Planéité et stabilité dimensionnelle

La planéité et une bonne stabilité dimensionnelle sont des caractéristiques du carton qui revêtent une importance capitale. La bonne planéité ou « forme » de la feuille et des découpes de carton est cruciale pour la machinabilité dans toutes les opérations pratiquées sur le carton, ainsi que pour le rendement des machines de conditionnement.

Pour les couvertures de livres, dépliants et en général tous les produits graphiques, la planéité en tant que telle est importante pour la présentation du produit fini.

Au cours des opérations de transformation et d’emballage, le carton est souvent exposé à des conditions qui modifient son humidité. La feuille de carton subit donc des changements de forme et de dimensions qui varieront selon le type de carton, la composition de la matière première et le procédé de fabrication.

De ce point de vue, le terme « forme » est mieux adapté que « planéité ». En pratique, la forme d’une feuille chez le fabricant n’est pas absolument plane pour tenir compte des modifications qu’elle pourrait subir à l’impression et pendant les opérations de transformation.

Propriétés mesurables

Teneur en humidité (ISO 287)
La teneur en humidité est exprimée en pourcentage du poids total du carton. Le carton étant hygroscopique, tous les essais doivent se dérouler sous atmosphère contrôlée à 23°C et 50% HR. Il importe également de contrôler les conditions de température et l’hygrométrie au cours des traitements ultérieurs.

Méthode d’essai et matériel
La teneur en humidité fait l’objet de mesures et d’un réglage permanents sur la machine à carton, à l’aide d’un équipement informatisé de balayage à haute résolution, dans le sens machine comme dans le sens travers. Des essais en laboratoire sont pratiqués régulièrement pour vérifier l’étalonnage correct des instruments montés sur la machine.

Propriétés déterminantes

Comme la teneur en humidité influence de nombreuses caractéristiques du carton, il est primordial que le fabricant conditionne ce dernier en fonction des exigences ultérieures de l’impression, de la transformation et de l’emballage. La teneur en humidité est ajustée au cours de l’opération de séchage sur la machine à carton. Un contrôle séparé du recto et du verso est indispensable pour assurer un séchage uniforme et une maîtrise du tuilage. On peut également assurer une répartition uniforme de l’humidité dans la laize en pratiquant des mesures et des réglages en continu.

Les fibres cellulosiques sont hygroscopiques. Elles gonflent en absorbant l’humidité et se rétractent en la perdant. Dans la fibre elle-même, la variation relative de dimension est plus forte dans le sens transversal.

Le procédé de la machine à carton donne toujours une orientation préférentielle des fibres de la feuille dans le sens machine (SM). En d’autres termes, une majorité de fibres sont disposées parallèlement au sens de déplacement de la feuille dans la machine. Sachant que les possibilités de déformation sont relativement plus grandes dans le sens transversal et que, d’autre part, les fibres sont orientées dans le sens machine, on comprendra que le changement de dimension et donc de forme, soit plus critique dans le sens travers (ST).

Le principe des changements de dimension ou de forme est illustré ci-contre. Si du point de vue des dimensions, les deux faces de la feuille ont un comportement identique aux variations d’humidité, ces dernières auront comme unique effet un changement de dimension : une dilatation ou une rétraction latérale. Ce comportement du carton est très proche de celui de la feuille symétrique idéale, c’est-à-dire des produits couchés de la même manière sur les deux faces ou non couchés de constitution symétrique en matière de composition, constitution et traitement.

Une feuille de carton dont les faces se dilatent différemment à l’humidité prendra une forme cintrée pour une modification d’humidité donnée. Les produits couchés sur une seule face, les produits non couchés ou couchés sur les deux faces par des produits de composition, construction ou traitement différents du carton de base appartiennent à cette catégorie, comme en pratique presque tous les cartons.

Gonflement des fibres.

Sens Machine (SM) et Sens Travers (ST).

Structure d’une feuille de carton et changements de forme d’une feuille asymétrique dans différents environnement.
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Changements de dimension

Le carton étant très hygroscopique, bon nombre de ses propriétés, et notamment sa teneur en humidité, sont fortement influencées par l’humidité relative de l’air ambiant. Un changement d’humidité provoquera un changement de ses dimensions.

Équilibre en humidité

Le carton est fabriqué de façon à prendre une certaine forme à un certain degré d’humidité. A ce degré d’humidité, le carton sera en équilibre avec un niveau donné d’humidité relative (HR) de l’air ambiant, c’est-à-dire qu’à cette humidité relative, le carton n’absorbera ni ne perdra d’humidité. La teneur d’équilibre en humidité dépend du type de carton et de sa composition en fibres.

Des mesures ont montré une corrélation négative entre la densité du carton et le niveau de l’humidité d’équilibre. L’humidité relative (HR) mentionnée dans ce tableau est celle de l’air ambiant. Pendant l’impression, la découpe et d’autres opérations, il est important de conserver le repérage et la planéité des découpes. On comprend dès lors l’intérêt de maintenir l’humidité relative de l’environnement dans la plage d’humidité spécifiée pour le carton.

