Équipements de R&D et de prototypage pour le moulage de la pâte à papier

Équipements de R&D et de prototypage pour le moulage de la pâte à papier

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Équipements de R&D et de prototypage pour le moulage de la pâte à papier
Les équipements de recherche et développement (R&D) et de prototypage pour le moulage de pâte à papier constituent le lien essentiel entre la conception d'emballages durables et la production en série. Ces machines spécialisées permettent aux chercheurs, aux spécialistes des matériaux et aux développeurs de produits de tester de nouvelles formulations de fibres, d'optimiser la géométrie des moules, d'évaluer les performances des produits et de produire de petits lots pour l'échantillonnage client, le tout sans les investissements considérables et l'espace au sol requis par les lignes de production industrielles à grande échelle.

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Face à la raréfaction des matières premières traditionnelles pour la pâte moulée, due à l'évolution des comportements des consommateurs et à la hausse de la demande, le besoin en matériaux alternatifs tels que la chènevotte, les sous-produits de l'industrie agroalimentaire et les résidus agricoles a considérablement augmenté. Les équipements de laboratoire permettent de tester efficacement ces nouveaux matériaux, offrant aux chercheurs l'adaptabilité et la facilité nécessaires pour valider de nouvelles formulations avant de s'engager dans une production industrielle.

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Le principal défi de la R&D en moulage de pâte à papier réside dans le fait que les machines de formage industrielles nécessitent des moules à tamis coûteux et de grande taille, peu pratiques pour produire le nombre limité d'échantillons requis pour les essais de matériaux. Les équipements de R&D résolvent ce problème grâce à l'utilisation de moules plus petits, interchangeables et nettement plus abordables, permettant aux chercheurs d'itérer rapidement sur la géométrie du produit, les mélanges de fibres et les paramètres de traitement.

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Les machines de moulage de pâte à papier destinées à la R&D fonctionnent selon les mêmes principes fondamentaux que leurs homologues industrielles (mise en pâte, formage sous vide, séchage et pressage à chaud), mais à une échelle réduite pour s'adapter aux environnements de laboratoire. Les étapes principales débutent par la préparation des fibres : les matières premières sont mises en pâte et raffinées jusqu'à obtenir une consistance spécifique, puis formées sous vide dans un moule poreux, et enfin pressées à chaud pour densifier et lisser la surface.

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La machine de laboratoire automatique de moulage de pâte à papier GYF5031 de Guangzhou Nanya illustre parfaitement la solution de R&D tout-en-un. Elle intègre quatre procédés clés — le moulage, le mélange, le formage et le pressage à chaud — tout en intégrant les systèmes de vide et d'air comprimé dans une unité compacte de 4 830 × 2 100 × 2 660 mm. Cette intégration occupe 50 % d'espace en moins que les équipements traditionnels divisés, la rendant idéale pour les laboratoires ou les petits ateliers.

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La presse GYF5031 fonctionne grâce à un système de recyclage d'eau en circuit fermé, réduisant ainsi la consommation d'eau de plus de 90 % par rapport aux systèmes ouverts. Son chauffage électrique (2 plaques de pressage à chaud de 4.5 kW) ne produit ni fumée ni poussière, conformément aux normes environnementales européennes RoHS et nord-américaines EPA. Ses principaux composants sont fabriqués en acier inoxydable SUS304, un matériau résistant à la corrosion et durable, avec une variation de poids inférieure ou égale à ±2 %.

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Le contrôle intelligent est essentiel aux équipements de R&D modernes. La GYF5031 est équipée d'un automate programmable Siemens et d'un grand écran tactile, compatible avec les modes automatique et manuel. D'une simple pression, les opérateurs peuvent paramétrer les réglages principaux (temps d'aspiration, temps de déshydratation, température de pressage à chaud), tandis que l'affichage en temps réel de la quantité produite, du temps de cycle et des alertes de défaut garantit la transparence du processus. Le réglage des paramètres, protégé par mot de passe, assure la stabilité du processus.

