Moulage par injection de polycarbonate :guide expert sur les matériaux, les processus et la conception

Le polycarbonate (PC) est un matériau apprécié pour sa résistance aux chocs et sa transparence. Cela ressemble peut-être à du verre, mais en termes de résistance, il est aussi peu résistant que vous pourriez l'imaginer :vous pouvez le trouver dans les fenêtres pare-balles, les boucliers anti-émeute et d'autres pièces ultra résistantes conçues pour être presque incassables.

Bien qu'il puisse être traité par extrusion, thermoformage et même impression 3D, l'un des meilleurs moyens de fabriquer des pièces en polycarbonate est le moulage par injection. La matière plastique fondue est assez visqueuse, mais elle peut toujours être injectée avec précision dans les cavités du moule pour fabriquer des pièces en plastique de différentes formes et tailles.

Cet article passe en revue les bases du moulage par injection de polycarbonate, y compris les paramètres de processus, les règles de conception et les applications populaires.

Qu'est-ce que le polycarbonate ?

Clairs comme le verre et résistants comme certains métaux, les polycarbonates (PC) sont des polymères thermoplastiques dont les structures chimiques contiennent des groupes carbonate. Adaptés à une gamme de processus de fabrication, notamment le moulage par injection et le thermoformage, ces matériaux sont solides et résistants, offrant également une bonne résistance thermique et une bonne transparence.

Chimiquement, le polycarbonate est un polyester d'acide carbonique formé de deux manières :par une réaction de polycondensation entre le bisphénol A (BPA) et le phosgène (COCl₂), ou par transestérification à l'aide de carbonate de diphényle. L'unité structurelle répétitive du polycarbonate contient des anneaux aromatiques liés par des groupes carbonate, ce qui confère au matériau sa rigidité et sa transparence remarquables.

Le polycarbonate étant un thermoplastique, il peut être fondu et formé, ce qui le rend idéal pour des processus tels que le moulage par injection. Les granulés PC pour le moulage par injection sont fabriqués en extrudant le matériau en brins et en le coupant en morceaux uniformes. Ces granulés de plastique coûtent généralement quelques dollars par kilogramme. Comparativement parlant, les matériaux en polycarbonate coûtent plus cher que les thermoplastiques courants comme l'ABS, le PE et le PP, mais leur prix est comparable à celui de nombreux nylons.

En résumé, le polycarbonate est un plastique assez malléable connu pour sa clarté, sa solidité et sa résistance à la chaleur, ce qui en fait un matériau idéal pour les produits moulés tels que les lentilles, les écrans de sécurité et les boîtiers électroniques.

Propriétés du matériau polycarbonate

Propriété Valeur Remarque Densité 1,20 à 1,22 g/cm3Modéré pour un thermoplastique technique ; plus dense que l'ABS mais moins que le verre, ce qui rend le PC adapté à l'allègement optique et structurelYoung ' module 2,0–2,4 GPaRaideur modérée ; plus rigide que le PE et le PP mais moins que l'acryliqueRésistance à la traction 55-75 MPaRelativement élevé pour un thermoplastique amorphe ; similaire au nylon et proche de certains alliages d'aluminiumTempérature de transition vitreuse 147 °CTrès élevé pour un thermoplastique courant, conduisant à une bonne stabilité dimensionnelle et une bonne résistance aux chocs à haute températurePlage de température de fonctionnement -40 °C à 130 °CFenêtre opérationnelle relativement large ; conserve sa ténacité à des températures inférieures à zéro sans devenir cassant

Le processus de moulage par injection du polycarbonate

Le moulage par injection de polycarbonate est un procédé puissant et rentable permettant de produire de grands volumes de pièces en plastique à haute résistance et avec un bon niveau de clarté. Bien que le processus de moulage par injection du polycarbonate soit similaire à d'autres plastiques à certains égards, il nécessite un contrôle précis de la température en raison du point de fusion élevé du matériau.

Le processus en bref :

• Séchage des pellets
• Remplissage de la trémie
• Fusion de pellets en fût
• Injection dans la cavité du moule
• Éjection des pièces finies
• Post-traitement

Avant le début du processus de fabrication, les pastilles de polycarbonate sont généralement séchées à des températures modérées. En effet, le PC est hautement hygroscopique et un mauvais séchage des granulés peut entraîner des défauts de fabrication causés par l'eau absorbée.