Hystérésis

Hystérésis de l’humidité d’un carton.
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L’hystérésis est un effet de retard à un changement d’état, provoqué par la mémoire d’un état antérieur. La série des teneurs d’humidité d’équilibre pour une humidité relative croissante est légèrement différente de la série des valeurs pour une humidité relative décroissante. Cette série de valeurs varie selon le type de carton.

La figure montre une hystérésis typique de l’humidité d’un carton pour un cycle de conditions atmosphériques évoluant du point 1 au point 4. Elle confirme que la teneur en humidité du carton dépend des conditions atmosphériques antérieures. La teneur en humidité sera différente même dans une atmosphère normalisée à, disons, 50% d’humidité relative, suivant que le carton soumis à cette ambiance vient d’un endroit humide ou d’un endroit sec. Pour éviter ce problème, on exige que tous les essais se fassent dans une atmosphère normalisée à 50% d’humidité relative et +23°C et que l’échantillon soit au préalable conditionné dans une atmosphère où règne une humidité relative d’environ 35% et une température de +23°C. De cette façon, les échantillons sont toujours testés dans les mêmes conditions. Une courbe de ce type sera valable pour un carton fabriqué à partir d’une matière première donnée. Des cartons de composition différente présenteront une autre courbe d’hystérésis.


  Type de carton
  Type de carton
  Type de carton
Teneur en humidité, en %
  Haute densité (GZ )
  Densité moyenne (GD, GT)
  Faible densité (GC)
Teneur en humidité du carton à 15 % HR
  ~3.2
  ~3.6
  ~3.9
Teneur en humidité du carton à 50 % HR
  ~6.0
  ~6.7
  ~7.2
Teneur en humidité du carton à 90 % HR   ~11.5   ~12.0   ~13.5

 

Coefficient de dilatation à l’humidité

Le coefficient de dilatation à l’humidité (ß) est la variation relative de dimension en % divisée par la variation correspondante d’humidité dans le carton.

ΔL = Variation de longueur consécutive à une augmentation d’humidité
ΔTH = Variation de l’humidité de l’échantillon de carton
ΔHR = Variation d’humidité relative

ß est spécifique à un type donné de carton et pratiquement constant.

Le coefficient de dilatation à l’humidité d’un carton est trois fois plus grand dans le sens travers (ST) que dans le sens machine (SM) de la feuille. Dans le sens de l’épaisseur, il est dix fois plus grand que dans le sens travers. L’hystérésis intervient à ce stade également car l’humidité du carton n’est pas la même si l’état d’équilibre est atteint à partir de l’état sec ou de l’état humide.

Dans une humidité relative de 50%, l’équilibre peut se situer en un point quelconque entre la partie supérieure et la partie inférieure de la courbe d’hystérésis représentée à droite. Le carton est fabriqué pour s’accommoder d’une humidité relative de 50% à +20°C pendant l’impression et la transformation. Il est donc fabriqué à une teneur en humidité légèrement supérieure, pour tenir compte d’un séchage normal. On empêche le séchage excessif en le protégeant avec un emballage étanche.

Il est très important que le carton soit manipulé et stocké dans des conditions correctes à toutes les étapes : impression, transformation, emballage et utilisation (voir les recommandations sous le titre « Informations techniques générales » du Catalogue Produits).


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Paramètres
  Calculs
Variation d’humidité de 7% à 6,5%
  ΔMC = 7 – 6.5 = 0.5 %
Coefficient de dilatation
  ßMC = 25 · 10-2 % / %
Variation dimensionnelle (%)
  ßMC × ΔMC = 25 · 10-2 × 0.5 = 0.125%
Grandeur de la feuille
  500 mm
Variation dimensionnelle (mm)   500 × 0.125 % = 0.6 mm

 

  Sens Machine Sens Travers
Valeurs typiques ß (GZ) 8.5 × 10-2 25 × 10-2

 

Exemple de changements dans la teneur en humidité.
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Le carton suivra en pratique la courbe supérieure au cours de l’impression et la transformation. Ceci implique que du point de vue humidité et dilatation due à l’humidité (forme), le résultat sera limité au passage du point 1 au point 2. Si on laisse le carton sécher jusqu’à une humidité inférieure au point d’équilibre de 50%, on ne pourra pas présumer de son humidité ni de sa forme à l’équilibre. En conséquence, l’humidité et la dilatation qu’elle provoquera dépendront de la position du point d’équilibre en humidité sur la verticale entre les points 2 et 3.

La situation décrite ci-dessus est valable pour le carton à toutes les étapes du stockage à la transformation, de l’emballage à l’utilisation.

La variation des dimensions de la feuille se détermine en multipliant le coefficient de dilatation dû à l’humidité par le changement réel de la teneur en humidité du carton. Il est alors facile de calculer le changement absolu en mm comme dans l’exemple.

Puisque le coefficient de dilatation est propre au type de carton, chaque qualité de carton subira une variation dimensionnelle différente.

