Stries et Stries Argentées en Moulage par Injection — Humidité, Cisaillement et Dégradation du Matériau

Un ingénieur qualité d’un sous-traitant de dispositifs médicaux tient une poignée d’instrument chirurgical en polyphénylsulfone (PPSU) — une pièce ambrée transparente, de 120 mm de long, avec une paroi uniforme de 3,5 mm, moulée dans un moule monocavité avec un seuil direct en carotte. La surface de la pièce montre un motif en éventail de fines stries blanc-argenté irradiant depuis la zone du seuil — d’environ 25 mm de long, visibles des deux côtés de la pièce et plus prononcées dans un rayon de 15 mm autour du seuil. Selon la norme d’inspection à 1.200 lux du client, les stries ne satisfont pas la spécification cosmétique. Le problème a commencé il y a trois jours, après un changement de matériau vers un nouveau lot de PPSU du même fournisseur et du même grade. Le lot précédent avait fonctionné pendant six mois sans un seul rejet cosmétique. Rien d’autre n’a changé : même moule, même machine, mêmes paramètres de procédé.

L’ingénieur vérifie le sécheur : point de consigne à 150 °C avec un point de rosée de −40 °C, temps de séchage de 5 heures — tout est dans la plage recommandée par le fournisseur du matériau. L’affichage du point de rosée du sécheur indique −38 °C. Le matériau a été chargé dans la trémie ce matin. Tout semble correct.

La cause racine est l’humidité — mais pas à cause d’un séchage inadéquat. Le nouveau lot de PPSU était resté en stockage d’entrepôt pendant 14 mois chez le fournisseur, et le sac scellé — bien que techniquement non ouvert — avait un trou d’épingle dans la couche d’aluminium, invisible à l’inspection rapide. Le matériau avait absorbé environ 0,15 % d’humidité sur 14 mois dans un entrepôt non climatisé du Guangdong, où l’humidité moyenne est de 75–85 %. Le cycle de séchage standard de 5 heures à 150 °C réduit l’humidité de 0,15 % à environ 0,04 % — au-dessus du maximum de 0,02 % pour le PPSU, et suffisant pour produire des stries visibles. La solution n’était pas de modifier les réglages du sécheur ni les paramètres du procédé. C’était d’étendre le temps de séchage à 8 heures pour ce lot spécifique, réduisant l’humidité à l’objectif de 0,02 %, et d’ajouter une vérification de l’humidité à l’arrivée pour tous les futurs lots de matériau.

Les stries sont le défaut de moulage par injection le plus souvent mal diagnostiqué parce qu’elles se ressemblent toutes — des traînées argentées ou blanchâtres — mais ont quatre causes racines indépendantes. Traiter les stries de dégradation thermique en augmentant la température du sécheur aggrave le problème. Traiter les stries d’humidité en réduisant la température de masse fondue augmente la viscosité de la masse fondue et dégrade le remplissage. L’action corrective doit correspondre à la cause racine, et la cause racine peut être identifiée par le motif des stries si l’on sait quoi chercher.

Ce que sont les stries — et à quoi ressemblent les quatre types

Les stries (également appelées stries argentées, argenture ou marques d’éclaboussure) sont un défaut de surface consistant en de fines traînées allongées — typiquement blanc-argenté, parfois teintées de brun — qui irradient depuis le seuil ou apparaissent en plaques isolées sur la surface de la pièce. Les traînées sont orientées dans la direction d’écoulement, car le gaz ou le matériau dégradé qui les provoque est étiré par l’écoulement en fontaine lorsque la masse fondue remplit la cavité.

Les stries sont fondamentalement un défaut lié au gaz. Les bulles de gaz entraînées dans le flux de masse fondue — qu’il s’agisse de vapeur d’eau, de gaz de décomposition ou d’air emprisonné — sont étirées en traînées allongées lorsque la masse fondue s’écoule à travers la cavité, et les traînées sont figées dans la surface lorsque la masse fondue entre en contact avec la paroi de la cavité et se solidifie. Les quatre causes racines diffèrent par l’origine du gaz et la manière dont il pénètre dans la masse fondue :

La séquence de diagnostic : déterminer laquelle des quatre sources de gaz produit les stries, puis traiter cette source. Traiter la mauvaise source peut aggraver les stries ou remplacer un type de stries par un autre.