Une fois les granulés de PC préparés, ils sont introduits dans la trémie de la machine de moulage par injection, où une vis alternative les déplace dans le baril chauffé. Les températures de moulage par injection du polycarbonate se situent généralement entre 260 et 320 °C, ce qui est nettement plus élevé que celui des matériaux à faible coût comme l'ABS. En raison de sa viscosité relativement élevée, le polycarbonate fondu est ensuite injecté à une pression assez élevée dans la cavité du moule.

Le polycarbonate fondu remplit la cavité du moule. En refroidissant et en se solidifiant, il prend la forme de la cavité. Une fois complètement solidifié, le moulage est éjecté du moule ouvert à l'aide d'éjecteurs.

Les temps de cycle pour les moulages en polycarbonate vont d'environ 30 secondes à environ deux minutes, en fonction de la taille de la pièce, de l'épaisseur de la paroi, de la température du moule et d'autres facteurs.

D’une certaine manière, le polycarbonate est un matériau extrême. Son niveau exceptionnellement élevé de transparence optique, de solidité et de résistance à la chaleur le rend souhaitable dans de nombreuses industries. Cependant, ces propriétés exigent des paramètres de processus assez extrêmes, tels qu'une température et une pression d'injection élevées.

Les facteurs qui affectent les paramètres de moulage idéaux incluent la qualité spécifique du matériau PC, la géométrie de la pièce et l'épaisseur de la paroi, ainsi que le type de moule.

• Température du fût :Généralement 260-320 °C, avec des qualités à usage général proches de 270-300 °C et des qualités renforcées ou ignifuges vers l'extrémité supérieure. Le profil de température doit augmenter progressivement de la zone d'alimentation à la buse pour garantir une fusion uniforme sans dégradation.
• Température du moule :80–120 °C, plus élevée que la plupart des thermoplastiques, pour réduire les contraintes internes et améliorer la clarté optique ou la finition de surface. Des températures de moule plus basses peuvent raccourcir les temps de cycle (le matériau refroidit et se solidifie plus rapidement), mais comportent un risque de déformation ou de voile dans les pièces transparentes.
• Pression d'injection :15 000 à 25 000 psi, car la viscosité du PC est relativement élevée. Les pièces à paroi mince ou complexes peuvent nécessiter des pressions plus élevées ou des vitesses d'injection plus rapides pour éviter les tirs courts.
• Taux d'injection  :Modéré à rapide, garantissant qu'un temps suffisant est prévu pour le remplissage complet de la cavité sans courir le risque de contrainte induite par le cisaillement ou de brûlure de la grille causée par les températures élevées impliquées.
• Contrôle de l'humidité :3 à 4 heures de séchage à 120 °C, car le PC est hautement hygroscopique et même des traces d'humidité provoquent une dégradation hydrolytique, entraînant la formation de bulles ou une résistance réduite dans les moulages finaux. Les granulés doivent également être conservés dans des conteneurs scellés ou des séchoirs jusqu'à ce qu'ils soient prêts à être utilisés.

Des techniques de moulage par injection non standard peuvent également être utilisées pour mouler des pièces en polycarbonate. Par exemple, le moulage par injection assisté par eau peut être déployé pour éviter les défauts dans les grandes pièces à paroi mince, tandis que le moulage par injection par compression est préférable pour les pièces à paroi épaisse qui pourraient autrement souffrir de marques d'enfoncement.

Matériaux polycarbonates pour le moulage par injection

Les matériaux de moulage par injection en polycarbonate sont disponibles en différentes qualités et peuvent être mélangés avec certains additifs pour produire différents effets, et certains plastiques PC sont optimisés pour une utilisation finale ou une industrie particulière. Les principaux producteurs de matériaux PC incluent Covestro, SABIC, Mitsubishi Chemical et LG Chem.