Le choix du carton

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Quelle que soit l’application, graphique ou emballage, le carton doit conserver une planéité rigoureuse. Des changements de forme sont préjudiciables à la machinabilité aux stades d’impression, de transformation et de conditionnement. La forme du produit revêt également une importance décisive pour tous les produits graphiques, qu’il s’agisse de cartes postales, de couvertures de livres, etc.

Le carton est sensible aux variations d’humidité, qui modifient sa forme ou ses dimensions. Le carton est fabriqué pour avoir une forme plane dans une ambiance bien définie. Exposé à un autre environnement, sa forme se modifie. Il faut donc que le fabricant soit informé du type d’environnement dans lequel il sera utilisé. Puisque le carton est composé de fibres cellulosiques, il est pratiquement impossible de l’empêcher de modifier sa teneur en humidité jusqu’au point d’équilibre, par échange avec l’air ambiant. Toute variation d’humidité affectera le diamètre des fibres de cellulose et donc la forme du carton. Suivant le type de traitement, la modification de forme sera différente d’une qualité de carton à l’autre.

Le carton intérieur bois et le carton homogène blanchi sont fabriqués à partir de fibres vierges. Leur comportement à des conditions atmosphériques différentes est donc prévisible.

Caractéristiques de la planéité et de la stabilité dimensionnelle

La planéité et la stabilité dimensionnelle caractérisent l’aptitude du carton à résister aux effets des changements d’humidité dans l’air ambiant.

Évaluation du tuilage et du vrillage

La forme du carton est définie par le tuilage et le vrillage. La planéité doit être évaluée sur une feuille isolée et non sur une palette parce que la forme d’une palette est influencée par la différence de température entre l’extérieur et l’intérieur. Un tuilage ST a son axe de déformation dans le sens machine et un tuilage SM a son axe dans le sens travers. Le tuilage est positif quand le recto du carton est convexe. Le tuilage est défini comme l’inverse du rayon de courbure, 1/r (1/m = m-1). Pour une feuille plane, le rayon est infini et le tuilage est nul.

Tuilage = 1/r (Unités = m-1)

Le tuilage mécanique est un autre type de tuilage, orienté dans le sens machine du carton et causé généralement par une longue période de stockage en bobine à mandrin de faible diamètre. Ce tuilage peut être orienté vers le haut ou le bas par rapport au recto selon que le recto a été enroulé vers l’intérieur ou l’extérieur de la bobine.

Quand on mesure le tuilage et le vrillage, les cordes des neuf arcs sont mesurées (voir instrument de mesure du tuilage et du vrillage L&W). L’illustration montre les deux cordes C1 et C9. Si ces cordes ont des angles différents par rapport au plan horizontal, l’échantillon est vrillé.

La variation de l’angle des cordes dans le sens machine donne la mesure du vrillage.

Δθ    = variation de l’angle en radians
Δd    = déplacement dans le sens machine (m)

Le vrillage est positif si les cordes paraissent se déplacer dans le sens inverse des aiguilles d’une montre quand on parcourt la feuille dans le sens machine ; il est négatif si les cordes paraissent se déplacer dans le sens des aiguilles d’une montre.

L’angle de vrillage est l’angle formé par le sens machine et la droite reliant les points de la feuille où le vrillage est nul. Cet angle peut prendre toutes les valeurs entre 0 et ±45°.

Propriétés déterminantes

L’amplitude de la variation dimensionnelle et du tuilage qui en résulte est influencée avant tout par:
• le type de fibre et la constitution des jets
• le degré de raffinage des fibres et l’encollage interne
• l’orientation des fibres (anisotropie)
• le type et la composition de la couche
• l’uniformité du profil d’humidité.

Rayon de courbure.

Tuilage.

Vrillage.

Vrillage positif et négatif.

Échantillon pour la mesure du tuilage et du
vrillage.

Appareil de mesure du tuilage L&W.
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Propriétés mesurables

Tuilage et vrillage
La méthode la plus simple pour mesurer le tuilage d’un carton est de découper un carré, de le conditionner à 50% d’HR et 23°C et de faire coïncider les côtés SM et ST avec une famille de courbes à rayons de courbure différents.
La stabilité dimensionnelle se contrôle par la mesure de la forme d’un échantillon conditionné à différentes humidités relatives (croissantes et décroissantes).
L’ appareil mesure le tuilage, le vrillage et l’angle de vrillage de différents échantillons de carton. Il permet aussi d’évaluer l’importance des variations de ces propriétés dans différents environnements, c’est-à-dire la stabilité dimensionnelle.
On prélève cinq échantillons dans la laize de la machine à carton et on les conditionne à une HR de 35 %, 50 % ou 65 %. Le testeur de tuilage et vrillage analyse une section transversale de la feuille parallèle au SM (voir l’illustration ci-dessus).

 

Dans cette section, on suppose que la courbure de la feuille suit un cercle de rayon r. La courbure de cette section est l’inverse de ce rayon r (exprimé en mètres). Sur chaque échantillon, on effectue neuf balayages qui donnent au total 81 points de mesure. Les échantillons ont 10 cm de côté. Un coefficient permet de définir le degré de concordance avec un cercle parfait. La valeur 1 correspond à la concordance maximale et 0 à l’absence de concordance.

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