Dans le cadre de l’application du procédé de flexographie au dépôt d’une couche d’accroche, l’encre doit
aussi présenter des propriétés viscoélastiques spécifiques afin de répondre aux contraintes des différentes
étapes de l’impression. En effet, ce procédé peut également être décomposé en trois phases :
1. La pré-impression ou phase d’alimentation en encre du groupe d’impressiondurant laquelle l’encre
est mise au contact des alvéoles gravées de l’anilox grâce à des systèmes de type barboteur ou
chambre à racles.
2. L’impression ou phase des transferts d’encre durant laquelle l’encre va tout d’abord passer sous
la racle afin d’uniformiser l’épaisseur de la couche présente à la surface de l’anilox. Sous l’effet
des fortes contraintes de cisaillement, cette dernière va se fluidifier afin de permettre le remplissage
des alvéoles. Par la suite, elle est transférée sur les reliefs du cliché lors de l’encrage de celui-ci.
Finalement, un dernier transfert entre le cliché et la cellule permet la reproduction des motifs sur la
cellule
3.
3. La post-impressiondurant laquelle le dépôt est figé à la surface de la cellule. C’est lors de cette étape
que les mécanismes qui conduisent à l’étalement de l’encre prennent place.
Par conséquent, l’encre ne doit pas trop s’écouler lors de la première étape, puis elle doit se fluidifier
lors de la phase d’impression. Finalement, elle doit rapidement retrouver ses propriétés initiales lors de la
dernière phase afin d’éviter un fort étalement des lignes déposées. Une encre de flexographie doit toutefois
être considérablement plus fluide qu’une pâte de sérigraphie lors de la seconde étape, mais la gamme de
viscosité adéquate reste relativement large. Selon Frey et al.
[303]et Lorenz et al.
[250], des encres caractérisées
par une viscosité variant de 50 à 500 mPa·s (pour un taux de cisaillementγ
.supérieur à 1000 s
−1) peuvent
être utilisées.
Comme la formulation inorganique (poudre d’argent et fritte de verre) d’une encre est complexe, c’est
une pâte de sérigraphie standard (commerciale) qui a été diluée pour répondre à ces spécifications. Par
ailleurs, cette démarche a déjà porté ces fruits lors du développement d’autres procédés de métallisation
tels que le dépôt par aérosol (voir la section i. page 84). Lors de ces travaux, la pâte A a été choisie sur
la base des résultats présentés dans le chapitre précédent. En effet, cette dernière a permis d’imprimer
des contacts présentant à la fois une faible résistivité de contact (voir le tableau IV.3 page 146) et un fort
ratioAR(voir la figure IV.10a page 137), ce qui devrait permettre de réduire l’élargissement de la couche
d’accroche. Elle a été diluée à l’aide d’un solvant approprié (voir le tableau III.1 page 96) qui a été fourni
par la société qui la commercialise. Plus précisément, les encres A5, A10, A15 et A20 ont été obtenus en
ajoutant 5,10,15 et 20 %m (fraction massique) de solvant à la pâte initiale. La figure V.2 permet d’illustrer
visuellement l’impact de la dilution sur le comportement de l’encre après dépôt. Plus la concentration en
solvant augmente, plus l’encre a tendance à s’étaler. Par ailleurs, il faut souligner que les deux échantillons
présentés sur cette figure ont pu être imprimés par flexographie, ce qui confirme la large gamme d’encres
pouvant être utilisées avec ce procédé. La section suivante détaille les expériences rhéologiques qui ont été
menées pour préciser et quantifier les différences entre les quatre formulations.
FigureV.2:Photographie des encres A5 et A20 au repos, 10 minutes après dépôt (du même volume) sur
une cellule bleue. Elle met en évidence leur différence de comportement.
V.2.2 Caractérisations rhéologiques
Comme pour la caractérisation des pâtes de sérigraphie, le point de départ des expériences rhéologiques
est la construction des courbes d’écoulement et de viscosité à l’aide de mesures à contrainte et à taux de
cisaillement imposés en mode rotation.
1 Mode rotation
A Mesures à contrainte imposée
La figure V.3 montre que l’ajout de solvant dans la pâte initiale ne change pas fondamentalement
l’évo-lution de la viscosité en fonction du temps lors de l’application d’une contrainte de cisaillement constante.
