La deuxième partie de la nouvelle série sur les matériaux est consacrée au caoutchouc. Dans les années 1930, les bagues Simmerring étaient composées d’un boîtier en tôle et d’un manchon en cuir. Mais le cuir est devenu rare et cher et Freudenberg l’a remplacé par du caoutchouc.
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Historique de la bague Simmerring: dans les années 1930, le cuir a été remplacé par le caoutchouc dans les bagues Simmerring, car le cuir était cher. Le caoutchouc s’est avéré être indéformable et élastiquement déformable, avec une grande résistance à la température et au gonflement 1.
Fabrication du caoutchouc: le chemin qui mène du caoutchouc naturel ou synthétique au caoutchouc high-tech (élastomère) est complexe et nécessite un mélange de dix à vingt ingrédients, dont des charges telles que le noir de carbone et la silice, des plastifiants et des agents anti-vieillissement.
Procédés de vulcanisation: Freudenberg Sealing Technologies (FST) utilise différents procédés de vulcanisation, dont le moulage par compression (CM) et le moulage par injection (IM). Ces procédés se distinguent par leur degré d’automatisation et leur mode de traitement.
Propriétés chimiques et physiques: les matériaux en caoutchouc doivent être résistants à différents milieux et températures, selon l’application. La durée de vie d’un joint en caoutchouc se réduit considérablement lorsque la température augmente.
Procédures de test et innovation: FST réalise des tests de résistance pour déterminer les limites d’utilisation des nouveaux matériaux. Ces tests simulent des conditions réelles et fournissent des informations importantes sur l’aptitude à la pratique de nouvelles solutions de matériaux.
Il y a près de 100 ans, la première bague Simmerring® était constituée d’un boîtier en tôle et d’un manchon en cuir. Mais le cuir était cher. Freudenberg a cherché un substitut et a trouvé ce qu’il cherchait : remplacer son produit traditionnel par du caoutchouc dans la technique d’étanchéité. Celui-ci s’est rapidement avéré convaincant grâce à ses bonnes propriétés. Le caoutchouc, indéformable mais élastiquement déformable, se distinguait entre autres par une résistance à la température et au gonflement beaucoup plus élevée que les huiles de lubrification de moteur courantes dans les années 1930. C’est ainsi qu’a commencé la marche triomphale du matériau d’étanchéité caoutchouc, qui dure encore aujourd’hui – d’abord dans la bague Simmerring, puis dans les joints toriques, puis dans les joints plats…
Ingénieur ou pâtissier ?
Le chemin est long entre le caoutchouc naturel ou synthétique et le caoutchouc high-tech, appelé élastomère. Le caoutchouc, qu’il soit d’origine naturelle ou synthétique, est loin d’être suffisant. Un mélange de caoutchouc se compose généralement de dix à vingt ingrédients. Comme pour la confection d’un gâteau, il faut les bons ingrédients dans la bonne quantité.
Pour la pâtisserie sucrée, c’est finalement la combinaison sophistiquée de farine, de sucre, d’œufs, de beurre, de lait ou de cacao qui produit le résultat souhaité … et l’expérience (gustative). Pour obtenir un mélange de gomme parfait, il est important d’utiliser, outre le caoutchouc, des charges telles que le noir de carbone et l’acide silicique, qui renforcent la solidité et la résistance. En outre, les plastifiants améliorent d’abord la fluidité lors de la transformation, puis l’allongement et le gonflement. Les agents de protection contre le vieillissement ralentissent la fatigue du matériau, d’autres ingrédients protègent par exemple contre l’ozone.
Usine de mélange : du pesage à l’expédition
Selon la recette, tous les ingrédients sont d’abord pesés au milligramme près dans les usines de mélange brut de Freudenberg Sealing Technologies (FST) dans le monde entier. Ils sont ensuite mélangés dans un grand pétrin pour former une masse homogène. Celle-ci est ensuite homogénéisée dans un laminoir par pliage et laminage continus.
À la fin, la densité, la dureté, la résistance et l’élasticité de chaque lot sont contrôlées avec précision dans le cadre de tests effectués en série. Une fois le test de qualité réussi, le mélange est confectionné en bandes, cordons ou autres formes brutes après refroidissement dans une installation dite « batch-off ». Après l’emballage, le mélange confectionné est expédié vers les sites de production de moulage. Dans les usines de mélange FST, la tendance est à la mise en réseau des machines, à la numérisation et à l’automatisation de toutes les étapes de travail. L’usine de mélange brut de Weinheim fait partie des précurseurs dans ce domaine.
Le plastique devient élastique
Les agents de réticulation, par exemple le soufre, sont des ingrédients de mélange très importants. En effet, la vulcanisation est au caoutchouc ce que la cuisson au four est au gâteau, lors du moulage dans la production en série. Lors de la vulcanisation, les molécules de caoutchouc sont réticulées entre elles à une température de 120 à 160 degrés Celsius. Cette réticulation confère au caoutchouc son élasticité, le transforme de plastique en élastique.
Revenons une dernière fois à l’analogie de la pâtisserie : comme un bon pâtissier, FST écrit donc la recette, mélange les ingrédients et les cuit lui-même. Seuls les « ingrédients de cuisson » sont achetés par FST – tout comme le pâtissier qui ne moud pas non plus sa farine lui-même.
Plusieurs procédés un seul objectif : caoutchouc
FST utilise différents procédés de vulcanisation dans la fabrication de joints à partir de matériaux en caoutchouc. Les deux principaux sont abrégés en CM et IM.
