L’injection plastique : Recommandations de conception
L’injection plastique consiste à insérer sous haute pression du plastique fondu dans un moule.
Ce procédé est capable de former des pièces très complexes et avec une très bonne précision (0.07 à 1mm de précision) et un fini de surface très lisse [3].
Ainsi, pour réaliser une pièce en injection plastique, il faut non seulement concevoir la pièce mais aussi le moule. C’est pour cela que ce procédé n’est adapté que lorsque l’on veut fabriquer une grande quantité de pièces (de 10 à 10 000 environ) car la conception et la fabrication du moule prennent du temps. Une fois que ces derniers sont conçus, on peut réaliser assez rapidement beaucoup de pièces (quelques minutes) [7]. Si la taille de série à produire est faible, d’autres procédés comme l’impression 3D seraient plus rentables en termes de temps et de coût que l’injection. Aussi, l’impression en 3D de moules en SLA rendent leur fabrication très rapide et plus abordable que des moules classiques en aluminium plus longs à produire et coûteux.
Matériaux
Matériaux de la pièce :
Il est possible de réaliser des pièces en une grande variété de plastiques.
Les principaux plastiques utilisables sont :
PP, PA, PLA, ABS, POM, PMMA, TPU, PEDH, PEBD, PS, masque chirurgicaux broyés
Matériaux du moule :
Dans l’industrie, les moules sont souvent en métal (acier ou en aluminium) qui permettent la plus grande durabilité du moule et les plus grandes précisions. Ce sont cependant des moules très chers à produire.
Une solution plus économique est d’imprimer des moules en 3D SLA (résine). Les moules sont moins durables qu’en métal (10 à 100 pièces) mais beaucoup moins chers et moins longs à produire [7]. On peut aussi découper des plaques de Nylon ou de Plexi avec une découpeuse laser pour de pièces plates et à épaisseur constante.
Types de résines :
La résine classique peut se déformer beaucoup plus avant de se briser. On peut donc réaliser plus de pièces avec un seul moule mais la précision est moins importante qu’avec une résine plus rigide. Cette résine est à choisir quand la pression et la température sont moins importantes et que la précision n’est pas un aspect très important [1].
La résine haute température résiste à des températures plus hautes et refroidit plus rapidement [1]. Elle est à utiliser quand la pression n’est pas trop grande mais qu’on utilise un matériau qui a une température de fusion plus grande. Mais cette résine a tendance à fissurer plus facilement. Il est donc plus dur de mouler de nombreuses pièces avec un même moule dans [7].
Pour l’impression du moule, une hauteur de couche de 0.050mm permet d’économiser du temps d’impression et de la résine tout en gardant une surface lisse requise pour un moule [2].
Morphologie du moule
Un moule est souvent divisé en deux parties, qui une fois assemblées forment la pièce en négatif.
[8]
La cavité (la partie du moule à gauche) est la moitié où se fait l’injection du plastique fondu qui entre dans le moule par une ouverture et rejoint la partie centrale grâce à des canaux. La partie de droite est le noyau, on peut ajouter d’autres noyaux secondaires pour former des formes supplémentaires mais cela ajoute beaucoup de complexité dans la conception et dans le démoulage.
Conception du moule
Holimaker a réalisé un guide vidéo complet sur la conception et la modélisation de moules à imprimer en 3D (https://www.youtube.com/watch?v=M2WYakniODQ). En voici les recommandations principales pour concevoir le moule, pour faciliter le démoulage, éviter d’endommager la pièce et éviter l’apparition de défauts dans la pièce finale.
Une plaque qui sera en contact avec la buse d’injection est fournie avec la presse, c’est par cette pièce que le plastique fondu entre et rejoindra les cavités avec des canaux. Il faut donc prévoir un espace sur le moule pour la maintenir en place et l’aligner avec les canaux d’alimentation du moule. Ses dimensions sont telles que :
Il faut aussi prévoir un moyen de retirer cette pièce après l’injection avec une encoche pour faire passer un tournevis par exemple.
Faciliter le détachement du moule après impression :
Pour faciliter le détachement du moule imprimé en résine sur le plateau de l’imprimante 3D, ajouter une surface inclinée à la base de la pièce (chanfrein) d’une longueur de 3mm environ pour pouvoir facilement passer une spatule dessous et ainsi faciliter son détachement.
Faciliter le démoulage après injection :
Le démoulage de la pièce est l’étape la plus compliquée et qui peut détruire la pièce injectée si elle est mal faite. Il est donc très important de suivre ces recommandations pour faciliter le plus possible cette étape.
Ajout d’angles de dépouilles de 2° à 5° pour aider le démoulage [1] comme visible ci- dessous :
[8]
Pour des pièces de plus de 50mm de haut, ajouter 1° tous les 25mm de haut. Pour les pièces avec textures, ajouter 1.5° par 0.025mm d’épaisseur de texture [8].
Pour plus facilement ouvrir le moule après le refroidissement, on peut ajouter des encoches pour ouvrir le moule avec un tournevis plat [7].
La hauteur de l’encoche est de 2mm environ.
Prévenir de l’apparition de défauts :
Les moules doivent être serrés pour permettre une bonne étanchéité entre les deux parties et éviter les bavures [3].