Quelle que soit la dilution, les encres formulées montrent toujours une bifurcation de la viscosité (voir la
section A page 126) qui traduit la présence de deux régimes. Lorsque la contrainteτest inférieure au seuil
d’écoulementτ
c, la viscosité tend vers l’infini et le taux de cisaillement vers 0 (µ >10
6Pa·s etγ
.<10
−5s
−1)
sous l’effet du vieillissement de la microstructure. Une fois queτ
cest atteint,µchute de plusieurs ordres de
grandeur pour atteindre une valeur finie inférieure à 100 Pa·s (γ
.>1 s
−1) sous l’effet du rajeunissement de
la microstructure. Il y a donc une compétition entre ces deux mécanismes. La contrainte seuilτ
cmarque le
passage d’un régime solide où l’encre présente les propriétés d’un solide viscoélastique à un régime liquide
(voir le paragraphe A page 126).
Comme expliqué précédemment, la dualité comportementale des encres formulées semble adaptée au
cahier des charges du procédé de flexographie. Bien que toutes les courbes de la figure V.3 aient le même
aspect, la valeur du seuil d’écoulement dépend toutefois de la dilution. En effet, ces résultats préliminaires
montrent que τ
cdiminue lorsque la concentration en solvant augmente. De même, la viscosité µ
cet le
taux de cisaillementγ
.ccorrespondants diffèrent d’une encre à l’autre. Le paragraphe suivant revient sur les
mesures à taux de cisaillement imposé qui ont permis de préciser ces disparités.
a. Encre A5. b. Encre A10.
c. Encre A15. d. Encre A20.
FigureV.3:Évolution de la viscositéµen fonction du temps t lors des mesures à contrainteτimposée. La
contrainte seuilτ
cpour laquelle l’encre passe d’un régime solide à un régime liquide est marquée en gras
pour chacune des encres (voir la section A page 126).
B Mesures à taux de cisaillement imposé
Lors des expériences précédentes, le taux de cisaillementγ
.ccorrespondant à la limite d’un écoulement
stable a été relevé (voir le tableau V.1 page 167). Ce dernier est supérieur à 1 s
−1pour les encres A10 à A20.
Pour compléter les données précédentes, la viscosité et la contrainte de cisaillement ont donc été mesurées
en fonction du temps en appliquant un taux de cisaillementγ
.de 10,100,1000 et 5000 s
−1pour toutes les
encres. En outre, une mesure a été réalisée àγ
.= 1 s
−1pour l’encre A5 qui est caractérisée parγ
.c=0,70 s
−1.
Chaque mesure a été répétée trois fois. Une fois l’équilibre atteint, les données recueillies (àt ≈ 600 s) ont
été couplées aux précédentes pour construire les courbes de viscosité et d’écoulement représentées sur la
figure V.4. Une nouvelle fois, les mesures faites lors des deux expériences montrent un excellent accord.
La figure V.4 met en évidence la conservation du caractère pseudoplastique de la pâte de sérigraphie
après dilution. La viscosité des quatre encres diminue lorsque le taux de cisaillement augmente. Ici, ce
comportement semble adapté aux transferts d’encre prenant place durant le dépôt par flexographie. En effet,
l’encre doit être en mesure de s’écouler facilement dès qu’elle passe sous la racle pour remplir correctement
les alvéoles de l’anilox, puis assurer une bonne reproduction des motifs désirés sur la cellule. Comme
tous les échantillons caractérisés présentent un comportement similaire à celui de la pâte de sérigraphie
initiale (fluide à seuil pseudoplastique), les équations constitutives [IV.1] et [IV.2] page 128 ont été utilisées
pour ajuster les points expérimentaux. Les données rapportées dans le tableau V.1 page 167, qui récapitule
toutes les données extraites des caractérisations rhéologiques, ont conduit à un coefficient de corrélationR
2supérieur à 0,99.
Comme introduit dans le paragraphe précédent, la valeur du seuil d’écoulementτ
cdiffère d’une encre à
l’autre. Il passe progressivement de 54 à 20 Pa lorsque la dilution augmente (à comparer avec la valeur de
200 Pa relevée pour la pâte A, voir le tableau V.1 page 167). De même, la viscositéµ
cdiminue logiquement
lorsque la concentration en solvant augmente. Elle passe de 76 Pa·s pour l’encre A5 à 2,4 Pa·s pour l’encre
A20 (µ
c= 660 Pa·s pour la pâte A). À l’inverse, la dilution ne semble pas affecter la pseudoplasticité de
la pâte de départ comme le montre le paramètremqui oscille entre 0,39 et 0,42 (m= 0,41 pour la pâte A).
