Moulage par injection basse série : Guide éprouvé d'impression 3D pour prototypes rentables

Si le moulage par injection est traditionnellement considéré comme un procédé réservé à la grande série en raison de ses coûts d'outillage élevés, l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer les moules permet d'exploiter ce procédé pour produire des pièces de haute qualité et reproductibles pour le prototypage et la production basse série.

Dans ce guide complet, découvrez comment utiliser des moules d'injection imprimés en 3D avec des machines de bureau et industrielles pour produire efficacement et abordablement des centaines de prototypes fonctionnels et de pièces qui accélèrent le développement produit, réduisent coûts et délais, et font arriver de meilleurs produits sur le marché.

Moulage par injection basse série vs moulage par injection traditionnel

Le moulage par injection est l'un des procédés leaders pour la fabrication de plastiques. C'est une technologie rentable et extrêmement reproductible qui produit des pièces de haute qualité pour les grandes séries. Par conséquent, il est largement utilisé pour la production de masse de pièces identiques aux tolérances serrées.

Le moulage par injection est un processus rapide et intensif impliquant haute chaleur et pression pour injecter la matière fondue dans un moule. La matière fondue dépend de l'étendue du projet. Les matériaux les plus populaires sont divers thermoplastiques tels que ABS, PS, PE, PC, PP ou TPU, mais les métaux et céramiques peuvent aussi être moulés par injection. Le moule consiste en une cavité qui accueille la matière fondue injectée et est conçue pour reproduire fidèlement les caractéristiques finales de la pièce.

Les moules sont traditionnellement réalisés en métal par usinage CNC ou électroérosion (EDM). Ce sont des méthodes industrielles coûteuses nécessitant équipement spécialisé, logiciels haut de gamme et main-d'œuvre qualifiée. En conséquence, la production d'un moule métallique prend généralement quatre à huit semaines et coûte entre 2 000 $ et 100 000 $+ selon la forme et la complexité de la pièce. Pour de plus petites quantités, le coût, le temps, l'équipement spécialisé et la main-d'œuvre qualifiée requis pour fabriquer le moule en métaux d'outillage courants rendent souvent le moulage par injection à cette échelle inaccessible. Cependant, il existe des alternatives à l'usinage de moules métalliques. L'exploitation de l'impression 3D interne pour fabriquer des moules d'injection pour le prototypage et la basse série réduit significativement coût et temps par rapport aux moules métalliques, tout en produisant des pièces de haute qualité et reproductibles.

Dans cette vidéo, nous avons collaboré avec le fournisseur de services de moulage par injection Multiplus pour vous guider à travers les étapes du processus de moulage par injection utilisant des moules imprimés en 3D.

L'impression 3D de bureau est une solution puissante pour fabriquer des moules d'injection rapidement et à faible coût. Elle nécessite très peu d'équipement, économisant temps CNC et opérateurs qualifiés pour d'autres tâches à haute valeur. Les fabricants peuvent bénéficier de la vitesse et de la flexibilité de l'impression 3D interne pour créer le moule et l'associer à la force de production du moulage par injection pour livrer une série d'unités en thermoplastiques courants en quelques jours. Ils peuvent même réaliser des formes de moules complexes difficiles à fabriquer traditionnellement et utilisables sur machines de bureau et industrielles, permettant aux équipes de développement d'être plus innovantes. De plus, le développement produit bénéficie de la capacité d'itérer sur le design et tester le matériau final avant d'investir dans l'outillage dur.

Même si l'impression 3D de moules offre ces avantages lorsqu'utilisée à bon escient, il reste des limites à connaître. On ne doit pas s'attendre aux mêmes performances d'un moule polymère imprimé qu'un moule métallique usiné. Les dimensions critiques sont plus difficiles à tenir, le temps de refroidissement est plus long car le transfert thermique est plus lent dans le plastique, et les moules imprimés peuvent plus facilement se briser sous chaleur et pression. Cependant, les entreprises du secteur continuent d'implémenter les moules imprimés dans leurs flux de travail de moulage par injection courte série, leur permettant de produire rapidement des centaines à des milliers de pièces. Du design de prototypes fonctionnels avec matériaux finaux, à la fabrication de pièces pendant la pré-production, ou la fabrication de pièces finales basse série ou personnalisées, l'impression 3D de moules d'injection est un moyen rentable et rapide de produire des pièces en quantités limitées.

