Intégration de recyclé : Une nouvelle approche innovante avec Varimos

Simulation numérique et recyclage : Pour accompagner la nécessaire montée en puissance de l’utilisation de matières premières de recyclage en production, Cadflow propose sa solution Varimos d'optimisation automatique basé sur un plan d'expériences. Une Journée Technique de présentation est organisé à Oyonnax le 20 Juin au Lycée Arbez Carme avec la collaboration de l’INSA Lyon.

En raison du nombre de places limité, l'inscription est obligatoire.


Retrouvez cet article dans le n°957 de Plastiques & Caoutchoucs Magazine.

L’intelligence artificielle appliqué au moulage par injection est désormais possible. Que ce soit au bureau d’études ou en production, nous avons une solution pour chacun permettant d’optimiser le process en seulement 3 heures, simplement et automatiquement au travers d'un plan d'expériences (Design Of Experiments ou DOE).

Au bureau d’études, l’apprentissage se fait par le lancement automatique de quelques simulations sous Cadmould® 3D-F. L’utilisateur aura préalablement défini les variations possibles sur les paramètres process ou topologique (épaisseurs, géométries, …), mais aussi via des tolérances géométriques (cotation, planéité, circularité, …).

Le logiciel Varimos® Virtual effectue alors une analyse comportementale des résultats afin d’établir une loi de réponse pour chaque grandeur physique, puis procède à l’optimisation de tous les paramètres afin d’atteindre les critères de qualité définis, et suggére alors les réglages process optimaux.

En production, la démarche est assez similaire, le logiciel Varimos® Real vous guide au travers d’un protocole très précis afin de réaliser les échantillons sur presse et les mesures nécessaire pour son bon fonctionnement.

Nos contributeurs


Hikmet Houichi
Enseignant-chercheur
Insa Lyon - Laboratoire LaMCoS
hikmet.houichi@insa-lyon.fr
(CNRS UMR 5259).


Raphaël Mosnier
Directeur général de Cadflow
rmosnier@cadflow.fr


Kim Tabaries
Ingénieur à l’Insa Lyon
Laboratoire LaMCoS
(CNRS UMR 5259).
Contexte
De par ses enjeux économiques et environnementaux, le recyclage des déchets plastique fait aujourd’hui l’objet d’une volonté politique forte. En effet, alors que l’économie des matières premières ou d’énergie est un enjeu majeur partagé au niveau mondial, la valorisation matière de déchets plastique contribue positivement à l’économie de matières premières ou d’énergie et à leur sécurité d’approvisionnement. L’utilisation de matières premières de recyclage (MPR), incluse dans une approche globale de développement durable et d’économie circulaire, contribue aussi à l’atténuation du réchauffement climatique, à la préservation de la santé des hommes, à la protection de l’environnement et des écosystèmes. Par ailleurs, les directives européennes poussent les États européens vers toujours plus de valorisation des déchets, et en particulier vers la valorisation matière.

Un des défis actuels est d’amener notre industrie du recyclage des plastiques à un niveau d’industrialisation qui va nous permettre d’augmenter la consommation de MPR et d’atteindre un recyclage à haute valeur ajoutée. Le taux d’incorporation de MPR représenterait environ 7 % de la production totale de plastique en France[1].

Récemment, les industriels de la plasturgie se sont formellement engagés pour l’intégration croissante de MPR. La moitié des entreprises du secteur intègre déjà des MPR dans la fabrication de leurs nouveaux produits, tels que les emballages (bouteilles, pots de peinture, films, sacs…), les pièces automobiles, le mobilier urbain, les fenêtres et les canalisations. D’ici à 2025, près de 600 000 tonnes/an de MPR seront consommées, soit le double de la consommation actuelle[2].

Toutefois, la MPR est confrontée à un déficit d’image, lié le plus souvent à la méconnaissance de ses qualités intrinsèques, et à une mauvaise connaissance par les donneurs d’ordres de sa compatibilité avec les attentes et les besoins industriels. Aujourd’hui, les professionnels n’ont pas suffisamment de recul et de données sur les règles de conception spécifiques, de produits et d’outillages, liées à cette nouvelle matière première. Ils conçoivent généralement pour de la matière vierge et c’est à la matière recyclée de s’adapter aux contraintes, alors qu’il faudrait précisément l’inverse pour augmenter l’intégration des MPR dans les produits plastique. Les plasturgistes auront besoin en effet d’adapter leurs systèmes productifs à l’intégration des MPR afin de prendre en compte les contraintes techniques réelles liées aux propriétés de la matière et les paramètres du procédé de transformation.