[3]
Il est difficile de juger quel volume de plastique reste dans la presse, on peut donc ajouter des sorties de plastique tout en bas du moule si jamais trop de plastique est injecté. Ils peuvent prendre la forme de petits canaux de 0.5mm.
Pour permettre de bien aligner les deux moules et que la pièce reste droite entre les deux moules, on peut ajouter des picots pour permettre aux deux moules de s’emboiter et de s’aligner [7].
[9]
On peut en général mettre un pic sur chaque coin du moule.
En refroidissant, les plastiques rétrécissent. Il faut donc mouler une pièce légèrement plus grande pour qu’elle ait les bonnes dimensions après refroidissement. Les pourcentages de rétrécissement des matériaux courants sont illustrés à la figure ci- dessous :
[5]
Il faut donc concevoir le moule légèrement plus grand pour compenser ce rétrécissement si les dimensions sont critiques au bon fonctionnement de la pièce.
Quand on moule la pièce, le moule contient de l’air. Il doit donc être évacué pour être remplacé par le plastique. Il faut donc mettre des évents sur la ligne de joint entre les deux moules sur la moitié cavité (moule dans lequel est l’entrée de plastique). Ceci empêche formation de bulles d’air qui peuvent ralentir le flux de liquide [2]. Si l’évent est trop grand, l’air va se condenser et former des dépôts indésirables dans la cavité ou même brûler la pièce.
[6]
Dimensions recommandées :
W=1.5 mm
D=0.1 mm
L : Assez grand pour atteindre le bord du moule
Conception de la pièce à injecter
Épaisseur des parois de la pièce :
Dans la pièce, il faut maintenir des épaisseurs constantes au maximum. Les variations brutales de masse font que la solidification n’est pas homogène ce qui provoque des déformations ou bien des vides dans la pièce une fois refroidie [3].
Quand il faut faire varier les épaisseurs, elle ne doit pas être trop brutale comme dans le schéma ci-dessous :
[8]
Pour assurer une épaisseur constante, on peut évider les sections au lieu de les remplir complètement [8]. Pour rerigidifier ces sections évidées on ajoute des nervures dont l’épaisseur ne doit pas faire plus de 50% de l’épaisseur des murs [5]. Elles doivent elles aussi présenter des angles de dépouilles pour faciliter le démoulage.
[8]
Les épaisseurs de mur recommandées pour les plastiques typiques sont présentées dans le tableau ci-dessous :
Matériau Épaisseur de murs recommandée (mm)
Polypropylène (PP) 0.8 - 3.8 mm
ABS 1.2 – 3.5 mm
Polyéthylène (PE) 0.8 – 3.0 mm
Polystyrène (PS) 1.0 – 4.0 mm
Polyuréthane (PUR) 2.0 – 20.0 mm
Nylon (PA 6) 0.8 – 3.0 mm
Polycarbonate (PC) 1.0 – 4.0 mm
PC/ABS 1.2 – 3.5 mm
POM 0.8 – 3.0 mm
[8]
Mais Il faut aussi éviter les petites épaisseurs au maximum [2] car elles solidifient rapidement et risquent de boucher la coulée de liquide vers le reste du moule comme l’image ci-dessous :
[3]
On préfère donc prendre les épaisseurs maximales données dans le tableau le plus possible soit pour le polypropylène une épaisseur de 3.8mm.
Il faut éviter les coins car des fissures se forment souvent dans les arrondis. Il faut donc faire des arrondis dans les coins :
[8]
Arrondi interne = 0.5 x épaisseur [8]
Arrondi externe = 1.5 x épaisseur [8]
Références :
[1] https://formlabs.com/blog/3d-printed-injection-molds-faq/
[2] https://formlabs.com/blog/3d-printing-for-injection-molding/
[3] Federov, D., & Kerbrat, O. Industrialisation des produits Notes du cours MEC3520, chapitre 7, Polytechnique Montréal, Montréal. 14 septembre 2020.
[4] Campo, E. Alfredo. (2006). Complete Part Design Handbook - For Injection Molding of
Thermoplastics. Hanser Publishers. Retrieved from
https://app.knovel.com/hotlink/toc/id:kpCPDHFIM1/complete-part-design/complete-part- design
[5] Valero, José R. Lerma. (2020). Plastics Injection Molding - Scientific Molding, Recommendations, and Best Practices. Hanser Publishers. Retrieved from https://app.knovel.com/hotlink/toc/id:kpPIMSMRB7/plastics-injection-molding/plastics- injection-molding
[6] Bryce, Douglas M. (1998). Plastic Injection Molding, Volume III - Mold Design and Construction Fundamentals. Society of Manufacturing Engineers (SME). Retrieved from https://app.knovel.com/hotlink/toc/id:kpPIMVIIID/plastic-injection-molding/plastic-
injection-molding
[7] Low-Volume Rapid Injection Molding With 3D Printed Molds https://3d.formlabs.com/injection-molding/
[8] Design for injection molding
https://www.hubs.com/guides/injection-molding/#design-for-injection-molding
[9] Guide sur la conception de moule par impression 3D par Holimaker https://www.youtube.com/watch?v=M2WYakniODQ
