Guide du moulage par injection à faible volume

Alors que le moulage par injection est traditionnellement considéré comme un processus de fabrication uniquement destiné à la production de masse en raison de ses coûts d'outillage élevés, l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer des moules à injection peut vous permettre d'utiliser ce processus pour produire des pièces de haute qualité et reproductibles pour le prototypage et la production à faible volume.

Dans ce guide complet, découvrez comment vous pouvez utiliser des moules d'injection imprimés en 3D avec des machines de table et industrielles pour produire de manière efficace et abordable des centaines de prototypes fonctionnels et de pièces qui accélèrent le développement de produits, réduisent les coûts et les délais, et mettent de meilleurs produits sur le marché.

Moulage par injection à faible volume par rapport au moulage par injection traditionnel

Le moulage par injection est l'un des principaux procédés de fabrication des plastiques. Il s'agit d'une technologie rentable et extrêmement reproductible qui permet d'obtenir des pièces de haute qualité pour la production en grande série. En conséquence, il est largement utilisé pour la production en série de pièces identiques avec des tolérances serrées.

Le moulage par injection est un processus rapide et intensif où une chaleur et une pression élevées sont impliquées pour injecter le matériau fondu à l'intérieur d'un moule. Le matériau fondu dépend de la portée du projet de fabrication. Les matériaux les plus populaires sont divers thermoplastiques, tels que l'ABS, le PS, le PE, le PC, le PP ou le TPU, mais les métaux et les céramiques peuvent également être moulés par injection. Le moule se compose d'une cavité qui accueille le matériau fondu injecté et est conçu pour refléter étroitement les caractéristiques finales d'une pièce.

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

Dans cette vidéo, nous nous sommes associés au fournisseur de services de moulage par injection Multiplus pour vous guider à travers les étapes du processus de moulage par injection à l'aide de moules imprimés en 3D .

L'impression 3D de bureau est une solution puissante pour fabriquer des moules d'injection rapidement et à faible coût. Il nécessite un équipement très limité, ce qui permet d'économiser du temps CNC et des opérateurs qualifiés pour d'autres tâches à haute valeur ajoutée. Les fabricants peuvent bénéficier de la vitesse et de la flexibilité de l'impression 3D en interne pour créer le moule et le coupler avec la force de production du moulage par injection pour livrer une série d'unités à partir de thermoplastiques courants en quelques jours. Ils peuvent même réaliser des formes de moules complexes qui seraient difficiles à fabriquer traditionnellement et peuvent être utilisés à la fois sur des machines de moulage de bureau et industrielles, permettant aux équipes de développement d'être plus innovantes. De plus, le développement de produits bénéficie de la possibilité d'itérer sur la conception et de tester le matériau d'utilisation finale avant d'investir dans un outillage dur.

Même si les moules d'impression 3D peuvent offrir ces avantages lorsqu'ils sont utilisés de manière appropriée, il existe encore certaines limites à prendre en compte. Il ne faut pas attendre les mêmes performances d'un moule polymère d'impression 3D que d'un moule métallique usiné. Les dimensions critiques sont plus difficiles à respecter, le temps de refroidissement est plus long car le transfert thermique se produit plus lentement dans le plastique et les moules imprimés peuvent se casser plus facilement sous l'effet de la chaleur et de la pression. Cependant, les entreprises de l'industrie continuent d'implémenter des moules imprimés en 3D dans leurs flux de travail de moulage par injection à court terme, ce qui leur permet de produire rapidement des centaines à des milliers de pièces. Qu'il s'agisse de concevoir des prototypes fonctionnels avec des matériaux d'utilisation finale, de fabriquer des pièces pendant la production pilote ou de fabriquer des pièces d'utilisation finale à faible volume ou personnalisées, les moules d'injection d'impression 3D sont 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. Il se caractérise par une finition de surface lisse et une haute précision que le moule transférera à la pièce finale et qui facilite également le démoulage. Les impressions 3D produites par stéréolithographie sont liées chimiquement de manière à être entièrement denses et isotropes, produisant des moules fonctionnels d'une qualité impossible avec l'impression 3D par modélisation par dépôt de fusion (FDM). Les imprimantes SLA de bureau, comme celles proposées par Formlabs, peuvent être intégrées de manière transparente dans n'importe quel flux de travail de moulage par injection car elles sont faciles à mettre en œuvre, à utiliser et à entretenir.

Un noyau de moule d'injection imprimé en 3D assemblé avec une coque de moule en métal.