L’objectif principal de notre projet est de montrer l’apport de nos outils de simulation numérique à l’optimisation du procédé d’injection afin de promouvoir l’utilisation des MPR et obtenir des pièces respectant des cahiers des charges exigeants.

[1] Ademe. Bio by Deloitte, mars 2015, "Bilan national du recyclage 2003-2012", rapport p. 35. [2] Benoît Hennaut et Jean Martin, Fédération de la plasturgie et des composites, Forbes France, 8 Avril 2019.


Les plasturgistes ont besoin d’adapter leurs systèmes productifs à l’intégration de matières premières de recyclage.





Problématique
Auparavant, la production se faisait de façon purement séquentielle. Ce qui se caractérise par un travail en interne de chaque service et par le transfert des résultats d’un service à l’autre sans ou avec très peu de communication. L’anticipation des étapes de développement et des décisions très en amont du projet contribue à réduire le temps et le coût des mises au point du moule. Un outil d’aide à ces décisions, basées sur la connaissance, est l’utilisation de la modélisation telle que la simulation de l’injection. Plus de la moitié des entreprises qui ont utilisé notre outil de simulation Cadmould ont déclaré avoir réduit coûts et temps de développement de 21 à 40 % par rapport aux projets développés sans l’utilisation d’outils de simulation.

Varimos (Virtual And Real Injection Moulding Optimisation System) est un système qui contribue au développement de pièces injectées, dès la conception jusqu‘à la mise en production. Il combine la simulation numérique et la mise en application du procédé sur la presse d’injection. En outre, Varimos offre la possibilité de surveiller et d’analyser la production en série, en cours d’exécution. L’optimisation virtuelle ainsi que l’optimisation réelle des qualités requises de la pièce injectée sont effectuées en se basant sur la technique du plan d’expériences.

Si le moule est déjà fabriqué, et si la qualité des produits n’est pas suffisante ou si la production en série n’est pas rentable, la méthode statistique des plans d’expériences (DOE) peut y apporter une solution. On offre la possibilité d’identifier les dépendances entre les objectifs ciblés au cours de la production et les paramètres modifiables qui permettent d’optimiser la pièce et la qualité de la production. Si le résultat du plan d’expériences ne permet pas de garantir les cotes dans leurs tolérances, celui-ci peut être utilisé de façon ciblée pour définir des modifications dimensionnelles de l’empreinte dans le moule.

Varimos Virtual permet d’optimiser la pièce et les paramètres d’injection à un niveau virtuel, en passant uniquement par la simulation numérique. Le résultat n’est pas seulement une pièce répondant à tous les critères de qualité définis, mais aussi à un procédé qui est économiquement optimisé et qui garantit une productivité maximale. En outre, le procédé devient robuste vis-à-vis des changements des conditions de production tels que les variations des propriétés du matériau brut d’un lot de matière à un autre, du moule, de la température ambiante…

Des projets réalisés avec succès ont montré l’aptitude de Varimos à optimiser simultanément plus de 100 cotes fonctionnelles. Le plan d’expériences offre l’avantage fondamental de l’optimisation des paramètres influençant basée sur une procédure statistique. Cela comprend un changement simultané de plusieurs paramètres à la fois. Il en résulte une réduction significative des réglages sur les paramètres qui doivent être calculés en utilisant la simulation de l’injection.

Varimos Real optimise la pièce et les paramètres d’injection en prenant en compte l’environnement de l’atelier, le moule, la presse et la matière. C’est un plan d’expériences que nous réalisons directement en démarrage de production, afin de trouver le paramétrage optimal sur la presse.

