Le conseil du mois - Février 2016
Les bases de la conception pour le moulage par injection



Comment la dépouille, les rayons d’usinage, l’épaisseur de paroi et d’autres facteurs de conception améliorent la faisabilité des pièces

 

Les pièces arrivent au moulage par injection par des chemins différents. Certaines sont d’abord prototypées en impression 3D, où les questions de moulabilité ont une importance limitée, alors que d’autres suivent un itinéraire d’usinage plus classique qui permet la réalisation d’essais itératifs avec des résines techniques semblables à celles du moulage. Enfin, beaucoup accèdent directement au moulage par injection en sautant ces étapes.


Nous savons d’expérience que certains éléments de conception doivent être pris en compte avant le lancement de la production. Cela permet d’améliorer la moulabilité des pièces, et donc, de réduire le risque d’incidents de production, de défauts d’aspect ou d’autres problèmes.


Dépouille et rayons d’usinage


L’utilisation de dépouilles et de rayons d’usinage est cruciale pour la bonne conception d’une pièce injectée. Dans la mesure où la résine se rétracte sur le noyau du moule, la présence d’une dépouille permet de réduire les frottements lors du démoulage de la pièce. Une faible dépouille nécessitera l’application d’une pression importante sur le système d’éjection et risquera d’endommager les pièces, voire le moule.

Une bonne approche empirique consiste à prévoir 1 degré de dépouille pour 25 mm de profondeur d’empreinte, bien que cela puisse demeurer insuffisant selon le type de résine choisi. Proto Labs a recours au fraisage à commande numérique (CN) pour la fabrication de la plupart des éléments des moules. Notre procédé de fabrication permet d’obtenir une épaisseur de paroi et un angle de dépouille basé sur la fraise utilisée pour usiner chaque élément. C’est là que notre analyse de faisabilité devient particulièrement utile. En effet, notre logiciel étudie séparément chacun des éléments de la pièce et les compare à notre jeu d’outils. L’analyse de faisabilité signale les géométries de la pièce qui peuvent nécessiter une dépouille ou une épaisseur plus importante.


Les rayons d’usinage, en revanche, ne sont pas indispensables en moulage par injection. Il est cependant recommandé d’y avoir recours pour différentes raisons. Ainsi, en éliminant les angles vifs de votre pièce, vous améliorerez non seulement l’écoulement de la résine, mais aussi la résistance de la pièce.

Les rayons d’usinage, en revanche, ne sont pas indispensables en moulage par injection. Il est cependant recommandé d’y avoir recours pour différentes raisons. Ainsi, en éliminant les angles vifs de votre pièce, vous améliorerez non seulement l’écoulement de la résine, mais aussi la résistance de la pièce.


À l’instar d’un cours d’eau, la résine qui remplit l’empreinte du moule s’écoule mieux lorsque les angles sont arrondis. Les cours d’eau ne forment pas d’angles à 90 degrés : l’eau qui s’écoule crée des angles internes et externes et serpente ainsi sans effort jusqu’à sa destination. Selon le même principe, la résine essaie de suivre le chemin où elle rencontrera le moins de résistance afin de minimiser les contraintes exercées sur le matériau et sur le moule. Comme les dépouilles, les rayons d’usinage facilitent l’éjection de la pièce, car les angles arrondis réduisent le risque que la pièce adhère au moule, provoquant sa déformation, voire sa rupture.


Les angles vifs concentrent beaucoup de contraintes et entravent l’écoulement de la résine. Les angles arrondis concentrent moins de contraintes et optimisent l’écoulement de la résine.

Les angles vifs concentrent beaucoup de contraintes et entravent l’écoulement de la résine. Les angles arrondis concentrent moins de contraintes et optimisent l’écoulement de la résine.


Épaisseur de paroi


Intervenir sur l’épaisseur de paroi dès la phase de conception permet de mieux maîtriser l’esthétique, le poids et la résistance mécanique de la pièce. Des pièces trop épaisses présenteront des retassures inesthétiques, une déformation ou des cavités internes (poches d’air). Pour éviter ces problèmes, il existe des épaisseurs de paroi recommandées selon les matériaux. Attention, il ne s’agit ici que d’une règle générale : toutes les pièces n’auront pas les épaisseurs de paroi hautes et basses indiquées dans le tableau.

