Principes de base de la modélisation des procédés de mise en forme des polymères

Dans le passé, le développement de nouveaux polymères était motivé par la recherche de nouvelles propriétés ou de propriétés améliorées. On stipulait que les procédés de mise en forme s'adapteraient via quelques ajustements réalisés par une démarche d'essais-erreurs. Cela a fonctionné dans un certain nombre de cas, mais dans d'autres, on a découvert rapidement que ces nouveaux polymères, aux propriétés « merveilleuses » étaient très difficiles à mettre en œuvre, soit parce que les pressions ou les couples moteur nécessaires étaient incompatibles avec les machines de mise en œuvre existantes, soit parce qu'ils présentaient des instabilités d'écoulement ou d'étirage à des vitesses de production incompatibles avec leur rentabilité économique. On se souvient à cet égard du développement des premiers polyéthylènes métallocènes qui présentaient des défauts d'extrusion à des taux de cisaillement beaucoup plus faibles que ceux observés sur des polyéthylènes traditionnels.

Plus récemment, les producteurs de polymères ont intégré le procédé dans le développement de leurs nouveaux matériaux en utilisant dès les premiers stades de leur développement des minimachines de transformation (extrudeuses ou presses à injecter) qui permettent de discerner d'éventuels problèmes de mise en œuvre avec quelques centaines de grammes de polymère. Malheureusement l'extrapolation à des machines de taille industrielle s'est révélée parfois hasardeuse, en particulier du fait que la « mise à l'échelle » n'obéit pas à la même homothétie selon que l'on considère les phénomènes mécaniques ou thermiques.

C'est la raison pour laquelle la modélisation numérique, utilisée essentiellement dans le domaine de la conception des moules d'injection il y a une vingtaine d'années, pénètre aujourd'hui les différents secteurs de la plasturgie. Mais cela n'a un sens que dans la mesure où les modèles numériques développés sont basés sur une analyse physique pertinente des phénomènes rencontrés dans une machine ou un outillage de mise en œuvre. L'ambition de cet article est de donner quelques règles qui permettent d'adapter le modèle aux contraintes du procédé de mise en œuvre et de répondre aux questions que l'on se pose, avant de les illustrer sur quelques exemples. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de dresser un « état de l'art » rapide des procédés.