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La machine de moulage de pâte à papier tout-en-un SHW-360 de SHM est un système compact conçu pour les universités, les laboratoires de recherche, les centres de R&D et la production en petites séries. Son gabarit de formage mesure 550 × 500 mm (600 × 550 mm maximum) et accepte diverses matières premières, notamment la pâte de bagasse de canne à sucre, la pâte de bois, la pâte de bambou et le papier recyclé. Sa cadence de formage atteint 5 cycles par minute, idéale pour la production d'échantillons de test homogènes.

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La conception modulaire du SHW-360 offre une flexibilité exceptionnelle. Les chercheurs peuvent configurer la machine avec un séchage optionnel (four ou ligne de séchage) et un pressage à chaud optionnel (intégré ou autonome), ce qui leur permet d'adapter la configuration de l'équipement aux exigences spécifiques de leur produit : des plateaux industriels épais nécessitant un pressage à chaud aux échantillons fins pouvant être séchés à l'air. L'ensemble du système d'eau est entièrement recyclé.

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Pour la recherche en science des matériaux, le SHW-360 permet de tester différentes sources de fibres alternatives, de nouveaux additifs (imperméabilisants, agents de renforcement, colorants), différents niveaux de raffinage de la pâte à papier et les variations de performance des produits finis. Sa capacité à traiter des mélanges de fibres hybrides sur mesure en fait un outil puissant pour le développement de nouveaux matériaux biocomposites destinés à des applications d'emballage durables.

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La SHW-360 comble un manque crucial sur le marché : les grandes lignes industrielles de moulage de pâte à papier sont conçues pour la production en grande série d’un seul produit, tandis que les équipes de recherche doivent fréquemment développer de nouvelles formes, de nouveaux matériaux, de nouvelles résistances structurelles et de nouvelles applications finales. La SHW-360 est conçue pour être suffisamment compacte pour être installée dans un laboratoire, permettre un changement de moules rapide, être compatible avec différents types de matières premières et être facile à utiliser et à entretenir.

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La thermoformeuse de pâte KFT Lab de Kiefel GmbH est une machine miniaturisée utilisant la technologie de thermoformage de fibres de Kiefel. Compacte et peu encombrante, elle propose des modes de traitement manuel et automatique et constitue la solution idéale pour la R&D et la production d'échantillons de fibres moulées. Accessible de tous côtés, déplaçable par chariot élévateur, elle offre un remplacement aisé de la pâte et un nettoyage simple du réservoir.

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Le laboratoire KFT est spécialement conçu pour les étapes en amont de la production en série : développement des matériaux et des produits. Il s’adresse aussi bien aux start-ups souhaitant prototyper de nouveaux concepts qu’aux fabricants expérimentés cherchant à optimiser leurs processus de production. Sa taille compacte et ses deux modes de traitement en font un outil polyvalent pour toute organisation explorant les solutions d’emballage durables.

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À l'extrémité la plus accessible du spectre, l'appareil Rapid-Köthen — présent dans presque tous les laboratoires papetiers — peut être adapté à la production unitaire de pâte moulée grâce à un ensemble de matrices de tamisage spécifiques. Cette solution économique consiste à concevoir les éléments du moule à l'aide d'un logiciel de CAO 3D, à les fabriquer sur une machine-outil à commande numérique, à assembler la matrice de tamisage et à l'installer dans l'appareil Rapid-Köthen standard pour le formage et le séchage.

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La méthode Rapid-Köthen constitue une voie d'accès extrêmement simple pour la R&D en moulage de pâte à papier. Des chercheurs ont réussi à fabriquer des pots moulés à partir de chènevotte et de pâte de carton, d'environ 120 mm de diamètre et 99 mm de hauteur, présentant un poids et une résistance constants, comparables à ceux des produits industriels. Ceci démontre la possibilité de tester efficacement de nouveaux matériaux sans outillage spécifique coûteux.