Épaisseur recommandée


Épaisseur recommandée


Noyautage et nervurage

Outre une bonne épaisseur de paroi, d’autres éléments doivent être pris en compte pour garantir une bonne conception de pièce. Certains penseront que plus une pièce est épaisse, plus elle est résistante. C’est faux. Une pièce bien conçue qui est destinée à être supporter des efforts doit contenir des nervures et des goussets de renfort qui augmentent la résistance mécanique et permettent d’éliminer les défauts d’aspect comme les déformations, les retassures et les cavités.


Commencez par évider votre pièce épaisse. Vous conserverez le diamètre et la hauteur hors tout de votre pièce sans en sacrifier les performances. Il y a également de fortes chances qu’une telle opération améliore les performances et l’aspect de votre pièce.


Concentrez-vous ensuite sur la conception des nervures de renfort. La meilleure façon de concevoir des nervures consiste à utiliser un coefficient d’épaisseur nervure-à-paroi représentant 40 à 60 pour cent de l’épaisseur des surfaces adjacentes. Le corps de la pièce doit quant à lui être conçu avec une épaisseur suffisante ; toute nervure ajoutée sur ce corps devrait (idéalement) avoir une épaisseur telle que : épaisseur nervure = ½ épaisseur corps. Cela permet d’éviter la présence de zones épaisses qui risquent de ne pas refroidir à la même vitesse que les zones minces. Cela permet également de limiter les retassures et les contraintes susceptibles de déformer votre pièce.


Surveillez les coefficients d’épaisseur nervure-à-paroi : pour éviter les retassures, l’épaisseur de la nervure doit représenter environ la moitié de l’épaisseur de la paroi.

Surveillez les coefficients d’épaisseur nervure-à-paroi : pour éviter les retassures, l’épaisseur de la nervure doit représenter environ la moitié de l’épaisseur de la paroi.


Les chanfreins et les goussets sont d’autres éléments de conception qui permettent de renforcer et d’améliorer l’aspect de votre pièce. Là encore, la résine préfère les transitions en douceur entre les géométries ; un petit chanfrein facilite l’écoulement de la résine entre deux niveaux différents. Les goussets permettent de renforcer les parois ou éléments tout en réduisant les contraintes de moulage.


Empreinte centrale

Le noyau et l’empreinte sont souvent appelés moitiés A et B ou moitiés supérieure et inférieure d’un moule. Une approche de conception à empreinte centrale peut réduire les délais et les coûts de fabrication et améliorer l’aspect général de la pièce.


Imaginons que vous conceviez une simple boîte. Si vous appliquez une dépouille aux surfaces intérieures et extérieures dans une même moitié de moule, vous devrez créer une nervure très profonde qui sera difficile à usiner et qui augmentera le coût du moule. Cela augmentera aussi le risque que le moule soit endommagé en raison d’une éjection difficile ainsi que le risque de moulages incomplets par manque de dégazage dans la rainure profonde.


Approche à nervure profonde : boîte conçue avec des parois sous forme de nervures. Augmentation des coûts d’usinage et de polissage de l’empreinte. Approche à empreinte centrale : boîte conçue par la méthode à empreinte centrale. Possibilité d’usiner le moule avec une fraise plus grosse et plus rapide. Polissage plus facile et plus rapide.

Approche à nervure profonde : boîte conçue avec des parois sous forme de nervures. Augmentation des coûts d’usinage et de polissage de l’empreinte. Approche à empreinte centrale : boîte conçue par la méthode à empreinte centrale. Possibilité d’usiner le moule avec une fraise plus grosse et plus rapide. Polissage plus facile et plus rapide.


Vous pouvez minimiser tous ces risques en utilisant une approche à empreinte centrale. Cette technique de conception nécessite l’application d’une dépouille aux parois intérieures et extérieures de telle sorte qu’elles soient parallèles. Cette méthode garantit une épaisseur de paroi uniforme, préserve la qualité de la pièce, améliore la résistance mécanique et la moulabilité et diminue les coûts de fabrication globaux.


Contre-dépouilles


Le moulage par injection rapide nécessite que votre conception soit la plus simple possible, n’est-ce pas ? Là encore, il s’agit d’une idée fausse : nous prenons en charge les conceptions de pièce qui nécessitent des contre-dépouilles, des trous débouchant ainsi que d’autres éléments.


Les contre-dépouilles externes sont les plus simples et les plus économiques à réaliser, car nous utilisons des tiroirs actionnés par broche. Ces tiroirs évoluent en tandem avec le moule lors de son ouverture et de sa fermeture tandis que la came coulisse le long d’une broche inclinée. Lorsque le moule est ouvert, la came est complètement reculée si bien que la pièce peut être éjectée facilement sans endommager le moule ; la came se remet en position lorsque le moule se referme pour créer la pièce suivante.


