Moules d'injection imprimés 3D : comparaison professionnelle des matériaux

Introduction

L'utilisation de l'impression 3D pour créer de l'outillage d'usage final devient de plus en plus courante à mesure que les capacités des technologies augmentent.

Cet article se concentre sur une application spécifique : le moulage par injection de faible série. Une revue extensive des applications de l'impression 3D dans ce domaine se trouve ici. Nous comparons deux matériaux populaires actuellement utilisés dans l'industrie pour fabriquer des moules d'injection.

Le moulage par injection est une application très exigeante pour un matériau imprimé 3D : les moules doivent résister aux forces de traitement à température élevée et conserver leur précision dimensionnelle sur plusieurs cycles. Les moules d'injection imprimés 3D sont les mieux adaptés pour :

• ✓ Délais rapides (1-2 semaines vs 5-7 semaines)
• ✓ Quantités de production faibles (50-100 pièces)
• ✓ Designs de moules où modifications/itérations sont probables
• ✓ Pièces relativement petites (< 150 mm)

Exigences matériaux pour la fabrication de moules

Un matériau d'impression 3D adapté aux moules d'injection doit avoir :

• Haute rigidité : les moules doivent conserver leur précision dimensionnelle sur plusieurs cycles et résister aux hautes pressions d'injection sans se déformer.
• Haute résistance thermique : une température de fléchissement sous charge (HDT) élevée est cruciale, non seulement pour éviter la défaillance du moule pendant l'injection, mais aussi pour un contrôle plus précis du processus.
• Haut niveau de détail : les moules d'injection nécessitent haute précision dimensionnelle et surface lisse. Moules précis = pièces précises.

Les deux procédés capables de produire des pièces très précises et lisses (sans post-traitement extensif) sont le Material Jetting et la Stéréolithographie (SLA). Le Material Jetting est exclusivement industriel, tandis que SLA existe en versions bureau et industrielles. Les matériaux et capacités de production des SLA de bureau ne sont pas viables pour la production haut de gamme, donc non discutés ici.

Nous nous concentrons sur deux matériaux éprouvés pour la fabrication de moules d'injection faible série en environnement industriel : le Digital ABS Plus pour Material Jetting par Stratasys et le Somos PerFORM pour SLA par DSM.

Avertissement : les propriétés matériaux ci-dessous sont fournies par les fabricants et correspondent à pièces ayant subi le post-traitement thermique optimal.

Comparaison des matériaux

Propriétés mécaniques - Rigidité

Le Somos PerFORM a une résistance à la traction et à la flexion très élevée, non seulement vs Digital ABS, mais aussi parmi tous les matériaux d'impression 3D industriels (ex. Nylon SLS). Cependant, il est plus cassant (faible allongement rupture) et a une résistance à l'impact plus faible. Pour la fabrication de moules, les propriétés du Somos PerFORM sont préférables : rigidité et résistance élevées sont les exigences principales.

	Digital ABS Plus	Somos PerFORM
Résistance à la traction	55-60 MPa	80 MPa
Module de traction	2600-3000 MPa	9800 MPa
Allongement rupture	25-40 %	1,2 %
Résistance à la flexion	65-75 MPa	146 MPa
Module de flexion	1700-2200 MPa	9030 MPa
Impact Izod (entaille)	90-115 J/m	20 J/m
Dureté (Shore D)	85-87	93

Propriétés thermiques - Résistance température

La température de fléchissement sous charge (HDT) indique la température à laquelle un polymère se déforme sous une charge donnée. La température de transition vitreuse (Tg) est la région où le thermodurcissable passe d'un état solide « vitreux » à un état plus « caoutchouteux ». Pour le moulage injection, des valeurs élevées de HDT et Tg sont préférables : le Somos PerFORM surpasse à nouveau le Digital ABS.

	Digital ABS Plus	Somos PerFORM
HDT (@ 0,46 MPa) *	92-95 °C	268 °C
Température transition vitreuse (Tg)	47-53 °C	81 °C

^{* : après post-traitement thermique}

Procédé d'impression 3D - Niveau de détail

Digital ABS et Somos PerFORM sont utilisés dans des procédés différents. Les capacités d'un Material Jetting typique et d'un SLA industriel typique sont résumées ci-dessous. Les deux produisent des pièces très lisses aux détails complexes avec peu de post-traitement. Le Digital ABS a un léger avantage sur le Somos PerFORM pour le niveau de détail, le Material Jetting ayant la plus haute précision dimensionnelle parmi toutes les technologies 3D (SLA en proche second).

	Digital ABS Plus	Somos PerFORM
Procédé	Material Jetting	SLA Industriel
Précision dimensionnelle typique	± 0,1 % (limite basse ± 0,05 mm)	± 0,15 % (limite basse ± 0,05 mm)
Taille de détail minimum	0,05 mm	0,10 mm
Épaisseur paroi minimum	0,6 mm	0,8 mm
Hauteur de couche minimum	14-16 microns	25-50 microns

Capacités de production

Digital ABS et Somos PerFORM ont tous deux été utilisés en milieu industriel pour produire des moules d'injection faible série. Le tableau ci-dessous résume le nombre de pièces qu'un moule unique peut produire avec des matériaux « faciles » et « difficiles » à mouler (PP et PA chargé fibres de verre respectivement).

Les différences de propriétés mécaniques et thermiques impactent le nombre total de pièces qu'un moule peut produire. En conditions normales (après les 3-4 premiers cycles), le moule imprimé 3D atteint ~120 °C, chauffé par la matière fondue. Une bonne stabilité thermique est cruciale pour minimiser la détérioration. Les échantillons test PA GF ci-dessous ont été produits avec des designs de moules identiques imprimés dans les deux matériaux (tous deux montrent la pièce après le 10e cycle). La qualité de la pièce du moule Digital ABS est bien inférieure : le moule a commencé à surchauffer et se dégrader, tandis que le moule Somos PerFORM restait stable.

	Digital ABS Plus †	Somos PerFORM ‡
Pièces en matériau « facile » *	50-100	100-200
Pièces en matériau « difficile » **	5-30	30-50

^{* Polypropylène (PP)
** Polyamide chargé fibres de verre (PA GF)
† Source : Promolding
‡ Source : Wehl & Partner}

Résumé & Conclusions

Le moulage par injection est une application d'outillage très exigeante : le matériau doit avoir à la fois haute rigidité et capacité à opérer à températures élevées.

Material Jetting et SLA sont les seuls procédés d'impression 3D capables de produire la précision dimensionnelle et la finition de surface requises pour applications industrielles. Nous avons comparé deux matériaux (un par procédé) utilisés pour fabriquer des moules d'injection faible série imprimés 3D.

Même si le Digital ABS Plus est excellent pour la plupart des applications fonctionnelles, la rigidité supérieure et les propriétés thermiques supérieures du Somos PerFORM le rendent plus adapté à la fabrication de moules. Cela se voit au nombre de pièces que chaque moule peut produire.

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Règles empiriques

• Si très haute précision et finition lisse sont requises, Material Jetting et SLA sont les procédés les plus adaptés pour la fabrication de moules.
• Pour conserver leur précision sur plusieurs cycles, les matériaux d'impression 3D pour moules d'injection doivent avoir une haute rigidité.
• Un HDT élevé permet l'utilisation de températures de moule plus élevées pendant le traitement.