Comme alternative à la production à moyen volume d'environ 500 à 10 000 pièces, l'usinage de moules en aluminium peut également réduire les coûts fixes associés à la fabrication de moules. L'usinage de l'aluminium est cinq à dix fois plus rapide que l'acier et provoque moins d'usure sur l'outillage, ce qui signifie des délais de livraison plus courts et des coûts inférieurs. L'aluminium conduit également la chaleur plus rapidement que l'acier, ce qui réduit le besoin de canaux de refroidissement et permet aux fabricants de simplifier la conception des moules tout en maintenant des temps de cycle courts.

Pour résumer, voici un aperçu des différentes méthodes de moulage par injection et des types de moules qui permettent d'obtenir le processus le plus efficace et le coût par pièce le plus bas en fonction du volume de production :

	Moulage par injection à faible volume	Moulage par injection de volume moyen	Moulage par injection à grand volume
Méthode	Production de moules en interne et moulage en interne	Production et moulage de moules externalisés	Production et moulage de moules externalisés
Équipement requis	Imprimante 3D, machine de moulage par injection de bureau	-	-
Moule	Polymère imprimé en 3D	Aluminium usiné	Acier usiné
Coût du moule	<$100	2 000 $ - 5 000 $	10 000 $ - 100 000 $
Délai de livraison des pièces finales	1-3 jours	3-4 semaines	4-8 semaines
Volume de production idéal	<500	500 - 10 000	5,000+
Applications	Prototypage rapide Moulage par injection sur mesure Moulage par injection à court terme	Moulage par injection en petites séries	Production de masse

Le type de presse à injecter n'a pas d'influence significative sur le procédé de moulage par injection à faible volume; Les grandes machines de moulage par injection industrielles traditionnelles peuvent également être utilisées avec des moules d'injection imprimés en 3D. Cependant, ces machines sont chères, ont des exigences strictes en matière d'installations et nécessitent une main-d'œuvre qualifiée. Par conséquent, la plupart des entreprises sous-traitent la production de volumes moyens et élevés à des fournisseurs de services et des sous-traitants.

Si vous débutez dans le moulage par injection et que vous envisagez de le tester avec un investissement limité, l'utilisation d'une machine de moulage par injection manuelle de paillasse telle que la Holipress ou la Galomb Model-B100 pourrait être une bonne option. Les équipements automatisés de moulage par injection à petite échelle tels que la machine de bureau Micromolder ou la machine hydraulique Babyplast 10/12 sont de bonnes alternatives pour la production en moyenne série de petites pièces.

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

Papier blanc

Moulage par injection rapide à faible volume avec des moules imprimés en 3D

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

Lire le livre blanc

Flux de travail étape par étape pour le moulage par injection à faible volume

Le flux de travail pour le moulage par injection à faible volume comprend les sept étapes suivantes :

1. Conception de moules

Concevez le moule de votre pièce dans le logiciel de CAO de votre choix. Respectez les règles de conception courantes pour la fabrication additive et la conception de moules à injection. Des recommandations de conception spécifiques aux moules polymères imprimés en 3D sont disponibles dans notre livre blanc.

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

2. Impression 3D de moules

Choisissez un matériau d'impression 3D et commencez votre impression. La résine rigide 10K à une hauteur de couche de 50 microns est un choix idéal pour la plupart des conceptions de moules car elle combine une résistance, une rigidité et une résistance thermique élevées.

Lorsque cela est possible, il est conseillé d'imprimer le moule à plat, directement sur la plate-forme de fabrication sans aucun support, afin de réduire le gauchissement.

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

3. Assemblage du moule

Avant l'assemblage, vous pouvez choisir de finir le moule pour répondre aux dimensions critiques avec un ponçage manuel, un usinage de bureau ou un usinage CNC.

Il est recommandé de placer le moule imprimé à l'intérieur d'un cadre métallique standard, ou d'une matrice d'unité principale, pour résister aux hautes pressions et prolonger la durée de vie de votre moule imprimé. Assemblez soigneusement le moule imprimé en 3D à l'intérieur du cadre métallique. Ajoutez des broches d'éjection, des inserts, des pièces à action latérale et d'autres composants selon les besoins.

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

4. Serrage du moule

Insérez les pastilles de plastique, entrez les paramètres requis et commencez la production. Une force de serrage plus faible est suggérée, en particulier 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

L'identification de vos conditions de processus idéales peut prendre quelques instants, car de nombreux facteurs sont en jeu, notamment la géométrie de la pièce, le choix du plastique, les températures et pressions d'injection et d'autres paramètres.

Réduire au maximum la pression et la température d'injection.