Lors du Compression Molding (CM), l’ébauche est placée manuellement dans le moule de la pièce du moule ouvert. La presse est ensuite fermée. La chaleur générée en haut et en bas par des plaques chauffantes déclenche la vulcanisation. C’est le procédé le plus simple.
Dans le cas du moulage par injection (IM), le mélange préalablement transformé en cordons ou en bandes est injecté sous haute pression directement dans le moule fermé où il est vulcanisé. C’est le procédé le plus complexe et le plus automatisé.
D’autres procédés sont appelés Transfer Molding (TM) et Injection Transfer Molding (ITM).
Selon le matériau de caoutchouc utilisé, les joints doivent être postchauffés après le moulage. Dans le four de postchauffage, les additifs et les auxiliaires de traitement se dégagent et le réseau de vulcanisation est solidement fermé. En bref, le postchauffage confère aux joints et à leurs matériaux leurs propriétés finales.
Chimie et physique
Selon l’application, les matériaux des joints en élastomère doivent être résistants aux fluides tels que les huiles et les graisses lubrifiantes minérales et synthétiques. Ils doivent résister tantôt au froid, tantôt à la chaleur, tantôt à l’eau, à l’air humide, à la vapeur chaude, à l’ozone ou aux produits de nettoyage agressifs.
La règle empirique s’applique : La vitesse des réactions chimiques double lorsque la température augmente de dix degrés Celsius (règle RGT). Inversement, cela signifie que la durée de vie d’un joint en caoutchouc se réduit énormément lorsque la température augmente. La résistance aux fluides des matériaux en caoutchouc dépend donc fortement de la température. Elle diminue également en cas de pression plus élevée, de vitesses plus élevées, de frottement plus important – car tous ces phénomènes augmentent la température.
En termes de physique, il s’agit avant tout, pour les joints en caoutchouc, d’éviter le gonflement, le rétrécissement et la pénétration d’un gaz dans le matériau d’étanchéité, ce que l’on appelle la perméation. De plus, un faible frottement réduit la température et donc l’usure et la consommation d’énergie.
Tous les caoutchoucs ne se ressemblent pas
Les matériaux en caoutchouc se caractérisent en général par une grande élasticité, associée à un effet d’étanchéité et à une force de rappel élevés. En combinaison avec le lubrifiant approprié, ils convainquent par leur bonne résistance à l’usure et à l’abrasion. L’un des inconvénients du matériau caoutchouc : en raison de son manque de dureté, il ne convient que de manière limitée aux applications à haute pression, par exemple dans l’hydraulique.
Tous les caoutchoucs ne se ressemblent pas. Les différents matériaux en caoutchouc se distinguent par leur densité, leur dureté, leur résistance à la traction, leur comportement à la déformation, leur plage de température d’utilisation et de nombreuses autres caractéristiques. Ils conviennent donc à différents domaines d’application.
En voici quelques exemples : Le matériau standard de FST, par exemple pour les bagues Simmerring classiques, est le NBR. Le HNBR présente une meilleure résistance à la température et aux fluides. Le silicone est peu résistant à l’abrasion, il est donc le premier choix, notamment pour les joints statiques. L’ACM résiste bien au froid jusqu’à -40 degrés Celsius et à la chaleur jusqu’à 160 degrés Celsius, il est également résistant à l’ozone et à l’air chaud. Le FKM s’avère être une solution polyvalente. FFKM Simriz® est la solution haut de gamme de FST pour l’industrie des processus.
Sur le banc d’essai
Sur plusieurs sites de FST, les bancs d’essai sont des éléments essentiels de la force d’innovation de FST. Où se situent les limites d’utilisation des nouveaux matériaux ? Résistent-ils aux vitesses de rotation élevées de l’électromobilité ? Résistent-ils à de nouveaux lubrifiants, aux conséquences des transferts de charges électriques, à la pression, au froid, aux projections d’eau, à la saleté, aux vibrations ? Les tests de stress sur le terrain reproduisent la réalité au plus près et fournissent des informations importantes pour la mise en pratique de nouvelles solutions matérielles. Il est possible d’y reproduire des conditions d’utilisation en Arctique et dans le désert, ainsi que des trajets en voiture dans l’eau et la boue. Le plus grand site d’essai de bagues Simmerring se trouve à Weinheim. À Plymouth, FST peut tester en accéléré comment les matériaux font leurs preuves dans les électrolyseurs d’hydrogène en utilisation continue pendant des années.
Mais pour garantir des durées de vie de joints de plusieurs dizaines d’années, comme c’est le cas par exemple dans les éoliennes offshore, même des tests de longue durée de 1000 heures sur le banc d’essai ne suffisent pas. Pour cela, des outils de simulation numériques sont indispensables. FST utilise depuis des années des modèles éprouvés, par exemple pour le comportement de vieillissement à long terme du caoutchouc dans les joints statiques.
Nouvelles tâches
De plus en plus souvent, les joints en caoutchouc doivent assumer des tâches supplémentaires qui vont bien au-delà de l’étanchéité. Parfois, ils doivent être conducteurs d’électricité, parfois ils doivent pouvoir protéger de la chaleur ou du rayonnement électromagnétique. Ou encore, ils doivent prédire le plus précisément possible, dans le cadre de ce que l’on appelle le Condition Monitoring, quand ils doivent être remplacés. FST développe également des solutions dans ce domaine.