Lorsque l’utilisation de tiroirs ne convient pas, nous pouvons avoir recours à des inserts manuels. Les inserts sont des éléments du moule qui sont plus gros qu’un cube d’un demi-pouce (1,3 cm) et qui sont mis en place par un opérateur dans la presse avant sa fermeture. La pièce moulée est alors éjectée avec l’insert. L’opérateur prend la pièce et retire manuellement l’insert avant de le remettre en place pour le moulage de la pièce suivante.


Injection et éjection


Les points d’injection et les éjecteurs sont indispensables pour que la résine pénètre stratégiquement dans le moule et que les pièces en plastique puissent être éjectées efficacement. Nous savons d’expérience que l’injection et l’éjection de votre pièce peuvent être réalisées de plusieurs façons et vous devez penser à l’emplacement de ces éléments avant de passer à la fabrication du moule.


Les points d’injection en nappe sont les plus courants : ils offrent les meilleures possibilités de traitement aux techniciens plasturgistes et peuvent être agrandis si le processus l’exige. Un point d’injection en nappe s’amincie à partir du canal d’alimentation de telle sorte que son plus petit diamètre se situe au niveau de la surface de la pièce. Cela crée une zone de solidification, entre la pièce et le canal d’alimentation, qui évacue la chaleur de la surface de la pièce. Votre objectif est d’évacuer la chaleur de cette surface afin de minimiser tout risque de retassure dans la pièce. Après le moulage, le point d’injection en nappe doit être retiré manuellement, laissant une trace de 0,13 mm.


D’autres types de points d’injection existent, en particulier : les points d’injection directe et les points d’injection en sous-marin. Ces deux méthodes permettent habituellement de réduire la taille de la trace laissée à l’extérieur de la pièce. Les points d’injection directe pénètrent toujours dans la pièce par l’extérieur, mais ils se situent vers le milieu de la pièce et laissent donc généralement moins de traces. Les points d’injection en sous-marin ne laissent aucune trace visible à l’extérieur de la pièce, car le remplissage s’effectue par l’un des éjecteurs, à proximité du périmètre de la pièce. Il risque de rester une ombre visible sur le côté opposé de la pièce en raison de la chaleur et de l’épaisseur de la pièce. Vous devez donc être prudent si vous utilisez ce type de points d’injection pour des pièces très esthétiques qui sont texturées ou qui présentent un haut poli.


Les buses chaudes constituent une bonne solution, car elles génèrent un minimum de déchets au niveau du système d’alimentation (carotte et canaux). Une buse chaude est idéale pour les pièces dont le remplissage doit être équilibré entre le centre et les bords. Cette méthode limite les changements de moule, les points d’injection en nappe pouvant provoquer un déséquilibre de pression à l’intérieur d’un moule. Les buses chaudes sont habituellement les points d’injection les plus attrayants sur le plan esthétique (environ 1,3 mm de diamètre). De plus, elles peuvent souvent être cachées dans une encoche ou autour d’un logo ou d’un texte.


Enfin, les carottes à seuil direct sont les points d’injection les moins attrayants. Elles sont utilisées avec certaines résines qui ont une forte teneur en verre ou lorsque le milieu de la pièce nécessite un usinage secondaire. Les carottes à seuil direct ont un gros diamètre qui rend leur extraction manuelle difficile et nécessitent souvent un support qui est retiré par fraisage.


Assistance technique


La maîtrise des techniques qui permettent d’améliorer la moulabilité des pièces facilite le passage au moulage par injection en petites voire en grandes séries. La prochaine étape est simple : téléchargez votre modèle de CAO 3D en ligne et vous recevrez, en quelques heures, un devis interactif accompagné d’une analyse de faisabilité gratuite. Comme nous l’avons vu, cette analyse de faisabilité vous signalera les éventuels problèmes de moulabilité et vous proposera même des solutions. Nous vous recommandons de coupler cette analyse de conception à une conversation avec l’un de nos techniciens afin d’éclaircir tous les autres doutes que vous pourriez avoir avant le lancement de la production. Pour cela, contactez notre service clientèle par téléphone au +33 (0)4 27 50 29 47 ou par courriel à l’adresse customerservice@protolabs.fr.


N’oubliez pas non plus de consulter les nombreux conseils pratiques disponibles sur notre site Internet à la rubrique Fondamentaux du moulage et téléchargez le volume 1 et le volume 2 de notre guide sur le moulage par injection.