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

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

6. Refroidissement

Le temps de refroidissement d'un moule imprimé en polymère est plus long que celui d'un moule en métal, car le transfert thermique se produit plus lentement dans le plastique que dans le métal. En tant que tel, 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 des goupilles d'éjection. Appliquer un agent de démoulage pour thermoplastiques à haute viscosité. Les démoulants sont largement disponibles et les démoulants en silicone, tels que les produits Slide ou Sprayon, sont compatibles avec les résines Formlabs.

Applications de moulage par injection à faible volume

Les trois principales applications du moulage par injection à faible volume sont le prototypage rapide, le moulage par injection à court terme et le moulage par injection à la demande ou personnalisé.

Prototypage rapide avec moulage par injection

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

En général, l'impression 3D est le moyen le plus courant de produire des prototypes rapides. Cependant, dans les étapes ultérieures du processus de développement, il est souvent nécessaire de produire des volumes légèrement plus importants de prototypes identiques en utilisant les mêmes matériaux et processus de production que pour les pièces finales. Ces prototypes peuvent ensuite être utilisés pour des applications telles que les tests bêta et sur le terrain. La combinaison de moules imprimés en 3D et de moulage par injection permet aux fabricants de développer rapidement et efficacement des prototypes fonctionnels et d'accélérer le processus de développement de produits.

Par exemple, la startup française Holimaker développe une machine de moulage par injection manuelle qui permet aux ingénieurs et aux concepteurs de produits de traiter des pièces en plastique sur leur bureau en petites quantités pour des prototypes, une production pilote ou même une série limitée de pièces d'utilisation finale.

La société propose des études de faisabilité à ses clients, en utilisant des moules imprimés en 3D pour un délai d'exécution rapide et abordable. Cela permet à leurs clients de prototyper rapidement et à moindre coût des conceptions et de valider les conditions de fabrication finales pendant la phase de production pilote de l'introduction d'un nouveau produit.

Des 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, y compris la conception du moule et les matériaux, ces pièces peuvent être testées sur le terrain et garantir que les conceptions sont prêtes à être produites à grande échelle. Les conceptions de moules imprimées en 3D peuvent ensuite être facilement adaptées à l'acier de qualité outil pendant la production en série.

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 aujourd'hui des moules d'injection imprimés en 3D dans 80 à 90 % de leurs projets.

Moulage par injection à court terme

Le moulage par injection à court terme offre aux fabricants un moyen de produire de plus petites séries de pièces d'utilisation finale pour des produits qui ne sont fabriqués qu'en quantités limitées ou de fabriquer une série pilote d'un produit pour tester le marché avant d'investir trop de capital dans l'entreprise.

L'utilisation du moulage par injection à faible volume offre la possibilité de fabriquer des pièces d'utilisation finale 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 l'ensemble du cycle de production, de la conception à la fabrication de produits en plastique et fournit des services à plus de 250 clients par an, dont certaines sociétés Fortune 500. Certains de ces clients nécessitent une production en petites séries, ce qui est traditionnellement coûteux et chronophage avec le moulage par injection en raison de la complexité de la fabrication d'outils durs.

Boîtiers de boîtier de commande en ABS fraîchement moulés par injection à l'aide de moules d'injection imprimés en 3D.

Alors que la demande de production de petits lots commençait à augmenter, Multiplus s'est tourné vers l'impression 3D pour explorer différents matériaux dans le but de trouver un moyen rentable de produire des moules en plastique moins chers pour les petites commandes et les séries de production pilotes. La fabrication de moules d'injection à faible volume 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 pourrait être utilisé de manière transparente 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 nécessaire pour fabriquer des pièces d'utilisation finale personnalisées à des fins spécifiques, telles que des facteurs humains, une application ou une occasion, souvent dans un délai accéléré. Le volume limité et/ou le délai d'exécution court signifient que le moulage par injection traditionnel avec un outillage dur n'est ni efficace ni réalisable. Dans ces cas, le moulage par injection à faible volume avec des moules imprimés en 3D est une solution idéale pour accélérer le processus et fournir des pièces personnalisées.

L'exemple de Braskem, l'une des principales sociétés pétrochimiques au monde, met en évidence l'utilisation de moulages imprimés en 3D pour répondre à des commandes rapides à la demande. Au cours de la première vague de la pandémie de COVID-19, l'entreprise a dû 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 sous-traiter un moule métallique coûteux, ce qui coûterait à l'équipe de l'argent et un temps précieux.

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

L'équipe de Braskem s'est tournée vers le moulage par injection en utilisant une imprimante 3D Formlabs Form 3 pour imprimer le moule de ses sangles et la machine de moulage par injection tout 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 vice-président et les préparait pour l'expédition dans les bureaux du monde entier.

Commencer avec le moulage par injection à faible volume

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