Type 1 : Stries d’humidité — vapeur d’eau dans la masse fondue

L’humidité est la cause la plus fréquente de stries, et la première chose à vérifier lorsque les stries apparaissent — surtout si les stries ont commencé après un changement de lot de matériau, une intervention de maintenance du sécheur ou un changement saisonnier d’humidité.

La plupart des thermoplastiques techniques sont hygroscopiques — ils absorbent l’humidité de l’air. La teneur en humidité d’équilibre dépend du matériau, de l’humidité ambiante et du temps d’exposition. L’ABS atteint environ 0,3–0,5 % d’humidité à 50 % d’humidité relative en 24 heures. Le PA6 atteint 1,5–2,5 % à 50 % HR — le plus élevé des matériaux courants de moulage par injection — et peut atteindre 3–4 % à 80 % HR. Le PPSU atteint 0,4–0,6 % dans des conditions similaires.

Lorsque le matériau humide entre dans le fourreau, l’eau se vaporise à la température de masse fondue (200–350 °C selon le matériau). L’expansion volumique de l’eau liquide en vapeur est d’environ 1.700:1 à la pression atmosphérique. Un seul granulé de PA6 contenant 2 % d’humidité transporte suffisamment d’eau pour produire environ 0,3 cm³ de vapeur lorsqu’il est chauffé à 280 °C — et une seule injection de 50 grammes de PA6 à 2 % d’humidité transporte environ 1 gramme d’eau, produisant 1,7 litre de vapeur à la pression atmosphérique. Dans l’espace confiné du fourreau et de la cavité, cette vapeur est comprimée, entraînée dans la masse fondue, étirée par l’écoulement et figée dans la surface de la pièce sous forme de stries.

Exigences de séchage des matériaux — la teneur en humidité cible en dessous de laquelle les stries ne se produisent pas :

Le temps de séchage doit être mesuré à partir du moment où le matériau atteint la température de séchage au cœur du granulé — pas à partir du moment où le sécheur est allumé. Un sécheur à trémie chargé de 50 kg de granulés froids met 30–60 minutes pour que le lit de granulés atteigne la température de consigne. Le temps de séchage de 4 heures commence lorsque les granulés atteignent la température, pas lorsque le sécheur est mis sous tension.

Confirmation diagnostique : Si des stries d’humidité sont suspectées, prendre une mesure à l’analyseur d’humidité du matériau à la gorge d’alimentation — pas de la trémie du sécheur, mais de la trémie de la machine où le matériau entre réellement dans le fourreau. Un matériau qui mesure 0,03 % à la sortie du sécheur peut avoir capté 0,01–0,02 % d’humidité pendant le transfert à travers des flexibles non chauffés ou une trémie de machine non étanche. La lecture à la gorge d’alimentation est la teneur en humidité que le fourreau voit réellement.

Actions correctives pour le Type 1

1. Augmenter le temps de séchage. Si le matériau a absorbé de l’humidité au-delà de la plage normale — stockage prolongé, emballage endommagé ou exposition à une humidité élevée — le temps de séchage standard est insuffisant. Doubler le temps de séchage pour le matériau connu pour avoir été exposé à une humidité supérieure aux conditions normales d’entrepôt, et vérifier avec un analyseur d’humidité avant d’approuver pour la production.
2. Augmenter la température de séchage dans la plage recommandée par le fournisseur. Une augmentation de 10 °C de la température de séchage double environ le taux de diffusion de l’humidité dans la plupart des thermoplastiques. La limite supérieure est la température de ramollissement ou de dégradation du matériau.
3. Vérifier les performances du sécheur. Un sécheur avec un dessiccant saturé délivre de l’air à un point de rosée de −10 °C à −20 °C au lieu du −40 °C spécifié. La teneur en humidité d’équilibre du matériau est déterminée par le point de rosée de l’air de séchage — pas par la température du sécheur. Un sécheur à la bonne température avec un lit de dessiccant défaillant à −15 °C de point de rosée séchera le PA6 à environ 0,15–0,20 % d’humidité, pas à l’objectif <0,10 %. Remplacer le dessiccant, nettoyer les filtres et vérifier le cycle de régénération.
4. Sceller le chemin de transfert du matériau. De la sortie du sécheur à la gorge d’alimentation de la machine, le matériau séché doit circuler dans des flexibles ou des tubes étanches — pas à l’air libre. Un granulé de PA6 séché exposé à l’air ambiant à 70 % HR réabsorbe environ 0,02–0,03 % d’humidité en 10–15 minutes — suffisamment pour passer de <0,10 % à >0,12 %.

