Conseils de conception

Concevoir des pièces plus résistantes

Renforcer les pièces pour l'injection plastique, avec des nervures et goussets, et un choix de matières durables

Les concepteurs de produits renforcent leurs pièces moulées par injection de différentes manières et pour différentes raisons. Pour bien commencer, une analyse en profondeur de l'application d'une pièce permettra de déterminer si sa conception doit intégrer un renfort complémentaire. Comment et dans quel environnement vos clients utiliseront-ils votre produit ? Vos pièces devront peut-être supporter des chocs répétés, résister à l'usure ou porter de fortes charges. Il sera parfois suffisant d'intégrer des nervures ou des goussets dans votre design, ou bien la solution sera plus compliquée et impliquera l'association de plusieurs éléments de conception : renforts, matériau, épaisseur de parois, etc. Trouver le bon équilibre entre différents aspects de la conception de votre pièce vous aidera à répondre à ses besoins en termes de robustesse et de stabilité.

Conception pour l'injection, avec gousset
Les goussets, comme ici sur ce bossage indépendant, fournissent un support structurel et une stabilité d’ensemble de la pièce, sans avoir à augmenter l’épaisseur de paroi.

Conception des nervures plastiques

Une nervure est un élément mince, ressemblant à une paroi et généralement créé pour supporter des parois ou renforcer d'autres éléments comme les bossages. De même, les goussets sont des éléments de support qui renforcent certaines zones reliant, par exemple, une paroi ou un bossage à une surface. Tout comme on utilise des goussets pour supporter les poutres et les piliers d'un pont à leur sommet, afin d'ajouter une résistance cruciale à la structure, ce concept s'applique également aux pièces moulées par injection.

Renforcer les bossages et parois avec des goussets

Les nervures et les goussets donnent de la stabilité à une pièce sans qu'il soit nécessaire d'augmenter l'épaisseur de ses parois. Ils sont particulièrement utiles pour les pièces à parois minces qui peuvent être fragilisées par une utilisation régulière. Il est important de noter que l'épaisseur des nervures et des goussets ne doit pas dépasser 60% de l'épaisseur de paroi nominale. Cette épaisseur est inférieure à celle des parois primaires afin d'éviter les sections trop épaisses au niveau de leur intersection. Lorsque vous avez une masse de matière au niveau d'une intersection intérieure nervure-paroi, il pourra se produire des marques de retassure sur le côté visible de la pièce.

Les concepteurs de produits peuvent envisager différents nervurages pour créer des formes carrées, rectangulaires, triangulaires, alvéolaires ou en losange qui rigidifient la pièce. La création d'un élément nervuré équivaut à économiser de la matière inutile en ne laissant que le système de support nervuré – cette solution réduit ainsi le poids et le coût de la pièce. Veillez, toutefois, à ne pas supprimer des surfaces ou des éléments de montage avec d'autres parties du produit assemblé.

Design avec congé
Les congés, comme sur cet exemple (1) et sur la vue rapprochée (2), sont des faces courbées là où les nervures rencontrent les parois, pour éviter les contraintes mécaniques supplémentaires sur les angles droits.

Congés et Rayons d'angle

Du fait que les angles vifs fragilisent une pièce, on peut aussi créer des congés (surfaces incurvées au point de raccordement d'une nervure et d'une paroi) dans sa géométrie, afin d'éliminer une concentration de contraintes mécaniques supplémentaires dans la pièce finie. Tout comme dans le cas des goussets, un congé trop petit ne jouera pas son rôle de réduction des contraintes, mais un congé trop grand pourra là aussi créer une retassure. Il est très important de bien identifier la taille et l'emplacement des congés (ainsi que des nervures et des goussets). Lorsque vous ajoutez un congé à l'intérieur d'un coin, arrondissez également l'extérieur de ce coin, si possible. Si le risque de retassure est trop élevé dans certaines sections, d'autres méthodes de renforcement devront être envisagées.

