Optimiser le moulage par injection en petites séries avec des moules imprimés en 3D

Cet article traite de l'utilisation de l'impression 3D pour imprimer des moules destinés au moulage par injection en petites séries. Les considérations de conception, les matériaux, les configurations de moules et une étude de cas comparative sont tous inclus

Comment concevoir un moule d'injection imprimé en 3D

Matériaux

Un matériau d'impression 3D est adapté à la création de moules à injection s'il possède :

• Résistance aux hautes températures - Une température de déformation thermique élevée est nécessaire pour résister aux charges mécaniques et thermiques appliquées au moule lors de l'injection du matériau. Notez cependant que la température diminue rapidement lors de la solidification.
• Haute rigidité/ténacité - Le retrait répété de pièces peut entraîner une usure du moule. Des matériaux très rigides sont donc nécessaires pour maintenir la précision du moule au fil du temps.
• Niveau de détail élevé - L'une des principales exigences d'un moule à injection est une précision dimensionnelle élevée et une surface lisse. Des moules très précis produiront des pièces très précises.

Les technologies d’impression 3D qui répondent le mieux à ces exigences sont le SLA et le Material Jetting. Ces technologies peuvent produire des pièces avec une grande précision dimensionnelle et sont idéales pour imprimer des détails complexes et des caractéristiques très fines. Les matériaux spéciaux disponibles dans ces technologies, comme la résine haute température Formlabs ou l'ABS numérique Stratasys, sont idéaux pour les applications de moulage et d'outillage. Un aperçu des propriétés les plus pertinentes pour le moulage par injection de ces deux matériaux est présenté ci-dessous.

Pour les applications industrielles, le SLA de bureau ne convient pas. Un article détaillé comparant les deux matériaux d'impression 3D industrielle les plus couramment utilisés pour la fabrication de moules (Digtal ABS et Somos PerFORM) peut être trouvé ici.

Propriété Résine Formlabs haute température* ABS** numérique Stratasys Température de déflexion thermique 289 ℃ à 0,45 MPa 92 - 95 ℃ à 0,45 MPa Module de flexion 3,3 GPa 1,7 - 2,2 GPa Résistance aux chocs (IZOD cranté) 14 J/m 65 - 80 J/m Hauteur de couche la plus basse (résolution) 25 - 50 microns 16 - 30 microns Taille minimale des détails 0,2 mm 0,2 mm *Informations provenant de Formlabs**Informations provenant de Stratasys Un moule d'injection imprimé en 3D en ABS numérique

Conception de moules

La description de la conception technique spécifique des caractéristiques du moule (telles que les portes, les glissières, les bouches d'aération, etc.) sort du cadre de cet article. Une recherche sur Internet révélera une grande quantité d’informations sur le sujet. Cet article de Seattle Robotics est un bon point de départ pour ceux qui débutent dans la conception de moules à injection.

Voici une liste de quelques bonnes pratiques à suivre lors de la conception d'un moule imprimé en 3D :

• Lors de la conception du moule pour l'impression SLA, assurez-vous que les faces intérieures du moule sont orientées de manière à ce qu'aucun support ne soit en contact avec elles. Cela améliorera la qualité de leur surface, car aucune marque de support ne sera présente sur ces surfaces, minimisant ainsi le post-traitement requis.
• L'inclusion de bouches d'aération peu profondes (0,05 mm de profondeur) du bord de la cavité jusqu'au bord du moule aidera à expulser l'air emprisonné pendant le processus de moulage.
• Si le moule imprimé en 3D doit être utilisé pour plus de 20 exécutions, envisagez d'inclure des canaux dans la conception pour l'intégration de tiges ou de tubes métalliques. Ceux-ci peuvent aider à renforcer le moule, à réduire le gauchissement et à améliorer les temps de refroidissement.
• L'impression 3D du moule à une hauteur de couche inférieure peut aider à produire des pièces moulées plus lisses, car les moules auront des lignes d'impression moins visibles.
• Les détails en relief et gravés doivent être décalés d'au moins 1 mm par rapport à la surface.

Les restrictions spécifiques sur la conception dépendront de la machine de moulage par injection utilisée. Cependant, Stratasys suggère que les moules fabriqués via leurs imprimantes Material Jetting soient utilisés pour produire des pièces d'un volume maximum de 165 cm3 dans des machines de moulage de 50 à 80 tonnes ou des presses manuelles manuelles.

Conception de pièces pour le moulage par injection

Comme pour les moules à injection conventionnels, un concepteur doit prendre en compte :

• Ajout d'un angle de dépouille d'au moins 2 degrés pour faciliter le retrait de la pièce du moule.
• Maintenir une épaisseur de paroi uniforme sur toute la pièce.
• Garder tous les murs et éléments aussi fins que possible.
• Y compris les rayons sur tous les bords et coins.
• Inclure de fines nervures et des goussets pour renforcer une pièce plutôt que d'augmenter l'épaisseur de la paroi.