Type 2 : Stries de dégradation thermique — le polymère est en train de cuire

Les stries de dégradation thermique se produisent lorsque le polymère subit une scission de chaîne ou une dégradation oxydative due à une température ou un temps de séjour excessifs dans le fourreau. La dégradation produit des fragments de bas poids moléculaire — dont certains sont gazeux à la température de masse fondue — et les gaz sont entraînés dans la masse fondue et étirés en traînées à la surface de la pièce.

Contrairement aux stries d’humidité, qui sont blanc-argenté, les stries de dégradation thermique ont une teinte caractéristique de brun à noir et sont souvent accompagnées d’un décalage vers le jaune de la couleur de base du matériau. Dans les matériaux transparents (PC, PMMA, PPSU), le matériau dégradé apparaît comme un voile jaune-brun autour de la zone du seuil. Dans les matériaux opaques, la dégradation produit des traînées brun foncé ou noires — difficiles à distinguer des marques de brûlure sauf par l’emplacement (les stries de dégradation sont près du seuil, les marques de brûlure sont à la dernière région remplie).

La dégradation thermique a trois sous-causes :

Sous-cause A : Température de masse fondue excessive. Le fournisseur du matériau spécifie une plage de température de masse fondue — typiquement 260–300 °C pour le PC, 230–260 °C pour l’ABS, 280–310 °C pour le PA66. Fonctionner à la limite supérieure ou au-dessus dégrade le polymère. Le taux de dégradation double environ pour chaque augmentation de 10 °C au-dessus de la plage recommandée. Un PC transformé à 310 °C se dégrade environ deux fois plus vite que le même PC à 300 °C.

Sous-cause B : Temps de séjour excessif. Même à la température de masse fondue recommandée, le polymère se dégrade s’il reste trop longtemps dans le fourreau. Le temps de séjour maximal recommandé varie selon le matériau : 5–8 minutes pour le PC, 8–12 minutes pour l’ABS, 4–6 minutes pour le POM, 10–15 minutes pour le PE et le PP. Le temps de séjour se calcule comme suit :

Temps de séjour (min) = Capacité du fourreau (g) / Poids d’injection (g) × Temps de cycle (min)

Pour une capacité de fourreau de 500 g, un poids d’injection de 100 g et un temps de cycle de 30 secondes (0,5 min), le temps de séjour est 500/100 × 0,5 = 2,5 minutes — bien dans les limites de la plupart des matériaux. Pour une capacité de fourreau de 500 g, un poids d’injection de 25 g et un temps de cycle de 45 secondes (0,75 min), le temps de séjour est 500/25 × 0,75 = 15 minutes — trop long pour la plupart des thermoplastiques techniques. Le fourreau est trop grand pour le poids d’injection.

Sous-cause C : Points chauds dans le fourreau ou le canal chaud. Une bande chauffante défaillante, un thermocouple qui lit incorrectement ou un distributeur de canal chaud avec un point chaud localisé peut surchauffer une petite fraction de la masse fondue. Le matériau surchauffé se dégrade, produit du gaz et crée des stries — mais seule la fraction dégradée montre le défaut, de sorte que les stries peuvent être intermittentes (une traînée toutes les quelques injections) plutôt que cohérentes.

Confirmation diagnostique pour la dégradation thermique : Purger le fourreau et le canal chaud, recueillir un échantillon de purge et l’inspecter pour un changement de couleur par rapport au matériau vierge. Un tir à l’air libre (purge en air libre, pas dans le moule) qui montre une teinte brune ou des bulles confirme la dégradation dans le fourreau. Si le tir à l’air libre est propre mais que la pièce moulée montre des stries, la dégradation est probablement au seuil (surchauffe par cisaillement) ou dans un point mort du canal chaud.