Finalement, la viscosité mesurée à un taux de cisaillement de 5000 s
−1diminue lorsque la concentration en
solvant augmente. Elle passe de 500 mPa·s pour l’encre A5 à 52 mPa·s pour l’encre A20 (à comparer avec
la valeur de 2,10 Pa·s relevée pour la pâte A).
D’après ces données, c’est donc la première dilution de la pâte qui impacte le plus les propriétés
rhéolo-giques des encres. Au contraire, les encres A15 et A20 présentent des propriétés relativement proches. Par
ailleurs, il faut noter que la gamme de viscosité des quatre encres formulées couvre toute celle qui peut être
imprimée par flexographie (voir le paragraphe V.2.1 page 160).
a. Courbes de viscosité :µ= f(γ
.). b. Courbes d’écoulement :τ= f(γ
.).
FigureV.4:Évolution de la viscosité et de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement
.
γ pour chacune des quatre encres. Les symboles ouverts et pleins décrivent les valeurs obtenues lors des
expériences à contrainte et à taux de cisaillement imposés. Les lignes discontinues représentent l’ajustement
des points expérimentaux par les équations constitutives [IV.1] et [IV.2] page 128 pour les encres A5 à A20
(de haut en bas) et celles en pointillés marquent le passage du régime solide au régime liquide pour chacune
d’entre elles.
Les observations précédentes ont montré que les quatre encres sont des fluides à seuil pseudoplastiques
qui semblent adaptés au procédé de flexographie. Par ailleurs, elles sont caractérisées par la présence de
deux régimes qui sont dus à la nature viscoélastique de la pâte initiale. Pour des raisons similaires à celles
évoquées dans le paragraphe A page 126, des mesures en mode oscillatoire ont été mises en place pour
obtenir des informations plus précises quant à leur comportement durant l’impression.
2 Mode oscillatoire
Durant ces expériences, le protocole expérimental développé dans le chapitre précédent a été appliqué
aux quatre encres de flexographie. En effet, ce dernier a permis d’obtenir des données qui ont pu être
corrélées aux résultats des tests d’impression par sérigraphie. Par ailleurs, les encres étudiées sont toutes
viscoélastiques, ce qui renforce l’intérêt d’une étude en mode oscillatoire. Enfin, ce procédé peut également
être décomposé en trois étapes, ce qui permet de quantifier à la fois l’imprimabilité
4et la résistance à
l’étalement des différentes formulations. Comme pour l’impression par sérigraphie, la déformation doit être
maximale lors de la seconde étape pour favoriser la bonne reproduction des motifs du cliché, alors qu’elle
doit être minimale lors de la troisième pour réduire l’étalement des lignes. Les modules visqueux G
′′et
élastiqueG
′doivent donc être aussi faibles que possible dans la seconde étape de la simulation, alors qu’ils
doivent être aussi élevés que possible dans la troisième.
A Balayage en amplitude
Lors de ces tests, une rampe de contraintesτ
0allant de 1 à 1000 Pa a été appliquée en 10 min. Chaque
expérience a été répétée trois fois. Une fréquence d’oscillation de 1 Hz a été maintenue pour simuler
l’im-pression d’une cellule par seconde. En effet, d’après les dimensions géométriques de la presse de laboratoire
utilisée lors des tests d’impression, le cliché d’une longueur (ou développement) d’environ 50 cm effectue
une révolution par seconde lorsque la vitesse d’impression est fixée à 0,5 m·s
−1.
a. Angle de phaseδ. b. Module complexe|G
∗|.
FigureV.5:Évolution de l’angle de phase et du module complexe lors d’un balayage en amplitude en mode
oscillatoire. Les lignes discontinues marquent la fin du DVEL et le passage à l’état liquide pour les encres
A20, A15, A10 et A5 (de gauche à droite).
La figure V.5 confirme que les encres étudiées ont conservé les propriétés viscoélastiques de la pâte
initiale. Toutes montrent un premier plateau (le DVEL ou LVR) qui traduit la présence d’un régime solide
lorsque la contrainte appliquéeτ
0est inférieure àτ
LVR. Bien que la dilution augmente la concentration en
liquide au détriment de celle en particules solides, l’angle de phase δ reste proche de 10
◦(G
′>> G
′′)
dans cette région. Par conséquent, la déformation subie par les échantillons est majoritairement de nature
élastique. Dans le même temps, le module complexe |G
∗| est considérablement affecté par la dilution. En
effet, il passe de 8,7 kPa pour l’encre A5 à 0,50 kPa pour l’encre A20 (|G
∗| = 173 kPa pour la pâte A).