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Pour les laboratoires de R&D et les établissements d'enseignement chinois, plusieurs machines de moulage de pâte compactes sont disponibles. La « 科研纸浆模塑成型机 » (Machine de moulage de pâte pour la recherche scientifique) est spécialement conçue pour le prototypage, utilisant comme matières premières de la pâte d'herbe, de la bagasse, de la pâte de bois, de la pâte de roseau ou de la pâte de papier recyclé. Son processus de production comprend la mise en pâte, le formage par adsorption, le séchage et le façonnage, le transfert du produit et le démoulage automatique, le tout avec un haut niveau d'automatisation.

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Cette machine de recherche scientifique est dotée d'un système intégré comprenant des sous-systèmes de stockage, de calibrage, de formage, de déshydratation sous vide et de pressage à chaud. La table de formage (350 × 350 mm) produit deux moules par cycle. Le système de pressage à chaud utilise une pression hydraulique jusqu'à 30 tonnes avec chauffage électrique (10 kW, 380 V). Un écran tactile PLC permet un contrôle entièrement automatisé ou manuel, avec un écran de 7 pouces et un module de commande à distance.

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La machine de moulage de pâte à papier 8060 d'Annimet, conçue pour les petites séries, est une autre option pour le prototypage et les essais de formulation. Compatible avec la pâte d'herbe, la bagasse, la pâte de bois, la pâte de roseau et la pâte de papier recyclé, elle est largement utilisée dans les instituts de recherche et les entreprises pour la fabrication d'échantillons, l'ajustement des formules et la production en petites séries. Différents moules permettent la fabrication de boîtes à lunch, de vaisselle, de gobelets en papier et d'emballages de calage industriels.

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La machine de prototypage compacte tout-en-un MST-600 de Meishi Machinery intègre en une seule unité les fonctions de mise en pâte, de formage, de pressage à chaud (avec ébavurage), de mise sous vide et de compression d'air. Elle est conçue pour les centres de R&D et les laboratoires pour le prototypage de produits par moulage de pâte, les tests de formulation et les essais d'additifs. Les gabarits sont disponibles en deux formats : 300 × 300 mm et 600 × 600 mm. Dotée de toutes les fonctionnalités et d'un faible encombrement, elle fonctionne simplement en la branchant à une source d'alimentation.

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La ligne de prototypage entièrement automatisée de Hansen Pulp Molding représente une avancée majeure pour l'industrie. Ce dispositif miniature de moulage de pâte à papier, hautement intégré, comprend les systèmes de mise en pâte, de mise sous vide, de compression d'air et de formage, le tout dans une machine occupant seulement 10 mètres carrés environ. L'ensemble du processus, de la matière première au produit fini, est entièrement automatisé, permettant une production rapide d'échantillons sur site, avec une qualité et une stabilité garanties.

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Traditionnellement, les équipements de production de moulage de pâte à papier sont volumineux et nécessitent le fonctionnement simultané de plusieurs systèmes, ce qui limite leur flexibilité et rend les démonstrations en direct lors de salons professionnels extrêmement difficiles. La ligne de prototypage de Hansen résout ce problème en intégrant tous les systèmes dans un espace réduit, abaissant considérablement les barrières à l'entrée pour les entreprises souhaitant se lancer dans le secteur du moulage de pâte à papier et accélérant l'adoption des produits en pâte moulée.

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L'équipement de prototypage doit également permettre le développement et les essais de moules. La machine d'essai de pâte à papier à trois moules de BonitoPak (modèle BP-1515-3) présente un moule compact de 150 × 150 mm, un système de chauffage double avec contrôle précis de la température et une pression de presse à chaud d'une tonne. Son rendement journalier est de 10 à 40 kg par 24 heures, avec une hauteur de produit maximale de 60 mm. Elle est idéale pour les laboratoires de recherche, les universités et les centres d'essais.

