Aptitude au rainage et au pliage

Le but du rainage est de tracer des lignes de plis bien marqués pour faciliter le pliage et créer les conditions optimales grâce auxquelles le produit aura la forme souhaitée et la capacité de remplir sa fonction. La rainure idéale après pliage se comporterait exactement comme une charnière. C’est impossible, mais le but consiste à s’en approcher le plus possible.

L’aptitude au rainage et l’aptitude au pliage sont deux propriétés intimement liées et d’égale importance:
• pour obtenir la forme et la fonction souhaitées pour la boîte
• pour concevoir des formes créatives dans les applications graphiques et d’emballage
• pour la machinabilité et le rendement de la chaîne de conditionnement
• pour obtenir la résistance à la compression de la boîte et la tenue à l’empilage.
C’est l’application qui détermine les exigences en matière d’aptitude au rainage et au pliage. Ces exigences peuvent être requises par la production, la forme , la taille ou la fonction de la boîte.

Le choix du carton

Les catalogues et les brochures des fabricants contiennent souvent une opinion subjective sur l’aptitude au rai-nage et au pliage de leur carton, par exemple « bonne » ou « très bonne ». Ce sont la conception, la construction, le type de pâte et les propriétés mesurables fondamentales du carton qui lui confèrent son aptitude au rainage et au pliage. Il faut donc étayer l’appréciation « bonne » ou « très bonne » par des faits relatifs à ces propriétés.

Le choix du carton est important mais la conception de l’outil de rainage et son comportement ne le sont pas moins si l’on veut un résultat satisfaisant.

La rigidité et la résistance du carton jouent un rôle dans ce résultat. Le carton intérieur bois est généralement plus rigide que le carton homogène blanchi qui présente, en revanche, une meilleure résistance. L’aptitude au pliage est une question de dosage de la rigidité et de la résistance exigées par l’application.
Le texte qui suit ne traite que des éléments à examiner lors du rainage et du pliage des qualités de carton de base. Le cas du carton enduit de plastique ou pelliculé ne sera pas traité.
Dans la plupart des cas, le carton se compose d’un certain nombre de jets fibreux et de couches. Les propriétés individuelles des différents jets et la construction générale du carton ont une forte influence sur l’aptitude au rainage et au pliage. La structure multijet apporte une contribution importante à cette aptitude.

Les exigences en matière de rainage et pliage dépendent de l’application. Le carton intérieur bois (pâte mécanique avec pâte chimique pour les jets extérieurs) et le carton homogène blanchi (pure pâte chimique) peuvent à eux deux satisfaire un large éventail d’exigences différentes.

Le carton homogène blanchi est tout indiqué lorsqu’on demande une grande précision, des cadences élevées et que la forme de l'étui final requiert des rainures profondes et étroites. Ce sera le cas notamment si les rainures sont très rapprochées les unes des autres sur une surface restreinte, et quand les angles de rainage sont aigus. Puisque le rainage produit une déformation mécanique, les propriétés mesurables comme la résistance à la traction, la résistance à la compression, l’allongement et la ténacité auront une importance prépondérante.

La charnière – un état idéal après rainage et
pliage.

Conséquences de l’aptitude au rainage et au
pliage. Cliquez pour agrandir.

Caractéristiques du rainage

L’aptitude au rainage se définit comme:
• la capacité du carton à supporter des rainures profondes et étroites. Le pliage d’un carton à rainures profondes et étroites est aisé et donne des arêtes et des angles francs.
• l’aptitude du carton à épouser la forme de la rainure et de la conserver. À cet égard, la précision est importante. Le pliage est malaisé si la rainure est trop peu profonde ou trop large.
• l’aptitude du carton au pliage, mesurée par le facteur de pliage. Plus le facteur de pliage est grand en l’absence de rupture, meilleure sera l’aptitude au rainage et au pliage en cours de transformation et de conditionnement.
• la « tolérance » du carton. Un carton malléable est moins sensible aux variations des conditions de rainage (variations de largeur, profondeur et épaisseur) consécutives par exemple à l’usure des outils. Le carton aura un comportement plus fiable dans les machines de transformation. La résistance à la compression du carton est en général 2 à 3 fois inférieure à la résistance à la traction. Le matériau cède à l’endroit où les forces de compression se développent. Les jets extérieurs ne sont pas atteints et conservent leur résistance à la traction. Ce phénomène est souhaitable. Les surfaces comprimées subissent d’abord un délaminage en couches minces dans la masse du carton et les jets se séparent. Au cours de l’opération de pliage qui suit, le délaminage se poursuit et les jets superficiels, dont la résistance à la traction est intacte, font office de charnière.

