conception/réalisation ADUAN2006 - Estelle PATOUT

Le partenariatLe partenariat DAUM / LCSMDAUM / LCSM

Collaboration étroite entre la société DAUM et le Laboratoire de Chimie du Solide Minéral (LCSM, UMR 7555) de l‘Université Hen-ri Poincaré de Nancy depuis avril 2005 (Stage T. Florentin et travaux F. Moitrier débutés en Décembre 2005 qui s’inscrivent sur un pro-jet de 3 ans), ce travail a pour but d’identifi er les causes et les origi-nes des défauts rencontrés lors de l’élaboration de la pâte de verre par la société DAUM afi n de :

Diminuer les rebuts de productionMettre en place des actions correctives bien ciblées et effi cacesGagner de façon importante en qualité, coûts et délais de fabrica-tion des pièces en pâte de cristalOuvrir le champ des possibilités pour la création d’objets toujours plus novateurs tant en formes qu’en couleurs pour que DAUM reste une marque fi dèle à ses racines lorraines de l’Art Nouveau

PRÉSENTATION DES PRINCIPAUX DÉFAUTS PRÉSENTS DANS LA PÂTE DE VERRE

Démarche

1/Identifi cation et analyse du défaut par les méthodes decaractérisation disponibles auLCSM : microscope optique et électronique, diffraction des rayons X, analyses thermiques,fl uorescence X, spectroscopie UV vis et IR…

2/Compréhension du phénomène qui a engendré le défaut et reproduction du défaut en labo-ratoire

3/Mise en place de propositions d’actions correctives

Principaux défauts rencontrés

But et objectifs du partenariat

Défauts Causes identifi ées Solution LCSM/Remède

1

2

3

4a

4b

4c

Défauts augmentant le temps d’usinage1. Interface cire/plâtre :

les grattons «Pustules de pâte de verre»

2. Interface plâtre/groisil : «la peau de

crapaud»

Défaut augmentant le taux de rebut 3. Casse des pièces : impossible à déceler

avant l’étape de déplâtrage

4a. Corps étrangers inertes : bois, inox, papiers...

4b. Corps étrangers inertes : céramique, fi bres réfrac-taires, plâtre...

4c. Corps étrangers réducteurs qui condui-sent aux «points noirs»

Mauvaise mouillabilité de la cire par le plâtre Bulles d’air à l’interface cire/plâtre Grattons : empreintes des bulles

craquelure

Grain de silice

Détermination de la gamme critique de température : essais LCSM en cours

Contraintes thermiquesDifférence de dilatation entre : - les cristals et le moule plâtre- les différents types de verre

Défaut traité au cas par casExemple : cas des points noirs

Mesure de dilatation des différents types de verre et de plâtreRéalisation d’un dilatomètre adapté à la mesure du verre à l’état pâteuxRéalisation d’une base de données sur différents verres

Éviter toute pollution : couverture des moules...

Ajout d’un tensioactif sur les pièces en cire

Transfert sur site de production en cours

Origine thermique : cristallisation du cristal initiée par les charges du plâtre

potentiel Redox établie dans les verres fondus

O2 O2- +0,2 V

SiO2 Si° -1,2 V

Zn -0,7 VZn2+

Pb2+ Pb -0,5 V

Fe2+ Fe -1,2 V

Présence d‛un réducteur :Acier, aluminium, carbone,Cire…

potentiel Redox établie dans les verres fondus

O2 O2- +0,2 V

SiO2 Si° -1,2 V

Zn -0,7 VZn2+

Pb2+ Pb -0,5 V

Fe2+ Fe -1,2 V

Présence d‛un réducteur :Acier, aluminium, carbone,Cire…

Optimisation du procédé de fabrica-tion des pièces pâte de verre DAUM

LABORATOIRE DE CHIMIE DU SOLIDE MINÉRAL

Verre et innovationVerre et innovation

conception/réalisation ADUAN2006 - Estelle PATOUT

ÉTUDE DE L’INTERFACE CIRE/PLÂTRE : LES GRATTONS

Les “grattons”, qui se présentent sous forme de pustules de pâte de verre, ont pour origine la formation de bulles d’air à l’interface cire /plâtre.

L’empreinte de ces pustules se for-me en effet lors de la coulée du plâtre en raison de la mauvaise mouillabilité de la cire (matériau organique, hautement hydropho-

be) par le plâtre (matériau à liant hydrophile). Ce type de défaut occasionne des temps d’usinage très longs pour la manufacture DAUM.