Actions correctives pour le Type 2

1. Réduire la température de masse fondue — viser le centre de la plage recommandée par le fournisseur, pas la limite supérieure. Si le matériau se transforme à 260–300 °C, commencer à 280 °C et n’augmenter que si des problèmes de remplissage l’exigent.
2. Réduire le temps de séjour — utiliser un fourreau dimensionné pour le poids d’injection (le poids d’injection doit représenter 20–60 % de la capacité du fourreau). Si le fourreau est surdimensionné, envisager un ensemble vis-fourreau plus petit.
3. Purger à l’arrêt. Ne jamais laisser des matériaux sensibles à la chaleur (PC, POM, PBT, PPSU) dans un fourreau chaud pendant les périodes d’arrêt. Purger avec un composé de purge stable ou le matériau de production suivant avant d’arrêter le chauffage du fourreau.
4. Vérifier les bandes chauffantes et les thermocouples. Une bande chauffante qui fonctionne 30–50 °C au-dessus de son point de consigne en raison d’un thermocouple défectueux est une source de dégradation localisée. Vérifier les températures du fourreau avec un thermomètre à sonde indépendant — pas avec l’affichage de la machine, qui lit le thermocouple potentiellement défectueux.

Type 3 : Stries de surchauffe par cisaillement — trop vite à travers un passage trop petit

Les stries de surchauffe par cisaillement se produisent lorsque la masse fondue subit un taux de cisaillement qui dépasse le taux de cisaillement critique du matériau à une restriction d’écoulement — typiquement le seuil, un angle vif dans le canal d’alimentation ou une section de paroi mince. À des taux de cisaillement supérieurs à la limite critique, les chaînes de polymère subissent une scission mécanique : les forces de cisaillement déchirent littéralement les chaînes de polymère, produisant des fragments de bas poids moléculaire et des produits de décomposition gazeux.

Le taux de cisaillement critique est spécifique au matériau :

Le taux de cisaillement à travers un seuil se calcule comme suit :

Taux de cisaillement (1/s) = 4 × Débit volumétrique (cm³/s) / (π × Rayon du seuil³ (cm))

Pour une pièce en PC avec un débit volumétrique de 80 cm³/s à travers un seuil sous-marin de 1,2 mm de diamètre (0,06 cm de rayon) :

Taux de cisaillement = 4 × 80 / (π × 0,06³) ≈ 320 / 0,000678 ≈ 472.000 1/s

Cela dépasse largement le taux de cisaillement critique du PC de 20.000–40.000 1/s. Le seuil est trop petit pour le débit. La masse fondue est mécaniquement déchiquetée lors de son passage à travers le seuil, produisant des stries de cisaillement dans la zone du seuil.

Le test de taille de seuil : Si les stries apparaissent au seuil et nulle part ailleurs, et qu’elles disparaissent lorsque la vitesse d’injection est réduite de 30–40 %, la cause racine est la surchauffe par cisaillement — la vitesse d’injection (et donc le débit) est trop élevée pour le diamètre du seuil. La solution permanente est d’augmenter le diamètre du seuil ou de changer le type de seuil pour un type à plus grande section transversale (par ex., seuil sous-marin → seuil latéral, ou seuil latéral → seuil en éventail).

La longueur de la lèvre de seuil compte également. Une lèvre de seuil longue (la section parallèle à l’entrée du seuil) prolonge le temps que la masse fondue passe sous un cisaillement élevé. Raccourcir la lèvre de seuil de 2,0 mm à 1,0 mm réduit le temps d’exposition au cisaillement de 50 % pour le même débit.

