Le silicone liquide - Tient le choc

C’est généralement dans un magasin de bricolage que beaucoup d’entre nous trouveront du silicone liquide (LSR). Il est vendu en tube et on peut l’utiliser pour créer des joints d’étanchéité flexibles, formés sur place, qui durcissent avec la chaleur. Sous sa forme extrême, le LSR peut supporter une température constante allant jusqu’à 316°C et des températures intermittentes de 371°C.

Pour ceux qui ont l’habitude des thermoplastiques ordinaires, l’idée qu’un matériau aussi caoutchouteux puisse être utilisé dans des applications à haute température peut sembler paradoxale, mais en réalité le LSR est fait pour supporter la chaleur. Contrairement aux thermoplastiques qui se ramollissent quand on les chauffe, les matériaux thermodurcissables comme le LSR sont créés par chauffage et, peuvent facilement supporter des températures qui feraient fondre les thermoplastiques. Ils sont donc bien adaptés à différentes applications automobiles et industrielles à haute température ainsi qu’aux produits médicaux stérilisés à chaud.



Outre les températures élevées, le LSR supporte généralement bien les basses températures, inférieures à -10°C, tout en conservant sa flexibilité. Son degré exact de flexibilité varie avec le mélange, mais peut être très élevé ; Le LR 3003/50, par exemple, présente un allongement à la rupture de 480 %. Les mélanges LSR sont disponibles en divers duretés et peuvent être sélectionnés en fonction des exigences de l’application.

Bien que ce matériau présente d’excellentes propriétés de résistance thermique, électrique et chimique, il peut être attaqué par certains solvants comme l’essence ou l’essence minérale, c’est pourquoi on peut l’utiliser dans des applications automobiles à haute température mais pas pour la tuyauterie de carburant. Il a une faible déformation rémanente à la compression (faible déformation permanente lorsqu’on applique une force puis on la supprime) – ce qui est idéal pour un élastomère. Lorsqu’on le compare aux élastomères thermoplastiques (TPE) comme le Santoprene, le LSR a été décrit comme un « TPE dopé aux stéroïdes ».

Pièce en silicone liquide
Figure 1 : Le LSR est un matière robuste et flexible qui conserve bien sa mémoire de forme.

Le LSR est également agréé pour les applications médicales lorsqu’il y a un contact avec la peau. Sa stabilité l’empêche d’affecter la peau ou, au contraire, d’être affecté par le contact avec la peau. Certaines qualités de LSR peuvent être utilisées dans des applications implantables lorsque le mélange est effectué dans un environnement de production approprié. Ses propriétés hydrophobes (il repousse l’eau) le rendent bien adapté aux applications de manipulation de l’eau. Enfin, comme il est ignifuge et n’émet ni toxines ni halogènes en brûlant, il convient à diverses applications de sécurité. Il est généralement recommandé d’étudier les caractéristiques techniques des matériaux ou de consulter votre mouliste pour plus de détails.

Thermoplastique vs thermodurcissable

Sous certains aspects de leur méthode de moulage, les thermoplastiques (polyéthylène, polypropylène, polycarbonate et ABS, entre autres) — sont l’inverse des thermodurcissables comme le LSR. Les thermoplastiques sont solides à température ambiante, ils se ramollissent lorsqu’on les chauffe et ils se solidifient à nouveau en refroidissant. Ce sont donc d’excellents candidats pour le recyclage. Les thermodurcissables, en revanche, sont initialement des gels et se solidifient de manière permanente lorsqu’on les chauffe avec un catalyseur. Ceci en fait donc de médiocres candidats pour le recyclage mais explique leurs performances remarquables à haute température.

Réticulation de matière thermodurcissable
Figure 2 : La réticulation détermine de nombreuses caractéristiques des thermodurcissables telles que leur robustesse, leur stabilité et leur résistance à la chaleur.

Ces différences dans leur réaction à la chaleur différences leurs processus de moulage respectifs. Les granulés de thermoplastique sont chauffés avant l’injection afin de liquéfier la matière, et ils sont ensuite refroidis dans le moule avant l’éjection. Une matière thermodurcissable, au contraire, est refroidie avant l’injection, puis chauffée dans le moule afin de la durcir.

