Optimiser le moulage par injection en petite série grâce aux moules imprimés en 3D

Cet article aborde l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer des moules destinés au moulage par injection en petite série. Sont inclus : considérations de conception, matériaux, configurations de moules et une étude de cas comparative.

Comment concevoir un moule d'injection imprimé en 3D

Matériaux

Un matériau d'impression 3D convient pour créer un moule d'injection s'il possède :

• Haute résistance thermique — Une température de fléchissement sous charge élevée est requise pour supporter les contraintes mécaniques et thermiques lors de l'injection. Notez que la température chute rapidement pendant la solidification.
• Haute rigidité/tenacité — Le retrait répétitif des pièces use le moule ; des matériaux rigides maintiennent la précision du moule dans le temps.
• Haut niveau de détail — L'exigence principale d'un moule d'injection est la précision dimensionnelle élevée et une surface lisse. Des moules précis produisent des pièces précises.

Les technologies d'impression 3D répondant le mieux à ces exigences sont la stéréolithographie (SLA) et le Material Jetting. Elles produisent des pièces à haute précision dimensionnelle, idéales pour les détails complexes et fins. Les matériaux spécialisés disponibles sur ces technologies, comme la résine Haute Température de Formlabs ou le Digital ABS de Stratasys, sont idéaux pour le moulage et l'outillage. Ci-dessous, un aperçu des propriétés les plus pertinentes pour ces deux matériaux :

Propriété	Résine Haute Temp. Formlabs*	Stratasys Digital ABS**
Température de fléchissement sous charge	289 °C @ 0,45 MPa	92 – 95 °C @ 0,45 MPa
Module de flexion	3,3 GPa	1,7 – 2,2 GPa
Résistance à l'impact (IZOD entaillé)	14 J/m	65 – 80 J/m
Hauteur de couche minimale (résolution)	25 – 50 microns	16 – 30 microns
Taille de détail minimale	0,2 mm	0,2 mm

*Source : Formlabs | **Source : Stratasys

Moule d'injection imprimé en 3D en Digital ABS

Pour applications industrielles, la SLA de bureau n'est pas adaptée. Un article approfondi comparant les deux matériaux industriels les plus utilisés pour la fabrication de moules (Digital ABS et Somos PerFORM) est disponible ici.

Conception du moule

La description technique détaillée des éléments de moule (points d'injection, canaux, évents, etc.) dépasse le cadre de cet article. Une recherche en ligne fournira de nombreuses informations. Cet article de Seattle Robotics est un bon point de départ pour les novices en conception de moules d'injection.

Bonnes pratiques pour la conception d'un moule imprimé en 3D :

• En SLA, orientez les faces intérieures du moule pour qu'aucun support ne les contacte. Cela améliore leur qualité de surface (pas de marques de support) et minimise le post-traitement.
• Incluez des évents peu profonds (0,05 mm) du bord de la cavité au bord du moule pour évacuer l'air piégé pendant le moulage.
• Si le moule doit servir pour plus de 20 cycles, prévoyez des canaux pour insérer des tiges ou tubes métalliques. Ils renforcent le moule, réduisent le gauchissement et améliorent les temps de refroidissement.
• Imprimer le moule à une hauteur de couche plus faible produit des pièces plus lisses (moins de lignes d'impression visibles).
• Les détails en relief ou gravés doivent être décalés d'au moins 1 mm par rapport à la surface.

Les restrictions de conception spécifiques dépendent de la machine de moulage utilisée. Stratasys recommande que les moules issus de leurs imprimantes Material Jetting produisent des pièces de volume maximal 165 cm³ sur presses de 50 à 80 tonnes ou presses manuelles.

Concevoir les pièces pour le moulage par injection

Comme pour les moules conventionnels, le concepteur doit considérer :

• Ajouter un angle de dépouille minimum de 2° pour faciliter le démoulage.
• Maintenir une épaisseur de paroi uniforme sur toute la pièce.
• Garder toutes les parois et caractéristiques aussi fines que possible.
• Inclure des rayons sur tous les arêtes et coins.
• Inclure des nervures et raidisseurs fins pour renforcer la pièce plutôt qu'augmenter l'épaisseur de paroi.

