Comment l'impression 3D améliore la fabrication de moules : avantages et innovations

Traditionnellement, les processus de production les plus utilisés dans l'industrie ont été classés en deux grands groupes : la fabrication soustractive, principalement représentée par l'usinage CNC, et la fabrication formative ou par moulage, représentée par le moulage par injection et la fonderie à cire perdue. Les deux groupes ont coexisté jusqu'à aujourd'hui, et le choix de l'un ou l'autre a principalement dépendu de la complexité de la pièce, du matériau choisi ou du volume de fabrication.

Ces derniers temps, dans l'industrie, un troisième groupe s'est frayé un chemin jusqu'à coexister avec les deux précédents : la fabrication additive ou impression 3D. Excepté dans des cas très spécifiques ou des applications très précises, actuellement tant la fabrication soustractive qu'additive et formative supportent un grand nombre de matériaux communs et sont capables de produire des pièces hautement complexes. C'est pourquoi bien souvent le critère de sélection de l'un ou l'autre se base principalement sur le coût de production.

Image 1 : Courbes de coût unitaire selon le volume de production. Source : 3Dhubs.com

Dans les faibles ou moyens volumes de production, le moulage ne peut pas rivaliser avec la fabrication additive et l'usinage CNC, principalement en raison des coûts élevés d'amortissement des équipements et de la nécessité de moules coûteux. Cependant, lorsqu'il s'agit de fabrication de masse, le moulage est le roi incontesté.

La formation par moulage nécessite la fabrication de moules pour le moulage par injection, et de négatifs en cire sacrificiels dans le cas du moulage à cire perdue, qui à leur tour nécessitent aussi des moules ou des méthodes CNC pour leur production. Et c'est pourquoi l'usinage CNC reste nécessaire même dans les processus de formation par moulage, car traditionnellement c'a été la méthode la plus courante dans la production de moules réutilisables.

Image 2 : Moule de moulage par injection. Source : https://commons.wikimedia.org/

Image 3 : Modèle en cire pour moulage à cire perdue. Source : https://commons.wikimedia.org/

Mais que peut apporter l'impression 3D au moulage ?

Fonderie à cire perdue (Investment Casting)

Le moulage à cire perdue consiste à appliquer un revêtement céramique sur un modèle en cire sacrificiel et le calciner pour obtenir le moule de cette façon. C'est un processus largement utilisé dans la fabrication de composants mécaniques en fonte en raison de sa haute précision et du fait qu'il permet la production de formes hautement complexes.

Le principal inconvénient de ce processus est que le moule est détruit lors du retrait de la pièce, il est donc nécessaire de créer un modèle en cire et un moule pour chaque pièce.

Vidéo 1 : Processus de fonderie à cire perdue. Source : Niagara Investment Castings

Pour produire les modèles en cire, un moule permanent est requis, généralement usiné en aluminium par CNC. Cela signifie que pour des faibles volumes de production, les coûts s'envolent. Une autre alternative est d'utiliser l'usinage CNC pour produire les modèles en cire dans le cas de prototypes ou de fabrication de quelques unités, mais bien que les coûts soient réduits, cela nécessite des équipements coûteux et a certaines limitations concernant les pièces complexes.

C'est ici que l'impression 3D peut signifier un changement de paradigme. D'une part, le développement de nouveaux matériaux calcinables pour l'impression SLA et FDM permet de remplacer les modèles en cire traditionnels par des modèles polymères imprimés en 3D. Cela suppose une série d'avantages non seulement au niveau des coûts de production des modèles, mais aussi en gain de temps et d'agilité lors de l'introduction de nouveaux produits ou de la correction de défauts. De plus, les modèles fabriqués par impression 3D ont une résistance bien supérieure à la cire, minimisant la possibilité de les casser ou de causer des défauts lors de la manipulation.

Aujourd'hui, pratiquement tous les fabricants de résines ont des matériaux calcinables de haute qualité comme la résine calcinable de Formlabs ou le ZWax d'Uniz. Cela a fait que l'impression 3D SLA a largement remplacé l'utilisation de la cire dans certains secteurs comme la joaillerie, où l'utilisation d'imprimantes comme la Form 3 est courante.

Image 3 : Modèles de joaillerie imprimés en 3D pour fonderie à cire perdue. Source : Formlabs

Malgré cela, dans d'autres secteurs comme l'industrie, les modèles en cire sont encore courants, peut-être en raison du besoin de grands modèles. Aujourd'hui, l'apparition d'imprimantes 3D SLA à grand volume comme la Form 3L ou l'UniZ zSLTV, ainsi que le développement de filaments calcinables comme le PolyCast, font que la limitation de taille est de moins en moins importante et que les secteurs industriels peuvent bénéficier des avantages de la substitution des modèles 3D aux modèles en cire.