Fluidification par cisaillement

Avant durcissement, le LSR est un fluide rhéofluidifiant, également appelé pseudoplastique. La rhéofluidification ou fluidification par cisaillement est la réduction de la viscosité d’un fluide lorsqu’une contrainte de cisaillement (causée par exemple par l’injection dans un moule) est appliquée, et son impact sur le comportement du LSR dans le moule est significatif. Pour comprendre le comportement d’un pseudoplastique, pensez au ketchup qui, comme le LSR, est un fluide rhéofluidifiant, contrairement au miel qui n’en est pas un.

Bavure d'une pièce moulée en silicone liquide
Figure 3 : Le LSR est très sujet aux bavures, dans des refroidir, interstices ne mesurant parfois pas plus de 0,005 mm.

Imaginez ce qui se passe si vous renversez une bouteille de ketchup. Imaginez maintenant que vous renversez ce petit ours en plastique rempli de miel. À température ambiante, le miel coulera, quoique lentement ; le ketchup ne coulera probablement pas car il est plus visqueux. C’est pour cela que vous finissez toujours par secouer la bouteille de ketchup ou plonger un couteau à l’intérieur. Imaginez maintenant que le ketchup soit conditionné en flacon souple, pressez ce flacon ainsi que le flacon doseur en plastique du miel, côte à côte. Le miel sort difficilement alors que le ketchup coule librement et couvre, en quelques secondes votre hamburger ou vos frites. Ce changement de viscosité est un exemple de fluidification par cisaillement. La même chose se produit avec le LSR quand on l’injecte dans un moule.

La fluidification par cisaillement a un effet à la fois positif et négatif sur le moulage du LSR. Elle améliore l’écoulement de la matière à travers les zones à paroi mince et réduit donc la nécessité de conserver une épaisseur de paroi uniforme dans l’ensemble d’une pièce (ce qui est recommandé dans le cas de l’injection des thermoplastiques).

Cependant, la facilité d’écoulement du LSR dans un moule augmente sa tendance aux bavures — il fuit par des interstices à l’endroit où les deux moitiés du moule se rejoignent — et crée des traces indésirables qui doivent être supprimées par une opération secondaire (voir Figure 3). On peut éviter les bavures ou du moins les minimiser par un design soigné du moule mais elles restent un facteur à prendre en compte dans la conception d’une pièce.

Les pièces moulées en LSR continuent de se rétracter en refroidissant après leur démoulage, une particularité partiellement due à la température généralement plus élevée du moule, c’est pourquoi, elles n’adhèrent pas aux noyaux comme le font les pièces en thermoplastique ; elles tendent au contraire à adhérer à la moitié du moule qui présente la plus grande surface. Du fait de la flexibilité du matériau, différentes parties d’une pièce finie pourront adhérer à chaque moitié du moule, laissant la pièce pendre après ouverture. Pour éviter ce problème il faut parfois revoir la conception de la pièce.

Considérations de conception pour les pièces en LSR

Du point de vue du concepteur d’une pièce, les recommandations de conception pour le LSR sont sensiblement les mêmes que pour les thermoplastiques, quoique parfois moins strictes sur certains points. La raison de cet assouplissement est que le LSR, étant flexible, est un matériau plus tolérant que les thermoplastiques. Les plans parallèles au sens d’ouverture du moule nécessitent généralement une certaine dépouille, et ceci a pour but de permettre l’usinage du moule et non d’éviter que la pièce ne frotte contre la paroi du moule pendant l’éjection. Une dépouille d’un degré pour 25,4 mm de profondeur du moule est généralement suffisante.

Du fait de ses propriétés rhéofluidifiantes, le LSR s’écoule facilement dans le moule et peut traverser des parois minces qui causeraient des problèmes de remplissage pour un thermoplastique. Pour cette même raison, l’uniformité d’épaisseur de paroi n’est pas absolument essentielle. Par ailleurs, comme un matériau thermodurcissable se solidifie par chauffage et a pratiquement durci avant de refroidir, les retassures ne sont pas un problème.

