Exercices: Techniques de fabrication

Défi du thème. Associer chaque technique industrielle de transformation des matières plastiques à son produit typique et justifier l'un des couples.

Techniques :

1. Extrusion

2. Soufflage

3. Injection

4. Thermoformage sous vide

Produits :

A. Bouteilles et bonbonnes

B. Barquettes et blisters

C. Tubes et profilés

D. Boîtiers et pièces de jeu précises

Ce que vous devez faire :

1. a) Écrire les quatre couples (numéro de la technique et lettre du produit), par exemple : « 1 - C ».

1. b) Choisir l'un des couples et expliquer en 2 ou 3 lignes pourquoi cette technique convient pour fabriquer ce produit (comment on donne sa forme à la matière plastique).

Seront évalués : l'exactitude des quatre couples, une justification qui décrit le procédé de la technique choisie et l'emploi d'un vocabulaire technique (moule, plastique fondu, air comprimé, vide, buse…).

Expliquer l'extrusion à l'aide de la comparaison avec la presse à churros (ou la poche à douille du pâtissier) ou le tube de dentifrice : qu'est-ce qui sort quand on pousse le matériau fondu à travers une buse profilée et pourquoi les produits de l'extrusion sont toujours « longs et de même profil ».

La figure montre les quatre étapes du soufflage d'une bouteille, mais la troisième est masquée.

Déduire ce qui se passe à l'étape masquée en observant le changement de la pièce entre le deuxième et le quatrième schéma, expliquer le rôle de l'air comprimé et pourquoi l'intérieur du moule a exactement la forme de la bouteille.

Expliquer en quoi consiste l'injection de plastique et justifier pourquoi c'est la technique choisie pour fabriquer des millions de pièces identiques et précises, même si le moule coûte très cher.

Indice. Réfléchir à ce qui arrive au plastique dans le moule (dans quel état est-il à l'entrée et à la sortie ?) et à la façon dont le coût du moule se répartit entre toutes les pièces fabriquées.

Seront évalués : la description des phases du procédé (fondre le plastique, l'injecter sous pression dans un moule fermé, le refroidir et extraire la pièce) et la justification du choix par au moins deux avantages (par exemple, rapidité, répétabilité et précision des pièces, ou faible coût par pièce pour les grandes séries).

Décrire le thermoformage sous vide avec la barquette de muffins : que arrive-t-il à la feuille de plastique quand on la chauffe, que fait le moule et quel rôle joue l'air aspiré. Pourquoi les angles de la barquette sont-ils plus fins ?

Défi du thème. Vous allez construire une boîte en bois à l'atelier et vous devez bien choisir les outils.

Voici quatre outils d'atelier (numérotés) et quatre tâches (avec des lettres) :

1. Scie à dos

2. Perceuse

3. Lime

4. Serre-joint (ou presse)

A. Faire des trous

B. Maintenir les pièces pendant le collage

C. Couper en ligne droite

D. Dégrossir et adoucir les bords

Répondre :

1. a) Associer chaque outil à sa tâche. Écrire les couples au format numéro-lettre.

1. b) Choisir l'un des outils et expliquer comment on l'utilise et quelles précautions de sécurité il faut prendre.

1. c) Quel outil utiliseriez-vous en premier pour réaliser la boîte ? Justifier votre réponse.

Seront évalués : l'exactitude des quatre couples, la clarté de l'explication et l'emploi d'un vocabulaire technique, ainsi que la justification de l'ordre de travail choisi.

Défi du thème. Écrire trois règles de sécurité pour percer du plastique à l'atelier et expliquer l'accident qu'évite chacune.

1. a) Première règle et accident qu'elle évite.

1. b) Deuxième règle et accident qu'elle évite.

1. c) Troisième règle et accident qu'elle évite.

Seront évalués : trois règles différentes, liées à l'utilisation de la perceuse, et chaque accident expliqué doit être cohérent avec sa règle.

Après avoir coupé du plexiglas à la scie, le bord présente des bavures et des arêtes vives. Expliquer pourquoi on lime après la coupe, quelle différence il y a entre limer et poncer et dans quel ordre vous les utiliseriez pour obtenir un bord lisse et transparent.

Choisir la technique adaptée à chaque commande et la justifier en pensant à la forme de la pièce et à la quantité : (a) dix mille bouteilles d'un demi-litre ; (b) cinquante barquettes pour une maquette ; (c) des tuyaux d'arrosage de six mètres ; (d) cent mille boîtiers de télécommande.

La figure montre le schéma du moulage par injection : les granulés (petits grains de plastique) tombent de la trémie et traversent une zone masquée avant de remplir le moule. La zone masquée est marquée d'un « ? ».

1. a) Expliquer ce qui arrive au plastique dans la zone masquée.

1. b) Expliquer pourquoi le moule doit être très résistant.

1. c) Expliquer quel avantage apporte la fabrication de millions de pièces identiques de cette façon.