• PC à usage général offre un équilibre entre solidité, transparence et résistance à la chaleur pour la plus large gamme d'applications.
• PC haut débit a un indice de fluidité à chaud plus élevé et peut utiliser des additifs tels que du polybutylène téréphtalate de faible poids moléculaire pour améliorer l'écoulement, facilitant ainsi l'injection dans les cavités du moule.
• PC ignifuge  contient généralement des additifs à base de phosphore ou de soufre pour éteindre les incendies.
• PC de qualité alimentaire est généralement approuvé par une agence comme la FDA pour le contact direct avec des substances alimentaires.
• PC de qualité médicale est généralement approuvé par une agence comme la FDA et peut être biocompatible et être approuvé pour la stérilisation gamma, EtO ou à la vapeur.
• PC résistant aux intempéries contient généralement des stabilisants UV pour améliorer la résistance aux intempéries et est utilisé dans l'automobile et d'autres industries.

Bien qu'il s'agisse d'un matériau solide et soigné, le polycarbonate peut être renforcé avec des fibres de verre ou de carbone hachées. Des modificateurs d'impact peuvent également être ajoutés pour améliorer la résistance aux chocs et la ténacité. Certaines qualités incluent des agents de démoulage qui empêchent les moulures finies de coller au moule métallique. D'autres additifs peuvent inclure des charges, des additifs antistatiques et des colorants pour fournir une couleur verrouillée aux moulures finies.

Les mélanges de polycarbonate sont utilisés pour obtenir différentes propriétés de matériaux ou réduire le coût des pièces moulées. Les mélanges courants incluent PC/ABS pour une meilleure facilité de traitement, PC/PBT pour une meilleure résistance chimique et PC/PMMA pour une meilleure résistance aux rayures tout en conservant une excellente clarté optique.

Moules pour polycarbonate

Le moulage du polycarbonate nécessite un moule métallique durable, capable de résister à des températures et des pressions élevées sur de nombreux cycles. Les moules PC sont donc généralement fabriqués à partir d'aciers à outils trempés tels que H13, S7 ou de qualités inoxydables comme 420. Ces matériaux peuvent résister à la fatigue thermique, à l'usure et à la corrosion causées par une exposition prolongée à la fonte chaude du PC.

Une difficulté lors du moulage par injection du polycarbonate est que le matériau a tendance à adhérer à l’intérieur du moule, ce qui rend l’éjection plus difficile qu’avec d’autres thermoplastiques. Pour cette raison, les finitions très polies sur le moule sont préférées aux finitions texturées, et un revêtement de nickel ou de chrome peut être appliqué pour améliorer le démoulage tout en conservant la clarté optique des pièces transparentes.

Les moules en aluminium peuvent être utilisés pour le prototypage de polycarbonate ou la production en faible volume, mais leur relative douceur par rapport aux aciers à outils peut poser des problèmes. Quel que soit le matériau du moule, une ventilation adéquate est essentielle pour éviter les marques de contrainte ou les bulles.

Finition de surface en polycarbonate

Plusieurs techniques de post-traitement et de finition de surface sont utilisées pour le moulage par injection de polycarbonate. Cependant, le choix de la technique dépend de l'utilisation finale de la pièce, les pièces optiques nécessitant un traitement différent de celui des pièces mécaniques ou structurelles.

Le polycarbonate moulé donne une impression fidèle de la surface du moule, c'est pourquoi il est souvent conseillé de créer des moules avec une finition très polie, comme mentionné dans la section précédente. Ceci est important pour les pièces optiques, où une texture de surface indésirable peut réduire la clarté de pièces telles que les lentilles ou les boîtiers de luminaires. À l’autre extrémité du spectre, les pièces qui nécessitent un certain degré de rugosité de surface peuvent être fabriquées par gravure chimique ou laser de l’intérieur du moule. De telles pièces peuvent nécessiter un angle de dépouille plus grand pour surmonter la friction supplémentaire et faciliter l'éjection.