Thermoplastiques durables

La sélection du matériau joue également un rôle dans la rigidité, la durabilité, la robustesse, ainsi que d'autres caractéristiques des pièces ; la clé du succès est d'équilibrer le rapport entre ces propriétés du matériau et les fonctionnalités de la pièce. Ainsi, par exemple, un concepteur pourra choisir une matière thermoplastique qui produira une pièce rigide, mais si son application exige un haut degré de résistance aux chocs, la fragilité d'une pièce non flexible pourra causer sa rupture. Les propriétés des matériaux diffèrent entre les matières - voici un aperçu de quelques matières que nous utilisons fréquemment :

  • L'ABS est une matière stable, bien adaptée aux applications grand-public. Il est robuste et résiste aux chocs dans des environnements d'utilisation quotidienne. On l'utilise couramment dans les boîtiers des télécommandes, les outils alimentés par piles et les panneaux formant le corps des écrans, imprimantes et photocopieurs. Certains problèmes de résistance chimique peuvent exister avec l'ABS.
  • Le polycarbonate résiste mieux aux chocs que l'ABS. Il convient bien aux lentilles et aux pièces qui doivent être brillantes. Il est sujet à la fissuration sous contrainte et risque de se craqueler et de se ternir en cas de problèmes de compatibilité chimique.
  • Le nylon non chargé est souple et résistant à l'impact. Il présente un bon pouvoir lubrifiant contre l'usure. Une charge de fibre de verre augmentera la rigidité du nylon et sa résistance à la compression, mais le matériau sera plus fragile à l'impact. Une charge de fibre de verre contribue à augmenter la température de distorsion à chaud.
  • L'acétal est un excellent matériau antifriction et autolubrifiant. Il présente d'excellentes propriétés d'usure et une bonne rigidité. Il ne convient pas aux pièces nécessitant une belle finition de surface ou devant être imprimées au tampon, peintes ou recevoir des décalcomanies.
  • Les TPE sont excellents pour les joints étanches aux poussières et pour protéger les coins en offrant une résistance à l'impact. Ils sont également utilisés dans des applications de surmoulage pour les poignées. Ils ne sont pas toujours adaptés aux applications dynamiques et conviennent mieux aux utilisations statiques. Certains problèmes de résistance chimique peuvent exister avec les TPE.

On peut améliorer les performances d'une résine plastique en y ajoutant un renfort ou divers additifs. Les charges de fibres de verre améliorent la résistance en compression de la matière, et aident également à augmenter la température de déflexion sous charge, permettant une utilisation dans des environnements ou applications pour lesquels la résine de base serait insuffisante. Les billes de verre augmentent aussi la rigidité et la température de déflexion, mais elles rendent la matière un peu plus cassante, car elles s’empilent comme dans une piscine à boules, contrairement aux fibres de verre qui ressemblent à une meule de paille. Cependant, par rapport aux fibres, les billes de verre réduisent les contraintes internes ce qui peut limite les déformations des pièces. Le talc est également utilisé pour augmenter le comportement thermomécanique d’une matière, mais il affaiblit généralement la résistance aux chocs. Nous devons donc considérer que les additifs sont des auxiliaires utiles, mais pouvant présenter des risques. Comprendre ces risques et les mettre en regard des bénéfices obtenus fait partie du processus de test et de sélection de la matière.

Épaisseur de paroi

Parfois, si vous désirez donner plus de résistance à une pièce, il vous suffit d’augmenter l’épaisseur globale des parois. Protolabs fournit une liste d’épaisseurs recommandées pour les parois, basées sur le type de résine pour vous aider à concevoir des pièces ni trop minces, ni trop épaisses. Globalement, les petites pièces peuvent se comporter correctement à 1 mm. Mais si vous passez à des pièces de la taille d’une paume, il faut envisager des épaisseurs de paroi de 2 mm. La conception de pièces plus grande implique des épaisseurs supérieures de paroi pour des raisons d’écoulement afin de remplir les cavités sans trop de contraintes, mais il faut être attentif à partir de 3 mm. Souvent, lorsque les pièces atteignent 3,8 mm, elles peuvent être trop épaisses pour un bon refroidissement sans affaissement, et il faut alors envisager d’autres procédés ou assistances de fabrication. Le moulage des thermoplastiques donne des résultats assez stables et répétitifs de 1,5 à 2,5 mm. Plus les pièces sont importantes, plus il faut envisager des nervures, goussets, matières et autres facteurs améliorant la résistance. Comme toujours, nos ingénieurs d’applications sont disponibles pour étudier avec vous la forme et la conception des pièces, et pour se pencher sur l’analyse interactive de faisabilité accompagnant chaque devis de pièce chez Protolabs.