Remettre dans l'ordre les étapes de construction d'une boîte en plexiglas à l'atelier et justifier pourquoi le limage précède le collage : assembler les faces avec de la colle, mesurer et tracer sur la plaque, couper à la scie, percer les trous prévus, limer les bords, reprendre la finition.

L'extrusion produit des pièces « continues » (coupées à la longueur voulue) et l'injection des pièces « fermées » de forme complète. Expliquer la limite de chaque technique et pourquoi on ne peut pas fabriquer une bouteille uniquement par extrusion ni un profilé de six mètres par injection.

Un atelier veut fabriquer seulement trois prototypes d'un boîtier. Expliquer pourquoi l'injection n'est pas viable (le moule coûte des milliers d'euros) et comparer deux alternatives plus raisonnables pour si peu d'exemplaires : l'impression 3D ou le thermoformage sous vide sur un moule simple.

Comparer trois façons d'assembler des pièces en plastique à l'atelier : colle de contact, cyanoacrylate et vis avec écrou. Indiquer une situation où vous choisiriez chacune et expliquer dans quels cas il est utile que l'assemblage puisse être démonté.

Défi du thème. Quand on perce une pièce en plastique à grande vitesse, il arrive que le foret laisse la matière à moitié fondue et que le trou soit déformé.

1. a) Expliquer pourquoi ce phénomène se produit. Relier dans votre réponse le mouvement du foret, la chaleur produite et les propriétés du plastique.

1. b) Proposer deux mesures concrètes applicables lors du perçage pour éviter que le plastique ne fonde et que le trou ne soit déformé.

Seront évalués : l'identification correcte de la cause (d'où vient la chaleur et comment le matériau réagit), deux mesures différentes, réalistes et liées à cette cause, et une brève explication de l'utilité de chacune.

Indice : réfléchir à ce qui se passe quand on frotte deux surfaces l'une contre l'autre, et à ce qui arrive aux copeaux s'ils restent dans le trou pendant que le foret continue de tourner.

Le schéma associe quatre techniques à leurs produits, mais il en manque un.

Indiquer quel produit manque sur la ligne du soufflage, expliquer pourquoi cette technique lui convient (pièce creuse à paroi mince) et décrire avec vos mots comment on l'obtient.

Un stagiaire propose à une usine de fabriquer cinq cent mille bouchons à vis par extrusion et cinq cent mille pailles par moulage par injection, en alléguant que « les deux machines fondent du plastique et poussent le polymère dans une buse ». Réfuter techniquement sa proposition : expliquer quelle limite géométrique empêche de fabriquer les bouchons par extrusion, pourquoi fabriquer des pailles par injection serait inviable en coûts et en temps face à l'extrusion continue, et quelle est la technique correcte pour chaque produit.

Un camarade a tenté de fabriquer un support de téléphone à l'atelier en pliant une plaque de plexiglas de $4\ \text{mm}$ à la flamme directe d'un chalumeau, après l'avoir découpée à la scie sauteuse à vitesse maximale. Le résultat est désastreux : bords fondus et écaillés, et une zone de pliage pleine de bulles blanchâtres et de microfissures.

1. Expliquer techniquement la cause de ces deux défauts du plexiglas (à la découpe et au pliage).

2. Concevoir la gamme de fabrication corrigée pour réaliser la pièce avec succès : liste ordonnée des phases, outil ou machine adapté à chacune (en évitant les erreurs précédentes) et mesures de sécurité obligatoires.

Une entreprise de restauration commande la conception de mille plateaux en plastique réutilisables et durables. L'équipe de conception hésite entre deux options de thermoformage :

• Option A : feuille lisse de polypropylène de $2,5\ \text{mm}$ d'épaisseur.

• Option B : feuille de polypropylène de $1,2\ \text{mm}$ d'épaisseur avec des nervures géométriques de renfort dans le fond et un rebord périphérique plié.

Analyser et comparer les deux options du point de vue de la rigidité de la structure, de la consommation de matière première et de la dépense énergétique pendant le cycle de chauffage. Déterminer laquelle est la plus durable pour la série de mille pièces et proposer deux consignes concrètes d'atelier pour gérer les chutes restantes après le thermoformage.

De nombreux emballages de piles utilisent le système blister (un dôme de plastique transparent collé à chaud sur un support en carton imprimé).

1. Déduire quel procédé industriel de mise en forme a servi à fabriquer la bulle transparente et justifier pourquoi cette méthode convient aux feuilles de faible épaisseur.

2. Analyser les deux grands problèmes de cet emballage : la frustration et le risque de coupure de l'utilisateur à l'ouverture, et l'impact sur le centre de recyclage dû au thermosoudage de deux matériaux différents.

3. Concevoir une alternative d'emballage qui protège les piles et permette de voir le produit ou ses caractéristiques, mais qui s'ouvre facilement sans outil et garantisse un recyclage monomatériau ou à séparation facile.