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Le BP-1515-3 peut être équipé en option de machines à pâte à papier FFiber de petite, moyenne et grande taille afin de répondre aux besoins de recherche des petits laboratoires. Ces machines conviennent à diverses unités de recherche, départements de recherche et établissements d'enseignement supérieur, offrant un flux de travail complet de R&D, de la préparation des fibres à la production d'échantillons.

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Au-delà des équipements de formage principaux, la R&D en matière de moulage de la pâte à papier nécessite un ensemble complet d'équipements auxiliaires. Les pulpeurs de table sont essentiels à la préparation des fibres. Le pulpeur de table Adirondack de 3.8 litres (1 gallon) à faible consistance a une capacité allant jusqu'à 135 g (0.3 lb OD) de pâte à 4 % de consistance. Il est fabriqué en acier inoxydable 316 et est équipé d'un variateur de vitesse et d'un système de contrôle de la température par eau chaude à double enveloppe.

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Pour une pâte à haute consistance, le pulpeur de table Adirondack de 7.6 litres (2 gallons) traite jusqu'à 0.9 kg de pâte à 15 % de consistance. Une version de 11.4 litres (3 gallons) pour pâte à basse consistance traite jusqu'à 0.6 kg de pâte à 6 % de consistance grâce à un rotor Vokes latéral. Ces pulpeurs de table permettent un contrôle précis des paramètres de traitement des fibres.

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Pour l'évaluation de la qualité des fibres, un équipement de tamisage de laboratoire est indispensable. Les tamis plats de laboratoire Voith sont disponibles avec des fentes de 0.006 mm, 0.008 mm, 0.010 mm et 0.012 mm. Le tamis maître Pulmac permet un tamisage à l'échelle de la paillasse lorsqu'un cisaillement dynamique est souhaité. Un système de nettoyage centrifuge modulaire permet d'analyser les opérations de nettoyage centrifuge dans des conditions réalistes, en utilisant seulement 4 à 6 kg de fibres.

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Le malaxeur de laboratoire Shinhama est idéal pour la dispersion de l'encre, la modification de la surface des fibres et l'amélioration de leur résistance. Il est doté de deux arbres excentriques qui exercent une action de frottement intense sur la pâte, dont l'intensité varie en fonction du nombre de passages et d'une goupille de restriction réglable à la sortie. Sa construction en acier inoxydable 316 garantit sa durabilité en milieu humide.

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Les équipements de revêtement utilisés en R&D sont essentiels au développement de revêtements barrières fonctionnels pour les produits en pâte moulée. L'enrobeuse centrifuge de paillasse est un système de R&D monoposte de haute précision, conçu pour appliquer des revêtements fonctionnels ou décoratifs uniformes sur des substrats expérimentaux en pâte moulée. Elle permet aux chercheurs d'explorer précisément les paramètres de revêtement (vitesse, durée, accélération) en vue du développement de nouveaux produits à base de pâte.

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L'enrobeuse par centrifugation offre une plage de vitesses de 100 à 10 000 tr/min avec une précision de ±1 %, une accélération de 100 à 20 000 tr/min/s, jusqu'à 10 étapes programmables par recette et un diamètre de porte-échantillon de 50 à 150 mm. Son format compact (environ 400 × 500 × 300 mm) et ses dispositifs de fixation personnalisables pour s'adapter à différentes formes de pâte à papier 3D en font un outil idéal pour la R&D axée sur les revêtements résistants à l'humidité, à l'huile, antimicrobiens ou conducteurs.

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Les équipements de test et de contrôle qualité sont essentiels à la recherche et au développement en matière de moulage de pâte à papier. La machine d'essai universelle (UTM) mesure la résistance à la traction, la résistance à la compression et la résistance à la flexion des échantillons de pâte moulée. Les hygromètres permettent de mesurer précisément l'absorption d'eau au fil du temps. Les chambres de choc thermique soumettent la vaisselle à des variations rapides de température afin d'évaluer sa durabilité et son intégrité structurelle.