Techniques de finition de surface pour le moulage par injection de polycarbonate

Processus Fonction Remarques Texture Ajuste la rugosité de la surfaceTextures ajoutées directement à l'intérieur du moule ; un angle de dépouille plus important est nécessaire pour les textures très rugueusesPonçage et polissage Élimine les petites imperfections, lisse les surfaces, améliore la clarté optiqueTechniques manuelles et mécaniques possiblesPolissage à la vapeur Lisse les surfaces, crée un niveau plus élevé de transparenceLe chlorure de méthylène ou d'autres vapeurs de solvants sont les conditions les plus efficaces mais contrôlées requisesPeinture et revêtement Ajoute de la couleur, une protection UV ou une résistance aux rayuresExcellente adhérence possible ; les acryliques à couche dure sont un revêtement courant pour les pièces transparentesGalvanoplastie et métallisation Ajoute une couche métallique pour l'esthétique ou le blindage EMI. Couche de base conductrice nécessaire ; métallisation sous vide et nickelage autocatalytique les plus courantsImpression Ajoute des logos, des symboles, du texteBonne adhérence de l'encre via tampographie ou sérigraphie

Guide de conception de moulage par injection de polycarbonate

Lors de la conception de pièces complexes de moulage par injection à fabriquer à partir de plastique PC, les ingénieurs doivent prendre en compte les principes de conception pour la fabrication (DFM) du moulage par injection, ainsi que les propriétés uniques du polycarbonate.

Épaisseur de paroi

1 –4  mm

Le PC doit avoir une épaisseur de paroi relativement uniforme pour éviter les contraintes internes et la distorsion optique. Les sections minces inférieures à 1 mm peuvent être difficiles à remplir en raison de la viscosité élevée du matériau, tandis que les parois épaisses supérieures à 4 mm risquent de laisser des traces d'évier et de longs temps de refroidissement.

Angle de dépouille

0,5 à 2 ° (jusqu'à 3 -5 ° pour les surfaces texturées)

Étant donné que le PC adhère fortement à l'acier poli et présente un faible retrait, des angles de dépouille généreux sont importants pour une éjection correcte. Les surfaces texturées ou mates nécessitent un tirage accru pour éviter les éraflures ou le blanchiment sous contrainte.

Rayons

Au moins 0,6 mm ou ¼–½ épaisseur de paroi Les coins pointus concentrent les contraintes et peuvent entraîner des fissures, en particulier dans les pièces transparentes en PC. Les rayons internes et externes améliorent le remplissage du moule et la résistance aux chocs, tandis que les transitions des rayons doivent être lisses et avec congés.

Côtes

Hauteur jusqu'à  3 × épaisseur de paroi ; épaisseur ½ épaisseur de paroi

Les nervures assurent la rigidité sans ajouter de poids. Étant donné que le PC refroidit lentement, des nervures trop épaisses peuvent provoquer des marques d'enfoncement sur les surfaces visibles. Des bases de nervures arrondies et un espacement uniforme peuvent aider à obtenir de meilleurs résultats.

Boss

Épaisseur de la base  ½ épaisseur de paroi

Les bossages doivent être creusés pour éviter les sections épaisses et risquer des vides internes. Les vis ou inserts filetés sont courants pour l'assemblage de pièces en PC, mais ceux-ci doivent éviter des contraintes excessives pour éviter les fissures.

Tolérance

± 0,05 -0,2 mm

Les pièces en PC peuvent atteindre une précision dimensionnelle élevée grâce au faible retrait (~ 0,5 à 0,7 %) du plastique. Mais les tolérances très serrées doivent être évitées sur les pièces optiques ou de grande taille, car des contraintes internes et des déformations peuvent se développer pendant le refroidissement.

Portes

Les portes à bord, en éventail ou à languettes sont préférées pour un écoulement uniforme et une contrainte de cisaillement réduite. Pour les pièces optiques, utilisez de grandes portes pour réduire la vitesse d'injection et empêcher les conduites d'écoulement.

Aérations

0,02 à 0,04 mm

Une ventilation adéquate évite les pièges à gaz et les marques de brûlure, en particulier compte tenu de la viscosité élevée du PC. Les évents doivent être suffisamment petits pour éviter les éclairs tout en permettant à l'air emprisonné de s'échapper. Une ventilation à proximité des lignes de soudure ou des éléments épais est recommandée.