Pièce en silicone liquide moulée grâce à un moule aluminium
Figure 4 : Une pièce en LSR repose sur une paire de moules en aluminium.

Les détails d’une pièce peuvent donc être plus épais que dans le cas d’un matériau thermoplastique courant (il existe encore toutefois de bonnes raisons pour ne pas créer des détails plus épais que strictement nécessaire), mais la principale différence de conception entre un moule pour un thermoplastique et pour un LSR thermodurcissable se situe au niveau du traitement des zones en contre-dépouille.

Les thermoplastiques rigides peuvent être injectés avec des contre-dépouilles soit en utilisant des tiroirs qui créent la géométrie en contre-dépouille, puis s’écartent de la pièce pendant l’ouverture du moule pour permettre son éjection, soit par des techniques complexes comme les inserts manuels. En revanche, comme le LSR est extrêmement flexible, les pièces finies peuvent souvent être « détachées » du moule et des détails qui se trouveraient bloqués derrière une contre-dépouille si la pièce était moulée en thermoplastique, peuvent être démoulées en force. Pour le LSR, la seule véritable contrainte en matière de contre-dépouille est de savoir si on peut l’usiner.

Le moulage du LSR à Proto Labs

Outre les thermoplastiques, ProtoQuote, le moteur de calcul de prix et d’analyse de conception de Proto Labs, inclus maintenant le LSR. La procédure de demande de devis pour une pièce LSR est similaire à celle des thermoplastiques.

Pour télécharger le fichier 3D d’une pièce à produire :

Téléchargez le modèle.

• Spécifiez le matériau et les quantités.

• Recevez un devis définitif accompagné d’une analyse de conception et d’informations de prix, généralement quelques heures plus tard.

Actuellement, le délai d’exécution pour la production de pièces en LSR est de trois semaines. Selon le design, un délai plus rapide sera parfois disponible moyennant un supplément de prix. Nos délais d’exécution sont beaucoup plus courts que les délais traditionnels car le processus service de moulage par injection transforme directement les modèles CAO 3D en parcours d’outils pour l’usinage des moules. Comme dans le cas des thermoplastiques, le processus de fabrication des moules LSR chez Proto Labs est géré par un logiciel propriétaire tournant sur un supercalculateur de forte puissance. Les trajectoires d’outils générées par le logiciel pilotent des commandes numériques automatisées usinant le moule qui sera ensuite placé dans une presse à injecter spécialement conçue pour le LSR.

Ce processus permet de produire rentablement des pièces en LSR, de 25 à plus de 5 000 pièces, et parfois même jusqu’à 25 000 pièces dans certains cas. En moyennes séries, le processus peut produire des pièces plus rapidement et plus économiquement que les processus de moulage du LSR conventionnels, mais même pour les très petites séries ou le prototypage, Proto Labs utilise ses processus de fabrication. En cela, nous sommes très différents d’autres fabricants de prototypes en LSR.

La plupart des services qui produisent de faibles volumes de prototypes en LSR mélangent manuellement les composants en gel dans un mélangeur et ce procédé n’offre pas la même maîtrise que le processus industriel de Proto Labs. Dans certains cas, ils n’utilisent pas un moule usiné ou un LSR durci par chauffage. À la place, les prototypes sont produits à l’aide d’un procédé de vulcanisation à température ambiante qui commence par une copie de la pièce en thermoplastique, obtenue en utilisant une imprimante 3D. Un moule est coulé autour de la pièce imprimée et rempli manuellement à l’aide d’un pistolet à mastic. La pièce ainsi obtenue pourra convenir aux tests de forme et d’ajustement, mais comme elle ne reproduit pas le processus de fabrication et n’utilise pas un matériau LSR bonne matière, elle ne convient pas pour les tests fonctionnels ni pour une quelconque production en série.

Pour obtenir des pièces bonne matière à des fins de prototypage, les services de production conventionnels devaient souvent attendre la fabrication des moules séries, ce qui peut prendre plusieurs semaines ou plusieurs mois. À ce stade tardif du développement, les problèmes détectés peuvent créer de sérieux contretemps dans le processus de développement et entraîner la mise au rebut de coûteux outillages. L’usinage automatisé de moules en aluminium par Proto Labs permet d’obtenir un prototypage rentable, utilisant la bonne matière et des processus industriels, plus tôt dans le développement d’un produit, à un stade où il est possible de revoir la conception plus facilement, en moins de temps et pour un coût moindre.

