Le procédé de matriçage à chaud encore appelé hot embossing admet des résolutions submicroniques dans la reproduction de formes dans les polymères. La mise au point d’une machine hot embossing nouvelle génération autorise le travail à des températures telles que l’utilisation de polymères très techniques devient désormais possible. Un challenge en voie d’être remporté pour la fabrication de pièces à haute valeur ajoutée.
La nouvelle machine de hot embossing mise au point dans les locaux de l’Institut Pierre Vernier (IPV) a plus d’une corde à son arc, et sans révolutionner une technique éprouvée depuis de nombreuses années, lui apporte des améliorations considérables, offrant des voies encore inexplorées en matière de microfabrication.
L’atout principal du hot embossing est la production à faible coût de prototypes ou de préséries que ne saurait assurer l’injection par micromoulage, plus coûteuse et réservée à la fabrication en série, voire de quantités plus importantes par matriçage en collectif de pièces de petite taille.
Le principe du hot embossing est l’impression d’une forme dans un matériau polymère chauffé à une température légèrement supérieure à sa phase de transition vitreuse, entre l’état liquide et l’état solide. À ce stade de transformation, le plastique prend et conserve la forme voulue.
La machine hot embossing deuxième génération mise au point à l'Institut Pierre Vernier
La presse utilisée pour transmettre la force nécessaire à l’empreinte ou au moule, et ainsi imprimer le motif choisi dans le polymère, est dans cette nouvelle machine purement électrique. Cela lui confère une souplesse de pilotage et une précision bien supérieures à celles données par le vérin hydropneumatique employé jusqu’alors. Dans le cas de fabrication collective de composants à partir d’une empreinte, elle permet de gérer les épaisseurs avec une précision inférieure à 10 μm. La fabrication de prototypes nécessite la plupart du temps un système à moules fermés, une technique se rapprochant de celle de l’injection. Mais le procédé hot embossing ne produit pas ou que très peu de perte de matière, alors que dans le cas d’injection classique, la carotte correspondant au canal par lequel on envoie le polymère en fusion peut être jusqu’à dix fois supérieure en poids à la pièce elle-même. Compte tenu du prix du gramme de matière, de l’ordre de 17 € pour certains polymères utilisés dans le domaine médical, même à une échelle micrométrique, la gestion des déchets s’avère essentielle !
La force de la presse, de 100 kilonewton (kN) ou 10 tonnes, permet d’obtenir des résultats équivalents à ceux de l’injection plastique, générant, elle, une force de 25 tonnes ! « Cet avantage se répercute sur l’outillage. On peut utiliser de simples plaques de laiton ou d’aluminium, voire de polymère ou de silicone quand l’injection nécessite des outillages complexes en acier traité, beaucoup plus onéreux », explique Gautier Senlis, ingénieur à l’IPV et chef de projet HEM (hot embossing machine).
Autre avantage apporté par cette machine seconde génération : la température. Du maximum de 250°C atteint par la version précédente, elle monte sans problème jusqu’à 400 voire 450°C, ce qui ouvre tout grand les portes vers le travail de polymères très techniques, obtenus par des mélanges complexes de matériaux. On peut citer parmi eux les PEEK, pour lesquels la phase de transition vitreuse est atteinte à 300 ou 350°C.
Outre leur biocompatibilité, les propriétés mécaniques des PEEK permettant à de très petites pièces de conserver leur forme même sous l’action d’une forte température, en font des matériaux de prédilection du domaine biomédical, notamment pour leur capacité de résistance à la stérilisation. « Des réalisations avec ce type de polymères pourraient également intéresser l’industrie horlogère, selon Gautier Senlis. Ultrafines, plus légères que des pièces en métal, elles nécessiteront moins d’énergie pour vaincre l’inertie d’un système horloger ». Des applications pourraient également être envisagées en pétrochimie ou dans la mise au point de moteurs, et plus généralement pour certains systèmes utilisés dans les milieux agressifs à température élevée.
Cette machine nouvelle version permet de fabriquer des contre-formes (double hot embossing) dans un plastique résistant à des températures plus élevées que la pièce. Ces moules peuvent être utilisés plusieurs fois et servir à la réplication d’un même prototype en différents matériaux. Mais l’inventaire des qualités de la hot embossing machine n’est pas terminé…
Le tableau de pilotage concentre toutes les commandes de la machine
On pourrait citer la technique de travail sous vide modulable qui remplace le système à pression atmosphérique et limite l’emprisonnement de bulles d’air dans la matière ; le tableau de pilotage de la machine, pratique et convivial, où se concentrent sur un même écran et à partir d’un seul outil informatique toutes les commandes, de la détermination de la forme d’un composant à l’actionnement du système de verrouillage des portes ; le réservoir de 65 litres d’eau permettant un refroidissement en circuit fermé, un fonctionnement autonome et économique… Mécanique, électricité, plasturgie, informatique… cette machine très complexe, hautement technologique, a été conçue et développée en intégralité par l’ensemble des experts travaillant sur place.
Ces ingénieurs et chercheurs de l’Institut Pierre Vernier, de l’ENSMM, de l’Institut FEMTO-ST ont été rejoints par quelque dix partenaires, laboratoires et entreprises, dans un même projet au sein du programme COMPROMI (Convergence des procédés de microfabrication de composants plastiques à forte valeur ajoutée).
L’assemblage de la machine désormais achevé, la phase ultime de tests et d’essais démarre avec la nouvelle année.
Huit ans après la mise au point de la première version de la machine hot embossing par les ingénieurs et chercheurs francs-comtois, l’exploitation de la machine nouvelle génération sera proposée aux entrepreneurs au cours du premier semestre 2011.