Le rainage est de toute évidence un traitement violent. Les jets superficiels du carton, y compris la couche pigmentée, doivent être suffisamment solides pour résister aux efforts et allongements requis. Des rainures profondes et étroites sont difficiles à réaliser. Les jets de surface risquent de céder, soit par dépassement de la profondeur limite de la rainure soit au cours du pliage.

Évaluation de l’aptitude au rainage

On peut évaluer l’aptitude au rainage de divers cartons en calculant, après rainage, le facteur de pliage. On mesure le moment de flexion (M) avant et après rainage. Le facteur de pliage (F) ou de réduction du moment se calcule par la formule suivante:

Le facteur de pliage, en tant que critère de bonne aptitude au rainage, gagne en pertinence si on le porte sur un diagramme en fonction de la profondeur ou de la largeur de la rainure. Les limites de chaque courbe représentent, soit une rainure mal définie, soit la rupture des surfaces (rainures profondes).
On peut en conclure qu’une bonne aptitude au rainage se caractérise par:
• un facteur de pliage élevé avec des rainures peu profondes
• une faible variation du facteur de pliage pour une augmentation de la profondeur de rainure (une courbe aussi horizontale que possible)
• un matériau supportant bien le rainage ou le pliage et la flexion sans ruptures superficielles, autrement dit permettant une large plage de rapports profondeur/largeur.
Le rainage idéal serait représenté dans le diagramme par une ligne droite horizontale. Dans la pratique, il faut tenir compte de l’usure des outils de rainage et de la variabilité des équipements mécaniques. Ainsi, un carton dont le facteur de pliage est peu sensible aux variations de profondeur de rainage a un comportement plus tolérant puisque son aptitude au rainage n’est que marginalement affectée par les variations de l’équipement mécanique et de la contrepartie. La rupture de l’un des deux jets superficiels se produit généralement à la suite d’un rainage trop profond. En conséquence, il faut préférer le carton qui peut accepter un rainage aussi profond que possible.

Importance de la construction multijet.
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Un carton dont l’aptitude au rainage est médiocre se caractérise par un facteur de pliage fortement dépendant de la profondeur de rainage et par sa rupture à la moindre augmentation de cette profondeur.

On peut montrer sur un diagramme en trois dimensions la relation existant entre résistance au pliage, largeur et profondeur de rainure. L’exactitude de la forme, la symétrie et la position des rainures sont des paramètres qui ont gagné en importance depuis que l’on exige des emballages plus fiables et plus performants.

La forme définitive de la rainure, sa largeur et sa profondeur, ne sont pas seulement déterminées par la géométrie de l’outil utilisé, mais aussi par le type de carton et sa capacité à s’adapter à la forme de l’outil. On remarquera également que le caractère dynamique du rainage oblige à considérer, pour chaque qualité de carton, un temps de passage en machine différent pour produire un rainage satisfaisant. En d’autres termes, le temps machine sera plus court pour certains cartons.

La symétrie est importante, en particulier pour les boîtes de petites dimensions et celles pour lesquelles la précision des formes et des dimensions est essentielle. Si les rainures ne sont pas symétriques, le pli ne sera pas conforme aux spécifications, et, suivant le degré d’asymétrie, l’alignement pourrait être faussé. Ces boîtes n’auraient pas la géométrie recherchée, et pourraient même provoquer des arrêts de la chaîne d’emballage.

Les positions géométriques des arêtes et des rainures sont aussi importantes que la symétrie, pour les mêmes raisons. Dans ce cas, toutefois, les tolérances des outils et la constance des variations dimensionnelles du carton jouent aussi un rôle primordial.

Les différentes constitutions des jets de carton

La qualité de la pâte et sa composition, de même que la construction du carton, ont une grande influence sur l’aptitude au rainage.

L’utilisation de carton multijet est un facteur important de bonne aptitude au rainage. Un délaminage complet des jets intérieurs est souhaitable pour l’obtention de l’effet de charnière au pliage.