Actions correctives pour le Type 3

1. Réduire la vitesse d’injection — la correction de procédé immédiate. Une réduction de 30 % de la vitesse d’injection réduit le débit volumétrique et réduit en conséquence le taux de cisaillement de 30 %. Si cela élimine les stries, le diagnostic est confirmé : surchauffe par cisaillement.
2. Augmenter le diamètre du seuil — la correction de conception permanente. Le taux de cisaillement évolue en 1/r³ (rayon du seuil au cube), de sorte qu’une petite augmentation du diamètre du seuil produit une grande réduction du taux de cisaillement. Faire passer un seuil sous-marin de 1,2 mm à 1,5 mm de diamètre réduit le taux de cisaillement d’environ 50 %.
3. Augmenter la température de masse fondue (contre-intuitif mais correct pour les stries de cisaillement). Une masse fondue plus chaude a une viscosité plus faible, ce qui réduit la contrainte de cisaillement pour un taux de cisaillement donné. Une augmentation de 10–15 °C de la température de masse fondue peut faire chuter la viscosité de 15–25 % et réduire proportionnellement l’échauffement par cisaillement. C’est l’opposé de l’action corrective pour les stries de dégradation thermique — raison pour laquelle il est essentiel de diagnostiquer la cause racine avant d’ajuster les paramètres.
4. Changer le type de seuil. Un seuil sous-marin avec son angle d’entrée vif concentre le cisaillement. Le remplacer par un seuil latéral de plus grande section transversale ou un seuil en éventail pour les pièces larges réduit à la fois le taux de cisaillement maximal et le temps d’exposition au cisaillement.

Type 4 : Stries d’air emprisonné — de l’air dans le flux de masse fondue

Les stries d’air emprisonné se produisent lorsque de l’air est aspiré dans le flux de masse fondue pendant la plastification (rotation et recul de la vis) et est transporté dans la cavité avec la masse fondue. Contrairement aux stries d’humidité, qui produisent des traînées blanc-argenté, et aux stries de dégradation, qui produisent des traînées brun-noir, les stries d’air emprisonné produisent des marques argentées irrégulières, en plaques, qui ne sont pas localisées de manière cohérente et n’irradient pas nécessairement du seuil.

L’air peut pénétrer dans le flux de masse fondue par quatre voies pendant la plastification :

1. Retrait de vis (pull-back/suck-back) trop rapide ou trop important. Une fois que la vis a atteint son volume d’injection, la plupart des machines appliquent un petit retrait de vis (1–3 mm, parfois appelé décompression ou suck-back) pour éviter le bavage à la buse. Si la distance de retrait est trop importante (>5 mm) ou la vitesse trop rapide, de l’air est aspiré dans la buse depuis le côté moule, et cet air est mélangé à la masse fondue de l’injection suivante pendant le cycle de plastification ultérieur.
2. Contre-pression insuffisante. La contre-pression pendant la rotation de la vis compacte la masse fondue devant la vis et force l’air entraîné vers l’arrière le long des filets de la vis pour s’échapper par la trémie. Sans une contre-pression adéquate (typiquement 5–15 bar hydrauliques pour les matériaux d’usage général, 10–25 bar pour les matériaux chargés), les bulles d’air restent dans la masse fondue et sont transportées vers l’injection suivante.
3. Formation de voûte dans la trémie. Lorsque les granulés forment une voûte dans la gorge de la trémie — formant une arche qui bloque l’écoulement du matériau dans le fourreau — la vis est affamée et de l’air est aspiré dans le fourreau à travers les espaces entre les granulés formant la voûte. L’écoulement intermittent du matériau produit une densité de masse fondue irrégulière avec des poches d’air.
4. Conception de la vis. Une vis avec une zone de compression usée ou un rapport de compression incorrect pour le matériau peut ne pas compacter la masse fondue de manière adéquate, laissant de l’air entraîné dans le flux de masse fondue. Une vis à usage général (rapport de compression 2,0–2,5:1) transformant un matériau semi-cristallin qui nécessite un rapport de compression de 2,5–3,5:1 peut produire des stries d’air emprisonné.

Confirmation diagnostique : Observer la phase de recul de la vis. Un temps de plastification irrégulier (±0,5 seconde ou plus) suggère un entraînement d’air ou une formation de voûte en trémie. Écouter un grincement ou un sifflement pendant la rotation de la vis — c’est de l’air qui est refoulé vers l’arrière à travers les filets de la vis. Vérifier l’extrémité de la buse pour des bulles dans la masse fondue pendant une purge à l’air libre : une purge qui crache, éclate ou montre des bulles confirme la présence d’air dans la masse fondue.

