Polyméthacrylate de méthyle (PMMA, acrylique)

Polyméthacrylate de méthyle (PMMA, acrylique)

Points clés

• Le PMMA est le thermoplastique courant le plus transparent : environ 92 % de transmission lumineuse, une meilleure tenue aux intempéries que le polycarbonate, mais une résistance au choc bien plus faible.
• Les qualités coulée, extrusion et moulage diffèrent par leur masse molaire et leurs contraintes résiduelles ; elles se marquent, se découpent et se collent donc différemment.
• Les lasers CO2 le dépolissent, le gravent et polissent ses bords à la flamme ; les lasers à fibre exigent un additif ou un pigment sur les qualités transparentes.
• Le craquelage au solvant est le défaut contre lequel il faut concevoir. Recuisez avant que tout solvant ou toute colle n'entre en contact avec la pièce, puis vérifiez avec un solvant de référence.

Polyméthacrylate de méthyle (PMMA, acrylique)

Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), commercialisé sous le nom d'acrylique et sous des marques telles que Plexiglas et Lucite, est un thermoplastique amorphe, limpide comme de l'eau, obtenu par polymérisation radicalaire du méthacrylate de méthyle. Il associe environ 92 % de transmission lumineuse, une excellente tenue aux intempéries, une dureté de surface élevée et une faible résistance au choc. Il sert pour les lentilles, guides de lumière, feux automobiles, enseignes, écrans et boîtiers médicaux, partout où la clarté doit résister au soleil.

Trois formes arrivent sur la ligne de transformation secondaire et se comportent différemment. La plaque coulée, polymérisée entre deux plaques de verre à plus de 1 000 000 g/mol, offre la meilleure résistance au craquelage et la réponse laser la plus nette. La plaque extrudée, autour de 100 000–150 000 g/mol, coûte moins cher et tient une tolérance d'épaisseur plus serrée, mais conserve les contraintes d'orientation de la filière. Les qualités de moulage (MFR 2–25 g/10 min) servent à produire lentilles et boîtiers ; les qualités modifiées choc ajoutent des particules de caoutchouc cœur-écorce qui multiplient par trois à cinq la résilience entaillée, au prix d'une certaine perte de clarté.

Propriétés qui gouvernent la transformation

Marquage laser et découpe

Le PMMA absorbe fortement le rayonnement de 10,6 µm et se dépolymérise plutôt qu'il ne carbonise : au-dessus d'environ 300 °C, la chaîne se dépolymérise en vapeur de monomère, si bien qu'un laser CO2 grave avec presque aucun résidu de carbone. La plaque coulée donne un dépoli blanc brillant ; la matière extrudée ou moulée reflue et se marque plus clair, avec moins de contraste. Aspirez les vapeurs ; le MMA est inflammable.

Les qualités transparentes transmettent presque totalement 1064 nm, de sorte qu'un laser à fibre exige un additif de marquage laser (typiquement 0,1–1 % d'un pigment à base de mica ou d'oxyde d'étain) ou une qualité pigmentée ou chargée. Les sources UV (355 nm) marquent finement les qualités stabilisées et pigmentées avec peu de chaleur, mais traversent largement la matière transparente non stabilisée : faites d'abord un essai. Le tableau de marquage laser compare les voies possibles.

La découpe obéit à la même chimie : un faisceau CO2 laisse un bord brillant, poli à la flamme, sur la plaque coulée et un léger bourrelet de fusion sur la plaque extrudée. Les deux bords conservent des contraintes résiduelles de traction, et coller un bord découpé au laser non recuit est la source la plus fréquente de craquelage dans la fabrication de pièces en acrylique (voir découpe laser et gravure). Une pièce contrainte peut aussi se craqueler autour d'une marque ; recuisez d'abord et utilisez une irradiance plus faible.

Collage, impression et revêtement

À 38–41 dyne/cm, le PMMA est mouillé par la plupart des encres, adhésifs et revêtements : l'énergie de surface est donc rarement limitante ; le traitement corona ou plasma est réservé aux encres à base d'eau et à certains primaires de vernis dur. La limite est la fissuration sous contrainte environnementale : alcools, cétones, esters, aromatiques, nettoyants pour vitres à base d'ammoniaque et plastifiants migrants craquellent tous l'acrylique contraint. La contrainte critique dans l'éthanol est d'environ 5–10 MPa contre 35 MPa dans l'air, un niveau qu'une pièce non recuite porte couramment.

La séquence qui fonctionne est : recuire, nettoyer au détergent et à l'eau ou au naphta, puis coller. Systèmes compatibles : colles solvantées (chlorure de méthylène pour les joints minces, colles MMA bicomposants pour combler les jeux), acryliques durcissant aux UV pour les assemblages optiques, et époxydes ou polyuréthanes pour les substrats dissemblables. Les cyanoacrylates blanchissent et craquellent. La sérigraphie, la tampographie et le jet d'encre acceptent directement les encres solvantées et durcissant aux UV ; un craquelage sous une impression est un problème de contrainte, pas d'adhérence.