Conception d'angle de dépouille pour moulage par injection

En savoir plus sur l'importance des angles de dépouille →

Réduire les bavures (flash)

Le flash est le matériau qui s'échappe entre les deux moitiés du moule pendant l'injection. Cela survient généralement quand les deux moitiés ne s'ajustent pas parfaitement, ne sont pas parfaitement planes ou que le moule est surrempli. Les canaux d'alimentation aident à réduire ce risque.

Pour un cadre en aluminium, ajoutez 0,125 mm d'épaisseur supplémentaire au dos des plaques de moule pour compenser les forces de compression et assurer une étanchéité complète. Augmenter la force de serrage dans l'étau aide aussi, de même que polir le plan de joint des moules pour obtenir une surface la plus plate possible.

Une bonne conception de moule et une face de moule plate réduisent la probabilité de flash (image Formlabs)

Agent de démoulage

En raison de la relative fragilité des matériaux des moules imprimés en 3D comparés aux moules traditionnels, appliquer une force excessive pour démouler peut détériorer rapidement le moule. Appliquer un agent de démoulage sur les surfaces de la cavité avant l'injection facilite grandement le démoulage.

Étude de cas : un raccord moteur en plastique

Cette étude compare la fabrication d'un raccord plastique sur mesure pour un carter moteur. Exigences :

• Quantité totale : 25 pièces
• Haute précision dimensionnelle requise pour un ajustement serré
• Poids de la pièce : 0,005 kg (5 g)
• Matériau : ABS
• Couleur : noir
• Diamètre global : 40 mm

Options de fabrication comparées :

Impression 3D FDM industrielle ABS : Haute répétabilité, précision dimensionnelle élevée, adaptée aux petites et moyennes séries. Coût du filament ABS : 90–110 $/kg. Restriction principale : performance mécanique anisotrope (pièces significativement plus faibles dans une direction). Le concepteur doit bien comprendre les charges subies et l'orientation sur le plateau.

Moulage par injection ABS avec moules SLA imprimés en 3D : Les résines SLA Haute Température produisent des moules fonctionnels à haute précision, idéaux pour la petite série. Résines SLA : 150–170 $/litre. Une presse d'injection de paillasse a servi pour les calculs, avec moules insérés dans cadres aluminium. Granulés ABS pour le moulage : ~2–3 $/kg.

Moulage par injection traditionnel ABS : Très haute précision, excellente finition de surface, très haute répétabilité. Inconvénients majeurs : coût initial d'outillage élevé et nombreuses restrictions de conception (angles de dépouille, épaisseur constante, etc.). Coût des granulés ABS identique.

Résumé des coûts (basés sur devis en ligne) pour la fabrication du raccord ABS :

	FDM Industriel*	IM 3D**	IM Traditionnel***
Coût du moule	N/A	70,85 $	1 660,72 $
Coût par pièce	3,69 $	0,05 $	1,89 $
Coût total	92,25 $	72,10 $	1 711,48 $
Délai	4 jours	2 jours	8 jours

* Devis Protolabs Network avec ABS, remplissage 20 %, imprimé sur Fortus 250MC
** Devis Protolabs Network avec résine Formlabs Haute Temp, imprimé sur Form 2
*** Devis Protolabs

Prochaines étapes : Produire des pièces par moulage par injection

Le moulage par injection en petite série avec moules imprimés en 3D est-il la meilleure solution pour votre application ? Deux voies s'offrent à vous :

Si vous avez accès à une presse d'injection et l'expertise pour concevoir le moule, l'impression 3D du moule dans un matériau résistant à la chaleur est une option. Un article comparant les avantages et inconvénients des deux matériaux d'impression 3D les plus utilisés pour les moules de petite série est disponible ici.

Sinon, vous pouvez sous-traiter la production à un fabricant professionnel de moulage par injection. Protolabs Network donne accès à un réseau mondial de prestataires capables de concevoir un moule pour votre pièce et produire des volumes de 100 à 10 000+ unités.

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