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Projet abouti

Matériaux

Thermel : l'optimisation de la fabrication des pièces moulées en caoutchouc

Elastopôle, 

Crédit photo : Spencer-Moulton

L’optimisation du cycle de production de pièces moulées en caoutchouc, pour une baisse des coûts de production, l’amélioration de la qualité des pièces, la réduction de la consommation énergétique  

 Le projet Thermel a été labellisé par le pôle de compétitivité Elastopôle. Il a bénéficié d’une subvention dans le cadre du 6e appel à projets du fonds unique interministériel (FUI).  

Le contexte

Les élastomères ou caoutchouc sont présents partout dans notre vie quotidienne : gants, tétines de biberon, chaussures, équipements de sport, préservatifs. Ils contribuent également à la performance de divers objets manufacturés tels que les véhicules de transport, les bâtiments, les ouvrages de génie civil, les équipements industriels et médicaux. Les propriétés du caoutchouc sont en effet irremplaçables pour assurer une multitude de fonctions essentielles comme le transfert de fluides et l’étanchéité, sans oublier leur caractère antivibratoire.

La principale technique de mise en œuvre des caoutchoucs est le moulage. Il permet à la fois la mise en forme du matériau et la vulcanisation, c'est à dire la réaction chimique qui lui confère les propriétés élastiques finales. Cette opération nécessite chaleur et pression et est fortement consommatrice d’énergie. Actuellement, il n’existe pas de modèle prédictif fiable pour déterminer le bon compromis temps/température pour obtenir la vulcanisation correcte d’une pièce de géométrie connue en élastomère.  

L’objectif

L’objectif du projet était de développer un programme de simulation numérique capable d'optimiser les cycles de vulcanisation des pièces moulées à base d'élastomères. Ce programme de simulation numérique visait à optimiser les cycles de production, notamment  :

  • l'accélération de la mise sur le marché d'innovations ;
  • la baisse du coût de production ;
  • l’amélioration de la qualité des pièces moulées ;
  • la réduction de la consommation énergétique.

L’optimisation par calcul du cycle de moulage devait permettre de réduire le temps de mise au point des prototypes et leur industrialisation. Elle laissait espérer également une réduction du temps d’occupation des presses et donc de la consommation d’énergie. Il était donc attendu une amélioration de la productivité, ainsi que de la qualité des pièces grâce à l’optimisation des zones de chauffage et à une meilleure vulcanisation à coeur                                                                                                                                                                   

Les partenaires du projet

  • La société Hutchinson, 1er transformateur de caoutchouc industriel en France est le porteur du projet 
  • Cooper Standard France, grand groupe industriel
  • Spencer Moulton (PME),
  • GEFICCA (PME),
  • Sacred (PME),
  • ITC Elastomères (PME),
  • Sacatec, (PME), 
  • REP, fabricant de presses (PME),
  • SDC, fabricant de moules (PME)
  • Le laboratoire public GEPEA - OPERP (Université de Nantes)
  • Le laboratoire de recherches et de contrôle du caoutchouc et des plastiques (LRCCP).

Les travaux menés

  • mise au point des moyens optimisés de caractérisation thermique et cinétique des mélanges élastomères et des agents d'adhérisation ;                                                                                                                                                                                             
  • mise en place d'une plate-forme de caractérisation thermique et cinétique de ces matériaux  au sein du laboratoire LRCCP ;
  • mise à disposition d'une base regroupant ces données accessible aux partenaires ;
  • création d’un modèle 2D permettant de prévoir le compromis temps/température optimisant la vulcanisation d'un élément caoutchouc représentatif de pièces réelles de géométrie simple et prenant également en compte l’optimisation de la réaction d’adhésion dans le cas de pièces multi-matériaux ;      
  • développement d’un programme de simulation numérique capable d'optimiser en 2D les cycles de vulcanisation des pièces moulées à base d'élastomères.

Les premières retombées technologiques et économiques 

  • Produits, procédés, services issus de la R&D :
    • l'implantation d'un programme de simulation et d'optimisation de la vulcanisation des pièces moulées en élastomères (Vulca) au laboratoire LRCCP et chez 6 partenaires industriels.
    • Une plate-forme de caractérisation thermique et cinétique des élastomères a été créée et est à la disposition de l’ensemble de la profession ;
    • Certains industriels ont mis en place des moyens permettant la réduction de la consommation énergétique des presses·

Les partenaires ont engagé deux projets R&D complémentaires : Vulca2, pour le développement de nouvelles fonctions de calcul du programme Vulca, et Rhéotel, pour l’étude thermique et rhéologique des lois d’écoulement du caoutchouc (échauffement du matériau lors du remplissage des moules par injection)

  • Publications scientifiques : 5
  • Conférences : 10
  • Thèses : 2
  • Emplois : 2 à l’issue du projet
  • Perspectives : une réduction de 10 à 15% du temps de cycle de moulage est observée, ce qui laisse espérer globalement une économie d’environ 20 millions d’euros par an aux entreprises de moulage de caoutchouc. Le programme Vulca ne sera pas mis sur le marché. Les industriels intéressés par cette simulation peuvent la sous-traiter auprès du laboratoire LRCCP. Il est encore trop tôt pour quantifier les retombées chez l’ensemble des partenaires industriels, résultant des prises de commandes permises par les résultats du projet.

Comparaison de la position du front de vulcanisation calculée avec le programme de simulation Vulca et observée dans une pièce en caoutchouc moulée.

  • Zones grises : coupe au sein de pièces moulées traditionnellement : en haut la pièce vulcanisée à 100% et en bas la pièce n’est que partiellement vulcanisée (30%). On note la présence de bulles d’air.
  • Zones en couleur : simulations numériques faite avec le programme Vulca, correspondant aux conditions de moulage des pièces de droite. En haut et en rouge, le taux de vulcanisation de 100%. En bas et en bleu, la vulcanisation partielle (30%). La simulation numérique est en accord avec les résultats expérimentaux. On peut donc par calcul prévoir correctement le taux de vulcanisation que l’on obtiendra réellement dans la pièce en caoutchouc.

Patin pour chenille mécanique de pelleteuse lourde. Crédit photo : Sacatec

Elément constitutif de la suspension secondaire de bogie ferroviaire. Crédit photo : Spencer-Moulton

 

 

 

 

 

 

Les pôles de compétitivité
DATAR et Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie

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