Proto­ty­page virtuel 3D et packa­ging

Le packa­ging est un secteur où le nombre d’in­ter­ve­nants dans la chaîne de déci­sion est très impor­tant. Les solu­tions numé­riques de simu­la­tion utili­sées sont nombreuses et souvent peu inter­opé­rables rendant la colla­bo­ra­tion numé­rique diffi­cile voire inexis­tante. Pour satis­faire à l’exi­gence de mise sur le marché dans des temps de plus en plus courts, il est néces­saire d’iden­ti­fier dans la chaîne de déci­sion quelles sont les étapes clés et les données tech­niques indis­pen­sables à parta­ger pour une meilleure effi­ca­cité.

Le déve­lop­pe­ment de cet axe autour du concept de labo­ra­toire de virtuel pour l’em­bal­lage s’ins­crit dans un contexte global d’op­ti­mi­sa­tion du proces­sus de concep­tion d’un embal­lage, qu’il soit primaire, secon­daire ou tertiaire. On entend par embal­lage primaire, un embal­lage corres­pond aux unités de vente consom­ma­teur, par embal­lage secon­daire, les embal­lages porteurs et enfin par embal­lage tertiaire, les embal­lages de calage. L’in­té­rêt de ce nouveau concept est l’in­té­gra­tion de quelques fonc­tions embal­lage très impor­tantes comme le condi­tion­ne­ment, la logis­tique et la valo­ri­sa­tion matière (recy­clage). Un embal­lage primaire, secon­daire ou tertiaire, qui devra répondre à des exigences en matière de marke­ting, design, protec­tion physico-chimique et méca­nique, condi­tion­ne­ment (remplis­sage, méca­ni­sa­tion, …), logis­tique (trans­port, stockage, …) et recy­clage (valo­ri­sa­tion matière), doit subir les diffé­rentes étapes virtuelles néces­saires à son opti­mi­sa­tion. Le labo­ra­toire virtuel inter­vient direc­te­ment dans le proces­sus de concep­tion en opti­mi­sant le design, le maté­riau et les tech­no­lo­gies qu’il faut pour que l’em­bal­lage soit apte à remplir ses diffé­rentes fonc­tions. Il s’agit d’une nouvelle voie de concep­tion que nous propo­sons de déve­lop­per dans le cadre du « Centre Image » avec le CNRT Embal­lage et Condi­tion­ne­ment comme soutien.

Au plan indus­triel, ce projet favo­ri­sera :

• la réali­sa­tion d’études rela­tives à la concep­tion des embal­lages (design, CAO, méca­nique, inter­ac­tions conte­nant-contenu, calcul de résis­tance méca­nique sous charges, proto­ty­page rapide (pièces et outillages), numé­ri­sa­tion, opti­mi­sa­tion des para­mètres de mise en forme des embal­lages, contri­bu­tion à la concep­tion des outillages, …),
• la forma­tion des tech­ni­ciens et cadres d’en­tre­prises à une utili­sa­tion aisée des outils de concep­tion des embal­lages.

Il s’agit donc de pouvoir gérer tout un process à partir d’un ensemble d’ou­tils numé­riques (logi­ciels de CAO, CFAO, modé­li­sa­tion et simu­la­tion numé­rique, aide à la déci­sion, …) et de tech­niques (numé­ri­sa­tion 3D, proto­ty­page virtuel, essais et carac­té­ri­sa­tion, mise en forme, …) qui, s’ils sont bien exploi­tés, permet­tront une meilleure opti­mi­sa­tion de la concep­tion d’un embal­lage.

La mise au point méca­nique de ces embal­lages est un élément essen­tiel sur lequel nous souhai­tons travailler. Pendant les phases de condi­tion­ne­ment, l’em­bal­lage primaire subit un remplis­sage à une tempé­ra­ture donnée souvent proche de la tran­si­tion vitreuse (70°C pour le PET). La pose de la capsule est, dans certains cas syno­nyme, de problèmes méca­niques : appa­ri­tion des défor­ma­tions de type squeeze dues à une dépres­sion interne (souvent irré­ver­sibles) ou des défor­ma­tions loca­li­sées sur l’épaule du flacon dues à une compres­sion verti­cale liée à une pose brusque de la capsule. Toutes ses défor­ma­tions rendent le flacon vulné­rable. Par une simu­la­tion numé­rique par éléments finis (un outil du labo­ra­toire virtuel), on pourra corri­ger le design de manière à mini­mi­ser ses défor­ma­tions; l’uti­li­sa­tion d’un logi­ciel de CAO 3D ainsi qu’un mailleur et un code de calcul des struc­tures par éléments finis permet­tra d’ar­ri­ver à cette fin. Si la contrainte logis­tique et commer­ciale du remplis­sage maxi­mum des caisses et des palettes doit être satis­faite, le design devra subir dans ce cas une nouvelle correc­tion en jouant sur les sections du flacon tout analy­sant virtuel­le­ment les nouveaux compor­te­ments méca­niques du fait des chan­ge­ment de design.