La technologie d'impression 3D par stéréolithographie (SLA) est un excellent choix pour le moulage. Elle se caractérise par une finition de surface lisse et une haute précision que le moule transférera à la pièce finale et qui facilite aussi le démoulage. Les impressions 3D produites par stéréolithographie sont chimiquement liées, donc pleinement denses et isotropes, produisant des moules fonctionnels à une qualité impossible avec l'impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM). Les imprimantes SLA de bureau, comme celles de Formlabs, s'intègrent parfaitement dans tout flux de travail de moulage par injection car elles sont faciles à implémenter, utiliser et maintenir.

Un noyau de moule d'injection imprimé en 3D assemblé avec une enveloppe de moule métallique.

Comme alternative pour la production de volume moyen d'environ 500 à 10 000 pièces, l'usinage de moules en aluminium peut aussi réduire les coûts fixes associés à la fabrication des moules. L'usinage de l'aluminium est cinq à dix fois plus rapide que l'acier et cause moins d'usure sur l'outillage, ce qui signifie des délais plus courts et des coûts moindres. L'aluminium conduit aussi la chaleur plus vite que l'acier, résultant en moins de besoin de canaux de refroidissement et permettant aux fabricants de simplifier les designs de moules tout en maintenant des temps de cycle courts.

En résumé, voici un aperçu des différentes méthodes de moulage par injection et les types de moules qui résultent en le processus le plus efficace et le coût par pièce le plus bas selon le volume de production :

	Moulage par injection basse série	Moulage par injection volume moyen	Moulage par injection grande série
Méthode	Production moule et moulage internes	Production moule et moulage externalisés	Production moule et moulage externalisés
Équipement requis	Imprimante 3D, machine injection de bureau	-	-
Moule	Polymère imprimé 3D	Aluminium usiné	Acier usiné
Coût moule	<100 $	2 000 $ - 5 000 $	10 000 $ - 100 000 $
Délai pièces finales	1-3 jours	3-4 semaines	4-8 semaines
Volume production idéal	<500	500 - 10 000	5 000+
Applications	Prototypage rapide Moulage injection personnalisé Moulage injection courte série	Moulage injection courte série	Production de masse

Le type de presse d'injection n'a pas d'influence significative sur le processus pour le moulage par injection basse série ; les grandes machines industrielles traditionnelles peuvent aussi être utilisées avec des moules d'injection imprimés en 3D. Cependant, ces machines sont coûteuses, ont des exigences d'installation strictes et nécessitent de la main-d'œuvre qualifiée, et par conséquent, la plupart des entreprises externalisent la production de volume moyen et élevé vers des prestataires et fabricants sous-traitants.

Si vous êtes nouveau dans le moulage par injection et cherchez à le tester avec un investissement limité, l'utilisation d'une machine de moulage par injection manuelle de bureau comme la Holipress ou la Galomb Model-B100 pourrait être une bonne option. Les équipements de moulage par injection automatisés à petite échelle comme la machine de bureau Micromolder ou la machine hydraulique Babyplast 10/12 sont de bonnes alternatives pour la production de séries moyennes de petites pièces.

Curieux d'en savoir plus sur les différents facteurs composant le coût total du moulage par injection ? Lisez notre guide complet.

Livre blanc : Moulage par injection rapide basse série avec moules imprimés en 3D

Téléchargez notre livre blanc pour les lignes directrices d'utilisation de moules imprimés en 3D dans le processus de moulage par injection pour réduire coûts et délais et découvrez des études de cas réelles avec Braskem, Holimaker et Novus Applications.

Flux de travail étape par étape pour le moulage par injection basse série

Le flux de travail pour le moulage par injection basse série comprend les sept étapes suivantes :

1. Conception du moule

Concevez le moule pour votre pièce dans le logiciel CAO de votre choix. Respectez les règles de conception courantes pour la fabrication additive et la conception de moules d'injection. Les recommandations de conception spécifiques aux moules polymères imprimés en 3D se trouvent dans notre livre blanc.

Importez votre design dans PreForm, le logiciel de préparation d'impression Formlabs. Préparez votre impression et envoyez-la à votre imprimante 3D Formlabs.

2. Impression 3D du moule

Choisissez un matériau d'impression 3D et lancez votre impression. La Résine Rigid 10K à hauteur de couche 50 microns est un choix idéal pour la plupart des designs de moules car elle combine haute résistance, rigidité et résistance thermique.

