son régime de fonctionnement alors qu’il en faut 10 min à la céramique.

L’émetteur est placé sur un plan parallèle au film à une distance variable, entre 15 et 25 cm, afin d’obtenir un chauffage du film stabilisé à 150 °C. Les mesures obtenues par la

IR

montage réflexion montage direct

IR

champs de vision de la caméra IR

caméra infrarouge nous donnent l’évolution du chauffage au cours du temps. Nous présentons ici les thermographes représentatifs de chaque mode de chauffage 30 s après la stabilisation de la température maximale du film autour des 150 °C fixés.

Figure III-22 : Thermographie infrarouge des éléments chauffants

Le thermographe du chauffage convectif est obtenu après une dizaine de seconde de chauffage. Les relevés de températures montrent un ΔT de 20 °C entre la zone les plus foncée qui est environ à 130 °C et la zone la plus claire à 150 °C. Cette différence de température peut s’expliquer de part la géométrie du diffuseur qui n’est pas optimisée à celle du film. Par ailleurs, la température ne se stabilise pas tout à fait ; il apparaît en effet un phénomène d’oscillation aléatoire de la température autour de la position d’équilibre qui peut s’expliquer par la création de turbulences à l’intérieur du diffuseur.

Le thermographe du film chauffé par l’émetteur halogène est obtenu environ 1 min après la mise en place du chauffage. Le ΔT est ici de 70 °C avec une température de 150 °C à la verticale de chaque lampe halogène et de 80 °C entre les deux. Manifestement, ce dispositif, qui est pourtant utilisé dans le chauffage de préformes en PET, n’est pas adapté au chauffage de films minces de PET. Notons cependant que nous n’avons pas observé le phénomène oscillatoire qui semble être propre au chauffage convectif.

Le troisième cliché concerne le chauffage du film de PET par la céramique dans le domaine de l’infrarouge long. Le ΔT, après un chauffage à 150 °C en 10 s, n’est plus que de 10 °C régulièrement réparti sur l’ensemble de la surface.

Enfin, l’émetteur Infraline permet d’atteindre la température de 150 °C après 10 s de chauffage environ. Cette valeur est du même ordre de grandeur que le chauffage convectif ou que le chauffage obtenu avec la céramique IR. Le cliché montre un ΔT de seulement 3 °C, ce

ΔT=70°C

ΔT=20°C ΔT=10°C ΔT=3°C

qui est de loin la valeur la plus homogène de nos essais.

Avant de retenir l’émetteur Infraline pour nos campagnes de thermoformage nous avons étudié l’influence du chauffage du film sur le réchauffement du verre ophtalmique positionné en dessous. En effet, le verre hôte du film pixellisé d’indice 1,67, a une température de transition vitreuse relativement basse de 60 °C qu’il ne faut pas dépasser au cours du procédé de thermoformage. Les travaux de thèse de S. Monteix montrent l’influence de l’épaisseur d’un film de PET sur sa transmittivité. La Figure III-23 suivante illustre la transmittivité de films de PET, de même nature, de 20 µm, 30 µm, 50 µm et 100 µm d’épaisseur sur le spectre de 1 µm à 25 µm. Il y est très clair que le film le plus fin laisse passer une grande partie du rayonnement qu’il reçoit alors que le film de 100 µm en absorbe davantage. En revanche il n’apparait pas de rapport fixe entre l’absorption et l’épaisseur du film : à la longueur d’onde d’1 µm le film de 20 µm d’épaisseur transmet 50 % du rayonnement et le film de 100 µm environ 40 %, alors qu’à la longueur d’onde de 20 µm le film de 20 µm d’épaisseur transmet 40 % du rayonnement alors que le film de 100 µm voit sa transmittivité proche de 0 %.

Figure III-23 : Transmittivité de films PET de 20, 30, 50 et 100 µm d’épaisseur aux longueurs d’onde de 1 µm à 25 µm selon MONTEIX [38]

Nous avons cherché à mesurer l’impact du chauffage du film sur la température du verre lorsque le film est chauffé 150 °C pendant 30 s. La technique de mesure utilisée est la méthode de mesure directe en plaçant le verre entre la caméra IR et le film. Les thermogrammes de la Figure III-24 correspondent à gauche au chauffage convectif et à droite au chauffage par l’émetteur IR étendu. Le verre +6.00 est ici au premier plan et le film de

PET est en second plan, séparés d’une distance de 2 cm qui correspond à celle que nous avons dans le prototype PIXIS entre le haut du verre et le film en place.

Figure III-24 : Thermogramme de l’échauffement du verre lors du chauffage du film PET

Le verre voit sa température passer de 25 °C à 37 °C lors du chauffage convectif et à 45 °C dans le cas du chauffage IR. Cette différence de température s’explique par la différence de nature des deux modes de chauffage :

 le chauffage convectif chauffe la surface du film à une température de 150 °C et cette chaleur est transmise par conduction jusqu’à l’autre face du film. Le film transfert à son tour sa chaleur par conduction (en chauffant l’air ambiant) et par radiation, ce qui permet au verre d’atteindre la température de 37 °C.

 Dans le cas du chauffage IR, le film est également chauffé à 150 °C. Outre les mêmes échanges thermiques entre le film et le verre qui régissent le cas précédent, il faut maintenant considérer en plus la partie des radiations de la céramique qui n’est pas absorbée par le film et qui va l’être par le verre, ce qui a pour conséquence un accroissement de la température de celui-ci à 45 °C.

Pour conclure, puisque la céramique Infraline permet le chauffage du film le plus uniforme de tous les modes testés et que la température du verre mesurée lors de l’étape de chauffage du film n’atteint pas la température limite de 60 °C, nous avons retenu cette céramique comme mode de chauffage de notre prototype PIXIS dans le cadre de nos campagnes de thermoformage.

chauffage convectif chauffage IR étendu

film 150°C verre 37°C film 150°C verre 45°C