Les plastiques techniques

Aborder la famille des plastiques techniques peut paraître compliqué de prime abord tant cette famille est grande, mais en mécanique générale et de précision, ce sont souvent les mêmes matières qui sont choisies par les usineurs.
Notre objectif dans cet article est de vous donner ici quelques repères pour appréhender facilement cette famille. Nous aborderons les différentes matières plastiques techniques et notamment les thermoplastiques semi-cristallins.

Généralités

On distingue 4 grandes familles de plastiques (ou polymères) :

• Les thermoplastiques, les plus nombreux, qui représentent 80% des plastiques consommés (PE, PP, PS, PC, PET, POM, PVC, PA). Ils peuvent être transparents ou colorés, avec les thermoplastiques amorphes courants de grande diffusion (PC, PS, PVC) et les plastiques semi-cristallins (POM, PA, PET, PEHD)
• Les thermoplastiques hautes-performances, très techniques (PTFE, PEEK, Polyimides) qui se caractérisent notamment par des tenues en températures élevées
• Les thermodurcissables, comprenant les polyuréthanes (PUR), les polyesters et les phénoplastes (bakélite)
• Les élastomères, qui constituent une catégorie à part avec des caoutchoucs naturels (NR) et des caoutchoucs synthétiques. Les élastomères ont des propriétés de déformation élastique remarquables. Ils sont utilisés dans les pneumatiques, les semelles de chaussures de sports, les bandes transporteuses, les joints d’étanchéité...

Le terme générique "plastique" correspond à un large choix de matières différentes dont les propriétés ne cessent de s’améliorer. On constate que les plastiques remplacent de plus en plus souvent les bronzes, les aciers inoxydables, l’aluminium et les céramiques. Principaux atouts :

• Le poids : la densité moyenne des plastiques est de 1,2 g/cm³. En comparaison, la densité de l’aluminium est de 2,8, l’acier 7,8 et le bronze 8,8. La densité d’un polymère est directement fonction du taux de cristallinité : plus ce taux augmente, plus la rigidité et la résistance mécanique augmentent
• Le prix, notamment en comparaison avec le bronze. Attention cependant, d'une matière à l'autre, et selon la forme, les prix peuvent varier énormément...
• La couleur ou la transparence (cas de la plupart des polymères thermoplastiques amorphes). Les plastiques pouvant être teintés dans la masse, ils n'ont pas besoin de revêtement décoratif (peinture...) et la couleur reste malgré l'usure.
• Les thermoplastiques amorphes sont faciles à chauffer et à déformer
• Les thermoplastiques offrent des qualités intéressantes dans le domaine de la tribologie (tous les domaines du frottement, de l’usure, de la lubrification)
• Les possibilités multiples de mise en forme (extrusion, moulage par injection, thermoformage...)
• Le plastique ne rouille pas

A contrario, les plastiques atteignent vite leurs limites dès certaines températures. C’est un élément fondamental qui les caractérise : la température d’utilisation. Ils peuvent vite se déformer, car ils manquent de thermo-stabilité. Par rapport aux métaux, les variations dimensionnelles par reprise d’humidité selon la matière choisie et la dilatation thermique sont plus importantes.
Ensuite, les caractéristiques mécaniques restent limitées, donc même à température ambiante on ne pourra pas tout faire en matière plastique.
Enfin, dernier inconvénient mais pas des moindres, en raison de plusieurs facteurs il est très difficile (voire impossible) d'obtenir des pièces de grande précision... Ne mettez donc pas des tolérances au centième sur des pièces plastique usinées, car vous ne les atteindrez pas !

Désignations et noms commerciaux

Les polymères sont désignés par leur structure chimique ; mais comme ces noms peuvent être très long, par souci de simplification on utilise des abréviations (par exemple, PTFE pour Polytétrafluoroéthylène).
Ces abréviations sont parfois suivies d'une ou plusieurs lettres précisant une spécificité de composition ou de mise en forme. Parmi les suffixes les plus courants nous retrouvons :

• G : coulé (le plus souvent, les polymères sont extrudés). Par exemple, le PA6 est extrudé et le PA6G est coulé
• C / H : copolymère / homopolymère. Le plastique est constitué d'au moins 2 monomères différents (C) ou d'un seul même monomère (H). Certaines nuances existent dans les deux versions, le POM C et le POM H par exemple
• GF25 / GF30... : ce sont des plastiques chargés de fibres de verre (Glass Fiber), le nombre suivant correspondant au pourcentage de fibre. Le PA6.6 GF30 est un PA6.6 chargé à 30% de fibre de verre
• CF25 / CF30... : ce sont des plastiques chargés de fibres de carbone (Carbon Fiber), le nombre suivant correspondant au pourcentage de fibre. Le PA12 CF15 est un PA12 chargé à 15% de fibre de carbone

Certains polymères sont également souvent appelés par des dénominations commerciales, tels que le Plexiglas^® (PMMA), le Téflon^® (PTFE) ou le Nylon^® (PA6.6) par exemple...

Propriétés thermiques

Comme évoqué plus haut, les polymères courants peuvent rarement être utilisés au-delà de 120°. C’est un élément fondamental qui les caractérise : selon la température d’utilisation, ils peuvent vite se déformer. Si on dépasse la température d’utilisation préconisée par le producteur, les propriétés physiques de la matière se dégradent, notamment la rigidité. La matière perd en stabilité, se déforme.
Par ailleurs, les plastiques ayant une faible conductivité thermique, la chaleur provoquée par l’usinage peut également conduire à la déformation de la matière. Il appartient donc à l’usineur de prendre connaissance des recommandations d’usinage fournies par les producteurs. L’indicateur de la rigidité d’un plastique est la constante (E) appelée module d’élasticité (ou "module de Young"). Le module d’élasticité diminue lorsque la température s’élève. Ainsi les plastiques perdent leur rigidité lorsque la température augmente.
Toutefois, certaines matières plastiques résistent à de fortes différences de températures sans se dégrader. On les trouve dans la famille des thermoplastiques hautes-performances (PTFE, PEEK et polyimides) ou des thermodurcissables. Concernant les polyimides, on trouve notamment le Vespel^®, produit par la société américaine Du Pont de Nemours, et distribué en France par Dedienne Multiplasturgy Group. Les polyimides (Vespel^® ou Sintimid^®) non-chargés ou chargés avec du graphite, du MoS2 ou du PTFE, servent notamment dans l’industrie du verre et dans l’industrie aéronautique, là où on recherche une résistance aux températures très basses ou très hautes et une résistance à l’usure par frottement.

Attention : selon le fabricant et le procédé de fabrication, les valeurs indiquées ci-dessous peuvent légèrement varier...

Propriétés physiques et caractéristiques mécaniques

* Résistance au fluage

Petite remarque sur les propriétés

Attention : Les propriétés thermiques et surtout mécaniques indiquées ci-dessus ne sont pas à prendre pour argent comptant ! En effet, les matières plastiques voient leurs propriétés évoluer considérablement selon, entre autres, leur mode de production, la forme du produit fini, ou les éléments de charge (fibre de verre, craie, fusain, chanvre...)
Nous vous invitons à prendre contact directement avec les fabricants de matière en cas de questions sur les propriétés mécaniques ou thermiques. Ils sauront vous apporter une réponse en lien direct avec votre besoin !

Article rédigé en collaboration avec Frédéric Crespel, spécialiste des métaux et fondateur de aciersspeciaux.fr et Jean-Christophe Morisset