La figure ci-dessous rend compte de l’aptitude au rainage de trois cartons multijet. Une feuille à base de pâte mécanique et pâte chimique au recto (A), une conception en I avec de la pâte mécanique au centre et de la pâte chimique blanchie dans les deux jets extérieurs (B), et enfin une feuille de carton multijet de composition homogène en pâte chimique blanchie (C).

Les différences d’aptitude au rainage sont éloquentes. On obtient une amélioration radicale de l’aptitude au rainage en combinant en une conception de poutre en I, de la pâte mécanique et deux jets de pâte chimique blanchie (B) au lieu d’un seul en surface (A). En plaçant un jet de chaque côté de la feuille, on offre une marge de rainage plus grande et on améliore le facteur de pliage, ce qui prouve l’importance de la résistance des jets superficiels. Par sa densité et sa solidité, le carton multijet en pâte chimique donne la meilleure aptitude au rainage (C).

En résumé, l’emploi de pâte chimique seule ou combinée à la pâte mécanique améliore l’aptitude au rainage, comme le montre la figure ci-dessous. Il est aussi important de noter que le carton est un matériau viscoélastique, c’est-à-dire que toutes ses propriétés sont dépendantes du temps.

On l’a signalé précédemment, le temps de passage et le type de carton ont tous deux une forte influence sur la qualité des plis. La pâte chimique est plus indiquée parce que ses propriétés sont plus stables et qu’elle conserve longtemps la forme des rainures.

En outre, la pâte chimique épouse avec une fidélité accrue la forme de l’outil. C’est un gage de fonctionnement uniforme des machines de transformation et de conditionnement.

Résistance au pliage en fonction de la profondeur
et la largeur de la rainure.

Aptitude au rainage de trois cartons multijet
différents. Cliquez pour agrandir.

Propriétés déterminantes

Les propriétés suivantes du carton ont une influence décisive sur le rainage:
• élasticité et allongement
• résistance à la traction
• résistance à la compression
• moment de flexion et résistance à la flexion
• résistance au délaminage
• planéité et stabilité dimensionnelle.

L’élasticité (appelée aussi rigidité à la traction ou module E), la résistance à la traction et l’allongement sont trois paramètres physiques importants pour les jets de surface. Pendant le rainage, le carton est étiré sur quatre zones étroites. En position pliée, la surface rainée doit avoir une grande résistance à la traction et un grand allongement pour éviter la rupture. Les forces de compression (aussi sur quatre zones restreintes) sont tout aussi importantes : elles créent un début de délaminage dans la masse du carton. La cohésion des fibres (résistance au délaminage) doit se maintenir entre certaines limites, ni trop hautes ni trop basses, pour que le délaminage s’opère pendant le rainage plutôt qu’ultérieurement. En fait, le meilleur rainage s’obtient lorsque le carton subit un délaminage en une multitude de jets minces, mais intacts.

La planéité et la stabilité dimensionnelle de la feuille sont essentielles pour un rainage de précision. Sinon, les variations de stabilité et de planéité s’ajoutent à la marge d’erreur des outils et des équipements mécaniques, qui affectent négativement soit le résultat, soit l’apparence souhaitée du carton.

Équipement de mesure

Les appareils de laboratoire permettant de mesurer la qualité de la rainure peuvent être : le testeur d’aptitude au rainage de Lorentzen & Wettre (L&W), le testeur de rainage de Marbach et testeur Pira d’aptitude au rainage et au pliage.

Le testeur de rainage L&W permet trois angles de pliage (5°, 90° et 160°) et trois vitesses de pliage (5°/s, 90°/s et 900°/s). Le testeur L&W permet la mesure de rigidité à la flexion, le coefficient de flexion et le moment de flexion sur des échantillons rainés et non rainés. Le facteur de pliage exprime en pourcentage le rapport de l’énergie requise pour plier des échantillons rainés et non rainés.

Les forces en présence au cours du rainage.

Appareil de pliage. Cliquez pour agrandir.

 

Le système Marbach, similaire au système L&W, utilise la formule suivante:

Résistance à la détente (CRR)

La force de détente d’un échantillon plié et rainé peut être analysée à l’aide d’un mesureur de l’aptitude au rainage.