Lorsque possible, il est conseillé d'imprimer le moule à plat, directement sur le plateau de construction sans supports, afin de réduire le gauchissement.

Après lavage et post-polymérisation, votre moule imprimé en 3D est prêt à être intégré dans votre processus de moulage par injection.

3. Assemblage du moule

Avant assemblage, vous pouvez choisir de finir le moule pour atteindre les dimensions critiques par ponçage manuel, usinage de bureau ou CNC.

Il est recommandé de placer le moule imprimé dans un cadre métallique standard, ou un Master Unit Die, pour supporter les hautes pressions et prolonger la durée de vie de votre moule imprimé. Assemblez soigneusement le moule imprimé dans le cadre métallique. Ajoutez goupilles d'éjection, inserts, pièces à action latérale et autres composants selon les besoins.

Installez le moule assemblé dans votre machine de moulage par injection.

4. Fermeture du moule

Insérez les granulés de plastique, entrez les réglages requis, et commencez la production. Une force de fermeture plus faible est suggérée, particulièrement si le moule imprimé n'est pas protégé par un cadre métallique.

Une large gamme de thermoplastiques peut être injectée avec des moules imprimés en 3D tels que TPE, PP, PE, ABS, POM, ASA, PA, PC ou TPU.

5. Injection

Il peut falloir quelques coups pour identifier vos conditions de processus idéales car de nombreux facteurs entrent en jeu : géométrie de la pièce, choix du plastique, températures et pressions d'injection, et autres paramètres.

Réduisez la pression et la température d'injection autant que possible.

Avec un moule imprimé, les utilisateurs Formlabs injectent généralement des centaines de pièces dans des plastiques faciles à traiter comme TPE, PP, et PE avec températures jusqu'à 250 °C. Avec des plastiques nécessitant des températures d'injection plus élevées comme PA ou PC, le moule imprimé en 3D peut avoir une durée de vie plus courte.

Consultez notre documentation sur les conditions de processus pour voir les résultats de tests avec machines de moulage par injection de bureau et industrielles.

6. Refroidissement

Le temps de refroidissement d'un moule polymère imprimé est plus long que celui d'un moule métallique, car le transfert thermique est plus lent dans le plastique que dans le métal. Par conséquent, l'ajout de canaux de refroidissement à votre moule imprimé n'est généralement pas suggéré.

Au lieu de cela, le refroidissement peut être accéléré en appliquant de l'air comprimé pour refroidir le moule, ou en utilisant des piles interchangeables.

7. Démoulage

Démoulez la pièce manuellement ou automatiquement avec goupilles d'éjection. Appliquez un agent de démoulage pour les thermoplastiques à haute viscosité. Les agents de démoulage sont largement disponibles et les agents silicone comme les produits Slide ou Sprayon sont compatibles avec les résines Formlabs.

Applications du moulage par injection basse série

Les trois applications majeures du moulage par injection basse série sont le prototypage rapide, le moulage par injection courte série, et le moulage par injection à la demande ou personnalisé.

Prototypage rapide par moulage par injection

Le prototypage rapide aide les entreprises à transformer des idées en preuves de concept réalistes, à faire avancer ces concepts vers des prototypes haute fidélité qui ressemblent et fonctionnent comme les produits finaux, et à guider les produits à travers une série d'étapes de validation vers la production de masse.

En général, l'impression 3D est la façon la plus courante de produire des prototypes rapides. Cependant, aux stades ultérieurs du développement, il y a souvent besoin de produire des volumes légèrement plus grands de prototypes identiques en utilisant les mêmes matériaux et processus de production que pour les pièces finales. Ces prototypes peuvent alors être utilisés pour des applications comme les tests bêta et sur le terrain. La combinaison de moules imprimés en 3D avec le moulage par injection permet aux fabricants de développer rapidement et efficacement des prototypes fonctionnels et d'accélérer le processus de développement produit.

Par exemple, la startup française Holimaker développe une machine de moulage par injection manuelle qui permet aux ingénieurs et designers de traiter des pièces plastiques sur leur bureau en faibles quantités pour prototypes, pré-production, ou même une série limitée de pièces finales.

L'entreprise propose des études de faisabilité pour leurs clients, utilisant des moules imprimés en 3D pour un délai rapide et abordable. Cela permet à leurs clients de prototyper rapidement et abordablement des designs et valider les conditions de fabrication finales pendant la phase de pré-production de l'introduction d'un nouveau produit.