Vidéo 2 : Utilisation du filament Polycast. Source : Polymaker.

Cependant, la production de modèles en cire est également régie par le graphique de la Figure 1, atteignant un point où le coût de fabrication des modèles en cire à l'aide d'un moule est plus rentable que la production des modèles par impression 3D. Et même ici, l'impression 3D a beaucoup à offrir. La basse température de fusion de la cire signifie que les moules traditionnels en aluminium ou acier peuvent être remplacés par des moules imprimés en 3D, avec l'économie significative en coûts économiques et temporels que cela implique.

Image 4 : Form 3L. Source : Formlabs

Moulage par injection

Le moulage par injection est un processus de fabrication formative dans lequel du plastique moulé sous pression est injecté dans un moule amovible et laissé refroidir et se solidifier à l'intérieur.

Traditionnellement, l'utilisation de l'impression 3D dans la fabrication de moules d'injection a été considérée comme inenvisageable. Cela a été dû à deux raisons principales : la faible résistance thermique des polymères utilisés en impression 3D et la rugosité de surface inhérente à l'impression 3D SLS métal.

Aujourd'hui, l'impression 3D ne peut pas remplacer complètement les moules d'injection usinés par CNC, cependant le développement de matériaux d'impression 3D SLA à haute résistance thermique et mécanique a ouvert la porte à l'utilisation de moules imprimés en 3D.

Un exemple est la résine High Temp de Formlabs, capable de supporter des températures de presque 300 °C sous une pression de 0,45 MPa. Ses hautes propriétés thermomécaniques, conjointement avec la haute résolution et l'excellente finition de surface de la technologie SLA, en font un matériau idéal pour la fabrication de moules.

Image 5 : Moule d'injection fabriqué par impression 3D SLA. Source : 3Dhubs

Pour cette raison, l'impression 3D peut être un excellent complément dans la production de moules d'injection. D'une part, elle permet la production de moules économiques pour petites séries, et d'autre part, elle aide à vérifier la conception des moules métalliques avant de les usiner. Ce dernier point est d'une grande importance, car corriger un défaut dans un moule usiné nécessite des processus de rectification et même l'usinage complet d'un nouveau moule, ce qui entraîne une augmentation significative des coûts et un retard de production.

Moules en silicone et thermoformés

Les moules en silicone et thermoformés sont des moules à une pièce largement utilisés en pâtisserie, cuisine, joaillerie ou cosmétique.

Il s'agit de moules très économiques et de fabrication très simple. Ils sont flexibles ou semi-flexibles pour faciliter le démoulage, principalement utilisés avec des matériaux non fondants ou à basse température de fusion comme le chocolat, les résines, les ciments, etc.

Image 6 : Moules en silicone. Source : wikipedia

Image 7 : Moule thermoformé. Source : Mayku

Ce sont peut-être le type de moule le plus courant et que nous avons tous utilisé à un moment donné, par exemple pour faire des glaçons, des chocolats ou des muffins.

Cependant, leur utilisation ne se limite pas à la pâtisserie domestique, mais ils sont largement utilisés en joaillerie pour fabriquer des composants de bijoux en résine, ou dans l'art et la décoration pour produire des éléments en ciment et plâtre.

Malgré la simplicité de leur fabrication, le seul moyen de faire les moules est d'avoir un modèle original à utiliser comme patron, et c'est là que l'impression 3D devient utile.

L'impression 3D fournit la capacité d'obtenir des modèles personnalisés, rapidement et à moindre coût pour les utiliser comme patrons dans la production de moules en silicone et thermoformés. Cela, conjointement avec la disponibilité d'équipements de thermoformage peu coûteux comme le Mayku Formbox, rend possible pour les petites pâtisseries, joailleries et artisans de produire leurs propres moules personnalisés simplement et économiquement, apportant une valeur ajoutée à leurs produits.

Vidéo 3 : Thermoformage avec Mayku Formbox. Source : Mayku

L'impression 3D n'est pas seulement une ressource utile pour réduire les coûts dans les faibles volumes de production, mais même dans les grandes productions, où l'utilisation de moules est essentielle, l'impression 3D s'est avérée être une technologie très utile qui peut aider à leur fabrication ou dans certains cas même les remplacer.