Différents fabricants proposent des mesureurs de l’aptitude au rainage, qui mesurent simplement la résistance (par ex. Pira) ou donnent une analyse détaillée de la force produite par rapport à l’angle de flexion au cours du pliage (par ex. L&W).

Tous les testeurs s’appuient sur la même méthode. On raine un échantillon de carton selon une géométrie donnée, en fonction de l’épaisseur, et on le prépare à une taille donnée. On serre ensuite l’échantillon dans le testeur de manière à ce que la surface du carton vienne en contact avec le capteur de force (voir page précédente). On fait pivoter la mâchoire à 90° et on maintient cet angle pendant 15 secondes, après quoi on prend la mesure de rigidité du rainage. Avec les testeurs Pira, c’est l’opérateur qui fait tourner manuellement la mâchoire et une seule valeur de rigidité du rainage est obtenue au bout de 15 secondes. Avec les testeurs L&W, la rotation de la mâchoire est effectuée par la machine, selon une vitesse définie par l’utilisateur, et la mesure de la force est continue. Les forces peuvent être recalculées en tant que couples et reportées sur un diagramme en fonction de l’angle de flexion pour produire une courbe de résistance à la flexion. Cette courbe peut être utile pour comprendre la différence de comportement de différents cartons. Par exemple, on peut délimiter sur la courbe l’angle à partir duquel on dépasse la limite élastique, et où le matériau commence à se délaminer – voir la figure 2, point 1. Le point auquel la Résistance à la Détente du Rainage est mesurée, c’est-à-dire au bout de 15 secondes, est aussi indiqué sur la courbe, au point 2.


Rapport couple/angle de pliage. Le délaminage du carton commence au point 1; au point 2, couple
15 secondes après relaxation. Cliquez pour agrandir.

 

 

Il est essentiel de bien comprendre le concept de la Résistance à la Détente du Rainage et de la rigidité du carton, si l’on veut que le carton passe sans problème sur les lignes d’emballage à grande vitesse. La rigidité du carton est importante pour protéger le contenu emballé. Cependant, la Résistance à la Détente du Rainage ne doit pas être trop élevée, car cela engendre une courbure des faces et des rabats de la boite nuisant à son aspect, et des variations de la force de détente perturbent le passage en machine. La vitesse de pliage (degrés/seconde) varie beaucoup en fonction de la méthode de pliage et de mise en volume ; elle est relativement lente sur une colleuse-plieuse d’étuis à joints latéraux, et extrêmement rapide sur des lignes de mise en volume à pistons et scellage à chaud typique des boîtes de confiserie. L’analyse des caractéristiques de la Résistance à la Détente du Rainage permet au fabricant de carton de concevoir des produits en mesure de passer sans problème sur les machines de conditionnement à grande vitesse.

Caractéristiques de l’aptitude au pliage

L’aptitude au pliage se définit comme:
• l’aptitude d’une découpe à plat rainée à former une boîte ou un produit graphique de forme et dimensions désirées
• une résistance à la détente minimale..

L’aptitude au pliage contribue également à la machinabilité dans les chaînes de conditionnement et à la qualité du produit final.

L’aptitude au pliage est vitale pour la transformation, quand les découpes à plat sont pliées pour former un joint collé et quand la boîte est montée, formée et finalement scellée. Une médiocre aptitude au pliage peut provoquer des arrêts de production et des pertes inutiles de matière. Des parois et des rabats bombés peuvent révéler une mauvaise aptitude au pliage.

Une bonne aptitude au pliage s’obtient par une bonne aptitude au rainage – faible résistance à la flexion dans la zone rainée – complétée par une grande rigidité. La faible résistance à la flexion dans la rainure réduit la force de détente, et combinée à une bonne rigidité, elle s’oppose au renflement des parois latérales de la boîte. Une découpe à plat rainée se plie habituellement à 90° ou 180°. Parfois, on réalise ce que l’on appelle un «précassage» des plis pour réduire davantage encore la résistance au pliage. Les étuis pliants à patte de collage ont deux rainures pliées à 180° et redressées à 90° lors de la mise en volume. Dans ce cas précis, on cherche également à obtenir une faible résistance au pliage, en l’occurrence la force d’ouverture de la boîte.


Aptitude au pliage en fonction de la profondeur
de rainage.


La résistance au pliage diminue de 10% à chaque
multiplication par 10 du temps de pliage.