Actions correctives pour le Type 4

1. Réduire la distance de décompression de la vis. Viser 1–2 mm de retrait — juste assez pour relâcher la pression à l’extrémité de la buse et éviter le bavage. Pour les matériaux à très faible viscosité de masse fondue (PA6, PPS, LCP), utiliser 0,5–1,0 mm ou éliminer complètement la décompression et utiliser des buses à obturation à la place.

2. Augmenter la contre-pression. Commencer à 10 bar et augmenter par paliers de 5 bar jusqu’à ce que le temps de plastification se stabilise (cohérent d’une injection à l’autre à ±0,2 seconde près) et que la purge à l’air libre soit exempte de bulles. Le compromis est une augmentation de la température de masse fondue due au travail de cisaillement supplémentaire pendant la plastification — surveiller la température de masse fondue et ajuster le profil de température du fourreau si nécessaire.

3. Vérifier la trémie et la gorge d’alimentation. S’assurer que la trémie n’est pas voûtée (granulés collants, conditions humides, accumulation de fines). Nettoyer la gorge d’alimentation — les fines de matériau et la poussière peuvent s’accumuler et restreindre l’écoulement des granulés dans le fourreau. Envisager un vibrateur ou un agitateur de trémie pour les matériaux sujets à la formation de voûte (broyé, poudre fine, regranulé).

4. Réduire la vitesse de rotation de la vis. Une vitesse de vis trop élevée pour le matériau peut entraîner de l’air en projetant les granulés loin de la vis au lieu de les aspirer dans les filets. La vitesse maximale de la vis pour un matériau donné est d’environ :

   RPM max. = 15.000 / Diamètre de la vis (mm)

   Pour une vis de 50 mm : RPM max. ≈ 300. Une vis de 60 mm : RPM max. ≈ 250. Fonctionner au-dessus de cette vitesse comporte un risque d’entraînement d’air, quelle que soit la contre-pression.

Tableau de diagnostic : De quel type de stries s’agit-il ?

Utiliser ce tableau en séquence : vérifier d’abord l’humidité du matériau (cause racine la plus fréquente), puis vérifier l’apparence du tir à l’air libre (distingue la dégradation dans le fourreau de l’entraînement d’air), puis exécuter le test de réduction de la vitesse d’injection (isole la surchauffe par cisaillement). La cause racine est celle dont le test diagnostique produit une amélioration significative — si aucun des tests individuels n’élimine les stries, deux causes racines peuvent agir simultanément.

L’ingénieur qualité en dispositifs médicaux qui a commencé avec les stries d’humidité sur la poignée chirurgicale en PPSU a finalement localisé le problème dans le matériau, pas dans le procédé. Une lecture à l’analyseur d’humidité du matériau à la gorge d’alimentation a montré 0,05 % — bien au-dessus du maximum de 0,02 % pour le PPSU. Le matériau dans la trémie du sécheur a été mesuré à 0,025 %, mais le matériau à la trémie de la machine — après être tombé à travers un tube de transfert non chauffé de 1,5 mètre exposé à l’air ambiant à 28 °C et 78 % HR — a capté 0,025 % supplémentaire d’humidité pendant les 20 minutes entre le sécheur et la gorge d’alimentation.

Les actions correctives : le temps de séchage pour ce lot a été étendu à 8 heures pour réduire l’humidité au cœur des granulés inhabituellement humides ; le tube de transfert non chauffé a été remplacé par un tube isolé et étanche connecté directement de la sortie du sécheur à la trémie de la machine ; et le test d’humidité du matériau entrant a été ajouté à la procédure d’inspection de réception — chaque nouveau lot est testé pour la teneur en humidité à la réception, et tout lot dépassant 0,05 % d’humidité est marqué pour un séchage prolongé avant libération en production. Les stries ne sont pas réapparues.

Les stries ne sont pas un défaut avec une seule solution. Ce sont quatre défauts qui partagent une signature visuelle similaire. La compétence diagnostique consiste à savoir laquelle des quatre sources de gaz produit les traînées — car sécher un matériau qui est déjà sec ne sert à rien, et abaisser la température de masse fondue pour des stries induites par cisaillement aggrave le problème. Diagnostiquer d’abord, puis agir.

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