Présentation du défaut et de ses origines

La coulée du plâ-tre est l’étape du procédé de fabrication au cours de laquelle se forment les grattons

Bonne mouilla-bilité de la cire par le mélange eau/plâtre

Le défaut type grattons : mau-vaise mouilla-bilité de la cire par le mélange eau/plâtre

Immersion des pièces en cire dans une solution de tensioactifs avant de couler le plâtre. Ajout de tensioactifs : diminution de la tension superfi cielle entre 2 corps : amélioration mouillabilité de l’un par rapport à l’autre. Principales applications : savons et autres détergents.

Comment se présente un tensioactif ? (Illustration 1)Un tensioactif est une molécule bipolaire const ituée d’une extrémité hydrophile (qui aime l’eau) et d’une extrémité lipophile (qui n’a pas d’affi nité pour l’eau mais pour les corps gras).

Comment va agir le tensioactif ?(Illustration 2)En raison de sa bipolarité, modifi cation du caractère mouillant d’une surface. Dans le cas de l’interface cire/eau, la chaîne lipophile du tensioactif va présenter une grande affinité pour la cire (matériau organique “gras”).

Cette orientation particulière de la molécule va donc laisser sa partie hydrophile au contact de l’eau et ainsi faciliter le mouillage.

Paramètres optimisés :- La nature de la molécule - La concentration - Le mode d’application sur les pièces en cire : immersion

Essais laboratoire dans l’eau (simulant du mélange eau/plâtre) (illustration 3)

Essais laboratoire avec le mélange eau / plâtre (illustration 4)Technique “tensioactif” utilisée dans le cycle de fabrication

Pièces en cire immergées dans la solution de tensioactifs, coulée du plâtre

1/ Proposition du LCSM pour améliorer la mouillabilité des cires : les tensioactifs

2/ Optimisation des paramètres de travail au LCSM pour une effi cacité optimale de la molécule

Avec tensioactifs

Sans tensioactifsIllustration 4«Porte-encens

gingko» à gauche sans tensioactif,

a droite avec tensioactif

Illustration 3

Étape laboratoire validée !

Illustration 1 : représentation conventionnelle d’un tensioactif

Illustration 2 : mode de fonctionnement d’un tensioactif

Tête hydrophile(polaire)

Queue lipophile(chaîne grasse)

Milieu aqueux

Milieu organique

Interface milieu aqueux/milieu

organique

LABORATOIRE DE CHIMIE DU SOLIDE MINÉRAL

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LABORATOIRE DE CHIMIE DU SOLIDE MINÉRAL

Une fois l’étape laboratoire validée, premiers essais réalisés sur le site de la cristallerie de Nancy.

Essais sur des pièces de tailles importantes et sujettes au défaut type “grattons”. Immersion des pièces en cire dans une cuve de 200 litres de solution tensioactive, puis suite du procédé classique d’élaboration de la pièce en pâte de verre.

Résultats très encourageants :

Pièces traitées quasi exemptes de

grattons!

Les essais laboratoire ont permis de :

choisir un tensioactif adapté à notre application

déterminer les conditions dans lesquelles cette molécule doit être utilisée. (Travail possible grâce à une collaboration étroite avec Mme M-J STEBE, Directeur de Recher-che CNRS (LESOC, Equipe physico-chimie des colloïdes, UMR 7565)).

Transfert de la technique de traitement sur site réalisé avec succès, avec implication des opéra-teurs DAUM :

Qualité des pièces pâte de verre largement améliorée : les

grattons ont quasiment disparu et l’état de surface est lissé par rapport aux pièces obtenueshabituellement en production.

Essais sur site poursuivis afi n de confi rmer les résultats obtenus.

Suggestion d’amélioration du pro-cess : 1. coupler l’utilisation des ten-sioactifs avec des vibrations lors de la coulée du plâtre,2. gâcher et couler le plâtre sous vide (ces essais sont en cours à la cristallerie de Nancy)

Les vibrations empêcheraient les bulles d’air résiduelles de venir se coller sur la cire.

Techniques de vibrations des matériaux à liant hydrauliques (ciment, béton…) très utilisées dans le domaine du BTP.

Essais réalisés très prochaine-ment en collaboration avec J-M MECHLING et C. DILIBERTO (IUT du Montet, département Génie Civil).

Techniques testées lors de ces essais avec le plâtre réfractaire utilisé chez DAUM : aiguilles vibrantes et table vibrante. La ou les technique(s) favorable(s) seront prochainement mises en pla-ce sur site afi n de les appliquer sur le long terme dans le process de fabrication de la pâte de verre.

ÉTUDE DE L’INTERFACE CIRE/PLÂTRE : LES GRATTONS

3/ Transfert de la technique sur site

Conclusion et perspectives

Sans tensioactifs Avec tensioactifs

Immersion des pièces en cire dans la solution de tensioactif

Mise en chape des pièces

Verre et innovationVerre et innovation