C’est ce qui explique la différence de comportement mise en évidence sur la figure V.2 page 161. Bien que
les deux encres soient dans le régime solide au repos (c’est-à-dire qu’elles s’écoulent peu), la plus faible
résistance à la contrainte de l’encre A20 (plus faible|G
∗|) conduit à une déformation et à un étalement plus
important sous l’effet des forces de surface. De plus, le mécanisme d’étalement sera plus rapide dans ce cas
4. Dans ce chapitre, la notion d’imprimabilité traduit la plus ou moins grande facilité avec laquelle l’encre est transférée de
l’anilox à la cellule (via le cliché) lors de la seconde étape d’un dépôt par flexographie.
à cause de la plus faible composante visqueuseG
′′de cette encre. Il faut également noter que c’est encore
une fois la première dilution qui affecte le plus les résultats et que les encres A15 et A20 présentent toujours
des propriétés très proches.
Une fois que la contrainte appliquée dépasse τ
LVR, les encres passent progressivement dans le régime
liquide. Néanmoins, cette transition a lieu d’autant plus tôt que la concentration en solvant augmente. En
accord avec la tendance observée pour la contrainte seuilτ
cdans la section précédente, τ
LVRest
respecti-vement de 48,31,13 et 10 Pa pour les encres A5 à A20 (τ
LVR= 79 Pa pour la pâte A). De même, la valeur
de|G
∗|dans le régime liquide (pourδ = 90
◦) montre un bon accord avec les courbes de viscosité (voir le
tableau V.1 page 167). Par conséquent, la dilution diminue aussi la résistance à la contrainte appliquée dans
cette région.
Les résultats présentés dans cette section montrent donc que le rapport (δ) des déformations visqueuse
et élastique reste inchangé lorsque la dilution de l’encre augmente. Par contre, les deux composantesG
′et
G
′′sont réduites, ce qui conduit finalement à une résistance globale|G
∗|inférieure (à la fois dans le régime
solide et dans le régime liquide). À l’échelle microscopique, ces conclusions peuvent être expliquées par
une réduction de la cohésion du réseau d’interactions due à la diminution relative de la concentration en
liant (qui joue le rôle de pont entre les particules) lorsque celle en solvant augmente
[103,197].
B Simulation de la flexographie
A l’aide des données extraites des expériences de balayage en amplitude, des valeurs de τ
0égales à
3,1000 et 3 Pa ont été choisies pour reproduire l’état de l’encre durant les trois étapes décrites dans le
paragraphe V.2.1 page 160. Elles ont été sélectionnées pour simuler le comportement de l’encre sur l’anilox
(régime solide), lors du passage sous la racle et durant les transferts d’encre (régime liquide) et après
impression (régime solide). Leur durée a été fixée pour acquérir un nombre de points suffisamment élevé
pour analyser les données. Une fréquence de 1 Hz a été choisie pour reproduire une vitesse d’impression de
0,5 m·s
−1. Chaque expérience a été répétée trois fois.
La figure V.6 confirme les résultats de la section précédente, le module complexe |G
∗| est clairement
plus affecté par la dilution que l’angle de phaseδ. Lors de la première étape, ce dernier est principalement
influencé par sa composante élastiqueG
′(δ ≈ 10
◦), il est compris entre 11 kPa pour l’encre A5 et 0,5 kPa
pour l’encre A20. Dès que la deuxième étape débute, l’angle de phase tend vers 90
◦, traduisant le
chan-gement de phase des quatre encres. Ici, c’est la composante visqueuseG
′′qui détermine la valeur de|G
∗|.
Selon les données rapportées dans le tableau V.1 page 167, l’imprimabilité de l’encre augmente avec la
dilution. En effet, lors de cette étape l’encre A5 est caractérisée parG
′′= 9,4 Pa et les encres A10 à A20 par
G
′′= 3,37,1,36 et 0,88 Pa. En accord avec les résultats précédents, cette évolution n’est pas directement
proportionnelle à la concentration en solvant comme en témoigne la similitude entre les encres A15 et A20.
Dès que la contrainte appliquée est fixée à sa valeur initiale, les quatre encres repassent rapidement dans le
régime solide (δ≈ 10
◦) en laissant place au processus de vieillissement. Plus|G
∗|est important durant cette
étape, moins l’encre aura tendance à s’étaler après l’impression (voir la section B page 131).
