Les machines de rotomoulage nécessitent trois fonctions principales : rotation, chauffage et refroidissement. Néanmoins, au regard des géométries, de la densité de production, des polymères transformés ou du niveau de contrôle sur le procédé, différentes machines peuvent être employées.
Les premières rotomouleuses étaient basées sur le principe du « rock & roll ». Pour ce concept, le 1er axe ne fait que monter et descendre verticalement sans excéder un angle de 45°C avec le sol. Le 2nd axe perpendiculaire au 1er, quant à lui tourne à 360°C avec une révolution relativement lente (4 rpm typiquement). Cette méthode est encore largement utilisée pour les géométries cylindriques avec une symétrie de révolution sur le 1er axe (canoë, kayaks, tuyaux). Le chauffage est généralement assuré sous le moule par des résistances électriques ou au gaz.
Toutes les autres machines sont basées sur une rotation complète des deux axes. On peut distinguer :
- les machines de type « clamshell » où le four se referme sur le moule,
- les machines « shuttle » où le moule monté sur rail passe du four à l’espace de service ou de refroidissement (Figure 33).
- les machines verticales réservées aux petits volumes en grande série permettant sur 3 bras espacés à 120°C d’avoir les stations : chargement/déchargement, chauffage et refroidissement toutes occupées en même temps,
- les machines carrousels (Figure 33), versions horizontales des machines verticales, dédiées aux pièces de plus grand volume. Les dernières optimisations sur ces machines telles que l’indépendance et l’augmentation du nombre de bras (4 voire 5 bras) apportent une versatilité qui en fait la machine la plus demandée industriellement,
- Les machines dites « sans four » équipés d’un moule à canaux permettant le chauffage ou le refroidissement par flux d’huile. De même, on peut citer les machines dont le moule en composite est muni d’éléments électriques chauffants
et de canaux d’air pour le refroidissement. L’absence de four protège tous les éléments électriques de la chaleur et prolonge la durée de vie de la machine. De plus, ces machines apportent un net avantage sur le transfert thermique notamment pour les polymères thermosensibles ou réactifs. Elles sont à l’heure actuelle les plus chères du marché et sont réservées aux pièces à haute valeur ajoutée. De plus, la production sur ce genre de machines est évidemment plus lente que sur des systèmes avec des stations fonctionnant toutes en parallèle. D’autres machines plus exotiques existent mais sont peu utilisées telles que le chauffage par micro-ondes, induction ou infrarouge. Ces modes de chauffage nécessitent des épaisseurs de moule relativement homogènes et s’adapte surtout à des machines travaillant en « rock and roll ».
Figure 33 : Machines de rotomoulage : Ci-contre de type «carrousel» vue de haut et
ci-dessus de type «shuttle»
La configuration de la machine doit répondre à deux critères :
- le volume maximum du moule : le moule doit pouvoir rentrer dans l’espace considéré entre les deux axes de rotation ainsi que les stations de chauffage et de refroidissement.
- la masse maximale du moule : les bras ou les axes doivent pouvoir supporter la masse du moule chargé et contrôler la vitesse de rotation sans à-coup. Ainsi, il est toujours préférable que le centre de gravité du moule soit placé au centre des deux axes de rotation.
De même, la géométrie du moule doit être particulièrement adaptée au polymère transformé. En effet, le rotomoulage est réalisé sans pression de fermeture ni contrainte sur la pièce. Ainsi, le retrait peut être très important sur ce procédé. Il s’explique par trois facteurs :
- la différence de dilatation thermique entre la température de mise en forme et celle de démoulage,
- la cristallisation d’un polymère semi-cristallin diminuant la densité du matériau par une organisation macromoléculaire,
- la polymérisation d’un système réactif entrainant une diminution du volume libre entre l’état initial (monomères) et l’état polymérisé.
Ainsi, plus la densité du système augmente au cours du procédé, plus le retrait est important, moins le moule nécessite de forts angles de dépouille pour pouvoir démouler. Le Tableau 8 donne la gamme de retrait linéique rencontré par les polymères couramment rotomoulés et les recommandations pour les angles de dépouille mâles (intérieurs). Il est à noter que les angles de dépouille mâles doivent être bien plus
grands que les femelles car le retrait éloigne la pièce des angles extérieurs et inversement se referme sur les angles intérieurs. De plus, si la surface du moule a été texturée (non lisse), les angles de dépouille doivent être élargis. La même précaution doit être apportée dans les rayons de courbure.
Polymère Retrait linéique (%) Angle de dépouille mâle (°) LDPE HDPE PP PVC PC PA6 1,6 à 3,0 3,0 à 3,5 1,5 à 2,2 0,8 à 2,5 0,6 à 0,8 1,5 à 3,0 1 à 2 1 à 2,5 1 à 2 1 à 3 3 à 5 1,5 à 3,5
Tableau 8 : Retrait linéique de polymères rotomoulés par voie fondue et angle de dépouille mâle recommandé [BEA 98]
Le rotomoulage produit des pièces larges et creuses qui sont donc sensibles à une déflection ou à un gauchissement. Un renforcement du polymère par des charges ou des fibres n’est pas préconisé avec le procédé en raison de la hausse significative de viscosité associée. Ainsi, les efforts sont portés sur le design des pièces et donc du moule. Ces derniers présentent souvent des cotes apparentes et/ou des jonctions entre parois appelés « kiss-off » augmentant ainsi la résistance mécanique des pièces.