La plaque non revêtue gagne 20–30 % de voile en 100 cycles Taber (ASTM D1044) : les lentilles et vitrages reçoivent donc un vernis dur de 3–10 µm, siloxane ou acrylique-uréthane durcissant aux UV, qui le maintient sous 2–5 %. Les vernis à durcissement thermique exigent des pièces préalablement séchées et un programme inférieur à la HDT ; voir les vernis durs pour polycarbonate et acrylique pour les primaires, le durcissement et les essais.

Soudage

Le PMMA est amorphe et se soude en champ lointain, mais il est fragile : le soudage par ultrasons le fissure à forte amplitude. Maintenez une amplitude à 20 kHz d'environ 30–50 µm ou passez à 30–40 kHz, avec un directeur d'énergie sur les sections minces. Le PMMA transparent transmet 808–1064 nm : le soudage laser exige donc un absorbeur proche infrarouge dans la pièce inférieure (noir de carbone sur un boîtier foncé, colorant ou revêtement peu visible pour les assemblages transparent sur transparent) ou une source de 1,5–2 µm que le PMMA absorbe intrinsèquement. La lentille en PMMA transparent sur un boîtier noir en PC ou PC/ABS est l'assemblage classique des feux automobiles ; le polycarbonate et le PMMA s'associent bien, à condition que le PMMA transmette et que la fenêtre respecte sa Tg plus basse.

Dépannage des opérations secondaires sur PMMA

Spécifier et vérifier les pièces en PMMA

• Recuit. Spécifiez-le pour toute pièce destinée à être collée, nettoyée au solvant, découpée au laser ou revêtue d'un vernis dur : 80 °C pour les pièces extrudées et moulées (jusqu'à 90 °C pour la coulée), environ 1 h par mm avec un minimum de 2 h, refroidissement à 15–20 °C par heure au plus jusqu'à moins de 40 °C. Un refroidissement rapide réintroduit les contraintes.
• Contraintes résiduelles. Spécifiez un essai au solvant de référence : l'éthanol pendant 15 min est l'usage courant (les mélanges d'acétate d'éthyle sont plus agressifs), puis inspectez les craquelures en lumière rasante. Étalonnez le critère accepté/refusé sur des éprouvettes en bande cintrées à déformation connue (ISO 22088-3, ASTM F791) afin que le seuil soit une valeur de contrainte et non une opinion. Des polariseurs croisés (ASTM D4093) permettent de détecter sans dommage la biréfringence de moulage.
• Optique. Transmittance et voile selon ASTM D1003, indice de jaune selon ASTM E313 et, pour les pièces à vernis dur, variation du voile Taber plus adhérence par quadrillage (ASTM D3359) après cyclage d'humidité. Les qualités modifiées choc exigent une limite de jaunissement après vieillissement climatique ; c'est le modifiant, et non le PMMA, qui se décolore.

Termes connexes et lectures complémentaires

• Polycarbonate
• Marquage laser de l'acrylique
• Soudage laser transparent sur transparent des plastiques
• Marquage laser des plastiques
• Collage et assemblage
• Revêtements industriels

Application en production

The Sabreen Group apporte un soutien d'ingénierie indépendant pour le marquage laser, la découpe, le collage, le revêtement et le soudage de composants en acrylique. Si vous spécifiez un procédé, qualifiez un matériau ou résolvez un problème de production, notre équipe de services d'ingénierie peut vous aider. Contactez-nous pour discuter de votre application.

Foire aux questions

Un laser à fibre peut-il marquer l'acrylique transparent ?

Pas seul. Le PMMA limpide transmet librement 1064 nm : le faisceau le traverse et rien ne se produit. Il faut que la formulation contienne un additif de marquage laser à environ 0,1–1 %, que la qualité soit pigmentée ou chargée, ou que l'on passe à un laser CO2, que le PMMA absorbe fortement.

Pourquoi l'acrylique se craquelle-t-il après un collage au solvant ?

Parce que la colle a rencontré une contrainte résiduelle de traction, généralement sur un bord découpé au laser ou moulé. Dans l'air, le PMMA tolère environ 35 MPa avant craquelage ; dans l'éthanol ou un solvant de colle, le seuil tombe à 5–10 MPa, qu'une pièce non recuite dépasse couramment. Recuisez à 80 °C, refroidissez lentement, puis collez.

Faut-il spécifier de l'acrylique coulé ou extrudé pour le travail au laser ?

Coulé pour la gravure et le meilleur bord poli à la flamme : sa masse molaire très élevée se vaporise proprement et laisse un dépoli blanc brillant. L'extrudé est moins cher et tient une tolérance d'épaisseur plus serrée, mais se grave plus clair avec moins de contraste et conserve des contraintes d'orientation ; recuisez-le après découpe s'il doit rencontrer un solvant.

Le PMMA nécessite-t-il un prétraitement plasma ou corona avant impression ou collage ?

Rarement. À 38–41 dyne/cm, il est mouillé tel que moulé par la plupart des encres solvantées et durcissant aux UV, des colles et des adhésifs ; le prétraitement est donc réservé aux encres à base d'eau et à quelques primaires de vernis dur. Le nettoyage compte plus que l'activation, et le nettoyant ne doit pas être un alcool ou une cétone sur une pièce contrainte ; le détergent et l'eau ou le naphta sont sans danger.

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