Assistance logicielle

De nombreux outils de CAO proposent une assistance au moulage par injection pour faciliter la conception de pièces moulées en polycarbonate. Ces fonctionnalités peuvent inclure :

• D F Analyse M  :vérifie les caractéristiques clés telles que l'épaisseur de la paroi, les angles de dépouille, les contre-dépouilles et l'emplacement des portes pour valider la conception pour le moulage par injection.
• Analyse des processus  :Des fonctionnalités telles que l'analyse du flux de moule, la prédiction du retrait et l'analyse par éléments finis (FEA) donnent aux utilisateurs une idée du comportement du PC pendant le moulage.
• Création de moules  :Génération automatique de moules simples ou complexes en fonction de la conception de la pièce, y compris le placement des broches d'éjection et d'autres fonctionnalités.
• Intégration CAM  :Intégration avec le logiciel de FAO qui contrôle l'équipement de fabrication, assurant une transition transparente de la conception à la production.

Applications de moulage par injection de polycarbonate

Avec son équilibre de propriétés mécaniques et optiques souhaitables, le polycarbonate moulé par injection est utilisé dans un certain nombre d'industries, trouvant une utilisation dans des pièces telles que les phares automobiles et les dispositifs médicaux. Les applications potentielles et réelles du PC moulé sont présentées ci-dessous, classées par secteur.

Optique :Les plastiques transparents moulés par injection comme le polycarbonate sont une alternative sûre au verre pour des produits tels que les verres de lunettes de soleil et de lunettes, ainsi que les lunettes de sécurité destinées à être utilisées dans les laboratoires, les chantiers et autres environnements dangereux. Le thermoplastique solide et transparent peut également être utilisé pour des pièces telles que des objectifs d'appareil photo et des lunettes de réalité augmentée.

Automobile :Dans l'industrie automobile, les pièces moulées par injection en polycarbonate comprennent des pièces en plastique transparent comme les lentilles de phares. Le matériau est adapté à cet effet en raison de sa transparence, de sa résistance aux chocs et de son faible poids. Cependant, ces pièces sont généralement traitées avec des revêtements de surface pour améliorer leur résistance aux rayures et empêcher leur dégradation par les UV. D'autres utilisations de niche incluent les supports de cellules de batterie EV.

Électronique :Étant un bon isolant électrique et ayant une température de déflexion thermique élevée, le polycarbonate est largement utilisé en électronique. Les boîtiers et boîtiers durables sont des produits moulés courants, tandis que certains boîtiers de smartphones comme le Samsung Galaxy S21 ont été fabriqués à partir de ce matériau. Certains ordinateurs robustes, comme le Panasonic Toughbook, sont également dotés d'un boîtier PC pour plus de durabilité. Un type spécifique de moulage par injection est utilisé pour produire des disques de stockage de données (CD, DVD, etc.) à partir de polycarbonate. La production de stockage de données nécessite un moule à injection avec un tampon contenant un négatif du contenu du disque.

Soins de santé :Avec l'approbation réglementaire, certaines qualités de PC peuvent être utilisées pour des applications de soins de santé. Les exemples incluent les équipements de protection tels que des lunettes et des écrans faciaux, les boîtiers pour les appareils de dialyse et autres dispositifs médicaux, les équipements de diagnostic tels que les kits de test et les systèmes d'administration de médicaments tels que les stylos, les pompes et les tubes. La clarté du PC et sa capacité à être stérilisé à des températures assez élevées le rendent également adapté aux pièces de cathéter.

Construction et architecture :En tant que matériau transparent jusqu'à 250 fois plus résistant que le verre, le polycarbonate est la résine transparente de choix pour de nombreuses pièces structurelles en plastique transparent. Le moulage par injection de polycarbonate transparent peut produire des pièces telles que des boucliers de guichet de banque, des fenêtres de cabine de garde, des couvercles de lampadaires, des lucarnes, des boîtiers de compteurs électriques et des diffuseurs de lumière.

Biens de consommation  : Le moulage en plastique transparent de polycarbonate peut être utilisé pour fabriquer des produits de consommation tels que des bouteilles d'eau et autres ustensiles de boisson, des pièces de robot culinaire et autres ustensiles de cuisine, des biberons, des étuis de téléphone, des boîtiers pour petits appareils personnels comme des brosses à dents électriques, des valises rigides et des articles de sport.

Avantages et inconvénients du moulage par injection de polycarbonate

Le moulage par injection de plastique polycarbonate présente des avantages importants, comme la production de pièces transparentes de haute qualité, mais ce n'est pas le matériau le plus facile à manipuler en raison de son point de fusion élevé et de ses caractéristiques d'écoulement relativement médiocres.