Approche expérimentale
Dans le cadre d’un partenariat de recherche entre l’Insa Lyon, le lycée Arbez Carme d’Oyonnax et Cadflow, nous avons utilisé Varimos Real pour trouver les conditions optimales d’un procédé d’injection des MPR. Nous constatons dans le cadre d’une production avec différents pourcentages de matière recyclée introduite et sans l’aide d’un DOE que nous avons des difficultés à respecter des critères qualités dans leur tolérance. L’utilisation de Varimos Real par l’utilisation de différents réglages élaborés par le plan d’expériences nous permet de respecter au mieux les critères de qualité imposés en proposant de nouveaux paramétrages. Par ailleurs, le PP 100 % recyclé est sujet à une certaine instabilité. Celui-ci étant composé d’un mélange de différents PP, cela entraîne des variations sur les valeurs de distance au sein d’un même lot d’échantillons. Grâce à Varimos Real, des mélanges PP/PP vierge permettent de remédier à cette problématique et d’approcher au mieux les cotes fonctionnelles en évitant le gauchissement de la pièce.

3 questions à Raphaël Mosnier, directeur général de Cadflow
"Des plans d’expériences de plus en plus complexes"

Quels sont les freins au développement de l’injection des MPR ?
Les MPR ont, par définition, déjà subi au moins un cycle de transformation, ce qui peut conduire à un certain degré de dégradation du polymère et une modification de ses propriétés rhéologiques. De plus, la grande hétérogénéité des gisements de déchets plastique sfait qu’il est extrêmement difficile d’assurer une constance de qualité d’un lot de matière à un autre avec les procédés de valorisation actuels, ce qui a des répercussions négatives évidentes sur la maîtrise du procédé de mise en forme et la qualité des pièces fabriquées à partir de ces matières recyclées. D’autre part, les outillages destinés à la transformation des thermoplastiques par injection sont principalement développés pour les matières vierges. Les outillages ainsi développés ne sont pas réellement adaptés aux MPR, engendrant des difficultés de transformation par injection du point de vue du remplissage, du démoulage et du parachèvement. En effet, les plasturgistes ont besoin de base de données matières, de règles de conception spécifiques aux outillages et produits plastiques, d’outils d’optimisation et de contrôle en ligne de la transformation par injection des MPR.

La simulation numérique et l’optimisation du procédé d’injection pourraient-elles promouvoir l’utilisation des MPR ?
La simulation numérique et l’optimisation du procédé d’injection permettent de réduire de manière significative les temps de cycle, les rebuts et les déchets de production. Dans le contexte de l’industrie 4.0, les données de sortie des outils de simulation de l’injection pourraient alimenter les technologies de surveillance process en ligne permettant de lisser la fluctuation de la qualité des MPR et d’assurer la reproductibilité des propriétés finales de la pièce transformée et respecter donc les cahiers des charges. Nos outils Cadmould® 3D-F et Varimos permettent d’effectuer des plans d’expériences de plus en plus complexes et dans des délais de plus en plus courts. Cette intelligence artificielle apportée par Varimos permet de maîtriser les interactions complexes entre la géométrie de la pièce, la technologie du moule, la matière et les paramètres process. Utiliser Varimos, c’est réduire le poids des pièces de 5 à 20 %, c’est réduire le nombre de mises au point moyen de 3, 5 à 1, 2, c’est améliorer les temps de cycle de 20 %, c’est réduire le temps de développement d’une pièce plastique de 25 %, et, enfin, c’est augmenter sa profitabilité de 30 %.

Comment accompagnez-vous vos clients ?
Nous sommes très actifs pour soutenir nos clients et les accompagner pour se préparer à la transition vers l’économie circulaire qui va transformer leurs modes de production. Cela est fait à travers l’optimisation de leurs procédés de transformation, outillages et utilisation de matières premières. Dans ce cadre, nous organisons une journée technique à destination des industriels pour les sensibiliser à l’utilisation des outils de simulation numériques des procédés de transformation de matières plastiques et leur présenter les atouts de notre solution Varimos dans l’optimisation de l’injection des MPR. Cette journée technique, consacrée à la simulation numérique et au recyclage, se tiendra le Jeudi 20 juin 2019 de 13 h 30 à 17 h 00 au Lycée Arbez Carme avec la collaboration de l’Insa Lyon. Différentes présentations et ateliers sont prévus. Le programme est consultable sur le site www.cadflow.fr.
Publié le 15 juin 2019