Conception d'angle de dépouille pour le moulage par injection

Apprenez-en davantage sur l’importance des angles de dépouille dans cet article →

Réduire le Flash

Flash est le nom donné à la matière qui sort entre les deux moitiés du moule lors du processus d'injection. Cela se produit généralement lorsque les deux moitiés du moule ne s'accouplent pas parfaitement, ne sont pas parfaitement alignées et plates ou lorsque le moule est trop rempli. Des glissières sont utilisées dans la conception du moule pour aider à réduire le risque de flash.

Si vous concevez un cadre en aluminium, ajoutez 0,125 mm d'épaisseur supplémentaire à l'arrière des plaques de moule pour tenir compte des forces de compression et assurer une étanchéité complète. L'augmentation de la force de serrage dans l'étau peut également aider à atténuer les bavures, tout comme le polissage du plan divisé des moules pour lui donner une surface aussi plate que possible.

Une bonne conception du moule et une face plate du moule réduisent le risque d'apparition d'éclairs

(image gracieuseté de Formlabs)

Libérer le composé

En raison de la nature relativement fragile des matériaux utilisés dans les moules d’injection imprimés en 3D par rapport aux moules traditionnels, appliquer une force excessive pour retirer une pièce du moule peut entraîner une détérioration rapide du moule. L'inclusion d'un composé de démoulage sur les surfaces de la cavité du moule avant l'étape d'injection peut grandement faciliter le retrait des pièces.

Étude de cas :un raccord moteur en plastique

Cette étude de cas comparera la fabrication d'un raccord en plastique sur mesure pour un carter de moteur. Les exigences de la conception sont :

• Le nombre total de pièces est de 25.
• Un haut niveau de précision dimensionnelle est nécessaire pour garantir un ajustement serré.
• Le poids de la pièce est de 0,005 kg (5 grammes).
• La pièce doit être en ABS.
• La pièce doit être de couleur noire.
• Le diamètre total de la pièce est de 40 mm.

Voici les options de fabrication alternatives disponibles :

Impression 3D industrielle FDM ABS : L'impression 3D FDM industrielle a une répétabilité élevée et peut produire des pièces avec une précision dimensionnelle élevée et est capable d'imprimer des pièces en petits et moyens lots. Le coût du filament ABS utilisé dans les systèmes FDM industriels est généralement d'environ 90 à 110 dollars par kg. La principale restriction pour toute pièce produite par impression 3D FDM est ses performances mécaniques anisotropes :les pièces sont nettement plus faibles dans une direction. Cela signifie qu'un concepteur doit bien comprendre les charges auxquelles la pièce sera soumise et l'orientation du modèle sur la plateforme d'impression.

Pièces ABS moulées par injection avec moules imprimés en 3D SLA : Les résines SLA haute température sont capables de produire des moules d'injection fonctionnels avec un haut niveau de précision, mieux adaptés aux petites séries de production. Les résines SLA se vendent entre 150 et 170 dollars le litre. Une machine de moulage par injection de table a été utilisée pour les calculs de cet exemple avec les moules imprimés en 3D insérés dans des cadres de support en aluminium. Des granulés d'ABS sont utilisés pour mouler la pièce et coûtent environ 2 à 3 $

Pièce ABS moulée par injection traditionnelle : Les pièces moulées par injection traditionnelles ont un très haut niveau de précision, un excellent état de surface et un très haut niveau de répétabilité. Les principaux inconvénients du moulage par injection traditionnel sont le coût de configuration initial élevé et le nombre de restrictions de conception appliquées lors de la conception de la pièce moulée (angles de dépouille, épaisseur de paroi constante, etc.). Le coût des pellets ABS est le même que ci-dessus.

Un résumé du coût (basé sur des devis en ligne) de fabrication du raccord ABS en utilisant les technologies évoquées ci-dessus est résumé dans le tableau ci-dessous. Tous les prix n'incluent pas les frais d'expédition.

FDM industriel IM 3DP** IM traditionnelle ** Coût de la moisissure 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 de livraison 4 jours 2 jours 8 jours * Citation provenant de Protolabs Network.com avec ABS, remplissage à 20 % imprimé sur un Fortus 250MC** Citation provenant de Protolabs Network.com avec de la résine Formlabs High Temp imprimée sur une imprimante Form2*** Citation provenant de Protolabs

Prochaines étapes :Comment produire des pièces par moulage par injection

Le moulage par injection en petite série avec des moules imprimés en 3D est-il la meilleure solution pour votre application ? Ensuite, vous avez deux manières d'avancer dans votre projet :

Si vous avez accès à une machine de moulage par injection et au savoir-faire pour concevoir le moule, alors imprimer le moule en 3D dans un matériau résistant à la chaleur est une option. Un article discutant des avantages et des inconvénients des deux matériaux d'impression 3D les plus couramment utilisés pour la fabrication de moules d'injection en petite série peut être trouvé ici.

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

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