Figure 34 : Coupes de pièces rotomoulées renforcées par des cotes apparentes (ci-contre) ou un kiss-off (ci-dessus)
Une des autres voies privilégiées pour renforcer les pièces est la fabrication de matériaux multicouches. En effet, des structures multicouches PE/PEmoussé/PE ou PP/PA sont fréquemment produites en rotomoulage. Deux méthodes sont possibles pour fabriquer un multicouche :
- La première méthode possible en une seule étape consiste à ajouter deux types de poudres dans le moule. La première poudre ne contient pas d’agent moussant et possède une granulométrie et une température de fusion plus faibles (tel LDPE ou EVA). Les propriétés de la poudre sont inversées pour la seconde couche contenant l’agent moussant (HDPE + azocarbonamide) lui permettant une fusion et une adhésion retardée. Cette méthode en une seule étape induit souvent un gradient de propriétés dans l’épaisseur.
- La seconde méthode est réalisée en plusieurs étapes c.à.d. que chaque polymère est chargé après que la couche précédente soit répartie. Afin de ne pas devoir sortir le moule du four pour chaque injection, la poudre des couches suivantes est chargée dans une « drop box » dès le départ. Cette boite thermiquement isolée possède une valve électrique permettant son déchargement directement dans le moule sans aucun arrêt de la rotation. Pour un tricouche, deux « drop boxes » sont alors nécessaires. La « drop box » est souvent placée sur le moule
mais peut être logée directement dans la cavité du moule pour des soucis de place [SHU 86]. Cette méthode en multi-étapes induit une réelle interface cœur / peau sur les pièces.
Figure 35 : Drop box (Wheeler Boyce, USA)
Une autre voie employée afin d’augmenter la résistance mécanique des zones sous contraintes est la réalisation d’une surépaisseur de matière par le surchauffage localisé du moule. Cette méthode ne s’applique que pour le procédé classique pour lequel la poudre adhère dès que sa « tack » température est atteinte. Le surchauffage peut être provoqué par le passage d’air chaud accéléré par un obstacle appelé « baffle ». La dépression causée par effet Venturi provoque une augmentation de la température de l’autre côté de l’obstacle par décompression adiabatique. Une baffle est souvent placée dans les zones creuses du moule difficiles à chauffer par convection dans un four. Un autre moyen est l’inclusion d’ailettes sur la surface externe du moule. Ces dernières photographiées sur la Figure 36 permettent d’augmenter la surface d’échange thermique. Ainsi, le moule y est plus chaud qu’ailleurs.
Figure 36 : Ailettes installées sur la surface externe du moule pour augmenter l’épaisseur de polymère adhéré (voie fondue)
Suivant le même principe pour le procédé classique, l’épaisseur de matière adhérée sur la paroi peut être modulée en faisant varier l’épaisseur ou le matériau du moule. Plus l’épaisseur du moule est faible, plus sa surface interne est chaude, plus l’épaisseur de poudre localement adhérée est élevée. De même, si localement le moule possède une conductivité thermique plus élevée, l’épaisseur adhérée est plus importante.
Ces différentes méthodes ne s’adaptent pas au procédé réactif pour lequel la matière n’adhère au moule qu’à partir d’une certaine viscosité fonction de la température mais aussi de l’avancement de la réaction.
Enfin, une dernière voie plus invasive consiste en l’ajout d’un insert. En effet, le procédé classique comme réactif permet un surmoulage aisé d’inserts fixes ou destinés
à une empreinte d’aménagement ou de renfort. Les inserts sont souvent maintenus contre la paroi par un ressort pour assurer l’étanchéité du moule sans trop contrarier le retrait naturel de la pièce. Cependant, la dilatation thermique des polymères est environ 10 fois plus élevée que celle des métaux. Ainsi, la rétraction du polymère est souvent limitée par l’insert et induit des contraintes résiduelles, sources potentielles de fissures. Ainsi, les rotomouleurs conseillent d’éloigner les inserts des coins de la pièce d’au moins 3 fois l’épaisseur de matière [CRA 03].
Les designs des moules sont aujourd’hui étudiés par des logiciels 3D CAO (conception assistée par ordinateur. Ils permettent d’évaluer les meilleures dimensions pour le cadre de la rotomouleuse. De plus, une analyse par éléments finis des contraintes mécaniques peut être envisagée suivant la géométrie choisie. Ces logiciels permettent aussi de calculer la surface interne du moule et donc d’estimer les masses de polymères à injecter. Un autre avantage est le transfert direct des dimensions 3D aux machines automatique d’usinage des moules (CNC : Computer Numerically Controlled).
Enfin, la technologie Mold-In Graphics Systems® dédiée au rotomoulage permet la dépose in situ d’un graphique permanent sur la pièce finale grâce à un autocollant préalablement collé sur la paroi du moule. Ces graphiques montrent une adhésion et une durabilité nettement supérieures à tout sticker collé après le procédé.
C’est évidemment le faible coût des moules qui rend le rotomoulage attractif par rapport à l’injection, au soufflage ou au thermoformage. De même, c’est le procédé qui induit le moins de contraintes résiduelles dans le matériau en raison du très faible cisaillement induit lors de la mise en forme (hors insert).