Dans le cas de l’em­bal­lage secon­daire, il devra avoir une bonne RCV (Résis­tance à la Compres­sion Verti­cale), l’em­bal­lage primaire n’étant pas porteur. La caisse se trou­vant dans les condi­tions les plus défa­vo­rables devra être opti­mi­sée en forme et en épais­seur, un calcul numé­rique de sa résis­tance à des charges de compres­sion verti­cale est néces­saire. Pour une forme donnée de la caisse, on simu­lera numé­rique­ment, pour un maté­riau ortho­trope en l’oc­cur­rence le carton ondulé, les défor­ma­tions et les contraintes subies ainsi que le flam­bage statique, utile pour calcu­ler la charge critique au delà de laquelle la caisse ne pourra plus tenir. Cela permet de résoudre une contrainte logis­tique liée au stockage et à la palet­ti­sa­tion. La labo­ra­toire virtuel carac­té­rise le maté­riau ortho­trope pour diffé­rentes humi­di­tés et réalise le calcul numé­rique de la RCV avec ses modèles d’élé­ments finis volu­miques 3D ou de coques minces. Il permet égale­ment d’ap­por­ter des solu­tions à d’autres problèmes logis­tiques comme le trans­port (vibra­tions) ou la manu­ten­tion (chocs, …), en propo­sant de modé­li­ser ses phéno­mènes sans recou­rir aux essais. A l’aide de son outil numé­rique de dyna­mique rapide, il sera possible d’étu­dier le compor­te­ment méca­nique et vibra­toire de l’em­bal­lage secon­daire soumis à des solli­ci­ta­tions dyna­miques (vibra­tion, choc, crash,..). Cette modé­li­sa­tion concer­nera égale­ment l’em­bal­lage tertiaire. Il s’agit donc d’étu­dier et de vali­der les formes et les maté­riaux à obte­nir (Polyé­thy­lène expansé, Polys­ty­rène expansé, Polyu­ré­thane, cartons ondu­lés bien dispo­sés géomé­trique­ment pour mieux suppor­ter les charges) de façon à assu­rer une protec­tion durable du produit emballé, car une bonne protec­tion de l’em­bal­lage tertiaire entraî­nera une très bonne protec­tion de l’em­bal­lage primaire et, par consé­quent, une contri­bu­tion non-négli­geable à la sécu­rité du produit emballé.

Ce projet de labo­ra­toire virtuel devra dispo­ser d’ou­tils logi­ciels permet­tant expliquer l’en­vi­ron­ne­ment utili­sa­teur d’un embal­lage. Cet envi­ron­ne­ment inté­grera autour d’in­ter­faces d’échanges puis­santes compa­tibles avec la plus part des logi­ciels de CAO et de simu­la­tion numé­rique du marché, des logi­ciels de CAO 2D/3D surfa­cique et volu­mique, de modé­li­sa­tion et de simu­la­tion de la mise en forme (extru­sion, injec­tion, ther­mo­for­mage et souf­flage appliqués aux embal­lages plas­tiques, embou­tis­sage de tôles appliqué aux embal­lages métal­liques, etc…), de calcul de struc­tures avec solli­ci­ta­tions statiques et dyna­miques (vibra­tion, choc, crash, …) et d’op­ti­mi­sa­tion du remplis­sage de palettes et de conte­neurs, prenant en compte la résis­tance à la compres­sion verti­cale des embal­lages secon­daires. L’ap­port de réalité virtuelle dans la concep­tion d’en­vi­ron­ne­ments colla­bo­ra­tifs spéci­fique­ment dédiés au proto­ty­page virtuel est un moyen inno­vant de promou­voir le déve­lop­pe­ment et l’usage de la simu­la­tion numé­rique et des méthodes de travail permet­tant la maîtrise du cycle de vie des produits et des process indus­triels dans le domaine du packa­ging.