Prototypes de pré-production de ces crampons de football ont été moulés par injection dans des moules imprimés en 3D en utilisant trois thermoplastiques différents, POM (180 °C), PA 6.6 (270 °C), PP (210 °C).

En utilisant la même méthode de fabrication incluant design de moule et matériaux, ces pièces peuvent être testées sur le terrain et assurer que les designs sont prêts à être produits à grande échelle. Les designs de moules imprimés en 3D peuvent alors être facilement adaptés pour l'outillage acier de grade production lors de la production de masse.

En utilisant des moules imprimés en 3D, Holimaker a réussi à réduire le délai de production des moules pour le processus de moulage par injection à 24 heures et ils utilisent des moules d'injection imprimés en 3D dans 80 % à 90 % de leurs projets aujourd'hui.

Moulage par injection courte série

Le moulage par injection courte série fournit aux fabricants un moyen de produire des séries plus petites de pièces finales pour des produits qui ne sont produits qu'en quantités limitées ou de fabriquer une série pilote d'un produit pour tester le marché avant d'engager trop de capital dans l'aventure.

L'utilisation du moulage par injection basse série offre l'opportunité de fabriquer des pièces finales précises et reproductibles sans les coûts fixes élevés associés au moulage par injection traditionnel.

Multiplus est un fournisseur de solutions de moulage par injection basé à Shenzhen qui couvre tout le cycle de production de la conception à la fabrication de produits plastiques et fournit des services à plus de 250 clients par an, incluant certaines entreprises du Fortune 500. Certains de ces clients nécessitent une production par petits lots, qui est traditionnellement coûteuse et chronophage avec le moulage par injection en raison de la complexité de la fabrication d'outillage dur.

Boîtiers de contrôle ABS fraîchement moulés par injection utilisant des moules d'injection imprimés en 3D.

Alors que la demande pour la production par petits lots a commencé à croître, Multiplus s'est tourné vers l'impression 3D pour explorer différents matériaux dans le but de trouver un moyen rentable de produire des moules plastiques moins chers pour les petites commandes et les séries pilotes. La fabrication de moules d'injection basse série avec les imprimantes 3D Formlabs a réduit les coûts, la main-d'œuvre et le temps par rapport à l'usinage de moules en aluminium, et pouvait être utilisée sans heurt avec leurs machines de moulage par injection industrielles Babyplast.

Moulage par injection à la demande ou personnalisé

Le moulage par injection personnalisé ou rapide à la demande peut être requis pour fabriquer des pièces finales personnalisées pour des objectifs spécifiques, tels que facteurs humains, application, ou occasion, souvent sur un calendrier accéléré. Le volume limité et/ou le court délai signifie que le moulage par injection traditionnel avec outillage dur n'est ni efficace ni réalisable. Dans ces cas, le moulage par injection basse série avec moules imprimés en 3D est une solution idéale pour accélérer le processus et livrer des pièces personnalisées.

L'exemple de Braskem, l'une des plus grandes entreprises pétrochimiques mondiales, illustre le cas d'utilisation de l'impression 3D de moules pour répondre à des commandes rapides à la demande. Pendant la première vague de la pandémie de COVID-19, l'entreprise a eu besoin de produire des milliers de sangles de masques pour protéger sa main-d'œuvre mondiale. Braskem a identifié le moulage par injection comme la méthode idéale pour produire les pièces, mais sans accès à l'impression 3D, ils auraient dû externaliser un moule métallique coûteux, coûtant à l'équipe argent et temps précieux.

Braskem a utilisé un moule imprimé en 3D en combinaison avec une machine de moulage par injection industrielle traditionnelle pour mouler rapidement les sangles de masques.

L'équipe de Braskem s'est tournée vers le moulage par injection en utilisant une imprimante 3D Formlabs Form 3 pour imprimer le moule pour ses sangles et la machine de moulage par injection entièrement électrique Cincinnati Milacron 110 Ton Roboshot pour développer les sangles.

En tirant parti de l'impression 3D, l'équipe produisait des milliers de sangles dans la semaine suivant la réception de l'e-mail du VP et les préparait pour l'expédition vers des bureaux dans le monde entier.

Commencez avec le moulage par injection basse série

Accélérez le développement produit, réduisez coûts et délais, et apportez de meilleurs produits sur le marché en intégrant l'impression 3D et le moulage par injection basse série dans votre processus de développement.