Parler le langage du plastique : Un guide pour la conception de pièces moulées par injection

Dans l'univers de la fabrication, la conception des pièces est le corps céleste autour duquel gravitent les orbites de la fonctionnalité du produit, de la fabricabilité et du succès commercial. En particulier dans le domaine du moulage par injection, la conception des pièces n'est pas seulement une question d'esthétique ou de dimensions ; il s'agit d'envisager le parcours d'un composant, depuis les granulés de plastique jusqu'à une pièce durable et fonctionnelle faisant partie intégrante d'un assemblage complexe.

La conception de pièces pour le moulage par injection, comme pour d'autres procédés de fabrication, est un équilibre délicat entre les propriétés mécaniques, la conception du produit, la rentabilité et les performances. Contrairement à d'autres procédés de fabrication, le moulage par injection nécessite une approche de la conception qui tient compte du comportement du plastique lorsqu'il passe de l'état fondu à l'état solide dans les limites d'un moule conçu avec précision. Le concepteur doit anticiper l'écoulement du plastique, l'impact des taux de refroidissement et l'interaction entre la structure de la pièce et les forces physiques exercées par la machine de moulage.

L'importance de la conception des pièces dans le développement des produits est primordiale. C'est le plan directeur qui dicte la faisabilité de la fabrication et prépare le terrain pour la performance finale du produit. Dans le cas du moulage par injection, la conception de la pièce dicte la conception du moule qui, à son tour, influence les temps de cycle, les coûts de production et la longévité du moule lui-même.

Une conception de pièce bien conçue peut conduire à un produit robuste doté d'une fonctionnalité, d'une longévité et d'un attrait esthétique optimaux. À l'inverse, une mauvaise conception de la pièce peut entraîner des difficultés de fabrication, une augmentation des coûts et des défaillances potentielles du produit. C'est cet environnement à fort enjeu qui fait passer le rôle du concepteur de pièces d'une simple contribution à celui d'un architecte principal de la réussite d'un produit.

Ce guide a pour but de vous aider à parler plus couramment le langage des matières plastiques. La conception de pièces pour le moulage par injection repose sur une compréhension approfondie du comportement des matières plastiques. Cette connaissance sert de base à la construction de tous les éléments de conception. Mais pourquoi le comportement des matériaux est-il si important dans la conception des pièces ? La réponse réside dans les propriétés uniques des plastiques qui peuvent être à la fois avantageuses et difficiles pour les concepteurs.

Les matières plastiques ne sont pas un monolithe ; leurs propriétés varient énormément. De la résistance à la traction du nylon à la résistance aux chocs des polycarbonates, le choix du matériau influe sur certains aspects de la conception de la pièce et, plus important encore, sur les performances de la pièce finie. Par rapport au métal, au bois et à d'autres matériaux, les plastiques ont un faible module et ont tendance à se replier. Ils sont viscoélastiques, ce qui signifie qu'ils réagissent différemment à une force appliquée à un taux élevé plutôt qu'à un taux faible. Lorsque l'on étudie la performance contrainte-déformation des plastiques, on omet souvent de demander : "Mais à quelle vitesse de déformation cela s'applique-t-il ?"

Fait amusant : saviez-vous que les thermostats mécaniques des voitures utilisent une substance qui est essentiellement de la cire de bougie pour détecter la température de la voiture et ouvrir et fermer les vannes pour réguler le débit du liquide de refroidissement ? Comme la cire de bougie, les matières plastiques se dilatent et se contractent fortement lorsqu'elles fondent et se solidifient respectivement. Ces dilatations et contractions sont les principaux éléments moteurs d'une bonne conception des pièces.

Au fond, la DFM consiste à concevoir des pièces en tenant compte du processus de fabrication. Il s'agit de comprendre les capacités et les limites du processus de moulage par injection et d'exploiter ces connaissances dès les premières étapes de la conception des pièces. La DFM vise à minimiser la complexité de la fabrication, à réduire le gaspillage de matériaux et à éviter des modifications coûteuses de la conception en cours de route.