Aptitude au pliage – bonne et médiocre.
Cliquez pour agrandir. 

Pour obtenir un pliage fiable, il faut maintenir un rapport élevé et constant entre rigidité et résistance à la flexion (autrement dit, un facteur de pliage élevé). Si ce n’est pas le cas, il en résultera des parois incurvées et déformées à des degrés divers.

Le carton est un matériau viscoélastique, ce qui implique que la résistance au pliage augmente avec la vitesse de pliage. Les mesures réalisées sur différents types de carton illustrent ce comportement typique.

Évaluation de l’aptitude au pliage

On peut évaluer l’aptitude au pliage de différents types de carton à condition de connaître le rapport entre la rigidité et le moment de flexion de la rainure. Par définition, ce rapport détermine le rayon de courbure des parois autour du pli. Plus le rayon de courbure est grand, moins la paroi est donc déformée.

Une rainure ayant une faible résistance à la flexion donne des moments de flexion de la rainure de faible valeur. L’équation montre qu’il faut préférer un carton de grande rigidité et faible résistance à la flexion. Un carton qui permet des rainures profondes sans produire de défauts aux jets superficiels présente une bonne aptitude au pliage.

Différences entre SM et ST

L’orientation des fibres de la feuille de carton dans le sens machine complique l’aptitude au rainage et au pliage. Celle-ci est toujours meilleure dans le sens machine (SM) que dans le sens travers (ST).

Il est plus difficile de pratiquer des rainures dans le sens perpendiculaire à l’orientation principale des fibres. Les différences d’aptitude au rainage dans le sens SM et le sens ST et la rigidité dans les directions respectives ont une influence sur l’aptitude au pliage des boîtes ou autres réalisations en carton.

L’illustration montre un pliage défectueux. La feuille a été rainée pour faciliter le pliage, mais elle plie quand même à côté de la rainure. Les rainures faites en SM (1) n’ont pas un rapport

suffisant et le rabat se cintre. Par conséquent, quand on plie le rabat suivant (2), les rainures en ST sont également bombées. La résistance à la flexion de la rainure augmente tellement qu’elle dépasse la résistance à la flexion du carton non rainé. Le rabat se comporte comme s’il n’était pas rainé du tout et adopte une forme imprévisible. Le pli peut même se former à côté de la rainure. Dans les applications difficiles, il est donc nécessaire d’optimiser la conception de l’étui et les rainages en fonction des différences entre sens machine et sens travers.

Différentes constitutions des jets du carton

Pour ce critère, les exigences d’aptitude au pliage peuvent faire l’objet des mêmes commentaires que ceux émis pour le rainage.

Propriétés déterminantes

Certaines propriétés du carton sont importantes pour l’aptitude au pliage:
• la résistance et la ténacité SM et ST
• la rigidité SM et ST
• l’élasticité et la solidité de la couche.

Sens travers (ST) et sens machine (SM) par
rapport à l’orientation principale des fibres.

Pliage défectueux en raison de la courbure des
rabats. Cliquez pour agrandir.

 

Pour un pliage idéal la structure interne du carton doit se délaminer en un maximum de jets possibles sans qu'aucun d'eux ne se brise. Les forces appliquées dans la zone de la rainure pendant le pliage sont très proches de celles qui s'y développent pendant le rainage lui-même. En dehors des zones de rainage et de pliage, la résistance interne du carton doit être suffisante pour lui permettre de rester intact. Quand on le plie, il doit se comporter comme une charnière.

Toutes les propriétés de résistance du carton qui sont déterminantes pour la qualité du rainage retrouvent leur importance au moment du pliage. Les remarques précédentes laissent supposer que la rigidité est, au même titre que la résistance, d'une importance vitale pour l'aptitude au pliage. L'équation de l'aptitude au pliage le confirme.

Jusqu'à présent, nous avons concentré notre attention sur les caractéristiques physiques des fibres du carton. Il est clair que la couche - habituellement pigmentée - doit également être élastique et résistante. Faute de quoi, elle risque de céder et détruire l'aspect de l'emballage imprimé.

Équipement de mesure

L’appareil de mesure du facteur de pliage utilisé pour l’aptitude au rainage peut servir ici également.

 


Carton en cours de pliage.

 

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825 80 Iggesund
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