Avantages

• Clarté optique  :Le moulage par injection avec un moule métallique hautement poli préserve la transparence du polycarbonate, produisant des pièces en plastique transparent de qualité optique.
• Autres propriétés souhaitables  :Les matériaux en polycarbonate moulé offrent une bonne résistance à la chaleur et au froid, une bonne résistance aux chocs, une isolation électrique, une stabilité dimensionnelle et un caractère ignifuge.
• Processus rapide et efficace  :Le moulage par injection est idéal pour fabriquer de grands volumes de pièces PC à un faible coût par pièce.
• Tolérances strictes :Le faible retrait du polycarbonate permet un haut niveau de précision et des tolérances serrées.
• Recyclabilité  : Le PC peut être recyclé via un recyclage mécanique ou chimique, mais ce dernier est le meilleur pour maintenir la résistance aux chocs du matériau.

Inconvénients

• Matériel exigeant  :Le point de fusion élevé et la faible fluidité du polycarbonate signifient qu'il nécessite une température de moulage par injection élevée et des pressions d'injection élevées, qui peuvent être plus difficiles à maintenir sur de nombreux cycles.
• Résistance aux rayures  :Étant donné que le polycarbonate est souvent utilisé pour les pièces optiques, sa sensibilité aux rayures supérieures peut poser problème, même si elle peut être atténuée avec des additifs ou des revêtements protecteurs.
• Résistance aux UV  :La résistance aux UV du polycarbonate fait également défaut, ce qui peut poser problème pour les pièces extérieures comme les phares de voiture, à moins d'être atténuée par un revêtement protecteur.
• Sensibilité à l'humidité :Le PC est hautement hygroscopique et nécessite un séchage complet avant le moulage par injection.

Moulage par injection de polycarbonate fiable avec 3ERP

Le polycarbonate est un thermoplastique très polyvalent et efficace pour les pièces en plastique transparent et au-delà. Cependant, comme il est plus difficile à travailler que d'autres plastiques courants comme l'ABS ou le PP, il est essentiel de choisir un partenaire de moulage par injection compétent et fiable.

Avec plus de 15 ans d'expérience dans le secteur, 3ERP peut réaliser des projets de moulage par injection de polycarbonate de toute taille, du prototype à la production en série. Notre expertise professionnelle nous permet de gérer le DFM, la fabrication de moules, la production de pièces de qualité et la finition de surface, en supervisant le processus de moulage PC du début à la fin.

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Questions fréquemment posées (FAQ)

Le polycarbonate composite moulé par injection peut-il être peint ?

Oui, les peintures et revêtements adhèrent bien au polycarbonate et aux composites associés. Cependant, le matériau présente une mauvaise résistance aux solvants. Les granulés de PC peuvent également être mélangés avec des pigments colorés avant le moulage à l'aide d'un mélange maître, d'un mélange à sec ou d'autres méthodes.

Quelle épaisseur le polycarbonate peut-il être moulé par injection ?

L'épaisseur minimale de la paroi en polycarbonate est d'environ 1 mm. La viscosité élevée du thermoplastique rend difficile son injection dans des cavités plus minces.

Le polycarbonate moulé par injection est-il plus résistant que les autres plastiques ?

Le PC moulé par injection est très solide et offre une résistance élevée aux chocs, d'où son utilisation pour des applications exigeantes telles que les boucliers anti-émeutes. Sa résistance est supérieure à celle de la plupart des plastiques dans sa gamme de prix, tandis que sa résistance aux chocs est supérieure à celle de nombreux métaux.

A quelle température le polycarbonate est-il moulé par injection ?

Les paramètres de la machine de moulage par injection de polycarbonate incluent une température du fût d'environ 260 à 320 °C et une température du moule d'environ 80 à 120 °C.

Le polycarbonate est-il un bon substitut au verre ?

Le polycarbonate peut remplacer le verre pour de nombreuses applications, en particulier là où la résistance aux chocs et la sécurité sont une priorité, car il est beaucoup plus résistant. Ses principaux inconvénients par rapport au verre incluent une tendance au jaunissement après une résistance prolongée aux UV et une mauvaise résistance aux rayures.