Comme c’est principalement leur composante élastiqueG
′qui régit leur comportement lors de la
troi-sième étape, la relation [IV.7] page 132 a été de nouveau utilisée pour extraire des informations quantitatives
(R
2>0,99). D’après les valeurs deG
′∞
rapportées dans le tableau V.1 page 167, l’encre A5 (G
′∞
=12,1 kPa)
s’étalera moins que les encres A10, A15 et A20 (G
′∞
= 2,95,0,74 et 0,378 Pa). Par ailleurs, l’évolution du
paramètre pmontre que la déformation de cette encre sera moins rapide. Cependant, lors des tests menés
par la suite, les lignes imprimées ont été caractérisées après un séchage à l’air qui a duré plusieurs heures.
Contrairement à l’étude réalisée dans le chapitre précédent, la cinétique de la restructuration des encres
est un paramètre secondaire dans ce cas et c’est principalement la valeur deG
′∞
qui permet d’évaluer leur
tendance à s’étaler.
a. Angle de phaseδ. b. Module complexe|G
∗|.
c. Module élastique G
′. d. Module visqueux G
′′.
Figure V.6:Évolution de l’angle de phase et du module complexe lors de la simulation des trois étapes
(délimitées par des lignes discontinues) de la flexographie en mode oscillatoire (a et b) et zoom sur
l’évo-lution des modules élastique et visqueux lors de l’étape de post-impression (c et d). Les lignes continues
représentent l’ajustement des points expérimentaux par l’équation [IV.7] page 132.
3 Conclusions
La caractérisation rhéologique des quatre encres a montré que ces dernières conservaient les propriétés
viscoélastiques de la pâte initiale. Même lorsque la concentration en solvant devient considérable (encre
A20), les expériences en mode rotation ont mis en évidence une bifurcation de la viscosité qui traduit
la présence de deux régimes (solide viscoélastique et liquide). Ces observations ont ensuite été validées
lors de tests en mode oscillatoire. Par conséquent, les quatre encres semblent adaptées à l’impression par
flexographie. Par ailleurs, leur viscosité à fort taux de cisaillement répond au cahier des charges de ce
procédé.
Les expériences de simulation ont ensuite permis d’obtenir des informations quantitatives sur le
com-portement des encres pendant et après impression. Selon ces dernières, la dilution de la pâte initiale affecte
à la fois leur imprimabilité et leur résistance à l’étalement. L’encre A5 devrait moins s’étaler que les encres
A10, A15 et A20. En contrepartie, elle devrait être la plus difficile à imprimer. Il faut toutefois souligner que
l’évolution des propriétés rhéologiques n’est pas directement proportionnelle à la concentration en solvant.
Symbole (unité) Encre A5 Encre A10 Encre A15 Encre A20
Expériences à contrainte et taux de cisaillement imposés en mode rotation
τ
c(Pa) 54±2 40±2 24±2 20±2
.γ
c(s
−1) 0,70±0,10 3,4±0,3 4,9±0,2 8,2±0,4
m 0,42±0,01 0,39±0,01 0,40±0,01 0,39±0,02
µ
c(Pa·s) 76±10 11±1 4,9±0,2 2,4±0,2
µ
. γ=5000 s−1(Pa·s) 0,50±0,06 0,15±0,06 0,082±0,012 0,052±0,008
Expériences de balayage en amplitude en mode oscillatoire
τ
LVR(Pa) 48±10 31±10 13±5 10±3
G
∗ LVR(kPa) 8,7±0,8 2,9±0,2 0,70±0,05 0,50±0,03
G
∗ δ=90◦(Pa) 8,8±0,5 3,3±0,2 1,28±0,05 0,91±0,06
Expériences de simulation de la flexographie en mode oscillatoire
G
′′ 2ndétape(Pa) 9,4±0,1 3,37±0,03 1,36±0,01 0,88±0,01
G
′ 0(Pa) 0 0 0 0
G
′ ∞(kPa) 12,1±0,3 2,95±0,07 0,74±0,11 0,378±0,003
k(s
−1) 0,069±0,005 0,048±0,003 0,010±0,001 0,013±0,001
p 0,62±0,02 0,67±0,02 0,94±0,02 0,98±0,02
TableV.1:Principales données extraites lors de la caractérisation rhéologique des encres de flexographie.
V.3. Influence des paramètres d’impression sur les propriétés de la couche d’accroche
Dans le document
Etude de la métallisation de la face avant des cellules photovoltaïques en silicium
(Page 177-184)