L'intégration des principes de DFM dans la conception des pièces commence par la simplification. En simplifiant les géométries, en réduisant le nombre de pièces et en optimisant la pièce pour le processus de moulage, les concepteurs peuvent réduire considérablement les risques de défauts et rationaliser le processus de production.

La variation de l'épaisseur des parois peut également empêcher le moule d'être rempli de manière adéquate. Si des zones plus fines et plus épaisses sont absolument nécessaires, assurez-vous que le flux commence dans la zone épaisse et remplit les zones fines en dernier. Veillez à ce que le flux ne passe pas des régions épaisses aux régions minces, puis de nouveau aux régions épaisses, car cela entraînerait d'importantes chutes de pression qui affecteraient l'intégrité des capacités du moule. Cela est parfois nécessaire, comme dans le cas du moulage de charnières vivantes, mais doit être évité. La transition d'une région épaisse à une région mince doit être aussi graduelle et douce que possible.

La solidité des pièces moulées par injection ne provient pas nécessairement de l'épaisseur. L'utilisation stratégique de nervures et de goussets peut accroître considérablement la rigidité de la pièce sans compromettre l'uniformité de l'épaisseur de la paroi. Toutefois, comme toute caractéristique, ils doivent être conçus avec soin pour éviter les marques d'enfoncement et s'assurer qu'ils n'éclipsent pas les principes de base de la conception géométrique.

En règle générale, les nervures doivent représenter environ 60 % de la paroi adjacente pour éviter les problèmes de rétrécissement. Pour être plus précis, il est toutefois recommandé d'utiliser une épaisseur de paroi de 0,5 pour les matériaux fortement amorphes et de 0,75 pour les matériaux semi-cristallins.

Placez des goussets aux endroits stratégiques pour soutenir les zones porteuses et améliorer la rigidité globale de la pièce sans affecter le flux de matériau.

Lors de la conception des trous, les trous traversants sont préférables aux trous de fond, mais avec quelques inconvénients.

Les trous traversants offrent plus d'options pour l'outillage et une plus grande stabilité dimensionnelle, car l'outillage peut se rencontrer des deux côtés du trou. Toutefois, lorsque le front d'écoulement du moulage se déplace autour d'un trou de fond, il doit se diviser en deux fronts au fur et à mesure qu'il se déplace autour du trou. Les deux fronts se rejoignent ensuite de l'autre côté du trou. L'endroit où les fronts se rencontrent est connu sous le nom de ligne de soudure et crée une zone de faiblesse locale. Gardez cela à l'esprit chaque fois qu'une caractéristique divise un front d'écoulement en deux parties. Un trou de fond n'aura pas cet effet.

Une caractéristique courante du moulage est connue sous le nom de "snap fit". Il s'agit de petits "bras" de plastique qui s'enclenchent sur d'autres pièces pour les maintenir ensemble. Comment les concevoir ? Quelques points importants :

- Le bras d'encliquetage doit être dimensionné de manière à ne pas dépasser 70 % de la limite d'élasticité du matériau en tout point

- Le bras d'encliquetage ne doit pas être sous contrainte après avoir été encliqueté

- Il est courant que les dimensions de la section transversale des bras d'encliquetage diminuent sur leur longueur - cela permet d'économiser du matériau et d'obtenir un profil de contrainte plus idéal pour le bras.

Si la valeur de la contrainte est inférieure ou égale à 70 % de la limite d'élasticité, tout devrait bien se passer.

Pour des raisons de simplicité, cet élément n'a pas été représenté avec l'ébauche. Vous remarquerez que l'autre partie de l'outillage devra mouler le haut et les côtés du dispositif d'encliquetage et entrer en contact avec l'obturateur traversant qui crée le débord sur l'encliquetage. Dans les zones où les deux outils entrent en contact, des valeurs de dépouille plus élevées préserveront la durée de vie de l'outil. Il faut viser une dépouille de 5° ou plus dans les zones où l'outil entre en contact avec un autre outil.

