Matériau électroformable

Les matériaux électroformables sont des matériaux composites, appartenant à la classe des polymères thermoplastiques. Ce sont des matières plastiques rigides à température ambiante, pouvant prendre la forme de divers objets plastiques, ou de pièces plastiques d'objets de compositions variées. Ils peuvent se substituer à des polymères thermoplastiques plus courants tels que PVC, PE, PC, EVA etc.

La particularité des matériaux électroformables réside dans leur capacité à devenir fluides et malléables lorsqu'ils sont traversés par un courant électrique, avant de se rigidifier à nouveau en absence de la source d'énergie ; le processus peut être réversible. Ce comportement permet d'effectuer un thermoformage rapide, réversible et d'usage facilité pour de nombreuses applications. L'un des avantages notables est l'amélioration du confort de produits du quotidien en contact avec le corps humain.

Ces matériaux sont particulièrement utiles dans le cadre de produits dits thermoformables dans le domaine des matériels sportifs (ex: chaussures de ski, semelles, protections corporelles) et dans le secteur médical (ex: attelles).

Les matériaux électroformables ne doivent pas être confondus avec les polymères électroactifs, dont le principe physique d'activation diffère, notamment sur la génération de forces mécaniques qui n'existe que pour les électroactifs.

Principe physique

Le principe d'activation des matériaux électroformables est réputé pour sa simplicité : la matrice est constituée d'un thermoplastique conducteur électrique, dans lequel sont positionnées deux électrodes permettant d’appliquer une tension électrique.

Lorsque cette tension électrique est appliquée, le polymère se comporte comme une résistance chauffante en raison de sa résistivité, et se met à chauffer par effet Joule jusqu’à atteindre sa température de fusion, au-delà de laquelle il devient suffisamment visqueux pour être malléable à la main.

Idéalement, le polymère thermoplastique est choisi parmi un ensemble de composés dont la température de fusion est relativement basse (60°C par exemple), afin que l’utilisateur puisse le manipuler sans risque de brûlure, et pour des questions de réduction de la quantité d’énergie nécessaire pour le changement d'état.

La plage de voltage utilisable, en continu ainsi qu'en alternatif, est très étendue ; le secteur électrique domestique reste un emploi plébiscité. Cependant, la puissance électrique nécessaire pour réaliser la transition de fusion est proportionnelle à la masse de matériau électroformable à déformer. Cette masse définit ainsi la puissance électrique minimale permettant d’atteindre la température de changement d'état, malgré les pertes par dissipation thermique.

Histoire

Des polymères ou composites thermoplastiques conducteurs électriques existent depuis les années 1970. Cependant, le concept des matériaux électroformables est quant à lui assez récent ; il a été développé pour la première fois en France en 2015 par Pierre-Louis Boyer et Alexis Robert.

Usages

Manque d'adaptation pour les produits fabriqués en série

Certains objets rigides en contact avec le corps humain présentent un besoin de s’adapter à la morphologie de l'utilisateur, afin de répartir la pression sur l’ensemble de l’interface homme-objet. Le but est d’améliorer le confort de l’usager et d’éviter les points de pressions, lesquels peuvent par exemple provoquer des escarres.

Ce besoin d’adapter des formes rigides vient de l'extrême variabilité de l'anatomie entre individus ; cette variabilité rend difficile la pertinence de la plupart des procédés de fabrication en série. En effet, ces procédés sont généralement optimisés pour fabriquer une forme unique, souvent à partir d’un moule ou d’une matrice (par exemple : injection plastique, emboutissage de feuille de métal…). Pour adresser ce problème de diversité morphologique, les concepteurs industriels doivent souvent multiplier le parc de leurs machines-outils afin de proposer plusieurs dimensions et formes à leurs produits. Un des exemples le plus marquant concerne les chaussures, pour lesquelles jusqu’à 15 ou 20 tailles différentes peuvent être recensées. Ce portefeuille de produits est très lourd à supporter sur plusieurs aspects :

• Coût de fabrication : Les outillages industriels tels que les moules d’injection sont un poste de dépense conséquent. L’investissement nécessaire est proportionnel au nombre de tailles pour une même gamme.

• Logistique : La gestion des stocks doit être révisée si la gamme est de plus en plus fournie. Or, les acteurs industriels sont très limités en nombre de variations de produit, chacune multipliant le nombre de références. Par exemple, un fabricant de chaussures qui propose un modèle en 15 tailles devra gérer 3 x 15 = 45 références s’il souhaite pouvoir décliner l'objet en 3 couleurs.

Limités par le nombre de variations, les concepteurs peuvent donc difficilement répondre à toutes les spécificités anatomiques des individus. L'option stratégique la plus répandue consiste en l'adressage des produits aux caractéristiques physiques de l'individu moyen, censés correspondre à la majorité des clients, mais laissant une frange d’utilisateurs insatisfaits conséquente.

Utilisation des produits thermoformables pour combler ce manque

Les produits dits thermoformables (qui utilisent des éléments thermoplastiques souvent à basse température de fusion) sont une solution permettant à des produits de s’adapter à l’anatomie de l’utilisateur.

Les produits thermoformables permettent d’adapter une forme initialement standard à l’anatomie de l’utilisateur, cette adaptation se rapprochant du principe de personnalisation des objets par amélioration de leur ergonomie. Au XXIe siècle, de nombreuses applications utilisent le principe du thermoformage, telles que : chaussures de ski, semelles de chaussures, chaussons de danse classique, attelles médicales…

Une des limitations de ces produits utilisant des matériaux thermoplastiques classiques est la technicité de l'équipement requis pour leur mise en œuvre. En effet, l’énergie thermique nécessaire pour élever le matériau à son point de fusion est en général fournie par l’utilisation d’un four, d’une étuve ou d’un bain-marie.

Les avantages des matériaux électroformables pour leur formage sont les suivants :

• Une mise une œuvre facilitée pour l’utilisateur final, celui-ci devant simplement brancher le produit à une source électrique d'énergie calibrée.
• Une rapidité du procédé de transformation ergonomique, du fait que le matériau chauffe intrinsèquement par effet Joule.

Certains désavantages  :

• Une alimentation électrique est nécessaire.
• L’utilisation de cette alimentation impose un positionnement sur les normes de sécurité, en particulier si la tension utilisée est supérieure à 50 V.

Références

Sources

Des polymères déformables à volonté

LOMA Innovation et sa technologie de matériaux plastiques déformables

Un polymère déformable à la chaleur