Un contrôle précis des paramètres est la clé d'une production rapide et rentable de scellés de haute qualité.

Les producteurs de polymères continuent de créer de nouveaux matériaux plastiques inimaginables dotés de propriétés supérieures pour la production, la protection et la présentation des produits. Bon nombre des structures polymères les plus récentes, dont la résistance, la clarté et les qualités de barrière sont améliorées, exigent une plus grande précision dans le processus d'assemblage ou de scellage afin de garantir l'intégrité de l'emballage et la résistance à l'effraction. L'objectif est donc de produire des scellés de haute intégrité avec assurance, tout en fonctionnant à une vitesse maximale. Le défi consiste à réaliser des scellés parfaits du début à la fin. Le scellé optimal est celui qui répond à la configuration physique requise pour l'application, qui satisfait ou dépasse les exigences de résistance, qui est uniforme, attrayant, exempt de défauts ou de déformations, et qui est produit en un temps minimum avec pratiquement aucun rejet.

 

Méthodes de scellement

Ces dernières années, le processus d'assemblage des matières plastiques par la chaleur et la force a connu une évolution majeure. Alors que l'opération de scellement consistait essentiellement à appliquer une quantité fixe de chaleur pendant une durée fixe sans contrôle ni retour d'information, elle devient aujourd'hui un processus précis de chauffage, de pressage et de refroidissement dans des conditions étroitement contrôlées. La création de joints nominaux est une tâche relativement simple, mais la perfection exige un contrôle étroit de chaque aspect du processus. Il faut d'abord reconnaître que l'expression « thermoscellage » est quelque peu erronée. Alors que la chaleur et la pression doivent être appliquées pour induire le mélange des matériaux à assembler, le lien n'est pas créé avant la solidification ultérieure de la structure au cours de la phase de refroidissement du processus. L'application continue de la pression est également essentielle pendant le refroidissement afin de maintenir un contrôle absolu sur la pièce et de produire un joint de bonne apparence et de haute intégrité. Les barres de soudure chauffées en permanence ont longtemps été considérées comme le moyen le plus fiable de maintenir une température uniforme. Avec cette méthode, l'emplacement des cartouches chauffantes et l'uniformité du contact entre les cartouches chauffantes et la barre de soudure doivent être très soigneusement étudiés pour assurer l'uniformité du chauffage, en particulier sur les barres plus longues. Cela vaut également pour l'installation de thermocouples, car ceux-ci ne contrôlent la température qu'à un seul endroit et ne peuvent garantir l'uniformité de la température sur l'ensemble de la surface de scellement. Le scellage par impulsion non contrôlée, qui utilise une puissance fixe pendant une durée prédéterminée, est également problématique car la température de la surface de scellage augmente progressivement avec chaque cycle de chauffage successif. Par conséquent, un ajustement manuel des paramètres de scellage doit être effectué au cours de chaque journée de travail.

Le thermoscellage de précision par la méthode de l'impulsion contrôlée est désormais facilement accessible. Les utilisateurs reconnaissent ses avantages et demandent des scellés de meilleure qualité avec l'avantage d'une plus grande productivité en raison de la diminution des rejets. Si la perfection est exigée, rien ne peut être laissé au hasard. Le mot clé est le contrôle - sur tous les aspects du processus de scellage. Le processus de scellage optimal commence par un élément de scellage chauffé qui engage la pièce à une température et une pression prédéfinies avec précision. La pression est relativement facile à contrôler, mais la température nécessite un régulateur de température à haute réponse pour chauffer les surfaces de scellage jusqu'à un état de mélange sans dépassement de température susceptible de déformer et d'endommager les surfaces externes de la pièce. Cette opération est suivie d'un cycle de refroidissement contrôlé, utilisé sous pression jusqu'à ce que le matériau soit reformulé et retrouve sa résistance. L'ensemble du processus peut être réalisé en quelques millisecondes.
 

Températures de scellement

La température de l'élément chauffant doit être constamment surveillée et contrôlée pour garantir que chaque cycle de chauffage est identique. Tout aussi important, le cycle de refroidissement doit être cohérent, les mâchoires s'ouvrant lorsque la température de refroidissement prédéfinie a été atteinte. La durée du cycle de chauffage peut être fonction du temps, mais la durée du cycle de refroidissement est idéalement fonction de la température de refroidissement prédéfinie. Dans le cas de certains processus automatisés, le cycle de refroidissement peut être d'une durée uniforme, dictée par la vitesse uniforme de la ligne de production. Toutefois, il doit être suffisamment long pour que la température de refroidissement idéale soit atteinte. Pour s'assurer que le joint présente l'intégrité souhaitée, il est essentiel de garder le contrôle de la pièce jusqu'à la fin du cycle de refroidissement. Un joint fiable ne peut être réalisé que si un minimum de pression subsiste pour maintenir le joint en place pendant le refroidissement.
 

Contrôle de la température

Le contrôle de la température signifie la capacité à maintenir une température prédéterminée et uniforme sur toute la longueur et la largeur de la zone de scellage, d'un cycle à l'autre, sans défaillance. Le contrôle absolu doit être maintenu quelles que soient les variations de la température ambiante. Il existe aujourd'hui des contrôleurs de thermoscellage qui surveillent et alimentent les éléments chauffants de manière uniforme sur toute leur surface. Lorsque l'élément chauffant est une bande de section uniforme, il se réchauffe uniformément sur toute sa surface de scellement lorsqu'il est alimenté. Lorsqu'il est chauffé, sa résistance change légèrement et uniformément. Le contrôleur peut alors surveiller le changement de résistance et interpréter la résistance mesurée en termes de température. C'est le principe fondamental utilisé dans la conception des détecteurs de température à résistance (RTD). Chaque fois que le contrôleur est activé, il répète automatiquement le cycle de scellement complet tel qu'il a été préprogrammé. Les experts s'accordent généralement à dire que la détection localisée de la température, comme avec les thermocouples, est incertaine. En effet, l'échantillon de température obtenu ne garantit pas que la température de la surface de contact du thermocouple est la même que celle de la source de chaleur ou qu'elle est uniforme sur l'ensemble de la zone de scellage. (Voir « Peut-on mesurer la température du thermoscellage ? »)
 