Les progrès technologiques des logiciels de simulation ont permis aux concepteurs de prévoir les résultats avec plus de précision qu'auparavant. Cependant, la technologie de simulation des moules a ses limites. En règle générale, la simulation montre avec précision où des distorsions telles que le gauchissement, l'enfoncement ou le rétrécissement se produiront, mais l'ampleur de ces distorsions peut varier considérablement par rapport aux prévisions de la simulation. À ce jour, rien ne remplace la compréhension et le respect des bons principes de conception des moules d'injection.

Le moulage par injection est un procédé très efficace pour la production en masse de pièces et de composants en plastique. L'un de ses principaux avantages est sa capacité à produire de grands volumes de pièces avec un degré élevé d'uniformité et de répétabilité. Cette uniformité est cruciale pour les industries où la précision est primordiale, telles que l'automobile et la fabrication d'appareils médicaux.

Un autre avantage important est la possibilité de concevoir et de produire des géométries complexes qui seraient difficiles, voire impossibles, à réaliser avec d'autres méthodes de fabrication. Le moulage par injection permet des conceptions complexes avec des détails précis, des contre-dépouilles et des tolérances serrées, ce qui ouvre un vaste éventail de possibilités de conception.

En outre, le moulage par injection est rentable à l'échelle. Bien que le coût initial de la conception et de la création du moule puisse être élevé, le coût de production par pièce est considérablement réduit pour les grandes séries en raison de la rapidité du processus de fabrication. Le moulage par injection est donc un excellent choix pour la production à long terme, lorsque l'investissement initial peut être amorti sur un volume élevé de pièces.

Le choix des matériaux est un autre avantage. Une grande variété de plastiques et de polymères peuvent être utilisés dans le moulage par injection, ce qui permet d'adapter les propriétés des matériaux aux besoins spécifiques de l'application, tels que la flexibilité, la solidité ou la résistance à la chaleur ou aux produits chimiques.

Malgré ses nombreux avantages, le moulage par injection présente également des inconvénients. L'investissement initial pour l'outillage est important et peut être prohibitif pour les petites entreprises ou pour les produits à faible volume de production. Ce coût initial le rend également moins idéal pour le prototypage que les procédés de fabrication additive tels que l'impression 3D .

La nécessité de produire de grands volumes pour justifier les coûts initiaux signifie que le moulage par injection est moins flexible lorsqu'il s'agit d'augmenter ou de réduire rapidement la production. Les changements de conception peuvent être coûteux et prendre du temps car ils nécessitent souvent des modifications du moule, ce qui peut constituer un revers important dans les cycles de développement de produits rapides du marché actuel.

Les préoccupations environnementales entrent également en ligne de compte. Bien que les plastiques soient polyvalents, ils sont dérivés de ressources non renouvelables et les produits finis peuvent être difficiles à recycler. C'est pourquoi l'industrie s'efforce d'adopter des pratiques plus durables.

Il est essentiel de peser le pour et le contre du moulage par injection. Il reste une méthode de fabrication dominante dans de nombreuses industries en raison de son efficacité et de son évolutivité. Toutefois, les entreprises doivent examiner attentivement l'impact environnemental, les coûts initiaux et les exigences en matière de conception avant de s'engager dans ce processus.

En conclusion, le succès des pièces moulées par injection repose sur une philosophie de conception qui associe la fonctionnalité à l'attrait esthétique, guidée par les principes de la conception pour la fabrication (DFM). Une épaisseur de paroi uniforme, une sélection appropriée des matériaux, des finitions de surface soignées et une relation symbiotique entre la conception de la pièce et celle du moule sont des éléments fondamentaux qui contribuent à l'intégrité, à la rentabilité et à la viabilité commerciale de la pièce. En respectant ces principes de conception avec précision et créativité, les fabricants peuvent s'assurer que chaque pièce répond non seulement aux exigences rigoureuses de la production, mais aussi aux attentes des utilisateurs finaux, incarnant ainsi un mélange d'innovation, de qualité et de praticité qui est au cœur de l'industrie du moulage par injection.