Les matériaux thermoplastiques ont toute une gamme de technologies à leur disposition pour leur mise en forme, dont l’injection plastique n’est pas la moindre. Parmi celles-ci, le hot embossing — matriçage à chaud — peut s’avérer salvateur lorsqu’il s’agit de réaliser des petites séries ou des prototypes pour valider une idée ou un process. L’Institut Pierre Vernier peut réaliser des études et des prestations de service sur cette technologie.
L’histoire du hot embossing au département Développements technologiques de l’Institut Pierre Vernier a commencé dans les années 2000 quand l’équipe a eu besoin d’une technologie de mise en forme de thermoplastique pour ses propres applications. Elle s’est rendu compte depuis que la technologie pouvait être utile à de nombreux industriels et laboratoires. Elle continue de l’améliorer depuis et propose études et prestations aux laboratoires et industriels.
Le hot embossing consiste à porter un polymère au-delà de sa température de transition vitreuse, sans toutefois atteindre sa température de fusion. Dans cet état, le matériau est mou, sans être liquide, et peut donc être travaillé, en l’occurrence en le pressant dans un moule qui lui donnera une forme définie. Reste ensuite à refroidir le matériau pour aboutir à une pièce. Pièces en polymères thermofusibles dont la température de transition vitreuse est inférieure à 250°C, tels que ABS, PS, PMMA, POM… sont réalisables grâce à cette technique. Les matrices peuvent être dures (silicium, acier, laiton, PES…) ou souples (PDMS). Dans une limite supérieure d’un diamètre de 4 pouces, toute taille d’objet peut être concevable. De plus, il est possible d’obtenir des facteurs de forme relativement importants. Si cette technique est utilisée depuis quelques dizaines d’années, il a fallu attendre une connaissance approfondie du comportement des polymères, notamment en fonction de la température, ainsi qu’une amélioration de la précision des déplacements, pour que le hot embossing éveille un regain d’intérêt.
Car ses avantages le rendent très complémentaire de l’injection plastique. D’une part, le hot embossing n’engendre pas de perte de matière. Lorsqu’on travaille avec les nouveaux polymères du monde biomédical qui peuvent atteindre le millier d’euros le gramme, cet avantage n’est pas des moindres. D’autre part, dans la mesure où il n’est pas nécessaire de chauffer le matériau jusqu’à la phase liquide, les dépenses en énergie sont également faibles par rapport à l’injection plastique. Enfin, l’outillage est très peu cher. Qui plus est, toute latitude est laissée pour la réalisation des matrices, en fonction des besoins : l’usinage grande vitesse… et surtout les technologies salle blanche, avec toute la précision qu’elles amènent.
Ainsi, là où l’injection plastique ou les autres technologies de mise en forme de polymère peuvent paraître difficiles à mettre en œuvre pour des questions de coûts ou de temps, le hot embossing peut être la solution.
Il convient donc particulièrement pour les conceptions de prototype, bonne forme ou bonne matière, et les préséries.
C’est exactement dans cet objectif que l’entreprise BIC a fait appel à l’Institut Pierre Vernier pour réaliser un prototype de guide optique. Au vu de sa complexité, le moule de la pièce, s’il avait dû être fabriqué pour l’injection plastique, aurait été beaucoup trop cher pour une phase prototypage. L’entreprise a donc opté, avec les conseils de l’Institut Pierre Vernier, pour le hot embossing, et plus précisément le double hot embossing. Une première pièce, d’un diamètre de 3,4 mm, a été réalisée en acier par usinage grande vitesse, ce qui a permis de mouler un négatif dans du PES, qui lui-même a servi de moule pour la pièce définitive, en ABS.
Pour répondre aux besoins du marché, le département Développements technologiques est en train actuellement de mettre au point une nouvelle génération de machine de hot embossing. Elle répondra à plusieurs niveaux d’amélioration. D’une part, elle sera plus facile d’utilisation grâce à l’automatisation de certaines fonctions et à la conception d’une interface homme / machine. La prise en main de la machine, pour qui veut se l’approprier sur les sites de production, serait donc facilitée et ne nécessiterait pas un temps de formation long. D’un autre côté, sur le volet technique de la méthode elle-même, la sensibilité du contrôle en température sera accrue. Dans la mesure où cette technologie repose en grande partie sur le comportement en température des matériaux, un contrôle fin de cette température ainsi qu’une augmentation au-delà de 400°C de la température de travail permettraient d’imaginer mettre en œuvre de nouveaux polymères à haute valeur ajoutée (PEEK) dans des applications de niche (implants médicaux). Cette nouvelle machine sera également à même de faire du soft embossing. Dans ce cas de figure, le moule est fabriqué dans un matériau mou, typiquement le PDMS. Des formes nouvelles peuvent ainsi être obtenues puisque le moule peut se déformer au moment du démoulage, ce qui enlève une contrainte.
La machine hot embossing de l'IPV et le schéma de principe
Enfin, une dernière piste de travail, qui se déploiera à plus ou moins long terme, consiste à adapter les technologies PIM — powder injection molding — au hot embossing. Ces méthodes ont été développées pour mettre en forme des poudres minérales (par exemple métalliques). L’idée est de mélanger des particules de poudre dans une matrice polymère. À basse température, le mélange obtenu a globalement le comportement et les propriétés du polymère. Il pourrait donc être mis en forme par hot embossing. Ensuite, après refroidissement, un post-traitement permet d’obtenir la pièce finale dans le matériau désiré (par exemple un métal). Les avancées, les diversifications à venir, en plus de sa facilité de mise en œuvre et son faible coût, font du hot embossing une technologie prometteuse.
Exemples de réalisation : guide optique (en haut) et application médicale (en bas)
De plus, l’Institut Pierre Vernier peut aussi jouer de complémentarité dans l’intégration du hot embossing dans les chaînes de conception de microcomposants.
Le département Développements technologiques peut mettre à profit ses compétences en microfabrication et fabrication de précision pour la conception des moules. Ses savoir-faire dans la mise en forme de polymères permettent d’envisager des process idoines pour le hot embossing, ainsi que l’étude de nouveaux matériaux. Le département Processus industriels, quant à lui, est à même d’automatiser la nouvelle génération de la machine hot embossing. Les chargés d’affaires du département Ingénierie de projets de l’IPV sont les interlocuteurs privilégiés des industriels, les guidant dans leurs projets de faisabilité et/ou dans la réalisation de prototypes.
Contact : Claudia Laou-Huen
Service Communication
Institut Pierre Vernier
Tél. (0033/0) 3 81 40 57 08