Proto Labs enrichit continuellement ses processus et ses capacités. Actuellement ses spécifications et considérations de conception sont les suivantes :

  • La taille maximale des pièces est de 127 x 127 x 80 mm. *Ceci représente le volume dans lequel la pièce doit pouvoir s’inscrire, bien qu’elle ne puisse pas occuper la totalité de cet espace. La taille des pièces pourra augmenter avec l’accroissement de nos capacités.

  • La surface projetée maximale de la pièce ne doit pas dépasser 11 355 mm2. On remarquera que ce chiffre est inférieur à la surface utile de 16 129 mm2 occupée par une pièce qui remplirait complètement les dimensions de 127 x 127 mm mentionnées plus haut. Cette limitation est due au fait que la pression exercée pour remplir un moule dont la surface serait supérieure à 11 355mm2 dépasserait la force de fermeture de la presse à injection.

  • Le volume maximum de la pièce est de 65 550mm3. Ce volume est déterminé par le volume maximum injectable par les équipements actuels de Proto Labs pour le moulage du LSR.

  • L’épaisseur de paroi minimum est de 0,5 mm. Cette limite n’est pas due à la matière mais à nos limites d’usinage. Du fait de la nature rhéofluidifiante du LSR, les variations d’épaisseur de paroi ne posent généralement pas de problème.

  • L’épaisseur d’une nervure devra être de 0,5 à 1 fois celle de la paroi adjacente.

  • Le rayon des congés intérieurs devra être approximativement égal à l’épaisseur de paroi.

  • Les retassures sont pratiquement inexistantes mais l’élimination des zones inutilement épaisses réduira le coût/pièce.

  • Pour éliminer les bavures, les plans de joint devront être aussi simples et courts que possibles.

  • Le démoulage des pièces en LSR se fait généralement manuellement La pièce devra être conçue de manière à rester entièrement dans une des moitiés du moule et certains de ses éléments devront dépasser de la surface du moule au niveau du plan de joint, afin de faciliter son démoulage manuel.

  • De nombreuses pièces comportant une contre-dépouille simple peuvent être facilement démoulées par l’opérateur de la presse sans assistance mécanique. La faisabilité des pièces présentant des contredépouilles sera examinée au cas par cas.

  • Les pièces en LSR requièrent généralement une dépouille similaire à celle des thermoplastiques, à savoir approximativement un degré de dépouille pour 25,4 mm de profondeur. L’absence de dépouille sera parfois tolérée pour les pièces peu profondes. Le LSR tolère mieux les faibles angles de dépouille que les thermoplastiques. Ceci sera déterminé au cas par cas.

  • Compte tenu de la grande fluidité du LSR, les points d’injection nécessaires sont relativement petits pour ce matériau. Dans l’idéal, les points d’injection alimenteront la section la plus épaisse ou la plus large de la pièce, bien que cette règle ne soit pas absolue. Les points d’injection en nappe du LSR laisseront une trace ou un petit défaut de surface sur la pièce et devront être placés sur une surface dont l’aspect ou les dimensions ne sont pas essentiels ou dans une zone évidée.

  • Proto Labs ajoutera, le cas échéant, des évents, des zones de trop-plein ou des bandes d’arrachage pour améliorer la qualité de la pièce. Ces éléments pourront laisser une petite trace sur la pièce finie. Proto Labs proposera des emplacements pour les points d’injection et les évents, que nos clients devront approuver avant la fabrication du moule.

  • Proto Labs offre les états de surface suivants sur les moules des pièces en LSR :

    • PM-F0
    • PM-F2
    • SPI-C1
    • SPI-A
    • D’autres finitions seront ajoutées d’ici peu et les requêtes spéciales seront prises en considération.
  • Les tolérances généralement obtenues pour une pièce bien conçue sont des tolérances linéaires de  0.025 mm/mm.