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Pour des raisons de sécurité et de conformité réglementaire, des équipements analytiques tels que la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) détectent les traces de composés organiques volatils et de substances chimiques migrantes, tandis que la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) analyse la teneur en métaux afin de garantir le respect des normes de sécurité alimentaire. Des chambres d'essai de compostage simulent les environnements de compostage industriel pour vérifier les taux de biodégradation et de désintégration.

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Les laboratoires de recherche et développement doivent respecter des méthodes d'essai normalisées afin de garantir la cohérence et la crédibilité de leurs résultats. Parmi les normes clés figurent l'ISO 21469 pour les exigences d'hygiène, l'ASTM D7194 pour l'évaluation des performances des emballages alimentaires à base de papier, la norme EN 13432 pour les emballages compostables, le règlement (CE) n° 1935/2004 relatif aux matériaux en contact avec les denrées alimentaires et la norme FDA 21 CFR Part 176.170 pour les composants en papier utilisés dans les applications en contact avec les aliments.

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La recherche et le développement en matière de moules et d'outillage constituent un sous-domaine essentiel du développement des équipements de moulage de pâte à papier. Les centres de recherche et développement spécialisés en moules disposent d'une solide expertise technique, d'équipements de pointe, de systèmes de production performants et de systèmes de contrôle qualité rigoureux. Ces centres garantissent la précision des moules de haute précision et la rapidité de la recherche et du développement, fournissant ainsi des moules de haute qualité aux services de production.

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Le développement de moules de pointe exige des capacités d'usinage multiaxes. Les centres technologiques de fabrication de moules sont équipés des technologies les plus avancées, notamment le fraisage 3 et 5 axes, l'usinage par électroérosion (EDM et WEDM), les presses à injecter, les appareils de mesure et les équipements de contrôle qualité. Cette infrastructure permet la production de moules aux géométries complexes, indispensables aux emballages innovants pour la pâte à papier.

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Des centres d'outillage spécialisés dans la technologie de la fibre moulée à sec fournissent aux licenciés des outillages multicavités produits en série. Ces centres, véritables pôles d'excellence, sont ouverts à tous les licenciés et partenaires, qui peuvent ainsi se former et bénéficier de leur expertise. Ils constituent une avancée majeure pour le développement et l'extension des infrastructures sous-jacentes des réseaux de fibre moulée à sec, garantissant un outillage sur mesure et des délais de livraison rapides.

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La technologie de fibres moulées à sec, développée par PulPac, est un procédé de fabrication permettant de transformer la pâte à papier renouvelable en emballages haute performance entièrement biodégradables, recyclables et compostables. Ce procédé a un impact climatique moindre que le moulage humide et la transformation du plastique, offrant ainsi à l'industrie de l'emballage une solution pour une transition rapide vers l'économie circulaire. Des centres d'outillage dédiés favorisent le partage des connaissances et renforcent les capacités de déploiement de ces solutions durables.

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Plusieurs grands fabricants dominent le secteur des équipements de R&D pour le moulage de la pâte à papier. La société Guangzhou Nanya Pulp Molding Equipment, fondée en 1990 et spécialisée dans le développement d'équipements de moulage de la pâte à papier depuis 1994, a été le premier fabricant chinois à étudier les technologies de pointe étrangères et à concevoir et fabriquer des ensembles complets d'équipements d'emballage industriel pour le moulage de la pâte à papier, adaptés aux conditions locales.

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BeSure Technology Co., Ltd. (BST) est un groupe international de coopération sino-européenne spécialisé depuis plus de 20 ans dans la recherche, le développement et la fabrication d'équipements et de moules pour le moulage de la pâte à papier. Basée à Foshan, dans le Guangdong, et s'étendant sur 38 000 m², BST a été la première entreprise du secteur de la fabrication d'équipements pour le moulage de la pâte à papier en Chine à être cotée sur le marché OTC (code boursier : 220098).

