Maîtriser le moulage polyuréthane : insights de conception pour des prototypes supérieurs

Le service de moulage polyuréthane de 3ERP permet de produire de petites séries de pièces plastiques à un coût bien inférieur à celui de l'injection. Ces prototypes de haute qualité offrent une excellente finition de surface et constituent une étape vers la production en série de pièces moulées.

De nombreux concepteurs de produits méconnaissent cependant le moulage polyuréthane, qui exige des considérations de conception spécifiques — tant pour la réalisation du modèle maître que pour les pièces coulées elles-mêmes. Concevoir des pièces en polyuréthane diffère de la conception pour injection ; les designers doivent donc se familiariser avec le processus avant de se lancer dans leurs modèles CAO.

Cet article fournit des informations sur la conception de pièces en moulage polyuréthane. Il aborde la conception des caractéristiques, les tolérances typiques et les différences entre la conception pour moulage polyuréthane et pour injection.

Qu'est-ce que le moulage polyuréthane ?

Également appelé moulage sous vide, le moulage polyuréthane est une technique de prototypage et de fabrication de petites séries adaptée à la création de lots jusqu'à 25 unités. C'est le même procédé que le moulage uréthane, terme alternatif pour ce processus.

Le processus de moulage polyuréthane comprend trois étapes principales : la réalisation du maître, la fabrication du moule en silicone et le moulage des pièces.

1. Maître : À l'aide d'un procédé comme l'usinage CNC ou l'impression 3D SLA, le concepteur crée un modèle maître positif des pièces. Une pièce préexistante, en pratiquement tout matériau solide capable de supporter 40 °C (pour le durcissement du silicone), peut également servir de modèle.
2. Moule : Une boîte de moulage est remplie à moitié de silicone liquide avec le modèle au centre. Le silicone est durci à basse température au four pendant 16 heures jusqu'à solidification, formant la première moitié du moule. Le reste de la boîte est rempli de silicone liquide, puis durci pour former la seconde moitié. Les deux moitiés sont démoulées et le modèle mis de côté pour réutilisation.
3. Moulage : Les moules en silicone flexibles sont remplis de résine de moulage polyuréthane, qui se solidifie dans le moule et reprend la forme exacte du maître original. Le moule en silicone peut être utilisé environ 25 fois avant d'être remplacé.

Le moulage polyuréthane est une technique précieuse car les moules en silicone sont très peu coûteux par rapport à l'outillage métallique. Ils ne durent qu'environ 25 moulages, mais cela suffit généralement pour le prototypage de petites pièces plastiques.

Bien que le moulage de résines polyuréthanes ne produise pas de pièces fonctionnelles robustes, il offre des atouts uniques : excellente finition de surface, large choix de couleurs et de transparences, et grande économie en faibles volumes.

Réalisation du modèle maître

La première considération pour un concepteur lors de la conception pour moulage polyuréthane est le modèle maître. Les techniques courantes incluent l'impression 3D (SLA, PolyJet, etc.) et l'usinage CNC. Les techniques traditionnelles comme la sculpture manuelle sont aussi possibles, mais plus coûteuses.

Lorsqu'un procédé de fabrication numérique comme l'impression 3D ou l'usinage CNC est utilisé, les concepteurs doivent tenir compte des contraintes de deux processus distincts : la réalisation du modèle et le moulage. Cet article se concentre principalement sur les conseils de conception pour un moulage efficace (plutôt que pour l'impression 3D ou l'usinage CNC).

Les avantages de l'impression 3D pour les modèles maîtres en polyuréthane sont :

• Liberté géométrique supérieure
• Fabrication plus rapide que l'usinage CNC

Les avantages de l'usinage CNC pour les modèles maîtres sont :

• Tolérances plus serrées que l'impression 3D
• Moins de finition de surface requise
• Durée de vie plus longue que les modèles imprimés en 3D

Tolérances et dimensions

Lors de la conception de pièces en moulage polyuréthane, les concepteurs doivent connaître les tolérances standard et les dimensions minimales/maximales, qui diffèrent de celles de l'injection.

Cependant, si le moulage polyuréthane sert de technique de prototypage pour de futures pièces injectées, il peut être judicieux de concevoir une pièce également moulable par injection (en intégrant des angles de dépouille, par exemple).