Vous devez découper des pièces rectangulaires de $30\ \text{cm} \times 40\ \text{cm}$ dans des plaques de polystyrène de $100\ \text{cm} \times 120\ \text{cm}$.

1. Un opérateur propose de placer toutes les pièces dans la même orientation (par exemple, en alignant les côtés de $30\ \text{cm}$ sur celui de $100\ \text{cm}$). Calculer combien de pièces tiennent et quelle surface est perdue avec cette méthode.

2. Concevoir une disposition mixte (imbrication combinant des orientations sur la même plaque) qui permette une utilisation de $100\ \%$ du matériau (zéro chute). Dessiner ou décrire avec des mesures exactes comment placer les blocs de pièces.

3. Expliquer pourquoi, dans l'industrie du plastique, l'imbrication assistée par ordinateur permet d'économiser de grandes quantités d'argent et d'énergie.

Une entreprise doit choisir comment fabriquer le boîtier d'un nouveau capteur et hésite entre deux technologies :

• Option 1 (impression 3D par dépôt de fil fondu) : elle ne nécessite pas de moule ($0\ \text{€}$ de coût fixe initial), mais chaque boîtier coûte $8,50\ \text{€}$ à fabriquer.

• Option 2 (moulage par injection) : elle exige de fabriquer un moule en acier qui coûte $15\,000\ \text{€}$, mais le coût d'injection de chaque boîtier n'est que de $1,00\ \text{€}$.

• Calculer à partir de combien d'unités produites l'injection devient moins chère que l'impression 3D (seuil de rentabilité ou amortissement du moule).

• Si les prévisions de ventes sont de $1\,200$ boîtiers la première année et de $1\,800$ la seconde, avant la refonte du modèle, quelle méthode de fabrication recommanderiez-vous d'un point de vue financier ? Justifier la réponse.

Dans une usine d'injection de composants automobiles, on constate qu'une série de pare-chocs en polypropylène se casse facilement lors des essais de choc. En vérifiant la trémie d'alimentation, on découvre que l'opérateur a mélangé $80\ \%$ de matière broyée provenant de rebuts avec seulement $20\ \%$ de granulés vierges, dépassant la limite de $15\ \%$ fixée par le bureau d'études.

1. Expliquer à l'échelle moléculaire (longueur des chaînes de polymère et dégradation thermique) pourquoi un thermoplastique perd des propriétés mécaniques lorsqu'il est broyé et refondu plusieurs fois.

2. Pourquoi est-il physiquement impossible d'appliquer ce procédé de broyage et de refonte à des pièces en résine de polyester ou en bakélite ? Justifier la réponse en expliquant la structure des liaisons chimiques des matières plastiques thermodurcissables.

À l'atelier, $25$ chutes de plaque de polyméthacrylate transparent de $3\ \text{mm}$ d'épaisseur et de dimensions $5\ \text{cm} \times 20\ \text{cm}$ se sont accumulées.

Concevoir un objet utile pour le bureau (par exemple : porte-règles, support pour notes, range-câbles…) qui utilise au moins l'une de ces chutes sans produire pratiquement de nouveaux déchets.

1. Dessiner un croquis coté de l'objet en indiquant la position des découpes, des perçages et des lignes de pliage.

2. Décrire la suite d'opérations techniques à suivre à l'atelier.

3. Expliquer précisément le procédé thermique pour plier la bande : quel outil utiliser, dans quel état doit se trouver la matière plastique avant d'appliquer une force et comment éviter qu'elle brûle ou forme des bulles dans la zone pliée.

Défi du thème. As-tu déjà remarqué les traces que les procédés industriels laissent sur les objets du quotidien ? Deviens expert en polymères en analysant ton propre environnement en trois étapes :

1. Échantillonnage à la maison : Sélectionner $5$ objets en plastique différents chez vous (emballages, composants électroniques, textiles ou ustensiles). Repérer leur code d'identification ($1$ à $7$), s'il en a un, et les classer selon leur famille : thermoplastiques, thermodurcissables ou élastomères.

2. Rétro-ingénierie : Examiner les marques physiques sur chaque pièce (bavures, lignes de joint du moule, points d'injection ou épaisseurs de paroi inférieures à $2,5\text{ mm}$). Déduire et argumenter quelle technique de mise en forme a été employée pour la fabriquer (injection, extrusion, soufflage, thermoformage, calandrage ou moulage par compression).

3. Rapport technique : Consigner les données dans LibreOffice Calc, produire un diagramme en barres des familles repérées et rédiger une proposition pour remplacer l'un des objets non recyclables par une alternative durable ou réduire sa masse de $15,5\,\%$.

Seront évalués :

• La précision de l'identification et de la classification des polymères.

• La rigueur dans la justification des techniques de fabrication à partir de caractéristiques géométriques réelles.

• La présentation correcte du tableau et du graphique dans LibreOffice Calc.

• La faisabilité technique de la proposition d'amélioration environnementale.