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Depuis près de 30 ans, HGHY est un chef de file dans la recherche et le développement de technologies et de lignes de production de moulage de pâte à papier. En janvier 2024, HGHY a inauguré son nouveau siège social dédié à la R&D et à la fabrication d'équipements technologiques complets – emballages écologiques –, marquant ainsi une transition vers une phase plus efficace de développement intégré de la R&D et de la production. Ce site comprend une usine moderne, un centre de R&D et un espace d'exposition d'échantillons.

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BonitoPak dispose de capacités internes de prototypage et de fabrication, et propose de la pâte moulée en six couleurs, dont le blanc, le naturel et le noir, avec une précision colorimétrique de 95 %. Sa machine de test de pâte en laboratoire, dotée d'un moule à trois dimensions, est destinée aux laboratoires de recherche, aux universités et aux centres d'essais, et utilise des méthodes de blanchiment écologiques et sûres.

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Le laboratoire d'analyse de la pâte à papier est équipé de nombreux instruments de pointe, notamment un testeur d'égouttage conforme aux normes canadiennes, un lecteur de films automatique, un lecteur de films semi-automatique, un analyseur PULMAC, un broyeur PFI, une presse à papier, un séparateur à haute concentration, un bac de désencrage flottant, un séchoir à papier rapide, un humidimètre rapide et une balance électronique. Ces instruments permettent une caractérisation complète des propriétés de la pâte et de la qualité du produit.

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Pour le développement de nouveaux matériaux, les chercheurs peuvent utiliser une presse à feuilles manuelle à commande numérique, équipée de plateaux chauffants et d'un appareil à décharge corona pour la modification de surface des feuilles de papier. Ces équipements spécialisés, disponibles dans des laboratoires de pointe comme le groupe Pâte et Blanchiment de l'IPST, soutiennent la recherche et le développement avancés dans le traitement des fibres et l'ingénierie des surfaces.

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L'association d'équipements de R&D pour le formage, de capacités de développement de moules, d'outils de traitement des fibres, de systèmes de revêtement et d'instruments de test crée un écosystème complet pour l'innovation dans le moulage de la pâte à papier. Des programmes de recherche universitaires aux centres de R&D d'entreprises, en passant par les laboratoires d'essais indépendants, les organismes peuvent tirer parti de ces équipements pour développer de nouvelles solutions d'emballage durables répondant aux exigences du marché et aux normes réglementaires.

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Pour les établissements d'enseignement supérieur, la disponibilité d'équipements de R&D compacts et abordables pour le moulage de la pâte à papier a transformé l'enseignement et la recherche. Les écoles professionnelles et les universités utilisent désormais ces machines comme outils pédagogiques pour les cours de technologie du moulage de la pâte à papier, permettant aux étudiants de maîtriser l'ensemble du processus de production, de la mise en pâte au produit fini. Cette expérience pratique prépare la prochaine génération d'ingénieurs en emballage durable.

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L'intérêt économique des équipements de R&D est indéniable. Grâce à leur faible consommation d'énergie et d'eau (circuit fermé), leur format compact, leur installation simple (aucune infrastructure spécifique requise), leur maintenance aisée et la personnalisation économique des moules, les machines de moulage de pâte à papier à l'échelle du laboratoire constituent un point d'entrée accessible pour les organisations qui explorent les solutions d'emballage durables. De nombreux modèles de R&D sont rentabilisés en moins de 18 mois.

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En résumé, les équipements de R&D et de prototypage pour le moulage de la pâte à papier englobent une gamme variée de machines : des systèmes de formage de laboratoire tout-en-un aux pulpeurs de table, en passant par les centres de développement de moules et les instruments de revêtement et de test. Ces outils permettent aux chercheurs de développer de nouvelles formulations de fibres, d’optimiser les géométries des produits, de valider leurs performances et de produire efficacement des échantillons pour les clients. Face à l’accélération de la demande mondiale d’emballages durables et à l’évolution des matières premières traditionnelles, cet écosystème d’équipements de R&D continuera de se développer, stimulant l’innovation dans la technologie de moulage de la pâte à papier et permettant la transition vers une économie circulaire de l’emballage, sans plastique.