Contrôleurs

Les régulateurs de température du thermoscellage sont conçus pour offrir une grande réactivité. Ils font passer la température de la bande de thermoscellage du niveau de préchauffage d'attente à la température de scellage en 30 à 50 millisecondes et maintiennent la température au niveau prédéfini avec une précision reproductible de moins de 2 %. En outre, le contrôleur émet un signal d'alarme et arrête le système en cas de défaillance. Le système peut être programmé pour afficher des messages d'erreur si la température prescrite n'est pas atteinte ou si elle est dépassée. D'autres caractéristiques comprennent des relais temporisés pour activer les barres de mâchoires, indiquer un cycle terminé ou activer le processus suivant. Pour le cycle de refroidissement, le contrôleur peut être programmé pour ouvrir les mâchoires après une durée prédéterminée ou pour surveiller la température de la bande thermoscellée afin d'ouvrir les mâchoires lorsque la température est tombée à un niveau prédéterminé.

Conception de la barre et de la platine La conception de l'élément de scellage est un élément important pour obtenir des performances optimales. Pour minimiser la durée du cycle et maximiser la production, ainsi que pour économiser l'énergie, l'élément chauffant doit être correctement monté, être mince et avoir une masse minimale afin de pouvoir être chauffé et refroidi rapidement. Lors du scellage des films, la bande thermoscellée est conçue avec des bords effilés qui éliminent l'amincissement et la déchirure le long du bord du scellage. En outre, il faut veiller à ce que les barres de mâchoires soient droites et vraies et que les plateaux soient plats afin d'assurer un contact et une pression uniformes sur toute la surface du scellage. Les barres de mâchoires et les plateaux en aluminium sont préférables car leur conductivité thermique plus élevée facilite le processus de refroidissement.
 

Pression de la barre de mâchoires/du plateau

Outre le contrôle de la température, la perfection du thermoscellage exige un contrôle de la pression. La pression ou la force peut être contrôlée par des capteurs de pression ou des jauges de contrainte, et doit être installée avec des limites hautes et basses pour contrôler chaque cycle. Si les limites prescrites ne sont pas respectées, une réaction de défaut doit être déclenchée, une alarme doit être émise et le processus doit être arrêté. Certains régulateurs de température à thermoscellage sont dotés de cette fonction.
 

Mode de scellage par impulsion

Il est très important que la température, le temps et la pression soient soigneusement synchronisés. La figure de la page 64 montre un exemple de réglage opportun de la température et du mouvement des mâchoires à l'aide d'un contrôleur de thermoscellage. Des performances élevées et une productivité parfaite exigent une coordination étroite entre l'impulsion de thermoscellage et l'action de la mâchoire. Plus précisément, le démarrage du cycle, la température de la bande thermoscellée, l'action de la mâchoire thermoscellée et la puissance délivrée sont les étapes temporelles les plus importantes. En outre, il est possible d'alimenter la bande thermoscellée avant la fermeture de la mâchoire, car le contrôleur de température élimine le risque de surchauffe. Après avoir coupé l'énergie, la majeure partie de la chaleur excédentaire est absorbée par les mâchoires. Il est parfois recommandé de refroidir les mâchoires afin que la chaleur soit absorbée plus rapidement par le joint et la bande thermoscellée. Contrairement au mode de fonctionnement à chaleur constante, une bonne conductivité thermique entre l'élément de scellage et les mâchoires doit être assurée par l'utilisation d'un matériau d'appui relativement fin et thermiquement conducteur derrière la bande thermoscellée.
 

Mode repos-chaleur

Le mode repos-chauffe est une variante du mode de scellage par impulsion. Pour que ce mode soit efficace, la bande thermoscellée doit avoir une masse suffisante pour emmagasiner la chaleur nécessaire au processus de scellage. L'alimentation est coupée lorsque les mâchoires se ferment, et la chaleur conservée dans la bande thermoscellée est déchargée rapidement dans la pièce. Il en résulte une phase de refroidissement plus courte et un temps de cycle global plus court.
 

Préchauffage

Pour créer un bon scellage, les machines doivent être programmées de manière à laisser suffisamment de temps pour que le cycle de chauffage soit efficace, suivi d'un temps de refroidissement adéquat avant que les mâchoires ne s'ouvrent. À grande vitesse, les mâchoires seront activées à une température résiduelle légèrement supérieure à la température ambiante. Étant donné que le premier cycle est lancé à la température ambiante, il se peut que la bande n'ait pas le temps d'atteindre la température de scellage au cours du premier ou des deux premiers cycles. En utilisant la fonction de préchauffage du contrôleur, il est possible de fixer un niveau de température minimum pour la bande thermoscellée avant le début de la production. Un seuil de température minimum garantit un scellage parfait du premier scellage et de tous les scellages, même lorsque les temps de scellage et de refroidissement autorisés ont été réduits au strict minimum ou lorsque la machine fonctionne par intermittence.
 

Résumé

Les matériaux plastiques peuvent être scellés, ou scellés et coupés, à grande vitesse avec pratiquement aucun rejet. Grâce à un contrôle précis de tous les paramètres, il est désormais possible de réaliser des scellages de haute qualité et reproductibles de manière rapide et rentable, avec l'assurance d'une constance.