• Tolérance : 3ERP réalise des pièces en polyuréthane avec une précision de ± 0,3 %, avec une limite inférieure de ± 0,3 mm pour les dimensions inférieures à 100 mm.
• Retrait : Les pièces épaisses sont plus sujettes au retrait, dû aux variations de température pendant le moulage. Les concepteurs doivent prévoir un taux de retrait d'environ +0,15 %.
• Taille des pièces : Les pièces en moulage polyuréthane peuvent atteindre 1900 x 900 x 750 mm avec un volume maximum de 10 litres.

Épaisseur de paroi

L'épaisseur de paroi minimale en moulage polyuréthane est de 0,75 mm — suffisante pour un bon remplissage du moule, bien que 1,5 mm ou plus donne les meilleurs résultats. Si des parois plus fines sont nécessaires, contactez-nous pour discuter de votre conception.

Comme pour l'injection, une épaisseur de paroi constante donne de meilleurs résultats, car elle réduit les risques de déformation due aux variations thermiques. Toutefois, des épaisseurs variables sont moins préjudiciables qu'en injection.

Dépouille

L'un des avantages du moulage polyuréthane est la flexibilité de ses moules en silicone. Comme les moules sont flexibles, les pièces finies peuvent être démoulées facilement sans goupilles d'éjection. Cela signifie que la dépouille — parois coniques facilitant l'éjection — n'est pas nécessaire comme en injection.

Cependant, un faible angle de dépouille allant jusqu'à 5° peut légèrement prolonger la durée de vie du moule en silicone, ce qui peut être avantageux pour des séries moyennes sur des pièces ne nécessitant pas des parois parfaitement droites. Cela rend aussi la conception plus adaptable à l'injection (pour une montée en cadence).

Rayons

Lors de la conception de pièces en polyuréthane, les angles vifs intérieurs doivent être évités pour maximiser la résistance et la stabilité. Nous recommandons d'ajouter des congés aux angles intérieurs avec un rayon de 3 mm.

Notez que l'usinage CNC pour réaliser le modèle maître est idéal pour ajouter des congés aux pièces moulées, car les outils de coupe CNC ont une forme cylindrique et créent naturellement des arrondis internes lors de l'usinage de poches.

Nervures

Pour ajouter de la rigidité aux pièces en moulage polyuréthane sans augmenter l'épaisseur de paroi, les concepteurs peuvent intégrer des nervures, qui augmentent le moment d'inertia. Il est généralement préférable d'utiliser plusieurs nervures courtes plutôt qu'une seule haute, et il est important d'orienter les nervures par rapport aux zones potentielles de flexion.

Les nervures doivent avoir de grands rayons d'angle et une épaisseur inférieure à 60 % de l'épaisseur de paroi pour éviter le retrait et les marques de rétrécissement. La hauteur de chaque nervure doit être inférieure à 3x son épaisseur pour éviter la rupture.

Bossages

Les pièces en polyuréthane moulé peuvent comporter des bossages — petites saillies pour accueillir des fixations ou des inserts filetés. Ces bossages peuvent être soutenus par des goussets ou des nervures de liaison.

Pour éviter les marques de rétrécissement, l'épaisseur de paroi d'un bossage doit être inférieure à 60 % de l'épaisseur de paroi de la pièce (comme pour les nervures). Le rayon à la base du bossage doit être d'au moins 25 % de l'épaisseur de paroi de la pièce.

Filetages et trous

Le moulage polyuréthane peut intégrer des trous débouchants et des filetages, mieux réalisés avec des inserts plutôt qu'ajoutés au modèle maître. Cependant, ces caractéristiques complexes augmentent le coût et ne sont pas toujours nécessaires pour des prototypes.

Pour les trous débouchants, des tiges de centrage peuvent être placées dans le moule en silicone. Pour les filetages, il est préférable d'incorporer des inserts filetés métalliques par surmoulage.

Assemblages

Le moulage polyuréthane permet de réaliser des pièces multi-composants avec des assemblages par tenon-mortaise. Un petit jeu de dévoilement doit être prévu dans l'assemblage entre composants.

Caractéristiques de surface

Des caractéristiques de surface comme du texte et des logos peuvent être intégrées aux pièces en moulage polyuréthane. En général, ces éléments — surtout en creux (gravure) — sont bien plus faciles à réaliser avec des modèles maîtres usinés CNC qu'avec des modèles imprimés en 3D.

Pour de meilleurs résultats, les lettres et chiffres doivent être espacés d'au moins 1,3 mm.